CN101852763A - 一种基于场效应晶体管的手性传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种基于场效应晶体管的手性传感器及其制备方法，该手性传感器利用场效应晶体管的结构，其有源层为具有手性识别与检测功能的碳纳米管薄膜，该有源层组分上可以是经过手性分子修饰的单壁或多壁碳纳米管薄膜，或以上两种材料混合制成的薄膜。碳纳米管的理想结构大大降低了载流子非弹性背散射，特别是其室温声学声子所对应的平均自由程达到了微米量级，光学声子的平均自由程也到了几十纳米，可以达到目前场效应晶体管的尺度，碳纳米管作为理想的有源层材料被植入场效应晶体管。本发明将具有手性选择性的基团修饰到碳纳米管上，通过与待检测的手性物质结合，使得场效应晶体管的参数发生变化，从而达到手性检测的目的。

Description

一种基于场效应晶体管的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，尤其涉及一种基于碳纳米管场效应晶体管的手性传感器及其制备方法，该手性传感器以场效应晶体管为基本结构，通过碳纳米管场效应晶体管器件性能的变化，灵活、宽泛地检测手性物质。
背景技术
随着半导体工业的发展，硅技术在进一步小型化方面遇到了一系列的挑战，而碳纳米管作为硅材料的替代品引起了半导体行业研究者的极大兴趣。碳纳米管(以下简称CNT)具有多方面的优异性能，既可表现为金属性，又可表现为半导体性。金属性CNT的电导率和最大电流密度可达到或超过现有最好的金属；而半导体性CNT的迁移率和跨导可达到或超过现有最好的半导体。以半导体型碳纳米管作为导电沟道的碳纳米管场效应晶体管具有高的开关电流比、理想的亚阈值特性、低温下可实现弹道输运和可以进行更大规模的集成等优良性能。
半导体型的碳纳米管是一种一维材料，直径在nm量级，远远小于金属电极的尺度，碳纳米管与金属电极接触平衡的过程中，费米钉扎效应非常微弱(可以忽略)，电子或空穴从金属注入到碳纳米管中成为载流子。如果金属的功函数小于碳纳米管的功函数，则金属的导带与碳纳米管接触，载流子为电子；反之，如果金属的功函数大于碳纳米管的功函数，则金属的价带与碳纳米管接触，载流子为空穴。这样就完全避免掺杂，避开了传统硅基CMOS技术所面临的最基本的器件加工和掺杂所导致的器件不均匀问题。栅极电压调制的是碳纳米管的能带相对于金属电极费米能级的位置。因此，使用不同功函数的金属电极作为源、漏电极，会得到n-型或p-型的碳纳米管场效应晶体管。
日前，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。为与之相适应，用于检测手性化合物成分、品质特性的手性传感器也成为了本领域技术人员高度重视的研究重点。
发明内容
针对上述碳纳米管场效应晶体管的各项优势，本发明的目的旨在提供一种基于场效应晶体管的手性传感器及其制备方法，将经过手性分子修饰的碳纳米管薄膜作为场效应晶体管的有源层，再与待检测的手性分子结合后，使场效应晶体管各项特性参数改变，完成对手性分子的检测，以实现一种低成本、高检测速度的可识别手性物质的传感器。
本发明的一个目的，将通过以下技术方案来实现：
一种基于场效应晶体管的手性传感器，所述晶体管包括基底、栅绝缘层、有源层、栅电极、源电极和漏电极，其特征在于：所述场效应晶体管的有源层为具有手性识别与检测功能的碳纳米管薄膜。该有源层为经手性分子修饰的单壁碳纳米管薄膜、或经手性分子修饰的多壁碳纳米管薄膜，又或者为以上两种材料混合所制成的薄膜。
本发明的另一个目的——基于场效应晶体管的手性传感器的制备方法，其实现方法步骤包括：
I、在基底/栅极上生长一层10nm～100nm厚的绝缘层；II、将经过分散并经过手性分子修饰的碳纳米管溶液喷涂、打印、旋涂、或滴加在绝缘层上，排布形成场效应晶体管的导电沟道；III、在导电沟道上溅射或蒸发制备电极，并对电极刻蚀形成源、漏电极之间0.1μm～1μm的距离。
本发明的另一个目的——基于场效应晶体管的手性传感器的制备方法，其实现方法步骤还可包括：
I、在基底/栅电极上生长一层10nm～100nm厚的栅绝缘层；II、在栅绝缘层上制备电极，并对电极进行刻蚀形成源、漏电极之间0.1μm～1μm的距离；III、将经过分散并经过手性分子修饰的碳纳米管溶液滴在基底的源、漏电极之间，排布形成场效应晶体管的导电沟道。
上述两种制备方法：其中所述手性修饰的碳纳米管采用表面沉积交联法制备，其步骤为先将手性分子集团溶于酸性或碱性溶液中，再加入碳纳米管，将混合液体超声分散后用磁力搅拌，最后在手性分子与碳纳米管的分散体系中加入碱性或酸性溶液，直至手性分子沉积于碳纳米管之上。
应用本发明基于场效应晶体管的手性传感器及其制备方法，其优点为：
该基于碳纳米管场效应晶体管的手性传感器，对碳纳米管进行手性分子修饰制成薄膜后，作为场效应晶体管的有源层。该手性传感器结合了碳纳米管场效应晶体管的优势，容易突破传统硅场效应晶体管的物理极限，并在继续减小器件尺寸、解决耗能和散热问题等方面具有优势。因此，基于碳纳米管场效应晶体管的手性传感器，可有效扩大检测手性分子的种类，结合碳纳米管的低成本优势和简单制备方法，可以得到更加低廉的检测手性物质的传感器，为手性传感器的推广应用及手性化合物的研究提供了保障。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1是基于顶接触碳纳米管场效应晶体管的手性传感器结构示意图；
图2是基于底接触碳纳米管场效应晶体管的手性传感器结构示意图。
具体实施方式
通过传统的共价或非共价碳纳米管修饰方法，在单壁或者多壁碳纳米管上修饰上不同的手性基团，可以选择性的与手性分子结合，使得场效应晶体管的各项参数发生变化，利用碳纳米管场效应晶体管的器件的响应速度快、效率高，通过碳纳米管的电流密度比一般金属要高等优势，实现对手性物质的快速、高灵敏检测。
本发明所设计的手性传感器结合碳纳米管场效应晶体管的优势，旨在其有源层部分利用多种具有手性选择功能的碳纳米管薄膜：经过手性分子修饰的单壁碳纳米管薄膜、经过手性分子修饰的多壁碳纳米管薄膜或者为以上两种材料混合所制成的薄膜。上述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，测量场效应晶体管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。
本发明的手性传感器可以利用碳纳米管场效应晶体管的全部结构形式，较为普遍的有顶接触型(如图1所示)和底接触型(如图2所示)的碳纳米管场效应晶体管。该手性传感器的基本结构至少包括底栅1、栅绝缘层2、有源层3、源电极4及漏电极5。其中，该碳纳米管场效应晶体管的有源层为具手性识别与检测功能的多壁碳纳米管薄膜、单壁碳纳米管薄膜或者为以上两种材料混合制成的薄膜。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/栅电极1上溅射、蒸发或热生长一层10nm～100nm厚的栅绝缘层，该栅绝缘层由SiO2、Ta2O5、Al2O3、TiO2、BZT、或PZT中的一种或两种构成；
步骤二，用溅射或热蒸发的方法在栅绝缘层上制备电极，并对电极进行刻蚀，使得源、漏电极之间的距离为0.1μm～1μm，电极可由Ta、Ti、Cr、W、Mo、Au或Ag中的一种或两种构成；
步骤三，将一定浓度的经过手性分子修饰的碳纳米管溶液喷涂、打印、旋涂、或滴加在基底的源、漏电极之间，经过排布形成场效应晶体管(FET)的导电沟道。
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：
步骤一，在基底/栅电极1上溅射、蒸发或热生长一层10nm～100nm厚的栅绝缘层，该栅绝缘层由SiO2、Ta2O5、Al2O3、TiO2、BZT、或PZT中的一种或两种构成；
步骤二，将一定浓度的经过手性分子修饰的碳纳米管溶液喷涂、打印、旋涂、或滴加在栅绝缘层上，经过排布形成FET的导电沟道；
步骤三，用溅射或蒸发方法在绝缘层上制备电极，对电极进行刻蚀，使得源、漏电极之间的距离为0.1μm～1μm，电极由Ta、Ti、Cr、W、Mo、Au或Ag中的一种或两种构成。
从具体的制备工艺来看：
将重掺杂的p-Si(100)晶面依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗40分钟，然后用N2吹干后放入120℃真空烘箱中待用。利用干氧-湿氧-干氧方法制备栅绝缘层，干氧过程采用高纯氧气(≥99.99％)做气源，湿氧过程是以干氧通过水温为95℃的水瓶得到混合氧气-水汽气源。采用干氧-湿氧-干氧的通入时间分别为0.5h、1.0h、1.0h，制得的SiO2膜厚为230nm。利用真空热蒸发法，在SiO2栅绝缘层上沉积100nm厚的金电极，刻蚀形成宽度为10μm、长为100μm的源电极4和漏电极5，沟道宽度为10μm，沟道长度为1μm。继而，将一定浓度的经过手性氨基酸分子修饰的碳纳米管溶液滴加在基底的源、漏电极之间，制成基于碳纳米管场效应晶体管的手性传感器。其中：
手性氨基酸分子修饰的碳纳米管可采用共价法或非共价法制备，其中非共价法具有制备装置简单、操作灵活、条件易于控制等优点：称取2mg碳纳米管于30mL浓度为0.05％w/V的氨基酸中，放置于超声仪中在25℃下超声1h，再以2000r/min转速进行离心，取上层溶液，即得氨基酸修饰的碳纳米管悬浮液，直接用于制备碳纳米管场效应晶体管中的有源层。
该手性传感器在实际应用中，根据该传感器与待检测的手性物质接触后，其电流-电压特性及开关比、迁移率等的变化，便可作为定性或定量对手性物质进行检测的指标。

Claims (8)

1.一种基于场效应晶体管的手性传感器，所述晶体管包括基底、栅绝缘层、有源层、栅电极、源电极和漏电极，其特征在于：所述场效应晶体管的有源层为具有手性识别与检测功能的碳纳米管薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于场效应晶体管的手性传感器，其特征在于：所述有源层为经过手性分子修饰的单壁碳纳米管薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于场效应晶体管的手性传感器，其特征在于：所述有源层为经过手性分子修饰的多壁碳纳米管薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种基于场效应晶体管的手性传感器，其特征在于：所述有源层为经过手性分子修饰的单壁碳纳米管与经过手性分子修饰的多壁碳纳米管混合制成的薄膜。
5.一种基于场效应晶体管的手性传感器的制备方法，其特征在于包括步骤：I、在基底/栅极上生长一层10nm～100nm厚的绝缘层；II、将经过分散并经过手性分子修饰的碳纳米管溶液喷涂、打印、旋涂、或滴加在绝缘层上，排布形成场效应晶体管的导电沟道；III、在导电沟道上溅射或蒸发制备电极，并对电极刻蚀形成源、漏电极之间O.1μm～1μm的距离。
6.根据权利要求5所述的一种基于场效应晶体管的手性传感器的制备方法，其特征在于：步骤II中所述手性修饰的碳纳米管采用共价法或非共价法制备，其步骤为先将手性分子溶于酸性或碱性溶液中，再加入碳纳米管，将混合液体超声分散后用磁力搅拌，最后在手性分子与碳纳米管的分散体系中加入碱性或酸性溶液，直至手性分子沉积于碳纳米管之上。
7.一种基于场效应晶体管的手性传感器的制备方法，其特征在于包括步骤：I、在基底/栅电极上生长一层10nm～100nm厚的栅绝缘层；II、在栅绝缘层上制备电极，并对电极进行刻蚀形成源、漏电极之间O.1μm～1μm的距离；III、将经过分散并经过手性分子修饰的碳纳米管溶液滴在基底的源、漏电极之间，排布形成场效应晶体管的导电沟道。
8.根据权利要求7所述的一种基于场效应晶体管的手性传感器的制备方法，其特征在于：步骤III中所述手性修饰的碳纳米管采用共价法或非共价法制备，其步骤为先将手性分子溶于酸性或碱性溶液中，再加入碳纳米管，将混合液体超声分散后用磁力搅拌，最后在手性分子与碳纳米管的分散体系中加入碱性或酸性溶液，直至手性分子沉积于碳纳米管之上。
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