Science：DNA做模板，让CNT好好排队制造高性能晶体管

在生物体中，脱氧核糖核酸（DNA）是合成RNA和蛋白质的模板；或许受到了这一生命现象的启发，近年来，DNA经常被用作模板来引导纳米材料的形貌可控合成和有序排列。

说起DNA模板的优势真的有很多，比如热力学上的稳定性、机械刚性，可以形成球形、环形等不同的拓扑结构。DNA具有的完善和严密的分子识别功能，使得其组装过程具有高度选择性。利用现代生物学和分子生物技术，可以将DNA裁剪成不同的序列、长度和形状，也可以用不同种类官能团进行化学修饰，为制备具有特定性质和要求的纳米器件提供了可能。

DNA模板示意图。图片来源：Chem. Soc. Rev.^[1]

近日，北京大学孙伟研究员（点击查看介绍）课题组、厦门大学朱志教授（点击查看介绍）课题组与合作团队在Science 杂志发表文章，利用以DNA为模板的平行碳纳米管（CNT）阵列，探索出高性能碳纳米管晶体管的制造方法。^[2] 这个方法好在哪呢？我们还要从场效应晶体管（FET）说起。

场效应晶体管是一种通过栅极的调控改变源漏电极间电流的大小使其呈现开态和关态的元件，其核心就是沟道的半导体部分。传统的场效应晶体管基于硅材料，“摩尔定律”仿佛一道神奇的光环，见证着硅基晶体管尺寸越来越小、集成度越来越高。但是进入21世纪后，维持摩尔定律越来越难，需要不断引入新的结构和材料，比如在90 nm节点时提出的应变硅技术，22 nm技术节点时使用鳍式晶体管结构等。如今，晶体管技术正在面临即将到达其物理极限的事实，而碳纳米管（CNT）有望成为下一代亚10 nm场效应晶体管的材料。

场效应晶体管。图片来源：维基百科^[3]

与传统的纳米加工手段相比，基于DNA等生物模板自组装结构具有精细的三维形貌，可以实现半导体的形貌可控制备，而且所得结构的分辨率也更高，理论上基于这种生物自组装结构的电子器件性能更好。然而，目前基于生物模板的电子器件其性能往往远落后于通过光刻等传统方法制备的同类器件。缺乏长程有序和规整性，是制约生物模板制备高性能电子器件的最大障碍。哈佛大学团队领导的一项最近的研究报道了以DNA为模板制备CNT自组装结构的新突破^[4]，他们用单链DNA包裹CNT，并将它们与DNA折纸（DNA origami）结构通过DNA杂交相结合，基于DNA折纸结构的纳米沟槽，这些CNT可以很好的组装形成平行CNT阵列，管间间距均匀且低至10.4纳米。不过，这种CNT自组装结构中存在高浓度的DNA和金属离子，影响了这种平行半导体CNT阵列的性能。

北京大学和厦门大学的研究团队使用这种以DNA为模板的平行CNT阵列为模型体系，开发出一种基于固定-洗脱（rinsing-after-fixing）处理的界面工程方法来大幅提升其性能。首先，通过沉积金属带将以DNA为模板的平行CNT阵列固定在硅晶片上；随后，依次用水和低浓度的双氧水洗脱，以除去CNT表面缠绕的单链DNA、DNA模板和高浓度金属盐（下图A）。洗脱过程不会破坏CNT的间距和有序排列（下图B）。经过处理的平行CNT阵列，依次加工源漏电极、介电层和栅极，完成碳基FET的制备。

以DNA为模板的CNT阵列固定-洗脱处理及含ssDNA的FET制备示意图。图片来源：Science

当沟道中存在DNA分子时，会严重影响器件的性能。研究者在沟道中人工添加了单链DNA分子，制备了含DNA的晶体管（上图C）。在漏-源偏压（V_ds）为-0.5 V时，所制备的一个典型的多通道含DNA的CNT FET（上图D），阈值电压（V_th）为约-2 V，开态电流密度（I_on）为50 μA/μm（栅-源偏压V_gs为-3 V），亚阈值摆幅为146 mV/dec，峰值跨导（g_m）为23 μS/μm，开态电导率（G_on）为0.10 mS/μm。而对于不含DNA的CNT FET（下图A），在V_ds为-0.5 V时，开态性能最好的多通道CNT FET（下图D），V_th为-0.26 V，I_on为154 μA/μm（V_gs为-1.5 V），亚阈值摆幅为100 mV/dec，g_m为370 μS/μm，G_on为0.31 mS/μm。使用同样的制造工艺，研究者还制备了多个不含DNA的单通道CNT FET。

退火前后转移特性曲线测试。图片来源：Science

在相似的沟道长度和V_ds下，研究者比较了这种新型无DNA多通道CNT FET与其他文献报道的CNT FET的性能。可以看到，与传统使用化学气相沉积（CVD）生长或高分子包裹CNT的薄膜FET相比，这种新型无DNA的CNT FET仍然具有良好的开态性能和快速的开关转换，表现出众（上图E）。

当把以DNA为模板的CNT阵列沉积到硅晶片上时，由于随机转动会造成DNA模板的随机取向，会导致大面积CNT阵列失去取向性。于是，研究者进一步结合光刻技术与嵌段共聚物定向组装技术，在硅片上预先用PMMA加工出凹槽，基于空间限域效应，使得DNA模板可以准确地进入并规则排列。这些DNA模板的角度分布为：56%相差仅±1°，90%相差仅±7°。DNA模板的长度和PMMA凹槽的长宽比，都会影响角度分布。

厘米级固定宽度的定向阵列制备。图片来源：Science

基于DNA模板法的高分辨生物制造技术，可以成功制备出高度有序的CNT阵列；界面工程方法可以在不改变CNT排列的前体下，有效除去界面处的金属离子、DNA等影响CNT晶体管性能的物质。这为进一步构建高性能碳基电子设备奠定了基础。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

DNA-directed nanofabrication of high-performance carbon nanotube field-effect transistors

Mengyu Zhao, Yahong Chen, Kexin Wang, Zhaoxuan Zhang, Jason K. Streit, Jeffrey A. Fagan, Jianshi Tang, Ming Zheng, Chaoyong Yang, Zhi Zhu, Wei Sun

Science, 2020, 368, 878-881, DOI: 10.1126/science.aaz7435

导师介绍

孙伟

https://www.x-mol.com/university/faculty/62359

朱志

https://www.x-mol.com/university/faculty/14205

参考文献：

1. DNA-templated nanofabrication. Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 329-337. DOI: 10.1039/B718440A

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2009/CS/B718440A#!divAbstract

2. 电子学系孙伟研究员课题组基于DNA模板的高性能碳纳米管晶体管研究取得重要进展

https://eecs.pku.edu.cn/info/1023/10494.htm

3. Lateral MOSFET

https://en.wikipedia.org/wiki/File:Lateral_mosfet.svg

4. Precise pitch-scaling of carbon nanotube arrays within three-dimensional DNA nanotrenches. Science, 2020, 368, 874-877, DOI: 10.1126/science.aaz7440

https://science.sciencemag.org/content/368/6493/874

（本文由小希供稿）