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我国学者在生物自组装的高性能碳基晶体管领域取得进展
2020年06月03日    作者: 姜玮 梁振兴 张国俊 陈拥军    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金委系列项目(项目资助号:21875003,21991134, 61621061)资助下,我国学者在生物自组装的高性能碳基晶体管领域取得重要进展。相关研究成果以“DNA-directed nanofabrication of high-performance carbon nanotube field-effect transistors”(DNA导向的高性能碳纳米管晶体管的制备)为题,于2020年5月22日发表在Science(《科学》)上。

论文链接:https://science.sciencemag.org/content/368/6493/878

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图1.(左)通过优化DNA-碳纳米管界面组成,构筑基于DNA模板的高性能晶体管;(右)在厘米级基底表面,取向排列大规模、高密度阵列

生物分子自组装结构具有精细的三维形貌,其关键结构参数小于光刻等传统纳米加工手段的分辨率极限。利用自组装结构作为加工模板,目前已实现金属材料、碳基材料、氧化物材料的可控形貌合成。然而,基于微米尺度生物自组装模板的电学器件,其性能往往远落后于通过蚀刻或薄膜方法制备的同类器件,且缺乏长程取向规整性,因而制约了生物自组装模板在高性能器件中的应用。

近期,北京大学孙伟研究员与厦门大学朱志教授、清华大学唐建石研究员、美国国家标准与技术研究院郑明博士合作,探索了生物分子-碳纳米管复合界面中,不同化学组成对碳纳米管器件输运性质的影响,并研究了大面积取向排列生物分子-碳纳米管阵列的调控方法。

研究人员以组装于脱氧核糖核酸(DNA)三维单晶薄膜上的等间距、平行碳纳米管阵列作为模型体系,研究了界面生物分子对器件性能的影响,开发了一种基于固定-洗脱策略的界面工程方法,从而在不改变碳纳米管排列的基础上,有效地去除了界面处的金属离子及生物分子等杂质。经过界面工程,基于DNA模板的碳纳米管阵列晶体管显示了良好的开态性能和快速的电流开关切换,从而展现出具有高结构精准度的三维生物自组装在高性能晶体管领域的应用潜力。基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模板的空间限域效应,研究人员发展了DNA-碳纳米管组装结构的取向排列新方法,探讨了DNA模板长度、PMMA模板长宽比等决定取向排列精准度的关键因素,并在厘米级基底表面制备了高密度取向排列的DNA-碳纳米管阵列(图1)。该研究工作为构建大面积、小尺寸的高性能电子设备提供了一种新的制备方法,对电子-生物融合器件的应用具有重要意义。

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