The DNA double helix is inherently a nanoscale wire-like object, possessing a 2 nm diameter as well as a remarkable capability for molecular recognition and the interaction with other chemical compounds, thus making it an attractive material for biologically driven assembly of artificial nanostructures. In this work methods for the construction of functional electronic networks from single DNA molecules are presented. For this, (i) the generation of patterns of distinct interconnects between micro-fabricated contact pads are explored by stretching end-specifically thiol-functionalized, single-tethered DNA molecules using hydrodynamic flow as well as an electric field-induced thermal flow. (ii) These networks then serve as a template for a selective in-situ photoinduced nucleation and growth of platinum clusters of 4 nm diameter along the DNA molecules. In the synthesis exclusively platinum ions from an aqueous platinum nitrate solution bonded electrostatically to the backbone of the immobilized DNA can be reduced upon irradiation with UV light, while background metallization is inhibited. Furthermore, the metallization scheme is applied to DNA nanotubes and another photochemical deposition process is used to tune the interparticle gap space in a discontinuous platinum cluster chain to form conducting nanowires. The "process toolbox'' presented in this work offers a versatile alternative for the hierarchical patterning and incorporation of biotemplated nanomaterials into micro-/nanofabrication schemes. / Ein doppelhelikaler DNA-Strang besitzt mit seinem hohen Aspektverhältnis von Natur aus Ähnlichkeit mit einem Kabel. Zusammen mit seinen einzigartigen Selbstassemblierungseigenschaften sowie der Fähigkeit, mit einer Vielzahl von chemischen Stoffen eine Verbindung einzugehen, macht dies ihn zu einem aussichtsreichen Baumaterial für den Aufbau von künstlichen Nanostrukturen. In dieser Arbeit werden deshalb verschiedene Methoden für den Bau von elektronischen Schaltkreisen aus einzelnen DNA-Strängen demonstriert. Dazu wird (i) die Herstellung von Verdrahtungsmustern zwischen lithographisch gefertigten Kontaktstrukturen untersucht. Endständig mit Thiolgruppen funktionalisierte DNA-Moleküle, die an nur einem Ende mit der Oberfläche verknüpft sind, werden mittels Strömung oder eines elektrothermisch induzierten Flusses zwischen Elektroden gespannt. (ii) Diese Netzwerke dienen im Weiteren als Vorlage für ein selektives, lichtinduziertes Wachstum von Platinpartikeln mit Durchmessern von 4 nm lokal entlang der DNA-Moleküle. Dabei werden unter UV-Bestrahlung nur solche Platinionen reduziert, die aus einer Platinnitrat-Lösung elektrostatisch an die immobilisierte DNA angebunden haben. Partikelwachstum in der umgebenden Lösung wird weitgehend verhindert. Darüber hinaus wird dieses Verfahren auch auf DNA-Nanoröhren angewendet und ein weiterer photochemischer Abscheideprozess eingesetzt, um unterbrochene Clusterkettern zusammenzuwachsen, mit dem Ziel, elektrisch leitfähige Nanodrähte zu erhalten. Die vorgestellten Verfahren stellen eine vielseitige Alternative zu herkömmlichen, hierarchischen Fabrikationsschemen der Mikro- und Nanotechnologie dar.

No description available.

The DNA double helix is inherently a nanoscale wire-like object, possessing a 2 nm diameter as well as a remarkable capability for molecular recognition and the interaction with other chemical compounds, thus making it an attractive material for biologically driven assembly of artificial nanostructures. In this work methods for the construction of functional electronic networks from single DNA molecules are presented. For this, (i) the generation of patterns of distinct interconnects between micro-fabricated contact pads are explored by stretching end-specifically thiol-functionalized, single-tethered DNA molecules using hydrodynamic flow as well as an electric field-induced thermal flow. (ii) These networks then serve as a template for a selective in-situ photoinduced nucleation and growth of platinum clusters of 4 nm diameter along the DNA molecules. In the synthesis exclusively platinum ions from an aqueous platinum nitrate solution bonded electrostatically to the backbone of the immobilized DNA can be reduced upon irradiation with UV light, while background metallization is inhibited. Furthermore, the metallization scheme is applied to DNA nanotubes and another photochemical deposition process is used to tune the interparticle gap space in a discontinuous platinum cluster chain to form conducting nanowires. The "process toolbox'' presented in this work offers a versatile alternative for the hierarchical patterning and incorporation of biotemplated nanomaterials into micro-/nanofabrication schemes. / Ein doppelhelikaler DNA-Strang besitzt mit seinem hohen Aspektverhältnis von Natur aus Ähnlichkeit mit einem Kabel. Zusammen mit seinen einzigartigen Selbstassemblierungseigenschaften sowie der Fähigkeit, mit einer Vielzahl von chemischen Stoffen eine Verbindung einzugehen, macht dies ihn zu einem aussichtsreichen Baumaterial für den Aufbau von künstlichen Nanostrukturen. In dieser Arbeit werden deshalb verschiedene Methoden für den Bau von elektronischen Schaltkreisen aus einzelnen DNA-Strängen demonstriert. Dazu wird (i) die Herstellung von Verdrahtungsmustern zwischen lithographisch gefertigten Kontaktstrukturen untersucht. Endständig mit Thiolgruppen funktionalisierte DNA-Moleküle, die an nur einem Ende mit der Oberfläche verknüpft sind, werden mittels Strömung oder eines elektrothermisch induzierten Flusses zwischen Elektroden gespannt. (ii) Diese Netzwerke dienen im Weiteren als Vorlage für ein selektives, lichtinduziertes Wachstum von Platinpartikeln mit Durchmessern von 4 nm lokal entlang der DNA-Moleküle. Dabei werden unter UV-Bestrahlung nur solche Platinionen reduziert, die aus einer Platinnitrat-Lösung elektrostatisch an die immobilisierte DNA angebunden haben. Partikelwachstum in der umgebenden Lösung wird weitgehend verhindert. Darüber hinaus wird dieses Verfahren auch auf DNA-Nanoröhren angewendet und ein weiterer photochemischer Abscheideprozess eingesetzt, um unterbrochene Clusterkettern zusammenzuwachsen, mit dem Ziel, elektrisch leitfähige Nanodrähte zu erhalten. Die vorgestellten Verfahren stellen eine vielseitige Alternative zu herkömmlichen, hierarchischen Fabrikationsschemen der Mikro- und Nanotechnologie dar.

Structurally precision graphene nanoribbons (GNRs) have attracted great interest considering their prospective applications as organic carbon materials for nanoelectronics. The electronic properties of GNRs not only critically depend on the edge structure and width but also on the heteroatom type, doping position, and concentration. Motivated by the recent undisputable progress in the synthesis of stable boron-doped polycyclic aromatic hydrocarbons (B-PAHs), considerable efforts have been devoted to the precision synthesis of the corresponding boron-doped GNRs (B-GNRs) via bottom-up synthesis approach in recent years in view of the extraordinary ability of boron doping on modulating their physiochemical properties. In this review, an overview of the bottom-up organic synthesis of B-GNRs, including the precursor design and synthesis, structure characterization of the resulting B-GNRs, and investigation of their electronic properties is provided. Moreover, the future challenges and perspectives regarding the bottom-up synthesis of B-GNRs are also discussed. The authors hope that this review will further stimulate the synthesis and device integrations of B-GNRs with a combined effort from different disciplines.

Der Grundbaustein des Lebens, die Desoxyribonukleinsäure (DNS), ist aufgrund ihrer spezifischen Basenpaarung ein geeignetes Molekül, um stabile und vielfältige nano- beziehungsweise mikrometergroße Strukturen herzustellen. Diese selbstorganisierten DNS-Strukturen eignen sich als Grundeinheiten für die Ausrichtung anorganischer und organischer Materialien. Für die Synthese solcher DNS-Strukturen werden insbesondere die Kachel-basierte Assemblierung (engl. tile-based assembly, im Folgenden als Tile-basierte Assemblierung bezeichnet) oder die DNS-Origami-Methode verwendet. Die Tile-basierte Assemblierung beinhaltet die Verbindung einzelner DNS-Bausteine, den sogenannten Kacheln (engl. tiles), zu komplexeren DNS-Strukturen. Hingegen entspricht die DNS-Origami-Methode der Faltung eines langen einzelsträngigen DNS-Moleküls, dem sogenannten scaffold, anhand von hunderten kurzen Oligonukleotiden (Heftklammer-Oligomeren, engl. staple strands) hin zu einer entsprechenden Form. Hinsichtlich einer zukünftigen Erstellung von DNS-basierten, nanoelektronischen Systemen war das Ziel dieser Arbeit einheitliche zwei- (2D) und dreidimensionale (3D) DNS-Nanostrukturen herzustellen, Methoden für deren kontrollierte Vernetzung zu entwickeln sowie deren chemische Funktionalisierung mit Nanomaterialien und einer beispielhaften Integration in lithographisch gefertigten Mikrokontaktstrukturen durchzuführen. Hierfür war es notwendig, einen weiten Bogen zu spannen, welcher einerseits verschiedene Konstruktionsprinzipien der DNS-Nanotechnologie vorteilhaft miteinander vereint und der andererseits die weitreichenden Möglichkeiten der chemischen Funktionalisierung der sogenannten DNS-Templatstrukturen auslotet. Konkret wurden zur Erstellung von einheitlichen DNS-Strukturen Assemblierungskonzepte verwendet bzw. entwickelt, welche auf die Ausrichtung einzelner kurzer Oligonukleotide anhand eines langen einzelsträngigen DNS-Templates beruhen. Im ersten Teil der Arbeit ist anhand eines selbstkomplementären Einzelstranges aufgezeigt, wie sich prinzipiell die Wachstumsrichtung einer Tile-basierten Struktur durch die Verwendung eines einzelsträngigen DNS-Templates beeinflussen lässt. Bei diesem Ansatz bildet sich entlang des DNS-Templates eine 2D-Gitterstruktur aus einheitlichen und abschnittsweise selbstkomplementären hexagonalen oder tetragonalen Oligonukleotideinheiten aus. Diese gerichtete Selbstassemblierung führt schließlich zum Aufrollen und Zusammenschluss der 2D-DNS-Struktur zu einer tubulären Struktur. Die Größe und Geometrie der Oligonukleotideinheiten bestimmen dabei maßgeblich den Durchmesser dieser DNS-Nanoröhren. Zur Erklärung von experimentellen Beobachtungen wurde ein Modell entwickelt, welches die Templat-gestützte Assemblierung theoretisch beschreibt. Die erstellten, strukturellen Anforderungen genügenden Nanoröhren eignen sich für eine gleichmäßige Funktionalisierung mit Nanomaterialien, wie anhand der Ausrichtung von Gold-Nanopartikeln gezeigt wurde. In einem weiteren Teil der Arbeit wurde eine ca. 400 nm lange DNS-Nanoröhre anhand der DNS-Origami-Methode erstellt. Diese Nanoröhre diente als Modellsystem zur Untersuchung der Integration von tubulären DNS-Strukturen in Mikrokontaktstrukturen mittels der Dielektrophorese. Eine positive dielektrophoretische Antwort der 3D-DNS-Strukturen konnte im MHz-Bereich festgestellt werden. Des Weiteren wurde für mit Gold-Nanopartikeln funktionalisierte DNS-Nanoröhren eine verstärkte dielektrophoretisch Antwort beobachtet. Neben der Manipulation bzw. Ausrichtung von DNS-Nanostrukturen wurden Konzepte entwickelt, welche zusätzlich zum Aufbau komplexer DNS-Netzwerke innerhalb einer Mikrokontaktstruktur erforderlich sind. Konkret konnte eine Verbindung der 3D-Nanoröhren (i) untereinander über eine 200 nm lange kreuzartige DNS-Zwischenstruktur und (ii) endständig mit einer Goldoberfläche ermöglicht werden. Der dritte Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Entwicklung einer modularen 2D-DNS-Struktur, welche unter anderem für eine vergleichbare Untersuchung zur Immobilisierung von Nanomaterialien auf DNS-Strukturen dienen kann. Anhand der DNS-Origami-Methode wurde eine spezifische DNS-Gerüststruktur entworfen, welche die Ausstattung mit einer funktionalisierbaren Tile-basierten Einheit erlaubt. Um die Modularität der DNS-Gerüststruktur zu verdeutlichen, wurden zwei unterschiedliche, drei-beinige Tiles entworfen und anhand eines Ein- oder Zwei-Schritt-Verfahrens in die DNS-Gerüststruktur integriert. Die Anbindung eines Gold-Nanopartikels an jedes Bein des eingebundenen Tiles demonstriert die spezifische Funktionialisierbarkeit dieses Modellsystems. Zudem wurden Methoden, welche zur Aufreinigung der funktionalisierten DNS-Gerüststrukturen dienen, wie auch Effekte der Vernetzung von DNS-Origami-Strukturen anhand unspezifischer Wechselwirkungen untersucht. Die Ermittlung der Struktureigenschaften beziehungsweise der Assemblierungsqualität der in dieser Arbeit gezeigten DNS-Strukturen erfolgte mittels elektrophoretischer und bildgebender Untersuchungsverfahren (Rasterkraftmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie).

A controllable self-assembly strategy of positively charged polycyclic aromatic hydrocarbons (PCPAH) towards the formation of rectangle sheets and ribbon-like nanostructures has been achieved by choosing divalent anions with different sizes. In contrast, only rod-like nanostructures are obtained from PCPAH with univalent anions. It is revealed that the divalent anions play a key role in guiding the packing of PCPAH, which provides an unprecedented route to fabricate two-dimensional nanostructures.

Der Grundbaustein des Lebens, die Desoxyribonukleinsäure (DNS), ist aufgrund ihrer spezifischen Basenpaarung ein geeignetes Molekül, um stabile und vielfältige nano- beziehungsweise mikrometergroße Strukturen herzustellen. Diese selbstorganisierten DNS-Strukturen eignen sich als Grundeinheiten für die Ausrichtung anorganischer und organischer Materialien. Für die Synthese solcher DNS-Strukturen werden insbesondere die Kachel-basierte Assemblierung (engl. tile-based assembly, im Folgenden als Tile-basierte Assemblierung bezeichnet) oder die DNS-Origami-Methode verwendet. Die Tile-basierte Assemblierung beinhaltet die Verbindung einzelner DNS-Bausteine, den sogenannten Kacheln (engl. tiles), zu komplexeren DNS-Strukturen. Hingegen entspricht die DNS-Origami-Methode der Faltung eines langen einzelsträngigen DNS-Moleküls, dem sogenannten scaffold, anhand von hunderten kurzen Oligonukleotiden (Heftklammer-Oligomeren, engl. staple strands) hin zu einer entsprechenden Form. Hinsichtlich einer zukünftigen Erstellung von DNS-basierten, nanoelektronischen Systemen war das Ziel dieser Arbeit einheitliche zwei- (2D) und dreidimensionale (3D) DNS-Nanostrukturen herzustellen, Methoden für deren kontrollierte Vernetzung zu entwickeln sowie deren chemische Funktionalisierung mit Nanomaterialien und einer beispielhaften Integration in lithographisch gefertigten Mikrokontaktstrukturen durchzuführen. Hierfür war es notwendig, einen weiten Bogen zu spannen, welcher einerseits verschiedene Konstruktionsprinzipien der DNS-Nanotechnologie vorteilhaft miteinander vereint und der andererseits die weitreichenden Möglichkeiten der chemischen Funktionalisierung der sogenannten DNS-Templatstrukturen auslotet. Konkret wurden zur Erstellung von einheitlichen DNS-Strukturen Assemblierungskonzepte verwendet bzw. entwickelt, welche auf die Ausrichtung einzelner kurzer Oligonukleotide anhand eines langen einzelsträngigen DNS-Templates beruhen. Im ersten Teil der Arbeit ist anhand eines selbstkomplementären Einzelstranges aufgezeigt, wie sich prinzipiell die Wachstumsrichtung einer Tile-basierten Struktur durch die Verwendung eines einzelsträngigen DNS-Templates beeinflussen lässt. Bei diesem Ansatz bildet sich entlang des DNS-Templates eine 2D-Gitterstruktur aus einheitlichen und abschnittsweise selbstkomplementären hexagonalen oder tetragonalen Oligonukleotideinheiten aus. Diese gerichtete Selbstassemblierung führt schließlich zum Aufrollen und Zusammenschluss der 2D-DNS-Struktur zu einer tubulären Struktur. Die Größe und Geometrie der Oligonukleotideinheiten bestimmen dabei maßgeblich den Durchmesser dieser DNS-Nanoröhren. Zur Erklärung von experimentellen Beobachtungen wurde ein Modell entwickelt, welches die Templat-gestützte Assemblierung theoretisch beschreibt. Die erstellten, strukturellen Anforderungen genügenden Nanoröhren eignen sich für eine gleichmäßige Funktionalisierung mit Nanomaterialien, wie anhand der Ausrichtung von Gold-Nanopartikeln gezeigt wurde. In einem weiteren Teil der Arbeit wurde eine ca. 400 nm lange DNS-Nanoröhre anhand der DNS-Origami-Methode erstellt. Diese Nanoröhre diente als Modellsystem zur Untersuchung der Integration von tubulären DNS-Strukturen in Mikrokontaktstrukturen mittels der Dielektrophorese. Eine positive dielektrophoretische Antwort der 3D-DNS-Strukturen konnte im MHz-Bereich festgestellt werden. Des Weiteren wurde für mit Gold-Nanopartikeln funktionalisierte DNS-Nanoröhren eine verstärkte dielektrophoretisch Antwort beobachtet. Neben der Manipulation bzw. Ausrichtung von DNS-Nanostrukturen wurden Konzepte entwickelt, welche zusätzlich zum Aufbau komplexer DNS-Netzwerke innerhalb einer Mikrokontaktstruktur erforderlich sind. Konkret konnte eine Verbindung der 3D-Nanoröhren (i) untereinander über eine 200 nm lange kreuzartige DNS-Zwischenstruktur und (ii) endständig mit einer Goldoberfläche ermöglicht werden. Der dritte Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Entwicklung einer modularen 2D-DNS-Struktur, welche unter anderem für eine vergleichbare Untersuchung zur Immobilisierung von Nanomaterialien auf DNS-Strukturen dienen kann. Anhand der DNS-Origami-Methode wurde eine spezifische DNS-Gerüststruktur entworfen, welche die Ausstattung mit einer funktionalisierbaren Tile-basierten Einheit erlaubt. Um die Modularität der DNS-Gerüststruktur zu verdeutlichen, wurden zwei unterschiedliche, drei-beinige Tiles entworfen und anhand eines Ein- oder Zwei-Schritt-Verfahrens in die DNS-Gerüststruktur integriert. Die Anbindung eines Gold-Nanopartikels an jedes Bein des eingebundenen Tiles demonstriert die spezifische Funktionialisierbarkeit dieses Modellsystems. Zudem wurden Methoden, welche zur Aufreinigung der funktionalisierten DNS-Gerüststrukturen dienen, wie auch Effekte der Vernetzung von DNS-Origami-Strukturen anhand unspezifischer Wechselwirkungen untersucht. Die Ermittlung der Struktureigenschaften beziehungsweise der Assemblierungsqualität der in dieser Arbeit gezeigten DNS-Strukturen erfolgte mittels elektrophoretischer und bildgebender Untersuchungsverfahren (Rasterkraftmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie).

A controllable self-assembly strategy of positively charged polycyclic aromatic hydrocarbons (PCPAH) towards the formation of rectangle sheets and ribbon-like nanostructures has been achieved by choosing divalent anions with different sizes. In contrast, only rod-like nanostructures are obtained from PCPAH with univalent anions. It is revealed that the divalent anions play a key role in guiding the packing of PCPAH, which provides an unprecedented route to fabricate two-dimensional nanostructures.