Geordnete DNA-Origami-Gitter auf Siliziumoberflächen für die molekulare Lithographie

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Adrian Keller
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469036492

DNA-Origami-Nanostrukturen werden weithin als Template für die Synthese funktionaler Materialien eingesetzt. Von den zahlreichen in der Literatur beschriebenen Methoden hat sich die molekulare Lithographie als besonders vielseitig erwiesen, da sie den Transfer der DNA-Origami-Formen in fast beliebige anorganische Materialien ermöglicht. Hier werden die DNA-Origami-Nanostrukturen als Masken für die räumlich selektive Entfernung oder Deposition von Material genutzt, beispielsweise mittels HF-Ätzen oder chemischer Gasphasenabscheidung (CVD). So wurde ein Formtransfer in verschiedene Metall-, Oxid- und Halbleiternanostrukturen erreicht. Viele Anwendungen in der Nanoelektronik, Plasmonik und Sensorik erfordern jedoch zusätzlich die kontrollierte Anordnung der erzeugten Nanostrukturen in vordefinierte Arrays, Gitter oder Schaltkreise. Unglücklicherweise erwies sich die räumlich kontrollierte DNA-Origami-Deposition auf relevanten Substratoberflächen jedoch als Herausforderung. Während sich hochgeordnete DNA-Origami-Gitter recht einfach durch kompetitive Kationenbindung an Glimmer-Elektrolyt-Grenzflächen assemblieren lassen, konnten derartige Gitter bisher nicht auf technologisch relevanteren Substratmaterialien wie SiO2 erzeugt werden. Dies liegt in erster Linie daran, dass Glimmer eine sehr glatte Oberfläche mit einer außergewöhnlich hohen und pH-unabhängigen Oberflächenladungsdichte hat. Dieses Projekt wird deshalb die molekularen Mechanismen der Adsorption und Mobilität von DNA-Origami-Nanostrukturen an SiO2-Oberflächen aufklären, Wege zur stimulierten Selbstassemblierung von DNA-Origami-Gittern identifizieren und den Einsatz derartiger Gitter in der molekularen Lithographie demonstrieren. Die Effekte des Oberflächenpotentials und der Oberflächenrauheit auf die DNA-Origami-Adsorption und -Oberflächendiffusion werden in situ in Abhängigkeit von Ionenzusammensetzung und pH des Elektrolyten untersucht werden mittels Hochgeschwindigkeitsrasterkraftmikroskopie in Kombination mit automatisierter topologischer Bildanalyse. Hierdurch werden wir nicht nur die physikochemischen Faktoren aufdecken, die die DNA-Origami-Adsorption und -Mobilität an SiO2-Oberflächen beeinflussen, sondern auch einzelne Parameter rational anpassen können um die hierarchische Selbstassemblierung von geordneten DNA-Origami-Gittern mit gewünschter Symmetrie zu fördern. Schließlich werden wir das große Potential dieses Ansatzes verdeutlichen indem wir die assemblierten DNA-Origami-Gitter mittels CVD in SiO2-Ätzmasken transferieren und diese für die nachfolgende Herstellung nanostrukturierter plasmonischer Goldschichten nutzen. Darüber hinaus wird dieser Ansatz aber auch Einsatzmöglichkeiten in vielen anderen Anwendungsgebieten wie dem Nanomagnetismus oder der Katalyse finden. Die in diesem Projekt gewonnenen Einsichten werden weiterhin auch für die Assemblierung geordneter DNA-Origami-Gitter auf anderen relevanten Materialien wie Glas, SiC oder Si3N4 von Nutzen sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen