CN107228919A - 基于层状纳米带的化学传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种化学传感器，其具有包括活性层状纳米材料的多条纳米带的基材和用于当与物质接触时测量所述多条纳米带中的至少一部分纳米带的电或物理特性的变化的物质检测部件。本发明还涉及一种使用化学传感器检测物质的方法以及一种用于构造基材以便于通过化学传感器进行化学检测的方法。

Description

基于层状纳米带的化学传感器
相关申请的交叉引用
本专利申请要求在2016年3月25日提交的、序号为62/313,526的、名称为“Chemical Sensor Based On Layered Nanoribbons(基于层状纳米带的化学传感器)”的美国临时专利申请的优先权，其被分配予本文的受让人并且在此为了所有目的明确地通过引用将其并入本文。
技术领域
本发明涉及一种基于层状纳米带的化学传感器、一种使用化学传感器检测物质的方法以及一种用于构造基材以便于通过化学传感器进行化学检测的方法。
背景技术
对于环境和生命形式演变、工业排放、早期医学诊断及公众和食品安全以及其他因素的日益增长的忧虑和关注，已经提出了对浓度极低的重要的化学和生物种群的更高水平的灵敏度检测和监测的需求。纳米结构材料的进步使得能够出现具有高表面-体积比、高孔隙率和优异化学特性的新一代超灵敏固态传感器。然而，由于在这种传感器中使用的结构和材料的限制，检测极限通常是百万分之几(PPM)。随着在该技术中持续得到进展，可能需要更集中的检测限。
发明内容
以下呈现本发明的一个或多个方案的概述，以便提供对这些方案的基本理解。该概述不是所有预期方案的广义概述，并且既不旨在标识所有方案的关键或重要元素，也不旨在描绘任何或所有方案的范围。其唯一目的是以简化形式呈现本发明的一个或多个方案的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的前导。
在一个示例中，提供了一种化学传感器，其包括：基材，其包括多条活性层状纳米材料的纳米带；以及物质检测部件，其用于当与物质接触时测量所述多条纳米带中的至少一部分纳米带的电或物理特性的变化。
在另一个示例中，提供了一种使用化学传感器检测物质的方法。该方法包括向位于基材上的多条层状纳米带提供电荷，其中多条层状纳米带由活性层状纳米材料构成；监测多条层状纳米带的物理或电特性的变化；以及基于确定多条层状纳米带的物理或电特性的变化达到阈值来检测物质。
在又一个示例中，提供了一种用于构造基材以便于通过化学传感器进行化学检测的方法。该方法包括：在基材上设置活性层状纳米材料，用光阻层涂覆活性层状纳米材料，将具有多个平行条的掩模施加至光阻层，显影基材以暴露活性层状纳米材料的由掩模覆盖的区域以产生多条涂覆有光阻层的、活性层状纳米材料的纳米带，蚀刻掉活性层状纳米材料的暴露区域以实现对于多条纳米带的边缘的基本上一致的边缘构造，以及将光阻层的剩余部分从多条纳米带去除。
为了实现前述和相关的目的，本发明的一个或多个方案包括在下文中充分描述并在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了一个或多个方案的某些说明性特征。然而，这些特征仅指示可用来实施各个方案的原理的多种方式中的几种，并且这种描述旨在包括所有这些方案及其等同物。
附图说明
在所附权利要求中阐述被认为是本文所描述的方案的特性的新颖特征。在下面的描述中，在整个说明书和附图中分别用相同的附图标记表示相同的部件。附图不一定按比例绘制，并且为了清楚和简明起见，某些附图可以以夸张或概括的形式示出。然而，当结合附图进行阅读时，通过参考示例性实施例的以下详细描述会最佳地理解本发明本身以及优选的应用模式、其进一步的目的和进展，其中：
图1示出了根据本发明的一个方案的传感器的示例的示意图；
图2示出了根据本发明的一个方案的纳米带的边缘构造的示例；
图3示出了根据本发明的一个方案的用于检测基材的特性变化的方法的示例的流程图；
图4示出了根据本发明的一个方案的用于构造纳米带的工艺的示例；以及
图5示出了根据本发明的一个方案的用于构造纳米带的方法的示例的流程图。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种构造的描述，不旨在表示可以实践本文所描述的概念的仅有的构造。详细描述包括用于提供对各种概念的透彻理解的目的的具体细节。然而，对于本领域技术人员明显的是，这些概念可以在没有这些具体细节的情况下实施。在一些情况下，以框图形式示出了公知的结构和部件，以便避免模糊这些概念。
现在将参考各种装置和方法来呈现某些系统的若干方案。这些装置和方法将在以下详细描述中描述并且通过各种框、模块、部件、电路、步骤、过程、算法等(统称为“元素”)在附图中进行说明。这些元素可以使用电子硬件、计算机软件或其任何组合来实现。这种元素是实现为硬件还是软件取决于特定应用和施加在整个系统上的设计限制。另外，虽然下面在各个附图、如图3和图5中描述的操作以特定顺序呈现和/或由示例的部件执行，在一些示例中，取决于实施方式，动作的顺序和执行动作的部件可以变化。
图1示出了根据本文所述的方案的示例性化学传感器100。例如，传感器100可以包括基材102和位于其上的活性层状纳米材料的纳米带104。传感器100还可以包括用于在确定物质(例如化学物质，其可以包括分子分析物或类似物质)的存在的情况下引入电流通过纳米带以检测其反应的部件，诸如源极端子106、用于向源极端子106提供电位或电荷的栅极端子108、以及用于基于提供给源极端子106的电荷从源极端子106接收电流的漏极端子110。因此，例如，传感器100可以作为化学场效应晶体管(FET)操作或否则包括化学场效应晶体管(FET)，以通过检测纳米带104的电或物理特性的变化来检测传感器100上或附近(例如，纳米带104上或附近)的物质的存在。在一个示例中，传感器100可联接到物质检测装置150(例如，经由电连接152)，其可基于监测和/或测量纳米带104的电或物理特性的变化来检测物质的存在。
基材102可以包括二氧化硅、氧化铝、MCM-41、MgO、ZrO2、铝稳定的氧化镁、沸石或本领域已知的其他载体、及其组合。活性层状纳米材料的纳米带104可以包括石墨烯130、诸如硫化物材料(例如二硫化钼(MoS2)或类似材料)的二维(2D)金属硫族化合物132、碳纳米管(CNT)、黑磷、氮化物(例如六方氮化硼)，氧化物(例如五氧化二钒)、基本上任何金属、和/或类似物。
在一个示例中，可被测量以检测物质的存在的纳米带104的活性层状纳米材料的物理(例如，输送)特性和/或电子特性可取决于带的宽度和/或原子在纳米带104的边缘的构造。在一个示例中，纳米带104的边缘可以比平面区域更有活性，并且因此在示例性配置中，可以在基材102上设置多条120纳米带104，以增加边缘的数量，从而增加传感器100的灵敏度。此外，与无限平面材料相比，设置多条120纳米带104可增加传感器100上的边缘相对于平面表面的比例，或其中纳米带的纵横比增加，这可以额外增加传感器100的灵敏度。此外，例如，原子的某些边缘结构可能比其他结构对某些类别的物质更敏感。因此，例如，每条纳米带104(或多条120纳米带104中的至少一部分纳米带)可以具有适合于由传感器100检测的物质类别的边缘结构。在如本文所示和所述的示例中，边缘结构可以沿边缘基本上一致。此外，在一个示例中，具有边缘轮廓的边缘可以是被配置为基本上垂直于在图1所示的传感器100中源极端子106和漏极端子110的边缘，而在一些示例中，附加或替代的边缘可以具有边缘轮廓。另外，在一个示例中，多条120纳米带104中的一条或多条可以具有与多条120纳米带104中的另一条不同的边缘轮廓。在又一个示例中，纳米带104可以在纳米带104的一侧上具有边缘轮廓，以及在纳米带104的另一侧上具有不同的边缘轮廓。
在一个示例中，如图2所示，边缘轮廓可以包括锯齿形边缘122、扶手形边缘124或基本上任何边缘轮廓。如图所示，例如，活性层状纳米材料可以具有六边形结构，其中边缘在纳米材料的原子之间共享。因此，例如，原子可以旋转地定位在纳米带104的基材上，使得在纳米带104的边缘上的原子暴露与纳米带104的端部成角度地偏移的边缘，如同锯齿形边缘122。在另一个示例中，原子可以旋转地定位在基材上，使得边缘上的原子暴露与纳米带104的端部基本平行的边缘，如扶手椅边缘124。在任一种情况下，在参考图4-5进一步描述的蚀刻工艺期间，可以根据原子的旋转位置蚀刻边缘，以实现锯齿形边缘122或扶手形边缘124作为沿着纳米带104的端部的基本上一致的边缘。
另外，例如，当存在某些可检测物质时，包括边缘的纳米带104可能由于通过纳米带104的电流和/或纳米带104的改型而随时间劣化。将纳米带104暴露于紫外(UV)光140可以恢复和清洁纳米带104及其边缘。因此，在一个示例中，纳米带104可以在原位置暴露于UV光140，以维持和提高纳米带104在检测物质中的性能。例如，纳米带104可以在最佳操作条件下暴露于UV光140，以特别地维持/改善性能。例如，纳米带104可以暴露于UV光140，以便于通过气体解吸、等离子体共振、电磁场增强、热力学加热、直接光解吸等促进净化。此外，在示例中，物质检测装置150可以确定纳米带104中的变化是否表示物质的存在和/或可以考虑可能由UV光140、光电效应等引起的电荷杂质。清洁和恢复纳米带性能的其他方法可以包括热力学加热、其他辐射等。例如，纳米带104可以连续地暴露于辐射光或辐射，使得UV光140连续地存在用于加热纳米带104。
如所描述的，在一个示例中，纳米带104可由MoS2组成，其在含氧的环境中(例如，在干燥空气中在连续UV光照射下)可以比例如石墨烯和CNT的其他材料更加稳定。在一个示例中，可以基于将通过相应的传感器100检测的物质、传感器100将被使用的环境等，在此方面选择纳米带104的结构(例如纳米带的材料、数量和间隔、边缘构造等)。在一个示例中，传感器100可以包括基本上任何数量的纳米带104以便于检测某些材料。在一个示例中，所使用的纳米带104的数量可以基于传感器100的尺寸、纳米带104的尺寸、纳米带104之间的间隔等。在一个具体示例中，1毫米(mm)宽的传感器100可以包括数千条纳米带104(例如10000至100000条纳米带104)。在特定示例中，1mm侧传感器100可以包括大约33000条纳米带104，其中纳米带104是15nm宽并且在纳米带之间具有15纳米(nm)间隙。
现在参考图3，示出了用于(例如通过物质检测装置150)操作诸如传感器100的传感器的示例性方法300。在框302中，可以向基材上的多条层状纳米带提供电荷。在一个方案，例如，物质检测装置150可以向基材102上的纳米带104(例如，源极端子106)提供电荷。在一个示例中，源极端子106可以提供电荷，并且漏极端子110可以接收来自源端子106的电流，其允许物质检测装置150在物质接近纳米带104或与纳米带104接触时监测纳米带104中的物理/电改变。此外，如所描述的，使用多条120纳米带104增加边缘的数量，从而增加可以由物质检测装置150检测的活性水平。
在框304中，可以监测层状纳米带104的物理或电特性的变化。在一个方案中，物质检测装置150可监测纳米带104的物理或电特性的变化，如上所述。例如，所述变化可以对应于纳米带104上的原子组成的变化，其基于纳米带104附近或之上的物质的存在。可以监测的物理或电特性可以是，例如但不限于，纳米带104的电导率、介电常数、介电强度、磁导率、介电常数、压电常数、塞贝克系数、热电势、电容、波阻抗、波吸收、发射性、发光性、亮度、热导率、机械和光学特性。通过例如从源极端子施加电压通过纳米带104(例如，到漏极端子)，可以监测在与物质接触时在纳米带104中引起的电气或物理特性的变化(例如，在源极和漏极端子之间流动的电流的变化)。一种特性可以包括纳米带104的电导的变化，其可以指示物质在纳米带104附近或之上的存在。另外，如所述的，纳米带104的边缘的边缘轮廓的不同构造可以基于不同物质的存在表现出组成的不同变化。
在框306中，当层状纳米带的物理或电特性的变化达到阈值时，可以检测物质的存在。在一个方案中，当纳米带104的物理或电特性的变化达到阈值时，物质检测装置150可以检测物质的存在。在一个示例中，物质检测装置150可以基于检测纳米带104上的电阻(例如，基于在漏极端子110处接收的电流的变化)确定变化，检测纳米带上的电阻可以包括通过评估漏极端子110、栅极端子108等处的特性检测一条或多条纳米带104上的阻抗。
参考图4和图5，示出了用于构造本文所述的纳米带的工艺和相关方法的示例。图4示出了使用诸如光刻的工业工艺构造上述多条120纳米带104的工艺400的示例。图5示出了用于执行工艺400的步骤的示例方法500。
在框502中，可以将活性层状纳米材料设置在基材上。例如，给定基材402，并且活性层状纳米材料404可以至少部分地设置在基材402上。例如，活性层状纳米材料404可以包括石墨烯130、诸如硫化物材料(例如二硫化钼(MoS2)或类似材料)的2D金属硫族元素132、碳纳米管(CNT)、黑磷、氮化物(例如六方氮化硼)、氧化物(例如五氧化二钒)、基本上任何金属等。
在框504中，活性层状纳米材料可以涂覆有光阻层。例如，活性层状纳米材料404可以至少部分地涂覆有光阻层406，其可以是基本上任何光敏层。
在框506中，可以将具有多个平行条的掩模施加到光阻层。例如，掩模可以是具有多个平行条的电子束掩模408，并且可以由用于光学地阻挡光穿过条的材料构成。
在框508中，可以显影基材以暴露活性层状纳米材料的由掩模覆盖的区域，以形成活性层状纳米材料的涂覆有光阻层的多条纳米带。例如，基材402和各个层可以通过将基材402暴露于光源而被显影。在一个示例中，负光阻可用于光阻层406，使得光阻层406的未暴露区域410(例如，由掩模覆盖的区域)在显影期间可变得可消溶。
在框510中，可以蚀刻掉活性层状纳米材料的暴露区域，以实现多条纳米带的边缘的基本一致的边缘构造。例如，可以使用等离子体蚀刻、激光蚀刻等蚀刻掉未暴露区域410，以产生涂覆在光阻层材料中的活性层状纳米材料的多条纳米带414。在一个示例中，可以应用蚀刻以沿着涂覆在光阻层材料中的多条纳米带414中的每一个的侧面实现本文所述的一个或多个边缘轮廓，例如锯齿形边缘122、扶手形边缘124等。
在框512中，可以从多条纳米带去除光阻层的剩余部分。例如，可以去除纳米带414上的光阻层的剩余部分，以暴露活性层状材料的多条120纳米带104，并且具有基本一致的边缘构造，如上所述。例如，可以使用化学剥离剂、灰化工艺等去除光阻层的剩余部分。具有多条120纳米带104的基材402可以用于如上所述具有源极端子106、栅极端子108和漏极端子110以检测一种或多种物质的传感器100中。
应该理解的是，上述公开的和其他的特征和功能或其替代或变型的各种实施方式可以期望地组合到许多其他不同的系统或应用中。此外，本领域技术人员可以随后进行各种目前未预见的或未预期的替代、修改、变化或改进，其也旨在被所附权利要求书所涵盖。

Claims (20)

1.一种化学传感器，包括：
基材；
位于所述基材上的活性层状纳米材料的多条纳米带；以及
物质检测部件，用于当与物质接触时测量所述多条纳米带中的至少一部分纳米带的电或物理特性的变化。
2.根据权利要求1所述的化学传感器，其中所述活性层状纳米材料包括石墨烯。
3.根据权利要求1所述的化学传感器，其中所述活性层状纳米材料包括二维材料。
4.根据权利要求3所述的化学传感器，其中所述二维材料包括二硫化钼。
5.根据权利要求1所述的化学传感器，其中所述多条纳米带中的至少一部分纳米带具有基本一致的边缘构造。
6.根据权利要求5所述的化学传感器，其中所述基本一致的边缘构造包括锯齿形边缘或扶手形边缘中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的化学传感器，还包括辐射源，用于连续地辐射所述多条纳米带中的至少一部分纳米带以在所述多条纳米带中的至少一部分纳米带中清洁所述活性层状纳米材料。
8.根据权利要求7所述的化学传感器，其中所述辐射源提供连续的紫外光辐射。
9.根据权利要求1所述的化学传感器，还包括：
化学场效应晶体管(FET)，其包括：
用于提供电荷的源极端子；
用于向所述多条纳米带中的至少一部分纳米带提供电位的栅极端子；以及
用于从所述源极端子接收电流的漏极端子，
其中所述基材联接到所述栅极端子，并且其中所述物质检测部件向所述源极端子提供电荷。
10.一种使用化学传感器检测物质的方法，包括：
向位于基材上的多条纳米带提供电荷，其中所述多条纳米带由活性层状纳米材料构成；
监测所述多条纳米带的物理或电特性的变化；和
基于确定所述多条纳米带的物理或电特性的变化达到阈值，检测物质的存在。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述活性层状纳米材料包括石墨烯。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述活性层状纳米材料包括二维材料。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述二维材料包括二硫化钼。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述多条纳米带中的至少一部分纳米带具有基本上一致的边缘构造。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述基本一致的边缘构造包括锯齿形边缘或扶手形边缘中的一种或多种。
16.一种用于构造基材以便于通过化学传感器进行化学检测的方法，包括：
在所述基材上设置活性层状纳米材料；
用光阻层涂覆所述活性层状纳米材料；
将具有多个平行条的掩模施加到所述光阻层；
显影所述基材以暴露所述活性层状纳米材料的由所述掩模覆盖的区域，以形成所述活性层状纳米材料的涂覆有所述光阻层的多条纳米带；
蚀刻掉所述活性层状纳米材料的暴露区域以实现所述多条纳米带的边缘的基本一致的边缘构造；以及
从所述多条纳米带去除所述光阻层的剩余部分。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述活性层状纳米材料包括石墨烯。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述活性层状纳米材料包括二维材料。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述二维材料包括二硫化钼。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述基本一致的边缘构造包括锯齿形边缘或扶手形边缘中的一种或多种。
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