CN105435871B - 一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管及其特性调节方法 - Google Patents

一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管及其特性调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管，包括基板、上盖板、调控电极、驱动电极、绝缘层、储液池；驱动电极、绝缘层、储液池、基板、储液池、绝缘层、驱动电极从前往后依次设置，调控电极、绝缘层、基板、绝缘层、调控电极从左往右依次设置，基板的上端面设有从前往后延伸贯穿的宽度为纳米级的发散/汇聚纳米流道，基板上设有将发散/汇聚纳米流道覆盖的上盖板。还涉及一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管的特性调节方法。本发明结构更简单，制造更方便，成本更低，且能够实现三极管导通电流的实时调控，具有良好的应用前景，属于离子三极管技术领域。

Description

一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管 及其特性调节方法
技术领域
本发明涉及一种离子三极管，特别是一种具有发散/汇聚纳米流道结构的离子三极管及其特性调节方法。
背景技术
微细尺度下的物质输运，特别是在微通道和多孔基体中的流体流动特性以及强化热质输运得到了广泛的关注。近年来，随着MEMS(微机电系统)技术的发展，纳米机构的制备及其应用得到了广泛的关注。例如Lu等采用纳米压印技术制备超细(～4nm)Nb(铌)丝用于超导测试；H.Yu等和David.C等对应用于生物大分子研究的纳米传感器进行了研究，所制备的纳米传感器具有体积小、与现代CMOS器件兼容性高以及浓度敏感性强等特点。其中，纳流控技术作为一种先进的纳米技术，今年来也得到了学者们的广泛关注。纳流控系统采用微纳加工技术将微储液器、微泵、微阀、微通道和微电极等原件集成到芯片上，从而实现采样、流控、富集、测量和分离等功能，因此纳流控技术在生物、环境、燃料电池、航空、军事和农业等各个领域都有广泛的应用前景。
纳流控系统的近几年的一个重要应用是纳米离子三极管。与传统的半导体三极管相似，离子二极管/三极管能够实现对离子电流的放大、截止、导通等作用。上述功能的实现依靠的是离子三极管内部纳米流道壁面的双电层对离子的筛选和控制作用。因此，能够对离子三极管纳米通道的表面电荷进行有效控制是能够实现离子三极管功能的关键环节。通常，离子三极管中需要配置三个调控电极，使通道沿流动方向分为三个部分，每部分所带表面电荷电性与相邻部分相反；或者只在通道上盖中部覆盖电极，其余部分不加电极。但是纳流控系统的电极通常采用PVD或CVD(物理气相沉积或化学气相沉积)方法直接镀于基板表面，要在细小的区域内对涂覆区域进行选择对工艺提出较高要求，且需要增加掩膜、清除等步骤。上述分析表明，现有的离子三极管实现方法或需要采用多个调控电极，或需要较高难度的制造工艺，均存在一定弊端。基于此，本发明提出一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单调控电极的离子三极管及其特性调节方法，所述调控电极覆盖于整个表面，无需对蒸镀表面进行选择，旨在解决现有离子三极管结构弊端，降低制造难度，提高其实用性、经济性。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种具有发散/汇聚纳米流道结构的离子三极管及其特性调节方法，采用全新的纳米级发散/汇聚流道结构，将纳流控系统有效应用于纳米离子三极管。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管，包括基板、上盖板、调控电极、驱动电极、绝缘层、储液池；驱动电极、绝缘层、储液池、基板、储液池、绝缘层、驱动电极从前往后依次设置，调控电极、绝缘层、基板、绝缘层、调控电极从左往右依次设置，基板的上端面设有从前往后延伸贯穿的宽度为纳米级的发散/汇聚纳米流道，基板上设有将发散/汇聚纳米流道覆盖的上盖板。
作为一种优选，发散/汇聚纳米流道中，发散纳米流道为中间小、前后两端开口大的结构，汇聚纳米流道为中间大、前后两端开口小的结构；发散/汇聚纳米流道的深度为微米或纳米级，可达几微米。在沿流道方向有两处位置分别形成离子浓度富集/消散区，即离子浓度最大值/最小值区。优选地，该位置为流道长度1/3和2/3处。优选的，流道的最大宽度值不超过100nm。
作为一种优选，发散/汇聚纳米流道左右对称且前后对称。
作为一种优选，发散/汇聚纳米流道的数量为一条时，位于基板的左右居中位置；发散/汇聚纳米流道的数量为两条以上时，所有发散/汇聚纳米流道沿着左右方向依次排列，且相对于基板的左右居中位置左右对称布置。
作为一种优选，发散/汇聚纳米流道的左右侧壁面为平面或弧形面。采用这种结构后，流道的前半边或后半边壁面各点距离两侧调控电极距离不同，导致沿流道方向表面电荷密度不均匀。此处所说的弧形面，指的是在俯视方向上成弧形的曲面，距离流道的左右对称中心线距离逐渐加大或逐渐减小。
作为一种优选，基板为立方体结构，位于左右两侧的调控电极和位于左右两侧的绝缘层的大小与基板的左右端面大小相等，并将基板的左右端面完全覆盖。
作为一种优选，储液池为立方体结构，前后两侧的端面大小与基板前后两侧的端面大小相等；储液池设有与发散/汇聚纳米流道连通的液体容腔，还设有将液体容腔和外部连通的进出口；位于前后两侧的驱动电极和位于前后两侧的绝缘层的大小与储液池的前后端面大小相等，并将储液池的相应端面完全覆盖；上盖板的上下端面大小与基板的上下端面大小相等，并将基板的上端面完全覆盖且紧密贴合。上盖板可防止电解液泄露。驱动电极之间产生平行于离子迁移方向的驱动电场。储液池用于电解液的储存，优选地，电解液为KCl溶液，溶液浓度为0.1～1mM。绝缘层用于防止漏电，优选的，左右两侧的绝缘层厚度范围为20～100nm，具体厚度值根据电解液浓度选择，而前后两侧的绝缘层厚度无具体要求。驱动电极分布于流道进出口处储液池的前后端面，该前后端面垂直于离子迁移方向，产生平行于离子迁移方向的驱动电场，驱动离子迁移。
作为一种优选，基板的材料为PMMA或PDMS；上盖板的材料为二氧化硅；调控电极为硅电极；驱动电极为硅电极。PMMA为聚甲基丙烯酸甲酯，PDMS为聚二甲基硅氧烷。
作为一种优选，调控电极的数量为两片；两片施加同极电压的调控电极中，一片位于基体的左侧，一片位于基体的右侧。采用这种结构后，即调控电极一片整采用PVD/CVD(物理气相沉积/化学气相沉积)方法直接镀在基板左右两侧面，结构简单，加工方便。两片调控电极之间形成单电极调控离子三极管。
一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管的特性调节方法，保持驱动电极的电压值不变，通过改变调控电极的电压值能够改变通道电导率，从而改变离子电流值；或保持调控电极的电压值不变，离子电流值与驱动电压值呈线性关系变化。
本发明的原理是：一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管，包括基板、上盖板、调控电极、驱动电极、绝缘层。基板上形成具有发散/汇聚结构的纳米流道，该发散/汇聚结构关于基板中心对称，使流道表面电荷分布具有对称性；调控电极正/负极覆盖于流道两侧，流道中离子迁移进行调控，实现离子三极管功能。本发明仅采用单调控电极沿流道方向分布即可实现离子三极管功能，通过修改发散/汇聚结构的楔角能够方便地更改三极管固有特性；通过调节调控电极电压能够实时更改三极管的电导率。与传统采用三电极的离子三极管相比，仅采用单调控电极，且调控电极覆盖整个基板侧面，故电极制备时不需要放置电极镀到其他表面，三极管整体结构更简单，制造更方便，成本更低，且能够实现三极管导通电流的实时调控，具有良好的应用前景。
总的说来，本发明具有如下优点：结构更简单，制造更方便，成本更低，且能够实现三极管导通电流的实时调控，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是一种具有汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管的三维示意图，储液池上端盖板未示出。
图2是图1的俯视图。
图3A和3B是发散/汇聚纳米流道结构的示意图，其中图3A为发散纳米流道，图3B为汇聚纳米流道。其中，发散角与汇聚角均以α表示。
图4是汇聚纳米流道的设计图，其中，hin为入口宽度一半，hmax为槽道最宽处一半，hx为沿槽道长度方向某处宽度一半，δx为沿槽道长度方向某处基板边缘至槽道边缘距离，即基板厚度。l为槽道长度。
图5是正调控电压下汇聚纳米流道的离子迁移图。
图6为采用Comsol多物理场耦合有限元模拟软件获得的本发明三极管的伏安特性曲线。
其中，1为基板，2为上盖板，3-1为左侧的调控电极，3-2为右侧的调控电极，4-1是前侧的驱动电极，4-2是后侧的驱动电极，5为绝缘层，6-1为前侧的储液池，6-2为后侧的储液池。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
一种具有汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管，包括：基板、上盖板、调控电极、驱动电极、绝缘层、储液池。
基板为PDMS或者PMMA，形状为厚度较薄的立方体形，在其上端面加工出汇聚纳米流道。图3A和3B为纳米流道的俯视图，纳米流道具有发散型(图3A)和汇聚型结构(图3B)，发散与汇聚结构区别在于，发散型流道中部小，前后两端开口大；汇聚型结构中部大，前后两端开口小。发散角与汇聚角均以α表示，且在外部给定条件相同时，发散角等于汇聚角。本实施例中的汇聚纳米流道的数量为一条，位于基板的左右居中的位置，且汇聚纳米流道的前后对称，左右对称。流道的左右两侧壁面均为平面，即俯视方向上，左右两侧壁面由直线组成。
上盖板为二氧化硅，与基板开有流道的表面紧密贴合，防止电解液泄露。
在基板的左右两侧，即沿离子在流道迁移方向的长度方向的两侧，各有一片调控电极，两个调控电极均完全覆盖整个基板的左右两侧，故沉积电极加工时无需对沉积区域加以选择。调控电极与基板间有绝缘层。绝缘层厚度范围20-100nm，具体厚度值根据电解液浓度选择。以电解液为KCl且浓度为1mM，pH值为7，温度为297K为例，其选择方法包括：
1.迪拜长度表达式为
确定的电解液类型、浓度和温度下，迪拜长度一定。各参数如表1所示：
代入式(1)得λ≈20nm。
2.在离子三极管中，左右两侧绝缘层厚度应与迪拜长度相等或近乎相等，故绝缘层厚度应为20-100nm厚。
在基板的前后两端各有一储液池，前端储液池的前端面和后端储液池的后端面，即与离子迁移方向垂直的两端外壁面上，分别覆盖有两驱动电极，所述驱动电极完全覆盖整个壁面，产生驱动离子迁移的平行电场。两储液池均开有圆形的进出口。
前后两驱动电极与基板间均有绝缘层，该绝缘层厚度无具体要求，可在20nm～500μm间选择。
基板的流道设计主要参数如图4所示。采用汇聚纳米流道，电解液为KCl且浓度n0为1mM，pH值为7，温度T为297K，调控电压范围Vg为2-6V，基板的宽度W为75nm，流道长度为1000nm为例，说明流道设计的方法，包括：
1.选定流道最大宽度。
根据式(1)知，迪拜长度为20nm。流道最大宽度应当与迪拜长度同数量级，故2hmax≤100nm。选定hmax＝50nm。
2.选择并设计离子富集/消散区的实体厚度δ。
易知，由于流道结构关于基板中心对称，在流道最大宽度确定(2h＝100nm)时，只需确定汇聚角则流道其他参数也确定。
要实现离子三极管功能，需要在流道两侧分别形成离子浓度消散区和浓度富集区。
优选地，消散区和富集区分布在流道的1/3和2/3处，但不限于这两处位置。基于优选方案，设计流道尺寸使流道1/3和2/3处表面电荷为零。
基板实体部分的泊松方程为
基板与绝缘层接触面电压近似为调控电压，基板流道固/液接触面为ζ电势
求解(2)-(3)
VG-ζ＝a(δ+h) (4)
近似认为离子迁移偏离平衡态较小，仍采用泊松-波尔兹曼方程计算双电层，得到线性化解(5)
流道固/液界面满足电通量连续性
联立求解(5)-(6)
代入(4)的表面电势和调控电压的关系为
Grahame公式有表面电荷密度和表面电势的关系为
结合(8)-(9)，得调控电压为VG时，引起的沿槽道方向厚度为δ处的表面电荷量为：
离子富集/消散区中心壁面表面电荷为零；通常PDMS或PMMS材料固有表面电荷为-2e-3C/m2；因此使σs＝-2e-3，得
根据上式(11)，在不同的温度T，调控电压大小VG，槽道宽度2h(其中2h≤100nm)条件下可确定1/3l和2/3l处实体部分厚度。选定部分参数如表2所示
代入上述数值到式(11)得：因此确定在上述确定条件下，1/3l和2/3l处实体部分厚度30nm。
3.确定入口宽度
由(1)知，2hmax＝100nm，则楔角和入口宽度联立求解(12)-(13)
代入下表参数
代入到式(12)-(13)计算得
hin＝20nm；α＝3.44°
上述具体实施例针对汇聚型流道在电解液为KCl且浓度n0为1mM，pH值为7，温度T为297K，调控电压范围Vg为2-6V，基板2宽度W为75nm，流道长度为1000nm条件下的设计方法，但所述设计方法不局限于本例。易知该方法能够简单地应用到其他类型流道和其他设计条件中，不仅仅适用于发散性离子三极管，还适用于汇聚型离子三极管。。
基于上述所设计的具有汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管的实际应用如图5所示。驱动电极(正极板)在右侧，驱动电极(负极板)在左侧，产生平行电场。调控电极电压为正，电压值为2-6V。由于基板材料为PDMS或PMMA，其固有表面电荷密度为-2e-3C/m2，调控电场改变了壁面电荷密度分布，在流道l/3和2l/3处表面电荷密度刚好为零，在l/3至2l/3内表面电荷变为正电荷，在l/3和2l/3外侧表面电荷仍保持负电荷。由于双电层作用使以l/3和2l/3为界的离子浓度不同，导致流进消散区的离子少于流出离子，即在l/3处形成低离子浓度区域；同理在2l/3处形成高离子浓度区域，即富集区。因此流道的电导率改变，与电解液本身浓度不同，即改变了三极管的伏安特性。通过连续改变调控电极的电压值能够连续调节通道离子电流，即实现了离子三极管的特性调节。如图6所示为采用Comsol多物理场耦合有限元模拟软件对该离子三极管计算得到的伏案特性曲线，该曲线证明通过改变调控电极的电压能够改变通道电导率和离子电流值，即实现了离子三极管的特性调节。
除了本实施例提及的方式外，本发明可以采用发散纳米流道结构；可以将新型的发散/汇聚纳米流道结构应用于传统的调控电极的布置方式；发散/汇聚纳米流道结构的数量可为两条以上，只要在基板上前后、左右对称即可；发散/汇聚纳米流道结构的左右侧壁面可由弧形面组成。这些变换方式均在本发明的保护范围内。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管，其特征在于：包括基板、上盖板、调控电极、驱动电极、绝缘层、储液池；驱动电极、绝缘层、储液池、基板、储液池、绝缘层、驱动电极从前往后依次设置，调控电极、绝缘层、基板、绝缘层、调控电极从左往右依次设置，基板的上端面设有从前往后延伸贯穿的宽度为纳米级的发散/汇聚纳米流道，基板上设有将发散/汇聚纳米流道覆盖的上盖板。
2.按照权利要求1所述的一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管，其特征在于：所述发散/汇聚纳米流道中，发散纳米流道为中间小、前后两端开口大的结构，汇聚纳米流道为中间大、前后两端开口小的结构；发散/汇聚纳米流道的深度为微米或纳米级。
3.按照权利要求1所述的一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管，其特征在于：所述发散/汇聚纳米流道左右对称且前后对称。
4.按照权利要求1所述的一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管，其特征在于：所述发散/汇聚纳米流道的数量为一条时，位于基板的左右居中位置；发散/汇聚纳米流道的数量为两条以上时，所有发散/汇聚纳米流道沿着左右方向依次排列，且相对于基板的左右居中位置左右对称布置。
5.按照权利要求2所述的一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管，其特征在于：所述发散/汇聚纳米流道的左右侧壁面为平面或弧形面。
6.按照权利要求1所述的一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管，其特征在于：所述基板为立方体结构，位于左右两侧的调控电极和位于左右两侧的绝缘层的大小与基板的左右端面大小相等，并将基板的左右端面完全覆盖。
7.按照权利要求6所述的一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管，其特征在于：所述储液池为立方体结构，前后两侧的端面大小与基板前后两侧的端面大小相等；储液池设有与发散/汇聚纳米流道连通的液体容腔，还设有将液体容腔和外部连通的进出口；位于前后两侧的驱动电极和位于前后两侧的绝缘层的大小与储液池的前后端面大小相等，并将储液池的相应端面完全覆盖；上盖板的上下端面大小与基板的上下端面大小相等，并将基板的上端面完全覆盖。
8.按照权利要求1所述的一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管，其特征在于：所述基板的材料为PMMA或PDMS；上盖板的材料为二氧化硅；调控电极为硅电极；驱动电极为硅电极。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管，其特征在于：所述调控电极的数量为两片；两片施加同极电压的调控电极中，一片位于基体的左侧，一片位于基体的右侧。
10.按照权利要求1至9中任一项所述的一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管的特性调节方法，其特征在于：保持驱动电极的电压值不变，通过改变调控电极的电压值能够改变通道电导率，从而改变离子电流值；或保持调控电极的电压值不变，离子电流值与驱动电压值呈线性关系变化。
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