專利名稱：一種基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于手性識(shí)別研究的傳感器，尤其涉及一種基于碳納米管場(chǎng)效應(yīng) 晶體管的手性傳感器及其制備方法，該手性傳感器以場(chǎng)效應(yīng)晶體管為基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)碳納 米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件性能的變化，靈活、寬泛地檢測(cè)手性物質(zhì)。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，硅技術(shù)在進(jìn)一步小型化方面遇到了一系列的挑戰(zhàn)，而碳 納米管作為硅材料的替代品引起了半導(dǎo)體行業(yè)研究者的極大興趣。碳納米管(以下簡(jiǎn)稱 CNT)具有多方面的優(yōu)異性能，既可表現(xiàn)為金屬性，又可表現(xiàn)為半導(dǎo)體性。金屬性CNT的電導(dǎo) 率和最大電流密度可達(dá)到或超過(guò)現(xiàn)有最好的金屬；而半導(dǎo)體性CNT的遷移率和跨導(dǎo)可達(dá)到 或超過(guò)現(xiàn)有最好的半導(dǎo)體。以半導(dǎo)體型碳納米管作為導(dǎo)電溝道的碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管具 有高的開(kāi)關(guān)電流比、理想的亞閾值特性、低溫下可實(shí)現(xiàn)彈道輸運(yùn)和可以進(jìn)行更大規(guī)模的集 成等優(yōu)良性能。半導(dǎo)體型的碳納米管是一種一維材料，直徑在nm量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬電極的尺 度，碳納米管與金屬電極接觸平衡的過(guò)程中，費(fèi)米釘扎效應(yīng)非常微弱(可以忽略)，電子或 空穴從金屬注入到碳納米管中成為載流子。如果金屬的功函數(shù)小于碳納米管的功函數(shù)，則 金屬的導(dǎo)帶與碳納米管接觸，載流子為電子；反之，如果金屬的功函數(shù)大于碳納米管的功函 數(shù)，則金屬的價(jià)帶與碳納米管接觸，載流子為空穴。這樣就完全避免摻雜，避開(kāi)了傳統(tǒng)硅基 CMOS技術(shù)所面臨的最基本的器件加工和摻雜所導(dǎo)致的器件不均勻問(wèn)題。柵極電壓調(diào)制的是 碳納米管的能帶相對(duì)于金屬電極費(fèi)米能級(jí)的位置。因此，使用不同功函數(shù)的金屬電極作為 源、漏電極，會(huì)得到n-型或p-型的碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管。日前，隨著手性化合物在醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料、食品添加劑、新材料等領(lǐng)域中的應(yīng)用， 引起了人們的廣泛關(guān)注，手性化合物的合成、拆分及對(duì)映體純度的測(cè)定成為當(dāng)前化學(xué)的前 沿領(lǐng)域之一。為與之相適應(yīng)，用于檢測(cè)手性化合物成分、品質(zhì)特性的手性傳感器也成為了本 領(lǐng)域技術(shù)人員高度重視的研究重點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，本發(fā)明的目的旨在提供一種基于場(chǎng) 效應(yīng)晶體管的手性傳感器及其制備方法，將經(jīng)過(guò)手性分子修飾的碳納米管薄膜作為場(chǎng)效應(yīng) 晶體管的有源層，再與待檢測(cè)的手性分子結(jié)合后，使場(chǎng)效應(yīng)晶體管各項(xiàng)特性參數(shù)改變，完成 對(duì)手性分子的檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)一種低成本、高檢測(cè)速度的可識(shí)別手性物質(zhì)的傳感器。本發(fā)明的一個(gè)目的，將通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)—種基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器，所述晶體管包括基底、柵絕緣層、有源層、 柵電極、源電極和漏電極，其特征在于所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的有源層為具有手性識(shí)別與檢測(cè) 功能的碳納米管薄膜。該有源層為經(jīng)手性分子修飾的單壁碳納米管薄膜、或經(jīng)手性分子修 飾的多壁碳納米管薄膜，又或者為以上兩種材料混合所制成的薄膜。
本發(fā)明的另一個(gè)目的——基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器的制備方法，其實(shí)現(xiàn)方 法步驟包括I、在基底/柵極上生長(zhǎng)一層lOnm lOOnm厚的絕緣層；II、將經(jīng)過(guò)分散并經(jīng)過(guò)手 性分子修飾的碳納米管溶液噴涂、打印、旋涂、或滴加在絕緣層上，排布形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管 的導(dǎo)電溝道；III、在導(dǎo)電溝道上濺射或蒸發(fā)制備電極，并對(duì)電極刻蝕形成源、漏電極之間 0. lum 的距離。本發(fā)明的另一個(gè)目的一基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器的制備方法，其實(shí)現(xiàn)方 法步驟還可包括I、在基底/柵電極上生長(zhǎng)一層lOnm lOOnm厚的柵絕緣層；II、在柵絕緣層上制 備電極，并對(duì)電極進(jìn)行刻蝕形成源、漏電極之間0. lym lym的距離；III、將經(jīng)過(guò)分散并 經(jīng)過(guò)手性分子修飾的碳納米管溶液滴在基底的源、漏電極之間，排布形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的 導(dǎo)電溝道。上述兩種制備方法其中所述手性修飾的碳納米管采用表面沉積交聯(lián)法制備，其 步驟為先將手性分子集團(tuán)溶于酸性或堿性溶液中，再加入碳納米管，將混合液體超聲分散 后用磁力攪拌，最后在手性分子與碳納米管的分散體系中加入堿性或酸性溶液，直至手性 分子沉積于碳納米管之上。應(yīng)用本發(fā)明基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器及其制備方法，其優(yōu)點(diǎn)為該基于碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器，對(duì)碳納米管進(jìn)行手性分子修飾制成 薄膜后，作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的有源層。該手性傳感器結(jié)合了碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)勢(shì)， 容易突破傳統(tǒng)硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的物理極限，并在繼續(xù)減小器件尺寸、解決耗能和散熱問(wèn)題 等方面具有優(yōu)勢(shì)。因此，基于碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器，可有效擴(kuò)大檢測(cè)手性分 子的種類，結(jié)合碳納米管的低成本優(yōu)勢(shì)和簡(jiǎn)單制備方法，可以得到更加低廉的檢測(cè)手性物 質(zhì)的傳感器，為手性傳感器的推廣應(yīng)用及手性化合物的研究提供了保障。以下便結(jié)合實(shí)施例附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳述，以使本發(fā)明 技術(shù)方案更易于理解、掌握。


圖1是基于頂接觸碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是基于底接觸碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式通過(guò)傳統(tǒng)的共價(jià)或非共價(jià)碳納米管修飾方法，在單壁或者多壁碳納米管上修飾上 不同的手性基團(tuán)，可以選擇性的與手性分子結(jié)合，使得場(chǎng)效應(yīng)晶體管的各項(xiàng)參數(shù)發(fā)生變化， 利用碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件的響應(yīng)速度快、效率高，通過(guò)碳納米管的電流密度比一 般金屬要高等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)手性物質(zhì)的快速、高靈敏檢測(cè)。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的手性傳感器結(jié)合碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)勢(shì)，旨在其有源層部 分利用多種具有手性選擇功能的碳納米管薄膜經(jīng)過(guò)手性分子修飾的單壁碳納米管薄膜、 經(jīng)過(guò)手性分子修飾的多壁碳納米管薄膜或者為以上兩種材料混合所制成的薄膜。上述材料 在對(duì)手性分子進(jìn)行選擇性反應(yīng)后，通過(guò)外加電壓，導(dǎo)致載流子遷移率、閾值電壓、電流開(kāi)關(guān)比和亞閾值斜率發(fā)生變化，測(cè)量場(chǎng)效應(yīng)晶體管的相關(guān)特性參數(shù)的改變，可以得到有關(guān)分子 的類型，含量及濃度。進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)一種體積小、成本低廉、可識(shí)別手性物質(zhì)的傳感器。本發(fā)明的手性傳感器可以利用碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的全部結(jié)構(gòu)形式，較為普遍 的有頂接觸型(如圖1所示)和底接觸型(如圖2所示)的碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管。該手 性傳感器的基本結(jié)構(gòu)至少包括底柵1、柵絕緣層2、有源層3、源電極4及漏電極5。其中，該 碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的有源層為具手性識(shí)別與檢測(cè)功能的多壁碳納米管薄膜、單壁碳納 米管薄膜或者為以上兩種材料混合制成的薄膜。以下結(jié)合附圖，從兩個(gè)方面分別對(duì)該手性 傳感器的制備方法進(jìn)行說(shuō)明實(shí)施例一通過(guò)該制備方法所得到的是底接觸型的手性傳感器步驟一，在基底/柵電極1上濺射、蒸發(fā)或熱生長(zhǎng)一層lOnm lOOnm厚的柵絕緣 層，該柵絕緣層由3102、1^205、41203、1102、821\或？21中的一種或兩種構(gòu)成；步驟二，用濺射或熱蒸發(fā)的方法在柵絕緣層上制備電極，并對(duì)電極進(jìn)行刻蝕，使得 源、漏電極之間的距離為0. 1 ii m 1 ii m，電極可由Ta、Ti、Cr、W、Mo、Au或Ag中的一種或 兩種構(gòu)成；步驟三，將一定濃度的經(jīng)過(guò)手性分子修飾的碳納米管溶液噴涂、打印、旋涂、或滴 加在基底的源、漏電極之間，經(jīng)過(guò)排布形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的導(dǎo)電溝道。實(shí)施例二通過(guò)該制備方法所得到的是頂接觸型的手性傳感器步驟一，在基底/柵電極1上濺射、蒸發(fā)或熱生長(zhǎng)一層lOnm lOOnm厚的柵絕緣 層，該柵絕緣層由3102、1^205、41203、1102、821\或？21中的一種或兩種構(gòu)成；步驟二，將一定濃度的經(jīng)過(guò)手性分子修飾的碳納米管溶液噴涂、打印、旋涂、或滴 加在柵絕緣層上，經(jīng)過(guò)排布形成FET的導(dǎo)電溝道；步驟三，用濺射或蒸發(fā)方法在絕緣層上制備電極，對(duì)電極進(jìn)行刻蝕，使得源、漏電 極之間的距離為0. lilm lilm，電極由1&、!1、(>、1、]\10、411或48中的一種或兩種構(gòu)成。從具體的制備工藝來(lái)看將重?fù)诫s的p-Si(100)晶面依次用丙酮、無(wú)水乙醇、去離子水超聲清洗40分鐘，然 后用N2吹干后放入120°C真空烘箱中待用。利用干氧-濕氧-干氧方法制備柵絕緣層，干 氧過(guò)程采用高純氧氣(》99. 99% )做氣源，濕氧過(guò)程是以干氧通過(guò)水溫為95°C的水瓶得 到混合氧氣-水汽氣源。采用干氧-濕氧-干氧的通入時(shí)間分別為0. 5h、l. 0h、l. 0h，制得 的Si02膜厚為230nm。利用真空熱蒸發(fā)法，在Si02柵絕緣層上沉積lOOnm厚的金電極，刻 蝕形成寬度為lOiim、長(zhǎng)為100 iim的源電極4和漏電極5，溝道寬度為10 ym，溝道長(zhǎng)度為 1 U m。繼而，將一定濃度的經(jīng)過(guò)手性氨基酸分子修飾的碳納米管溶液滴加在基底的源、漏電 極之間，制成基于碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器。其中手性氨基酸分子修飾的碳納米管可采用共價(jià)法或非共價(jià)法制備，其中非共價(jià)法 具有制備裝置簡(jiǎn)單、操作靈活、條件易于控制等優(yōu)點(diǎn)稱取2mg碳納米管于30mL濃度為 0. 05% w/V的氨基酸中，放置于超聲儀中在25°C下超聲lh，再以2000r/min轉(zhuǎn)速進(jìn)行離心， 取上層溶液，即得氨基酸修飾的碳納米管懸浮液，直接用于制備碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管中 的有源層。
該手性傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)該傳感器與待檢測(cè)的手性物質(zhì)接觸后，其電 流-電壓特性及開(kāi)關(guān)比、遷移率等的變化，便可作為定性或定量對(duì)手性物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的指 標(biāo)。
權(quán)利要求
一種基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器，所述晶體管包括基底、柵絕緣層、有源層、柵電極、源電極和漏電極，其特征在于所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的有源層為具有手性識(shí)別與檢測(cè)功能的碳納米管薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器，其特征在于所述有 源層為經(jīng)過(guò)手性分子修飾的單壁碳納米管薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器，其特征在于所述有 源層為經(jīng)過(guò)手性分子修飾的多壁碳納米管薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器，其特征在于所述有 源層為經(jīng)過(guò)手性分子修飾的單壁碳納米管與經(jīng)過(guò)手性分子修飾的多壁碳納米管混合制成 的薄膜。
5.一種基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器的制備方法，其特征在于包括步驟1、在基底 /柵極上生長(zhǎng)一層IOnm IOOnm厚的絕緣層；II、將經(jīng)過(guò)分散并經(jīng)過(guò)手性分子修飾的碳納 米管溶液噴涂、打印、旋涂、或滴加在絕緣層上，排布形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電溝道；III、在 導(dǎo)電溝道上濺射或蒸發(fā)制備電極，并對(duì)電極刻蝕形成源、漏電極之間0. 1 μ m 1 μ m的距罔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器的制備方法，其特征 在于步驟II中所述手性修飾的碳納米管采用共價(jià)法或非共價(jià)法制備，其步驟為先將手性 分子溶于酸性或堿性溶液中，再加入碳納米管，將混合液體超聲分散后用磁力攪拌，最后在 手性分子與碳納米管的分散體系中加入堿性或酸性溶液，直至手性分子沉積于碳納米管之 上。
7.一種基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器的制備方法，其特征在于包括步驟1、在基底 /柵電極上生長(zhǎng)一層IOnm IOOnm厚的柵絕緣層；II、在柵絕緣層上制備電極，并對(duì)電極進(jìn) 行刻蝕形成源、漏電極之間0. 1 μ m 1 μ m的距離；III、將經(jīng)過(guò)分散并經(jīng)過(guò)手性分子修飾的 碳納米管溶液滴在基底的源、漏電極之間，排布形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電溝道。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器的制備方法，其特征在 于步驟III中所述手性修飾的碳納米管采用共價(jià)法或非共價(jià)法制備，其步驟為先將手性 分子溶于酸性或堿性溶液中，再加入碳納米管，將混合液體超聲分散后用磁力攪拌，最后在 手性分子與碳納米管的分散體系中加入堿性或酸性溶液，直至手性分子沉積于碳納米管之 上。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的手性傳感器及其制備方法，該手性傳感器利用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)，其有源層為具有手性識(shí)別與檢測(cè)功能的碳納米管薄膜，該有源層組分上可以是經(jīng)過(guò)手性分子修飾的單壁或多壁碳納米管薄膜，或以上兩種材料混合制成的薄膜。碳納米管的理想結(jié)構(gòu)大大降低了載流子非彈性背散射，特別是其室溫聲學(xué)聲子所對(duì)應(yīng)的平均自由程達(dá)到了微米量級(jí)，光學(xué)聲子的平均自由程也到了幾十納米，可以達(dá)到目前場(chǎng)效應(yīng)晶體管的尺度，碳納米管作為理想的有源層材料被植入場(chǎng)效應(yīng)晶體管。本發(fā)明將具有手性選擇性的基團(tuán)修飾到碳納米管上，通過(guò)與待檢測(cè)的手性物質(zhì)結(jié)合，使得場(chǎng)效應(yīng)晶體管的參數(shù)發(fā)生變化，從而達(dá)到手性檢測(cè)的目的。
文檔編號(hào)G01N27/414GK101852763SQ201010165568
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者崔錚, 潘革波, 王亦 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所