Building metal nanomaterials with tailored electrical properties is in high demand for electronic device fabrication. However, scalable and inexpensive fabrication of such metallic structures with nanometer precision remains a challenge. DNA origami is a versatile and robust self-assembly method which allows fabrication of arbitrary structures at the nanoscale. In this thesis, DNA origami templated metal nanostructure fabrication method is introduced. Continuous metal nanostructures with controlled geometry as well as the selective deposition of multi-nanomaterials (metals and semiconductors) at specific sites on origami templates play an im-portant role in the fabrication of DNA based nanoelectronics system. A mold DNA origami with quadratic cross-section was constructed and used as template for the gold nanoparticles metal growth. Each individual mold element acted as a lego-brick in this modular mold system. (1) Linear metallic nanostructures with controlled length and programmable patterns were fabricat-ed at superior yields by systematically investigating the interface of each mold element. (2) A versatile fabrication modular mold platform for metallic nanostructures with complex shapes was further developed by integrating particular molds with different diameters, additional dock-ing sites, and junctions. Caged metal nanostructures, constrained gold growth and branched structures with extensions in two dimensions were successfully realized. (3) Micrometer long, homogeneous and continuous gold nanowires were obtained with exceeding quality. Using elec-tron-beam lithography and low-temperature conductance measurements, ohmic behavior of such nanowires were observed, confirming metallic conductive property. (4) A method for the synthesis and DNA functionalization of semiconducting nanorods was established. Metal-semiconductor heterostructures were fabricated based on the modular mold system. Semicon-ducting nanorods, as well as gold nanoparticles, were placed at defined positions on the DNA modular platform and a direct metal-semiconductor interface was achieved after the electroless metal deposition. (5) An improved and optimized metallization of DNA origami templated gold nanowires were further developed to increase the conductivity performance. Various reaction parameters were investigated and the obtained gold nanowires with a reduced number of AuNPs achieved an anisotropic growth. This developed DNA origami template mold modular platform addresses the size, pattern, and geometry controls over the metallic nanostructures. For the ap-plication prospect, the conductivity of such metallic nanostructures and controlled placement of different nanomaterials enable an important step towards the nanodevices and systems fabrica-tion based on DNA. / Der Aufbau metallischer Nanomaterialien mit angepassten elektrischen Eigenschaften ist für die Verwendung in elektronischen Bauteilen von großer Bedeutung. Dabei ist die skalierbare und günstige Herstellung metallischer Strukturen im Nanometerbereich weiterhin eine Herausforderung. Die DNA Origami Technik bietet hier eine vielseitig einsetzbare und stabile Methode zur Selbstassemblierung, welche die Herstellung beliebiger nanoskalierter Strukturen ermöglicht. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Herstellung metallischer Nanostrukturen mit Hilfe von DNA Origami Templaten vorgestellt. Kontinuierliche Metallnanostrukturen mit einer definierten Geometrie, sowie die selektive Anbindung verschiedener Nanomaterialien (Metalle und Halbleiter) an spezifischen Anbindungsstellen des Origamitemplates spielen eine wichtige Rolle bei der Herstellung DNA basierter nanoelektrischer Systeme. Ein DNA Origami Mold mit einem quadratischen Querschnitt wurde als Templat für die Metallisierung von Goldnanopartikeln verwendet. Das legostein-artige Design der einzelnen Origami Molds ermöglicht die Assemblierung in einem modularen System. (1) Lineare metallische Nanostrukturen mit kontrollierter Länge und programmierbarem Muster wurden mit hohen Ausbeuten assembliert, indem das Interface der einzelnen Origamistrukturen systematisch untersucht wurde. (2) Weiterhin wurde eine vielseitige, sowie modulare Plattform für metallische Nanostrukturen mit komplexen Formen entwickelt. Dabei wurden spezielle Origamistrukturen mit unterschiedlichem Durchmesser, sowie zusätzlichen Anbindungsstellen und Verzweigungen integriert. Die erfolgreiche Metallisierung linearer und verzweigter Nanostrukturen in zwei Dimensionen wurde durch ein restriktives Goldwachstum im Inneren der Origamistrukturen realisiert. (3) Homogene und kontinuierliche Goldnanodrähte mit Mikrometerlänge und außerordentlicher Qualität wurden fabriziert. Mit Hilfe von Elektronenstrahllithographie wurde die Leitfähigkeit der Strukturen im Niedrigtemperaturbereich untersucht, wobei ein ohmsches Ladungstransportverhalten der Nanodrähte nachgewiesen werden konnte, welches die metallische Leitfähigkeit der Strukturen bestätigte. (4) Eine Methode zur Synthese und DNA Funktionalisierung von Halbleiternanostäbchen wurde eingeführt. Zudem konnten Metall-Halbleiterheterostrukturen hergestellt werden, basierend auf dem entworfenen modularen Origamisystem. Halbleiternanostäbchen und Goldnanopartikel wurden an definierten Positionen der DNA Origami platziert. Durch eine anschließende Metallisierung konnte ein direktes Metall-Halbleiterinterface hergestellt werden. (5) Eine verbesserte und optimierte Metallisierung der DNA Origami basierten Goldnanodrähte zur Erhöhung der Leitfähigkeit wurde entwickelt. Dazu wurden verschiedene Reaktionsparameter optimiert, so dass ein anisotropes Wachstum mit einer reduzierten Anzahl von Goldnanopartikel ermöglicht werden konnte. Die, in dieser Arbeit entwickelte DNA Origami Plattform ermöglicht die Kontrolle über Größe, Struktur und Geometrie metallischer Nanostrukturen. Die ohmsche Leitfähigkeit dieser Nanostrukturen und die zusätzliche Assemblierung verschiedener Nanomaterialien stellen dabei einen wichtigen Schritt für eine potentielle Verwendung in elektrischen Nanogeräten dar.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:70858 |
| Date | 25 May 2020 |
| Creators | Ye, Jingjing |
| Contributors | Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
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| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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