近日，化学化工学院朱志教授与北京大学电子学院孙伟研究员合作，在超小周期DNA阵列的低缺陷组装方面取得新进展，相关成果以“Suppressing high-dimensional crystallographic defects for ultra-scaled DNA arrays”为题发表在Nature Communications（DOI：10.1038/s41467-022-30441-1）。
高分辨三维纳米加工技术是先进节点半导体器件发展的基石，特别是面向未来亚1纳米器件节点的需求，需要批量制备具有亚10纳米特征周期的低缺陷模板。自组装技术，特别是核酸自组装，具有突破极紫外光刻分辨率极限的潜力，并已初步应用于制备10-20纳米特征周期的碳基、硅基器件。但在亚10纳米特征周期下，熵致高维晶格缺陷（如线位错或者晶界）大量出现，制约了自组装结构的完整度和正确性。
本研究以周期性DNA阵列结构作为模型体系，对DNA结构的高维缺陷进行了研究。研究发现，随着序列周期的不断缩减，高维缺陷率显著上升。当序列周期为8.2 nm时，缺陷率高达70%；当序列周期为15.3 nm时，缺陷率显著降低至1.7%。缺陷率与DNA阵列的序列周期成负相关，而与DNA阵列的碱基设计、形貌设计无关。研究团队认为，这与DNA单链的缺陷生长动力学密切相关。随着周期的减小，大量自由摆动的DNA单链更容易嵌入到相邻周期的晶格，进而阻碍DNA阵列的正确组装，形成高维晶格缺陷。对组装动态过程的分析表明，高维缺陷在成核时期已经出现，并且随着自组装过程不断积累。为了抑制亚10纳米周期的高维晶格缺陷，该研究提出不对称周期策略，通过在相邻的重复单元引入正交核酸序列，在不改变形貌周期（7.5 nm）的基础上增加结构单元的序列周期（15 nm）。结果表明，7.5 nm周期的DNA阵列，其缺陷率可以比传统设计策略降低两个数量级以上（低于1%），并且结构的形貌周期远优于下一代极紫外光刻的极限特征尺寸。以低缺陷的核酸结构作为模板，可实现亚20纳米以内、高密度的三维金属线条阵列（如钯、镍）的构筑。
研究工作在朱志教授和孙伟研究员的共同指导下完成，“2011计划”2021届博士生陈雅鸿（现为北京大学博雅博士后）为论文第一作者。该研究得到国家重点研发计划（2021YFF1200300、2020YFA0714703、2021YFA0909400）、国家自然科学基金（21991134、21875003、T2125001、21974113、21735004）、中央高校基本科研基金（20720210001）等资助。
论文链接：http://www.nature.com/articles/s41467-022-30441-1
（化学化工学院）
