[发明专利]一种基于DNA自组装计算的半减器设计方法

说明书

技术领域

本发明属于半减器技术领域，尤其涉及一种基于DNA自组装计算的半减器设计方法。 

背景技术

目前，电子学正处于以特大规模集成电路为特征的微电子学时期。超大规模集成电路的发展正面临着来自于原理性的物理限制和技术性的工艺限制两方面的挑战。主要体现在当芯片上的元件尺寸缩小到纳米级别时，电子的性质就会发生根本性的变化，电子器件将在一个全新的原理下工作；另一个限制来自于热力学方面，当器件尺寸缩小时，这种热起伏将会影响到器件性能的一致性，致使集成芯片无法正常工作；其它的限制还包括光刻工艺、电流电压感应击穿、功率耗散和Heiseberg测不准原理等。 

20世纪60年代中期，Intel创始人之一Moore发现器件尺寸的对数与年份之间存在着线性关系，纳米级别的分子电路发展起来，研究进入分子器件时代。 

构筑分子器件的基本前提是必须将少数几个分子，甚至单个分子镶嵌在两个电极之间，形成金属电极-分子-金属电极的连接器件。目前，分子与金属电极之间的连接大多是一种简单的机械接触，其接触电阻对器件的作用严重影响了器件的性能与可重复性。为了解决这些问题，在功能材料的末端，可有目的地引入一些用于自组装的功能性基团，通过自组装使材料与电极通过化学键接触而非机械接触结合。因此，近年来自组装技术在分子器件研究中得到了越来越广泛的重视。 

DNA分子作为功能材料的优越性：DNA具有独特的纳米尺寸效应、线性分子 结构、物理化学稳定性、力学刚性、固有的并行处理机制、空间构象的可逆性、自我识别能力和自组装等优势。大量的研究结果已表明，DNA的空间构象、热力学、原子核和电子动力学都可促进远距离的电子传输；其双螺旋结构或其它空间拓扑结构可作为支架材料或模板，引导功能性纳米元件的组装，制备分子级的电子器件。 

(1)DNA分子按照Watson-Crick碱基互补配对原则相互配对结合形成纳米结构，组装过程具有高度的选择性，定向组装功能强大。 

(2)DNA分子空间构象的具有可逆性。将组装起来的纳米团簇加热到一定温度，碱基配对将会被破坏，可使组装后的DNA晶体很容易的解耦合。 

(3)Waston和Crick提出DNA单链分子具有独特的双螺旋结构，使DNA的纳米结构可通过软件加以预测。为了避免DNA分子存在的异常结构，可采用具备一定刚性的DNA Tile作为构成DNA晶体的基元结构，目前研究人员已设计出并经实验验证的刚性DNA Tiles，以此为基础可进行基于DNA自组装的自治可编程分子逻辑电路设计。 

Winfree等人提出可利用DNA的自组装特性作为计算工具，并首次把可计算的DNA Tile组装的概念应用于DNA分子装配，其核心思想是通过Tile System对自组装过程进行抽象，利用DNA Tile组成DNA分子，在其自组装过程中实现计算，并指出复杂的双交叉分枝结构通过自装配形成二维片状或三维球状的过程是强大的计算模型，并证明了Tile自组装模型的计算能力是图灵等价的。Winfree的关于二维DNA Tile的设计和自组装理论在很大程度上影响了DNA计算的发展方向，对DNA分子自组装的精细研究为在纳米尺寸上研制新型计算元件和开发针对DNA等生物大分子的高端操纵技术准备了条件。