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

Während die Verwendung einzelner DNA-Origami-Nanostrukturen in der molekularen Lithografie zur Herstellung funktioneller Metall-Nanostrukturen gut etabliert ist, steht die Anwendung geordneter DNA-Origami-Gitter als Lithografie-Masken vor einigen Herausforderungen. In der ersten Phase dieses Projekts konnten wir die erfolgreiche Assemblierung von hexagonalen und fischnetzartigen DNA-Origami-Gittern auf oxidierten Siliziumwafern demonstrieren. Es stellte sich jedoch heraus, dass die Qualität der Gitter stark von den angewandten Umgebungsbedingungen abhängt, wobei verschiedene DNA-Origami-Nanostrukturen unterschiedliche Protokolle für Assemblierung und die Überführung in den trockenen Zustand erfordern, sowie von der Art und Beschaffenheit der Oxidoberfläche. Darüber hinaus erfordert die Verwendung eines dicht gepackten DNA-Origami-Gitters anstelle einzelner Nanostrukturen umfangreiche Parameteroptimierungen bei den nachfolgenden Ätz- und Aufdampfschritten. Daher zielt die zweite Phase dieses Projekts darauf ab, die Komplexität der Herstellungspipeline zu reduzieren und ihre Robustheit zu erhöhen, indem diese Schritte durch eine flächenselektive elektrochemische Abscheidung (ASECD) ersetzt werden. Zu diesem Zweck werden leitfähige dünne TiO2-Schichten auf hochdotierten Siliziumoberflächen durch Atomlagenabscheidung (ALD) abgeschieden. Die Verwendung von ALD-TiO2-Schichten auf Silizium wird nicht nur die elektrochemische Metallabscheidung ermöglichen, sondern auch sehr reproduzierbare Substrate mit nahezu identischen Oberflächeneigenschaften liefern. Die Assemblierung von hexagonalen und fischnetzartigen Gittern auf diesen TiO2-Elektroden wird in Abhängigkeit von verschiedenen Umgebungsbedingungen untersucht werden. Die ASECD verschiedener Metall-Nanostrukturen auf den TiO2-Elektroden wird sowohl mit einem direkten als auch mit einem indirekten Ansatz untersucht. Bei der direkten ASECD werden verschiedene Metalle direkt in den Löchern der assemblierten DNA-Origami-Gitter abgeschieden. Bei der indirekten ASECD werden Metall-Nanostrukturen mit Hilfe von DNA-Origami-strukturierten selbstorganisierten Monolagen (SAMs) erzeugt. Die Ergebnisse dieses Projekts werden zu einer alternativen, weniger komplexen und robusteren Methode für die Herstellung geordneter Metall-Nanostruktur-Arrays führen, die die wichtigsten Einschränkungen des etablierten Verfahrens überwindet. Da ALD-TiO2-Schichten als Substrate für den Aufbau von DNA-Origami-Gittern verwendet werden, ist das Verfahren auch auf andere leitende Substrate wie Metall- oder Kohlenstoffelektroden übertragbar. Generell können so auch Metall-Metall- oder Metall-Metalloxid-Heterostrukturen hergestellt werden. Daher hat dieser Ansatz ein großes Potenzial für die Herstellung funktioneller Oberflächen, die nicht nur in der Optik und Plasmonik, sondern auch in der elektrochemischen Sensorik, Elektrokatalyse und Photovoltaik Anwendung finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen