光电研究所利用DNA折纸二维晶格实现二维电子态的调制
近日，光电研究所、光量子技术与器件全国重点实验室与南京大学、中国医科大学附属第一医院、中国科学院半导体研究所、辽宁材料实验室、清华大学、日本国立材料研究所等多家单位合作，将DNA折纸二维晶格与二维范德华材料结合，构建出独特的二维软-硬物质界面，并观察到DNA折纸二维晶格对石墨烯电子态的调控作用。
图1 DNA纳米结构与多维异质材料协同构筑的纳米电子器件示意图
DNA不仅是遗传信息的载体，更是一种可编程的生物材料。DNA分子具有（近）原子级精准的结构、高度可控/可预测的碱基互补配对作用以及优异的自组装能力，这些特性为构建结构精准、尺寸可控、功能多样的纳米结构创造了条件。在DNA纳米结构的诸多构建方法中，DNA折纸技术（DNA origami technology）以其优异的组装效率和突出的设计自由度已在纳米制造领域获得广泛认可。DNA纳米结构多作为模板引导零维或一维纳米材料的组装和器件加工。例如，DNA纳米结构可作为零维金属纳米颗粒的组装模板（图1a）或引导一维碳纳米管的定向排列（图1b）。如何将DNA纳米结构整合到经典的二维材料中，并作为核心功能层（如图1c-f）调控二维材料的电学特性，仍是一个具有挑战的科学问题。
图2 DNA折纸二维晶格的构建及其对石墨烯电子态的调控作用示意图
团队通过优化DNA折纸结构的设计参数，成功构建了尺寸达到～10微米级别的高质量DNA折纸二维晶格（图2a）。通过干法转移技术将硬物质石墨烯、六方氮化硼与软物质DNA折纸二维晶格相结合，制备出具有二维软硬物质界面的微纳器件（图2c）。通过输运表征在具有二维软硬物质界面的微纳器件中观察到了DNA折纸二维晶格对石墨烯电子态的调控作用。具体表现为DNA折纸二维晶格的周期由于能带折叠产生的态密度极小值，在磁场下衍生出除石墨烯本身的朗道扇形图（图2d-e黑色实线）之外次级朗道扇形（图2d红色实线、图2e绿色实线）。
该项交叉研究首次在二维硬物质固态电子器件中引入DNA折纸结构，展现了周期性软物质在物态调控中的独特价值。未来，研究团队将继续拓展DNA折纸二维晶格在纳米电子学等领域中的潜在应用。
研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、山西省“1331”工程、科技创新2030“量子通信与量子计算机”重大项目、腾讯“科学探索奖”、山西大学光量子技术与器件全国重点实验室、山西大学极端光学协同创新中心等支持，发表于《自然-通讯》杂志Nature Communications,16,2359(2025)。山西大学光电研究所赵凯、董宝娟副教授和南京大学博士生王宇昂为论文共同第一作者。山西大学光电研究所张靖教授、韩拯教授，南京大学姜硕星副教授，中国医科大学附属第一医院刘福囝教授，中国科学院半导体所魏钟鸣研究员为论文共同通讯作者。
