CN111697083A - 一种基于卤水环境实现pn结效应的装置 - Google Patents

一种基于卤水环境实现pn结效应的装置 Download PDF

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董昌吉
张勇
李生廷
李积祥
于雪峰
杜佩英
梁玉平
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Abstract

本发明公开了一种基于卤水环境实现PN结效应的装置，包括氧化石墨烯膜、离子水溶液、第一电极、第二电极。所述氧化石墨烯膜与所述第一电极贴合封装成一个整体，所述氧化石墨烯膜的另一侧置入所述第二电极，所述氧化石墨烯膜与所述第二电极之间充填所述离子水溶液，以所述氧化石墨烯膜和所述离子水溶液作为系统，实现PN结效应。由于以氧化石墨烯膜和离子水溶液作为一个系统，整体实现PN结效应，因此，装置可作为一个电子元器件内置于生物体内，用生物体内的组织液作为离子水溶液真正实现生物‑机电一体化。

Description

一种基于卤水环境实现PN结效应的装置
技术领域
本发明涉及利用氧化石墨烯膜制备、在卤水环境实现PN结效应的装置。
背景技术
现有的半导体装置，其PN结均是利用固态材料组合而成。对于目前的生物机器人、探测器、人工器官等设备而言，还无法实现真正的生物体-机电一体化。其中一个重要原因就是生物体中含有大量的水，各类器官都是在液相环境下存在。因此，现有的半导体装置无论作为生物体内监测生物体征的传感器，或者作为维持生物功能的人造器官，在生物体中应用时，首先需考虑防水、生物相容等各类问题。为了解决这些问题，需要增加许多诸如防水封装、生物相容涂层等非功能性配件，严重限制了半导体装置在生物体中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够将液相环境本身作为半导体器件的一部分，实现PN结的半导体装置。
本发明的第一技术方案为一种基于卤水环境实现PN结效应的装置，其特征在于：包括氧化石墨烯膜、离子水溶液、第一电极、第二电极，
所述氧化石墨烯膜与所述第一电极贴合封装成一个整体，所述氧化石墨烯膜的另一侧置入所述第二电极，所述氧化石墨烯膜与所述第二电极之间由所述离子水溶液隔离，以所述氧化石墨烯膜和所述离子水溶液作为系统，实现PN结效应。
第二技术方案基于第一技术方案，其特征在于：所述氧化石墨烯膜为氧化石墨烯/基膜结构的双层复合膜，
所述氧化石墨烯层作为功能层，其厚度在50～200nm范围内，所述基膜层为多空材料，厚度在1～500μm范围内选取。
第三技术方案基于第二技术方案，其特征在于：所述基膜层作为基体材料，采用包括醋酸纤维素膜，或聚砜膜或者聚偏氟乙烯膜材料，所述基膜层上具有孔径为0.005～0.05μm的孔。
第四技术方案基于第三技术方案，其特征在于：所述基膜层孔径为 0.02μm，基膜层厚度为110μm。
第五技术方案基于第一至第四中的任一技术方案，其特征在于：所述离子水溶液为氯化钾的水溶液、氯化钠的水溶液、生理盐水、生物的组织液中的任一种或几种的混合物。
第六技术方案基于第五技术方案，其特征在于：所述离子水溶液为 0.001mol/L～1mol/L的氯化钾的水溶液或者0.001mol/L～1mol/L的氯化钠水溶液。
第七技术方案基于第六技术方案，其特征在于：所述第一电极和所述第二电极之间的外加电压设定在-800～800mV范围内。
第八技术方案基于第二技术方案，其特征在于：所述氧化石墨烯膜采用以下方法制备，
步骤1(S1)，配置氧化石墨烯分散液：按重量配比：氧化石墨烯 0.00001～0.1％，去离子水99.9999～99.9％，将两者充分搅拌后置于超声装置处理，得到均匀的分散液；
步骤2(S2),抽滤过程：将基膜置于抽滤装置的滤芯上固定，将所述分散液置于抽滤装置进液侧，静置10～60min后，抽滤，取出后晾干，得到双层复合膜；
步骤3(S3)，双层复合膜的后处理：将所述双层复合膜置于气氛干燥箱中进行加热处理，得到所述氧化石墨烯膜。
第九技术方案基于第八技术方案，其特征在于，所述步骤1(S1) 中，利用超声波震荡5～20分钟，将氧化石墨烯颗粒分散于所述去离子水中形成悬浊液。
第十技术方案基于第九技术方案，其特征在于：所述步骤3(S3) 中，所述气氛干燥箱的气氛由氮气、氩气、氢气、氧气中的一种或者几种构成；所述气氛干燥箱的温度为30～200摄氏度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明以氧化石墨烯膜和水性溶液(卤水环境)实现PN结效应，可将电极内置于氧化石墨烯膜两侧，例如可直接作为一个有PN结效应的器件如植入生物体内，利用生物体内的组织液产生PN结效应，对生物体征进行在线监测。
(2)本发明的制备工艺简单，不涉及有毒有害材料，适宜于生物医学等领域的使用。
附图说明
图1为本发明实施方式中的半导体装置的结构说明图；
图2为本发明实施方式中的氧化石墨烯膜的制备工序说明图；
图3为本发明实施方式中制备氧化石墨烯膜的流程图；
图4为本发明实施方式中实施例1的半导体装置的PN结的IV曲线图；以及
图5为本发明实施方式中实施例2的半导体装置的PN结的IV曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案与效果表述更加清楚，下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。应该理解，此处描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。
图1为本发明实施方式中的半导体装置的结构说明图.如图1所示，半导体装置由氧化石墨烯膜10、离子水溶液(水性溶液)50、第一电极30、第二电极20组成。离子水溶液50构成卤水环境。
氧化石墨烯膜10为氧化石墨烯/基膜结构的双层复合膜。氧化石墨烯层作为功能层起到对离子进行限域选择，其厚度在50～200nm范围内选取，本实施方式中，氧化石墨烯层的厚度为110nm。基膜层起到支撑氧化石墨烯层的作用，其厚度在1～500μm范围内选取，本实施方式中，基膜层的厚度为110μm。基膜层为多空材料，孔径为0.005～0.05μm，水合离子能够透过基膜层。在本实施方式中，基膜层的孔径为0.02μm。
基膜层的材料为醋酸纤维素膜，或聚砜膜或者聚偏氟乙烯膜。
氧化石墨烯膜10与第一电极30贴合封装成一个整体。在本实施方式中，第一电极30与氧化石墨烯膜10的基膜一侧贴合。
氧化石墨烯膜10的另一侧，即，氧化石墨烯膜层一侧置入第二电极 20，氧化石墨烯膜10与第二电极20浸入离子水溶液50中。即，氧化石墨烯膜10与第二电极20之间由离子水溶液50隔离，在氧化石墨烯膜10的氧化石墨烯膜层一侧与第二电极20之间具有(充满)离子水溶液50，以氧化石墨烯膜10和离子水溶液50作为系统，实现PN结效应。
在本实施方式中，离子水溶液50为0.001mol/L～1mol/L的氯化钾水溶液或者0.001mol/L～1mol/L的氯化钠水溶液。
作为卤水环境不仅仅局限于氯化钾水溶液或者氯化钠水溶液，也可以是生理盐水或生物的组织液以及其中几种的混合物。
在第一电极30和第二电极20印加-800～800mV的电压，在氧化石墨烯膜10的两侧产生激发电压，通过测量电流与印加电压之间的IV曲线，确认装置具有PN结效应。
在本发明中，氧化石墨烯膜10的基膜不仅起到支撑氧化石墨烯的作用，还担负着水合离子的透过作用，故基膜孔径的下限不应对离子的扩散产生不利影响。因此基膜孔径下限选择水合离子相当的0.005μm。由于用抽滤方法使氧化石墨烯粉末在基膜表面形成滤饼(氧化石墨烯膜)。因此基膜孔径的上限小于大部分的氧化石墨烯片层大小(即 0.05μm)，保证了氧化石墨烯片层的形成。
在本发明中，最理想的氧化石墨烯层应该完全覆盖在基膜表面，且层层平行叠起。然而，由于氧化石墨烯具有褶皱，且堆砌时并不能保证层与层完全平行，为了防止此类缺陷导致离子直接穿过，故需要有足够的厚度。考虑到大多数氧化石墨烯产品为多层的，约5～10nm，故本实施方式中，选择氧化石墨烯层的厚度的下限为50nm。若氧化石墨烯层太厚，由于石墨烯片层之间的范德瓦尔斯相互作用，浸入离子水溶液中，会有部分氧化石墨烯直接脱落。实验发现500nm即为上限了，为保证器件稳定工作，本实施方式中选择氧化石墨烯厚度的上限为200nm。
氧化石墨烯与去离子水的比例：本实施方式中是利用抽滤方法将氧化石墨烯片层沉积到基膜表面。理想中的氧化石墨烯层希望氧化石墨烯片层全部以平行于基膜表面的方向堆叠在一起。故制备时，用尽可能稀的溶液抽滤，可以获得堆叠较好的氧化石墨烯层。
以下通过实施例对氧化石墨烯膜10的制备进行说明。
图2为本发明实施方式中的氧化石墨烯膜的制备说明图，图3为本发明实施方式中制备氧化石墨烯膜的流程图。
如图3所示，
步骤S1，配置氧化石墨烯分散液：按重量配比：氧化石墨烯 0.00001～0.1％，去离子水99.9999～99.9％，将两者充分搅拌后置于超声装置处理，得到均匀的分散液。即，超声波震荡5～20分钟，将氧化石墨烯颗粒分散于去离子水中形成悬浊液。
步骤S2,抽滤过程：将基膜3置于抽滤装置4的滤芯上固定，将分散液置于抽滤装置4进液侧，静置10～60min后，抽滤，取出后晾干，得到双层复合膜；
步骤S3，双层复合膜的后处理：将双层复合膜置于气氛干燥箱5 中进行加热处理，得到氧化石墨烯膜10。气氛干燥箱的气氛由氮气、氩气、氢气、氧气中的一种或者几种构成；气氛干燥箱的温度为30～200 摄氏度。
实施例1
步骤S1中，取氧化石墨烯2mg，置于1L的去离子水中；超声震荡10min，得到均匀的分散液(悬浊液)。
步骤S2中，将半径为3cm，孔径为0.02μm聚砜膜(图2中3)置于抽滤装置的滤芯(半径1.5cm)上固定，将分散液注入滤芯上的容器，抽滤得到双层复合膜(半径1.5cm)。
步骤S3中，将得到的双层复合膜置于气氛干燥箱中，在30摄氏度下干燥2小时得到氧化石墨烯膜10。
本实施例1所制得的氧化石墨烯膜10裁剪为1*1cm2大小紧贴在ITO玻璃导电侧(第一电极30)，按图1的方式构成具有PN结效应的装置，离子水溶液50为0.05mol/L的NaCl(氯化钠)和0.05mol/L的 KCl(氯化钾)的水溶液，利用电化学工作站进行线性伏安扫描，即得到图4所示的结果。结果显示装置中氧化石墨烯膜在离子水溶液环境下具有较好的PN结效应。
实施例2
步骤S1中，取氧化石墨烯1mg，置于1L的去离子水中；超声分散20min，得到均匀的分散液。
步骤S2中、抽滤：将半径为3cm，孔径为0.02μm聚砜膜(图2 中3)置于抽滤装置4的滤芯(半径1.5cm)上固定，将分散液注入滤芯上的容器，抽滤得到双层复合膜(半径1.5cm)。
步骤S3中，将得到的步骤S1置于气氛干燥箱中，在50摄氏度下干燥2小时即得到氧化石墨烯膜10。
本实施例2所制得的氧化石墨烯膜10裁剪为1*1cm2大小紧贴在 ITO玻璃导电侧(第一电极30)，按图1的方式构成具有PN结效应的装置，离子水溶液50为0.05mol/L的NaCl和0.05mol/L的KCl的水溶液，利用电化学工作站进行线性伏安扫描，即得到图5所示的结果。结果显示装置中氧化石墨烯膜在离子水溶液环境下具有较好的PN结效应。
变形例
用上述实施例中的氯化钠溶液和氯化钾溶液制成的混合液、生理盐水、生物的组织液替代以上实施例中的离子水溶液，通过线性伏安扫描也确认装置具有PN结效应。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
由于本发明提出的装置中，PN结效应主要由离子水溶液、石墨烯分离膜所组成，可以在液相水性溶液环境下工作。如可直接作为一个半导体器件植入生物体内，以生物体的组织液作为离子水溶液，从而使生物体本身成为元器件的一部分。当电解液浓度、压力发生变化时，PN 结的电学特性也会直接发生变化。基于此PN结所形成的各类功能器件，可省略掉传统半导体材料的大部分冗余设计。有望制备出真正的生物体 -机电一体化设备。
石墨烯分离膜的制备不仅工艺简单，不涉及有毒有害材料，适宜于生物医学等领域的使用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明描述的技术范围内，可轻易得到的变化与替换方案，都应该包含在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于卤水环境实现PN结效应的装置，其特征在于：包括氧化石墨烯膜、离子水溶液、第一电极、第二电极，
所述氧化石墨烯膜与所述第一电极贴合封装成一个整体，所述氧化石墨烯膜的另一侧置入所述第二电极，所述氧化石墨烯膜与所述第二电极之间由所述离子水溶液隔离，以所述氧化石墨烯膜和所述离子水溶液作为系统，实现PN结效应。
2.根据权利要求1所述的基于卤水环境实现PN结效应的装置，其特征在于：所述氧化石墨烯膜为氧化石墨烯/基膜结构的双层复合膜，
所述氧化石墨烯层作为功能层，其厚度在50～200nm范围内，所述基膜层为多孔材料厚度在1～500μm范围内选取。
3.根据权利要求2所述的基于卤水环境实现PN结效应的装置，其特征在于：所述基膜层作为基体材料，采用包括醋酸纤维素膜，或聚砜膜或者聚偏氟乙烯膜材料，所述基膜层上具有多个孔径为0.005～0.05μm的孔。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于：所述基膜层孔径为0.02μm，基膜层厚度为110μm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于卤水环境实现PN结效应的装置，其特征在于：所述离子水溶液为氯化钾的水溶液、氯化钠的水溶液、生理盐水、生物的组织液中的任一种或几种的混合物。
6.根据权利要求5所述的基于卤水环境实现PN结效应的装置，其特征在于：所述离子水溶液为0.001mol/L～1mol/L的氯化钾的水溶液或者0.001mol/L～1mol/L的氯化钠水溶液。
7.根据权利要求6所述的基于卤水环境实现PN结效应的装置，其特征在于：所述第一电极和所述第二电极之间的外加电压设定在-800～800mV范围内。
8.根据权利要求2所述的基于卤水环境实现PN结效应的装置，其特征在于：所述氧化石墨烯膜采用以下方法制备，
步骤1(S1)，配置氧化石墨烯分散液：按重量配比：氧化石墨烯0.00001～0.1％，去离子水99.9999～99.9％，将两者充分搅拌后置于超声装置处理，得到均匀的分散液；
步骤2(S2),抽滤过程：将基膜置于抽滤装置的滤芯上固定，将所述分散液置于抽滤装置进液侧，静置10～60min后，抽滤，取出后晾干，得到双层复合膜；
步骤3(S3)，双层复合膜的后处理：将所述双层复合膜置于气氛干燥箱中进行加热处理，得到所述氧化石墨烯膜。
9.根据权利要求8所述的基于卤水环境实现PN结效应的装置，其特征在于，所述步骤1(S1)中，利用超声波震荡5～20分钟，将氧化石墨烯颗粒分散于所述去离子水中形成悬浊液。
10.根据权利要求9所述的基于卤水环境实现PN结效应的装置，其特征在于：所述步骤3(S3)中，所述气氛干燥箱的气氛由氮气、氩气、氢气、氧气中的一种或者几种构成；所述气氛干燥箱的温度为30～200摄氏度。
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