CN101788525A

CN101788525A - 一种手性传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN101788525A
Application number: CN 201010122760
Authority: CN
Inventors: 王凤霞; 王亦; 潘革波; 蒋春萍
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2010-07-28

Abstract

本发明揭示了一种手性传感器及其制备方法，以有机场效应晶体管为基本结构，包括基底、栅绝缘层、有源层、栅电极、源电极、漏电极，其特殊性在于：其中该有机场效应晶体管的有源层为具有手性识别与检测功能的有机半导体材料。该有源层组分上可以是单一手性半导体材料；也可以是手性材料掺杂有机半导体材料。本发明基于有机场效应晶体管的手性传感器及其制法，通过对有源层选材的改进，可实现较宽范围内多种手性物质的灵活检测，及对应异构体的鉴别。此外，有机场效应晶体管的体积小，在应用方面可以减小检测器件的体积与成本。

Description

一种手性传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于手性识别研究的传感器，尤其涉及一种基于有机场效应晶体管结构的手性传感器及其制备方法，该手性传感器通过场效应晶体管器件性能的变化，能低成本、宽范围、高灵敏地检测手性物质，涉及材料、化学、有机光电子等交叉学科领域。

背景技术

随着手性化合物在医药、农药、香料、食品添加剂、新材料等领域中的应用，引起了人们的广泛关注，手性化合物的合成、拆分及对映体纯度的测定成为当前化学的前沿领域之一。

手性识别研究方法主要包括手性色谱(比如气相色谱，液相色谱和毛细管电泳等)，光谱(比如圆二色谱，核磁共振光谱，质谱和红外光谱等)和手性传感器(荧光传感器，电化学传感器和压电传感器等)。其中色谱方法已经被广泛用于分离分析手性化合物，并且证明是一种有效的手性分析方法，但是该方法也存在一定的缺点，例如比较容易引起生物类手性选择剂和分析化合物的构型变化或失活，而且仪器成本高，分析时间长，特别难以实现原位和在线检测等。色谱用于手性分析的这些局限性就促使研究者们寻求更简单、更快速、更精确、更经济的光谱和传感器方法来进行手性识别分析。

目前研制的手性传感器主要包括荧光传感器和电化学传感器。荧光传感器常用的手性选择剂是人工合成的联萘酚或其硼酸盐衍生物，还有一些其它的大环化合物。识别机理是基于手性异构体和手性选择剂形成不同的配合物，这两类配合物由于氢键，π-π键作用还有立体效应等不同，引起手性选择剂荧光不同程度的变化，从而实现对单糖(如葡萄糖，果糖和半乳糖)，酒石酸和α-氨基酸等的手性识别。电化学传感器根据传感方式的不同，可以分为电位传感器，安培传感器和压电传感器。其手性识别是根据手性识别主体对客体异构体的选择性键合引起传感器电位，电流或质量信号变化不同，从而达到手性识别的目的。相比较而言，电位传感器灵敏度较低，而安培型生物传感器是借助酶的高选择性催化，选择性和灵敏度都比较高。除了酶用于异构选择性催化外，目前手性传感器所用的手性选择剂主要是大环类化合物和分子印迹聚合物，对手性物质检测的精度及对应异构体的识别等方面仍不能满足实际的需要。因此，发展一种具有高精密度、对应异构体具有高选择性的检测手性物质的技术是十分必要的。

而有机场效应晶体管(OFET)是有机半导体的重要研究内容之一，有机场效应晶体管主要的优点是：材料来源广、成膜技术多(如甩膜、滴膜、LB膜、分子自组装、电化学沉积、印刷等成膜技术)、低温加工、电学性质容易调制(通过引入侧链或取代)、可与柔性衬底兼容、器件尺寸小(可达分子尺度)、集成度高、适合大批量生产和低成本等。

有机场效应晶体管的工作机制可借用无机场效应晶体管的模型得出，其导电机理是通过多子注入，在半导体/栅绝缘层的界面上形成电荷累积层，由此形成导电沟道，导电沟道根据所用半导体材料的不同分为n沟道和p沟道。大多数有机半导体材料表现为p型半导体特性，主要载流子为空穴，所以有机场效应晶体管多以空穴载流子累积型即p沟道为主。有机场效应晶体管在结构上类似一个电容器，源漏电极和有机半导体薄膜的导电沟道相当于一个极板，栅极相当于另一个极板。当在栅源之间加上负电压V_GS时，由于电容器效应，空穴将从源极注入有机半导体层，并在有机半导体与栅绝缘层的界面处累积起来。此时在源漏之间再加上一个负电压V_DS，就会在源漏电极之间产生电流，电流的大小由栅源电压V_GS和源漏电压V_DS同时控制。

在OFET中，载流子积累模型被用来表述器件的传输特性，在p型器件中，当栅极(gate)没有外加电压时，有机半导体层中的载流子密度很小，通过源极(source)和漏极(drain)之间的电流很小，器件为关态状态。当栅极加负电压V_GS时，在有机半导体层和栅绝缘层界面处形成空穴积累层，从而形成导电沟道，在源漏电压V_GS作用下空穴从源极注入漏极，此时器件为开态。由于半导体层/栅绝缘层界面处陷阱电荷的存在，只有当V_GS大于开启电压V_TH才能使器件处于开态，在V_GS＞V_TH，V_DS较小时源漏电流随着V_DS的增加而线形的增加，这一区域为线形区，当V_DS增加到一定值，源漏电流就会达到饱和值，不再随V_DS的增加而增加，器件进入饱和区。对于n型OFET而言，其主要载流子为电子，所加电压正好与p型相反.表征场效应晶体管性能的主要参数包括载流子迁移率(μ)、阈值电压(V_TH)、电流开关比(I_on/I_off)和亚阈值斜率(S)。迁移率是指单位电场下电荷载流子的平均漂移速度，它反映了在不同电场下空穴或电子在半导体中的迁移能力。阈值电压V_TH是用来度量场效应晶体管中产生使其导电沟道开启所必需的静电诱导电荷的栅极电压，反应了半导体层/栅绝缘层界面处陷阱电荷的数量。

发明内容

针对上述识别手性物质的仪器设备成本高，体积大，而手性传感器的选择剂主要是大环类化合物与分子印记聚合物，并且检测的手性物质有限，本发明的目的旨在提供一种手性传感器及其制备方法，与有机场效应晶体管相结合，通过场效应晶体管的场增强效应，构筑对偏振光或电压特性具有特定响应的OFET器件，进而提高检测手性物质分子的类型，同时可以测量手性物质的含量及浓度。实现一种体积小、成本低廉、检测速度快的手性物质识别传感器。

本发明的一个目的，将通过以下技术方案来实现：

一种手性传感器，以有机场效应晶体管为基本结构，包括基底、栅绝缘层、有源层、栅电极、源电极、漏电极，其特征在于：所述有机场效应晶体管的有源层为具有手性识别与检测功能的有机半导体材料或对手性物质具特定响应的手性材料。该有源层组分上可以是单一手性半导体材料；也可以是手性材料掺杂有机半导体材料，其厚度在10nm-1cm内任意取值。

上述本发明的另一个目的，其制备方法包括步骤：

I、在基底上通过溅射或蒸发的方法制备一层金属栅电极；II、在基底和栅电极上溅射或蒸发一层绝缘膜，将栅电极完全包裹；III、在绝缘膜上通过真空热蒸发、旋涂、喷墨打印或丝网印刷一层具有手性识别与检测功能的有机半导体材料，形成有源层，IV、最后在有源层上通过溅射或蒸发的方法制备金属的漏电极和源电极。

上述本发明的另一个目的，其制备方法也可以包括步骤：

I、在基底上通过溅射或蒸发的方法制备一层金属栅电极；II、在基底和栅电极上溅射或蒸发一层绝缘膜，将栅电极完全包裹；III、在绝缘膜上通过溅射或蒸发的方法制备金属的漏、源电极；IV，最后在绝缘膜和漏、源两电极上通过真空热蒸发、旋涂、喷墨打印或丝网印刷一层具手性识别与检测功能的有机半导体材料，形成有源层。

实施本发明的技术方案，其有益效果为：

该基于有机场效应晶体管的手性传感器通过对有源层选材的改进，且手性选择剂材料多样灵活，可实现较宽范围内多种手性物质的检测；有机场效应晶体管的器件结构与原理简单，可以根据有源层与手性物质的反应特征，测定多个不同的参数，从而实现手性物质的快速、灵活检测，及对应异构体的鉴别。此外，有机场效应晶体管体积小，应用上可以减小检测器件的体积与成本。

附图说明

下面结合具体实施例及其附图对本发明创新实质作进一步地详细说明：

图1是基于底接触有机场效应晶体管的手性传感器结构示意图；

图2是基于顶接触有机场效应晶体管的手性传感器结构示意图。

具体实施方式

针对现有识别手性物质的仪器设备成本高，体积大，而手性传感器的选择剂主要是大环类化合物与分子印记聚合物，并且检测的手性物质有限，本发明所设计的手性传感器结合有机场效应晶体管的优势，旨在其有源层部分选择多种具有手性选择功能的材料或对手性物质具有特定响应的手性材料：可选单一手性半导体材料、或手性材料掺杂有机半导体材料，其厚度为10nm-1cm可选。上述不同材料在对手性分子进行选择性反应后，通过外加电压，导致载流子迁移率、阈值电压、电流开关比和亚阈值斜率发生变化，测量OFET的相关特性参数的改变，可以得到有关分子的类型，含量及浓度。进而可以实现一种体积小、成本低廉、可识别手性物质的传感器。

本发明手性传感器可利用有机场效应晶体管的全部结构，较为普遍的有底接触型(如图1所示)和顶接触型(如图2所示)的有机场效应晶体管，其基本结构至少包括基底1、栅绝缘层3、有源层4、栅电极2、源电极5及漏电极6，其中该有机场效应晶体管的有源层为具手性识别与检测功能的有机半导体材料。该有源层4组分上可以是单一手性半导体材料；也可以是手性材料掺杂有机半导体材料。

以下结合附图，从两个方面分别对该手性传感器的制备方法进行说明：

实施例一

通过该制备方法所得到的是底接触型的手性传感器：

步骤一，在基底1上溅射或蒸发一层10nm-500nm厚的栅电极2，该栅电极由Ta、Ti、Cr、W、Mo、Au或Ag中的一种或两种以上构成；

步骤二，溅射或蒸发一层150nm-500nm的高介电常数的栅绝缘层3，该栅绝缘层3由SiO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃、TiO₂、BZT或PZT中的一种或两种构成。

步骤三，通过真空热蒸发、旋涂、喷墨打印或丝网印刷一层10nm-500nm厚的有源层4，所述的有源层4包括以下两种不同组成(a)，单一手性有机半导体；(b)手性材料掺杂有机半导体。

步骤四，在有源层4上，溅射、喷墨打印或蒸发一层由Au、Ag、Ti、PEDOT:PSS等的一种或两种构成的源电极5和漏电极6。

实施例二

通过该制备方法所得到的是顶接触型的手性传感器：

步骤三，在栅绝缘层3上，溅射、喷墨打印或蒸发一层由Au、Ag、Ti、PEDOT:PSS等的一种或两种构成的源电极5和漏电极6。

步骤四，在栅绝缘层3和源、漏电极上通过真空热蒸发、旋涂、喷墨打印或丝网印刷一层10nm-500nm厚的有源层4，其成分可选如实施例一。

从具体的制备工艺来看：

将100晶面的硅依次用丙酮、乙醇、纯净水超声40分钟，然后用N₂吹干，放入120℃真空烘箱中放置10分钟，待用。将清洗干净的基底1上用射频磁控溅射方法镀上一层Ta金属膜并光刻成栅电极2，溅射的条件为：本底真空2×10^-3Pa；通入Ar气使溅射真空达到1Pa；射频功率500W；衬底温度为100℃。然后在栅电极2上用直流磁控反应溅射法连续制备一层300nm的SiO₂作为栅绝缘层。反应溅射的条件为：本底真空2×10^-4Pa；通入O₂气使溅射气压达到1Pa；真空功率500W；衬底温度为100℃。然后，将制备好栅绝缘层的片子移入真空热蒸发台内，抽真空，在压强达10^-5pa时，插入模板，在栅绝缘层3上真空热蒸发一层50nm的含有二羟基苯丙氨基团的聚噻吩有机半导体层，或者将聚噻吩与含有二羟基苯丙氨基团的聚噻吩混合成有机半导体层。蒸发的条件为：半导体粉末的石英舟温度在200℃以上。最后，再次改变模板，在有源层4上，真空热蒸发一层100nm的金形成宽为500微米、长为4000微米的源电极5和漏电极6，沟道宽度为50微米，沟道长40000微米。根据该传感器与待检测的手性物质响应后，该传感器的电流-电压特性及开关比、迁移率等的变化来定性或定量对手性物质进行检测。

综上所述，我们所研制的新型的手性传感器，设计独特且巧妙，使用方便，即兼备了场效应晶体管的优势，又实现了快速的对手性物质进行检测。

以上仅是本发明的具体应用范例，对发明的保护范围不构成任何限制。凡采用有机场效应晶体管结构的器件制备的手性传感器，均落在本发明权利保护范围内。

Claims

1.一种手性传感器，以有机场效应晶体管为基本结构，包括基底、栅绝缘层、有源层、栅电极、源电极、漏电极，其特征在于：所述有机场效应晶体管的有源层为具有手性识别与检测功能的有机半导体材料或对手性物质具特定响应的手性材料。

2.根据权利要求1所述的一种手性传感器，其特征在于：所述有源层为单一手性半导体材料。

3.根据权利要求1所述的一种手性传感器，其特征在于：所述有源层为手性材料掺杂有机半导体材料。

4.一种手性传感器的制备方法，所述手性传感器以有机场效应晶体管为基本结构，其特征制法为：I、在基底上通过溅射或蒸发的方法制备一层金属栅电极；II、在基底和栅电极上溅射或蒸发一层绝缘膜，将栅电极完全包裹；III、在绝缘膜上通过真空热蒸发、旋涂、喷墨打印或丝网印刷一层具有手性识别与检测功能的有机半导体材料或单一的手性材料，形成有源层，IV、最后在有源层上通过溅射或蒸发的方法制备金属电极。

5.一种手性传感器的制备方法，所述手性传感器以有机场效应晶体管为基本结构，其特征制法为：I、在基底上通过溅射或蒸发的方法制备一层金属栅电极；II、在基底和栅电极上溅射或蒸发一层绝缘膜，将栅电极完全包裹；III、在绝缘膜上通过溅射或蒸发的方法制备金属的漏、源电极；IV，最后在绝缘膜和漏、源两电极上通过真空热蒸发、旋涂、喷墨打印或丝网印刷一层具有手性识别与检测功能的有机半导体材料或单一的手性材料，形成有源层。