Forskere udvikler DNA-baserede elektroniske enheder med én elektron

Naturen har inspireret generationer af mennesker, tilbyder et væld af forskellige materialer til innovationer. Et sådant materiale er arvens molekyle, eller DNA, takket være dens unikke selvsamlende egenskaber. Forskere ved Nanoscience Center (NSC) ved Jyväskylä Universitet og BioMediTech (BMT) fra Tampere Universitet har nu demonstreret en metode til at fremstille elektroniske enheder ved at bruge DNA. DNA'et i sig selv har ingen del i den elektriske funktion, men fungerer som et stillads til at danne en lineær, perlehalskæde-lignende nanostruktur bestående af tre guld-nanopartikler.

Arten af ​​elektrisk ledning i materialer på nanoskala kan afvige meget fra almindelige, metalliske strukturer i makroskala, som har utallige frie elektroner, der danner strømmen, hvilket gør enhver effekt af en enkelt elektron ubetydelig. Imidlertid, selv tilføjelsen af ​​en enkelt elektron til et stykke metal på nanoskala kan øge dets energi nok til at forhindre ledning. Denne form for tilføjelse af elektroner sker normalt via en kvantemekanisk effekt kaldet tunnelering, hvor elektroner tunnelerer gennem en energibarriere. I dette studie, elektronerne tunneleret fra elektroden forbundet til en spændingskilde, til den første nanopartikel og videre til den næste partikel og så videre, gennem hullerne mellem dem.

"Sådanne enkelt-elektronenheder er blevet fremstillet inden for skalaen af ​​titusinder af nanometer ved at bruge konventionelle mikro- og nanofremstillingsmetoder i mere end to årtier, " siger universitetslektor Jussi Toppari fra NSC. Toppari har allerede undersøgt disse strukturer i sit ph.d.-arbejde.

"Svagheden ved disse strukturer har været de kryogene temperaturer, der er nødvendige for, at de kan fungere. Normalt, driftstemperaturen for disse enheder opskaleres, når størrelsen af ​​komponenterne falder. Vores ultimative mål er at få enhederne til at fungere ved stuetemperatur, hvilket næppe er muligt for konventionelle nanofabrikationsmetoder - så nye spillesteder skal findes."

Moderne nanoteknologi giver værktøjer til at fremstille metalliske nanopartikler med en størrelse på kun få nanometer. Enkeltelektronenheder fremstillet af disse metalliske nanopartikler kunne fungere helt op til stuetemperatur. NSC har lang erfaring med at fremstille sådanne nanopartikler.

"Efter fremstilling, nanopartiklerne flyder i en vandig opløsning og skal organiseres i den ønskede form og forbindes med hjælpekredsløbet, " forklarer forsker Kosti Tapio. "DNA-baseret selvsamling sammen med dens evne til at blive forbundet med nanopartikler tilbyder et meget velegnet værktøj til dette formål."

Guld nanopartikler er knyttet direkte i den vandige opløsning på en DNA-struktur designet og tidligere testet af de involverede grupper. Hele processen er baseret på DNA-selvsamling, og giver utallige strukturer inden for et enkelt plaster. Klare strukturer er yderligere fanget til målinger af elektriske felter.

"DNA'ets overlegne selvsamlingsegenskaber, sammen med dens modne fremstillings- og modifikationsteknikker, tilbyder en bred vifte af muligheder, " siger lektor Vesa Hytönen.

Elektriske målinger udført i denne undersøgelse viste for første gang, at disse skalerbare fremstillingsmetoder baseret på DNA-selvsamling kan bruges effektivt til at fremstille enkeltelektronenheder, der fungerer ved stuetemperatur.

Forskningen bygger på et langsigtet tværfagligt samarbejde mellem de involverede forskningsgrupper. Ud over ovennævnte personer, Dr. Jenni Leppiniemi (BMT), Boxuan Shen (NSC), og Dr. Wolfgang Fritzsche (IPHT, Jena, Tyskland) bidrog til forskningen. Undersøgelsen blev offentliggjort den 13. oktober 2016 i Nano bogstaver . Samarbejdsrejsefinansiering blev opnået fra DAAD i Tyskland.