Här beskriver vi ett protokoll för att skapa diskreta och exakta oorganiska nanostrukturer på substrat med hjälp av DNA origami former som vägledande mallar. Metoden demonstreras genom att skapa plasmoniska guld bowtie-formade antenner på ett transparent substrat (safir).
Strukturell DNA nanoteknik ger en livskraftig väg för att bygga nerifrån och upp med hjälp av DNA som byggmaterial. Den vanligaste DNA nanotillverkning tekniken kallas DNA origami, och det möjliggör hög genomströmning syntes av noggranna och mycket mångsidiga strukturer med nanometer-nivå precision. Här är det visat hur den rumsliga informationen av DNA origami kan överföras till metalliska nanostrukturer genom att kombinera bottom-up DNA origami med konventionellt används uppifrån och ner litografi metoder. Detta möjliggör tillverkning av miljarder små nanostrukturer i ett steg på utvalda substrat. Metoden visas med bowtie DNA origami för att skapa metalliska bowtie-formade antenn strukturer på kisel nitrid eller safir substrat. Metoden bygger på selektiv tillväxt av ett kiseloxid skikt ovanpå origami deposition substrat, vilket resulterar i en mönkning mask för följande litografiska steg. Dessa nanostrukturutrustade ytor kan användas ytterligare som molekylära sensorer (t. ex. ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS)) och i diverse andra optiska tillämpningar vid det synliga våglängdsområdet på grund av de små funktions storlekarna (sub-10 nm). Tekniken kan utökas till andra material genom metodändringar. Därför kan de resulterande optiskt aktiva ytorna finna användning i utvecklingen av metamaterial och metasurfaces.
Strukturell DNA nanoteknik har snabbt utvecklats under det senaste decenniet1,2, och den mest inflytelserika utvecklingen på området har utan tvekan varit uppfinningen av DNA origami3,4. DNA origami tekniken tillåter tillverkning av praktiskt taget alla nanoform med exakta strukturella funktioner3,4. Denna kraftfulla metod kan användas i (sub) nanometer-exakta rumsliga arrangemang och förankring av andra nano-objekt, såsom kolnanorör5, metall nanopartiklar6,7,8, 9, enzymer/proteiner10,11,12,13 och terapeutiska material14,15,16,17 . Viktigare, dessa strukturer är inte bara statiska, men de kan också programmeras att agera på ett dynamiskt sätt18,19. De otaliga tillämpningar av DNA origami sträcker sig från läkemedelsleverans20,21,22 till molekylär elektronik/plasmonics5,23,24, 25 och från materialvetenskap26,27 till ny avbildning och kalibrerings tekniker28.
Förutom de tillämpningar som nämns ovan, kan den extrema rumsliga upplösningen av DNA origami former utnyttjas i nanopatterning och delikat nanoskala litografi29,30. Detta protokoll beskriver en litografi metod för att skapa diskreta och exakta oorganiska nanostrukturer på substrat med hjälp av DNA origami mallar. Dessa mallar kan produceras effektivt i olika former och i stora mängder31, och deponeras utan ansträngning på valda substrat i stora skalor32. Dessa egenskaper tillåter en mycket parallell tillverkning av miljarder nanostrukturer i ett steg i motsats till vanliga men ganska långsam elektronstråle litografi eller andra scanning-baserade nanotillverkning tekniker.
Häri, tillverkningsprocessen visas genom att skapa guld bowtie-formade strukturer på kisel nitrid och safir substrat; med andra ord, den rumsliga informationen av DNA origami överförs till helt metalliska nanostrukturer. Som diskuteras här, tekniken är inte begränsad till den valda bowtie DNA origami struktur eftersom metoden möjliggör användning av praktiskt taget alla DNA origami form. Dessutom, med metodiska modifieringar, kan tekniken utökas till olika metaller och substrat som banar väg mot tillverkning av metasurfaces33.
Ytorna mönstrade med DNA origami-medierad tillverkning kan fungera som mångsidiga sensorer; de kan till exempel användas i ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS). Som ett resultat av de små dimensionerna hos de enskilda nanoformerna kan de skapade ytorna finna användningar i optiska och plasmoniska tillämpningar vid det synliga våglängdsområdet.
Protokollet ger stor frihet och noggrannhet i form av producerade nanostrukturer. Genom att ändra utformningen av DNA origami, form av metall nanostrukturer kan styras. Den slutliga, exakta formen av metallkonstruktioner är dessutom bestäms av masken tillväxt steg (steg 9) och i mindre grad av masken etsning (steg 10) bör det inte vara Anisotrop. Om maskens tillväxt tid förlängs tillräckligt, kommer hålen i masken att börja bli stängda. Detta kan användas för att utelämna de tunnaste dragen i vissa strukturer och kontroll gap storlekar, som visas i Shen et al.34 med separerade trianglar av bowtie origami (Figur 5b). Omvänt, tunnare former kan bevaras bättre genom att förkorta oxid tillväxt tid. Detta innebär att det är möjligt att finjustera de optiska egenskaperna som visas i figur 6, inte bara genom att ändra den använda origami design, men också genom att trimma Sio2 film tillväxt.
Om mask tjockleken ändras avsevärt, måste denna förändring också återspeglas i SiO2 steg. Endast ett mycket tunt skikt av SiO2 bör etsad (2-5 nm) att knappt tränga igenom maskhålen. Detta är den känsligaste och mest avgörande delen av hela processen. Eftersom etsning tiden är extremt kort, bara 10-20 s, måste exakta inställningar experimentellt bestäms när första försöket med ny utrustning. Detta gäller även för steg 10,4 som vissa SiO2 är också etsad under a-Si etsning. Omfattningen av etsad SiO2 bestäms av selektiviteten hos de använda a-Si etch parametrar, utrustning och även individuell utrustning kalibreringar. Försiktighet bör iakttas för att inte etch bort hela SiO2 -skiktet under dessa två processer.
Ett annat känsligt steg är SiO2 -tillväxten. Tillväxtprocessen är beroende av både kammar fuktigheten och den aktuella aktiviteten hos de använda TEOS. TEOS försämras när det adsorber vatten från luften, vilket gör att det blir mindre effektivt med åldern. Detta kan manifestera som en betydligt långsammare, mindre kontrollerbar tillväxttakt inom månader även med korrekt lagring av kemikalien. 34 om det resulterande Sio2 -skiktet är tunnare än avsett, kan detta tyda på ett problem med Teos snarare än kammar luftfuktighet. Även en lägre luftfuktighet kan också resultera i lägre tillväxttakt och tunnare film, den resulterande filmen bör också vara smidigare än normalt. Under tiden ett grovt kornigt och grovt skikt skulle omvänt indikerar ett problem med hög luftfuktighet.
Det är också möjligt att utföra detta protokoll på alla andra fritt valda substrat med två krav: det måste tolerera både HF etsning (steg 12) och 200-300 ° c temperaturer av PECVD (steg 6). Temperaturen kan sänkas på ett säkert sätt till 100 ° c för PECVD av a-Si om ett känsligare substrat används, men HF kan inte undvikas om protokollet följs exakt enligt beskrivningen. För att kringgå HF, skulle tillämpningen av ett ytterligare offer skikt krävas. Om kravet på HF etsning avlägsnas, skulle detta protokoll bli förenligt med ett bredare urval av substratmaterial och metaller.
Eftersom detta protokoll består av vanligt förekommande och robusta mikro-och nanotillverkning processer, kan det kombineras med valfritt antal andra mikrofabrikationsprotokoll där små funktions storlekar och komplexa metall former önskas. Inom en snar framtid, särskilt med det kommande av låg kostnad DNA origami massproduktion31, det finns potential för denna metod för att underlätta både allmän användning och hög genomströmning nanopatterning för gränssnittsbaserad nanofotonik och plasmonik55 .
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av Finlands Akademi (projekten 286845, 308578, 303804, 267497), Jane och Aatos Erkkos stiftelse samt Sigrid Jusélius stiftelse. Arbetet utfördes under Academy of Excellence-programmet (2014 – 2019). Vi erkänner tillhandahållandet av faciliteter och teknisk support av Aalto-universitetets bioekonomi anläggningar och OtaNano – Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC) och Micronova Nanofabrication Center.
Acetone | Honeywell | 40289H | Semiconductor grade ULSI, ≥ 99.5 % |
Agarose | Fisher Bioreagents | 1036603 | Low-EEO, multi-purpose and molecular biology grade |
Ammonium hydroxide | Fisher Chemical | 10652251 | 25 % ammonia solution, Certified AR for Analysis, d = 0.91 |
BRANSON 5510 | Branson | Ultrasonic bath | |
Dimension Icon | Bruker | Atomic force microscope | |
Electron-beam evaporator IM-9912 | Instrumentti Mattila | Evaporator for PVD | |
Ethidium bromide | Sigma Aldrich | E8751 | Fluorescent dye for DNA staining |
Eon Microplate spectrophotometer | BioTek | UV/Vis spectrophotometer used for DNA origami concentration measurements | |
Gel Doc XR+ Documentation System | BioRad | Gel imaging system | |
Gel Loading Dye, Blue (6×) | New England Biolabs | B7021S | Bromophenol blue-based loading dye for agarose gel electrophoresis |
G-storm GS1 Thermal cycler | Gene Technologies | ||
HBR 4 | IKA | Heating bath | |
Hydrofluoric acid | Honeywell | 40213H | Semiconductor grade, 49.5-50.5 % |
Isopropanol | Honeywell | 40301H | Semiconductor grade VLSI, ≥ 99.8 % |
Magnesium chloride | Sigma Aldrich | M8266 | Anhydrous, ≥ 98 % |
Mini-Sub Cell GT Horizontal Electrophoresis System | BioRad | ||
Plasmalab 80+ PECVD | Oxford Instruments | PECVD system | |
Plasmalab 80+ RIE | Oxford Instruments | RIE system | |
Poly(ethylene glycol) | Sigma Aldrich | 89510 | BioUltra, 8,000 |
PowerPac HC High-Current Power Supply | BioRad | ||
Sapphire substrate (Al2O3) | University Wafer | Thickness: 430 μm, Polish: DSP, Size: 50.8 mm | |
Sigma VP | Zeiss | Scanning electron microscope | |
Silica gel | Merck | 1019691000 | With indicator (orange gel), granulate ~1-3 mm |
Single-stranded Scaffold DNA, type p7249 | Tilibit Nanosystems | At 100 nM concentration | |
Sodium chloride | Sigma Aldrich | S9888 | ACS reagent, ≥ 99.0 % |
Staple strands (oligonucleotides) | Integrated DNA Technologies | Sequences can be ordered e.g. at 100 micromolar in Rnase-free water | |
TAE buffer (50×) pH 8.0 | VWR Chemicals | 444125D | Electran Electrophoresis grade |
Take3 micro-volume plate | BioTek | Used for DNA origami concentration measurements | |
Tetraethyl orthosilicate | Sigma Aldrich | 86578 | ≥ 99.0 % (GC) |