CN114486751A - 一种基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及手性分子探测技术领域，具体涉及一种基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器，包括栅极、绝缘层、拓扑绝缘体层、源极、漏极，栅极置于绝缘层的底部，拓扑绝缘体层置于绝缘层上，源极和漏极置于拓扑绝缘体层上；应用时，手性分子置于拓扑绝缘体层上源极和漏极之间，同时应用圆偏振光照射手性分子。不同圆偏振光照射时，手性分子与拓扑绝缘体层之间的异质结不同，从而改变了拓扑绝缘体层的导电特性，通过拓扑绝缘体层导电特性的变化实现手性分子手性探测。本发明，不需要应用光谱仪等设备，成本低，在手性分子探测方面具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及手性分子探测技术领域，具体涉及一种基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器。
背景技术
手性分子的定性和定量检测，在分析科学、化学生物学、药物和农药等领域具有重要意义。但是传统的光谱法和色谱法由于普适性不高、操作难度大以及设备昂贵等原因，在手性分子检测领域受到很大的限制。
基于光学原理的手性分子的手性或圆二色性，具有探测灵敏度高的优点。例如，发明专利CN109387481A提供了一种检测圆二色性的装置与方法，使波长在可见光区的激光经过调制成为左圆偏振光和右圆偏振光，使调制好的手性光透过具有超分辨成像能力的透明微球照射到手性分子膜上，透明微球对光的聚焦能力使手性分子对左圆偏振光和右圆偏振光的吸收差异增大进而被锁相放大器检测，从而达到降低圆二色谱的检测限的目的，同时利用透明微球的超分辨能力来识别相邻的手性分子团簇，能够更有效的检测手性物质。基于光学原理的另一个手性分子手性的探测思路是将手性分子在紫外波段的手性信号诱导至可见光或红外波段，便于应用不同的光探测器进行探测，也就是诱导圆二色性。另外，金属结构产生的超手性光场与手性分子作用，也会增强手性分子的圆二色性。例如发明专利CN110376134A公开了一种基于超手性光场的圆二色性增强装置及检测方法，垂直入射的圆偏振光被高效耦合进入金薄膜、氟化镁纳米圆柱和金纳米圆柱所构成的光学谐振腔中，产生超手性光场，手性分子与超手性光场作用提高了手性分子的手性。基于光学原理的探测技术需要应用光谱仪，提高了检测设备的成本。
因此，寻找新的手性响应性理论以及检测技术仍然是一个挑战。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器，包括栅极、绝缘层、拓扑绝缘体层、源极、漏极，栅极置于绝缘层的底部，拓扑绝缘体层置于绝缘层上，源极和漏极置于拓扑绝缘体层上；应用时，手性分子置于拓扑绝缘体层上源极和漏极之间，同时应用圆偏振光照射手性分子。手性分子与拓扑绝缘体材料之间形成异质结，不同圆偏振光与上述异质结的作用不同，从而不同程度地改变上述异质结，从而造成拓扑绝缘体层导电特性的差异，通过拓扑绝缘体层导电特性的差异实现手性分子的手性探测。
更进一步地，栅极的材料为金或铟镓合金，通过施加不同的栅压调节上述异质结，从而调控手性分子/拓扑绝缘体材料对入射光的吸收，进而调节拓扑绝缘体层的导电特性。
更进一步地，源极和漏极的材料为金或银或铂。
更进一步地，绝缘层的材料为二氧化硅。绝缘层为绝缘材料，用以隔绝栅极和拓扑绝缘体层。
更进一步地，拓扑绝缘体层的材料为碲化铋或硒化铋或碲化锑。
更进一步地，拓扑绝缘体层表面设有凹槽，手性分子置于凹槽内，便于设置手性分子。
更进一步地，凹槽为圆形，以增强入射光与异质结的作用，更多地改变拓扑绝缘体层的导电特性。
更进一步地，凹槽为环形，在环形凹槽内形成强超手性场，以增强入射光与异质结的作用，从而更多地改变拓扑绝缘体层的导电特性。
本发明的有益效果：本发明提供了一种基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器，包括栅极、绝缘层、拓扑绝缘体层、源极、漏极，栅极置于绝缘层的底部，拓扑绝缘体层置于绝缘层上，源极和漏极置于拓扑绝缘体层上；应用时，手性分子置于拓扑绝缘体层上源极和漏极之间，同时应用圆偏振光照射手性分子。不同圆偏振光照射时，手性分子与拓扑绝缘体层之间的异质结不同，从而改变了拓扑绝缘体层的导电特性，通过拓扑绝缘体层导电特性的变化实现手性分子手性探测。本发明，不需要应用光谱仪等设备，成本低，在手性分子探测方面具有良好的应用前景。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是一种基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器的示意图。
图2是又一种基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器的示意图。
图3是再一种基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器的示意图。
图中：1、栅极；2、绝缘层；3、拓扑绝缘体层；4、手性分子；5、源极；6、漏极。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。
实施例1
本发明提供了一种基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器，如图1所示，包括栅极1、绝缘层2、拓扑绝缘体层3、源极5、漏极6。栅极1为薄膜层状，栅极1置于绝缘层2的底部，用以针对上述异质结施加栅压。栅极1的材料为金或银或铟镓合金。绝缘层2的材料为绝缘材料，更进一步地，绝缘层2的材料为二氧化硅。拓扑绝缘体层3置于绝缘层2上。拓扑绝缘体层3的材料为碲化铋或硒化铋或碲化锑。源极5和漏极6置于拓扑绝缘体层3上。源极5和漏极6的材料为金或银或铂。
应用时，手性分子4置于拓扑绝缘体层3上源极5和漏极6之间，同时应用圆偏振光照射手性分子4。不同圆偏振光照射时，对手性分子4与拓扑绝缘体层3之间异质结的作用不同，从而改变了拓扑绝缘体层3的导电特性，通过拓扑绝缘体层3导电特性的变化实现手性分子4手性探测。本发明，不需要应用光谱仪等设备，成本低，在手性分子4探测方面具有良好的应用前景。
拓扑绝缘体是一种具有新颖光学性质的电磁物质，拓扑绝缘体的内部为绝缘体态、表面为金属态，这种性质来源于表面电子的自旋。当手性分子4与拓扑绝缘体材料的表面接触时，严重地改变了拓扑绝缘体的表面态，从而改变了拓扑绝缘体的导电特性。不同圆偏振光对不同手性的手性分子4与拓扑绝缘体材料之间异质结的作用不同，从而实现对不同圆偏振光的响应，最终实现手性分子4手性探测。
另外，在本发明中，应用栅极1在拓扑绝缘体层3上施加电场，通过改变栅极1电压调控探测器对不同入射波长的响应，从而进一步提高手性分子4探测的灵敏度。
实施例2
在实施例1的基础上，拓扑绝缘体层3表面设有凹槽，手性分子4置于凹槽内。凹槽置于源极5和漏极6之间。凹槽不穿透拓扑绝缘体层2，以便于在凹槽底部也具有拓扑绝缘体材料的表面态。由于拓扑绝缘体层3的表面态分布在拓扑绝缘体材料的表面，在凹槽的底部也具有表面态，凹槽不会影响手性分子4与表面态的接触。而在拓扑绝缘体层3上设置凹槽，还有利于将手性分子4设置在固定区域，确定了每次测量结果的重复性。
在本实施例中，凹槽的尺寸和形状不作限制。凹槽可以为矩形、方形、圆形、不规则形状等。凹槽的尺寸为宏观量级，例如厘米量级，便于限制宏观量级的手性分子4，制作也简单。
实施例3
在实施例2的基础上，如图2所示，凹槽为圆形，凹槽周期性地分布在拓扑绝缘体层3的表面，具体地，凹槽分布的周期为方形周期。凹槽不穿透拓扑绝缘体层3。圆形的直径小于1微米，凹槽的深度大于1微米。应用时，入射光的波长小于1微米。相邻凹槽之间的距离大于200纳米。这样一来，入射光被限制在凹槽内，凹槽形成谐振腔。在不同圆偏振光入射下，在凹槽内均能形成强手性场，不同手性的手性场与手性分子4/拓扑绝缘体材料界面作用，改变了手性分子4与拓扑绝缘体材料界面的异质结，从而改变了拓扑绝缘体层3的表面态，进而改变了拓扑绝缘体层3的导电特性。
在本实施例中，在凹槽内局域了强手性场，强手性场与异质结作用，更多地改变了拓扑绝缘体层3的导电特性，从而实现了更高灵敏度的手性分子4手性的探测。
实施例4
在实施例2的基础上，凹槽为环形。凹槽周期性分布在拓扑绝缘体层3的表面，具体地，凹槽分布的周期为方形周期。相邻凹槽之间的距离大于200纳米。凹槽的深度大于500纳米。该环形由拓扑绝缘体材料围成，该环形的内圆边和外圆边之间的间距小于100纳米，更进一步地，该环形的内圆边和外圆边之间的距离小于50纳米。应用时，入射光的波长小于1微米。由于内圆边和外圆边对光场的限制作用，在环形凹槽内能够形成更强的手性场，这些强手性场改变了手性分子4/拓扑绝缘体材料异质结的载流子迁移，从而改变了拓扑绝缘体层3的导电特性。
在本实施例中，手性分子4与拓扑绝缘体材料具有更多的接触面积，也在环形区域内形成了更强的手性场。因此，本实施例对拓扑绝缘体层3导电特性的改变更多，从而实现更高灵敏度的手性探测。
实施例5
在实施例2的基础上，如图3所示，凹槽为锥形。锥形的底边直径大于2微米。凹槽周期性地分布在拓扑绝缘体层3的表面，具体地，凹槽分布的周期为方形周期，相邻凹槽之间的距离大于200纳米、小于1微米。这样一来，入射光更容易被聚集在锥形凹槽内，在锥形凹槽内形成强手性场；另一方面，手性分子4也更容易聚集在凹槽内。也就是，强手性场聚集在了手性分子4所在的区域，从而更进一步增强了强手性场与异质结的作用，更多地改变了拓扑绝缘体层3的表面态，从而实现了更高灵敏度的手性探测。
实施例6
在实施例1的基础上，在手性分子4上还覆盖第二拓扑绝缘体层，在手性分子4外，第二拓扑绝缘体层与拓扑绝缘体层3接触。第二拓扑绝缘体层的面积又小于拓扑绝缘体层3的面积，源极5和漏极6不与第二拓扑绝缘体层接触。第二拓扑绝缘体层的厚度小于20纳米。这样手性分子4就被包覆在第二拓扑绝缘体层和拓扑绝缘体层3之间。在圆偏振光照射下，由于第二拓扑绝缘体层与拓扑绝缘体层3之间的耦合，光场被集中在第二拓扑绝缘体层和拓扑绝缘体层3之间。手性分子4与拓扑绝缘体材料接触也形成了上下两个异质结。不同圆偏振光照射时，上下两个异质结的响应不同，对拓扑绝缘体层3的导电特性的影响不同，从而实现更高灵敏度的手性探测。
总之，在本发明中，手性分子4与拓扑绝缘体层3构成异质结。不同圆偏振光对上述异质结的影响不同，造成拓扑绝缘体层3不同的导电特性，根据拓扑绝缘体层3导电特性的差异，实现手性分子4的手性探测。本发明基于超手性场，但是又不需要光谱仪等探测设备，成本低，在手性分子4探测领域具有良好的应用前景。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (8)
1.一种基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器，其特征在于，包括栅极、绝缘层、拓扑绝缘体层、源极、漏极，所述栅极置于所述绝缘层的底部，所述拓扑绝缘体层置于所述绝缘层上，所述源极和所述漏极置于所述拓扑绝缘体层上；应用时，手性分子置于所述拓扑绝缘体层上所述源极和所述漏极之间，同时应用圆偏振光照射所述手性分子。
2.如权利要求1所述的基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器，其特征在于：所述栅极的材料为金或铟镓合金。
3.如权利要求1所述的基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器，其特征在于：所述源极和所述漏极的材料为金或银或铂。
4.如权利要求1所述的基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器，其特征在于：所述绝缘层的材料为二氧化硅。
5.如权利要求1所述的基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器，其特征在于：所述拓扑绝缘体层的材料为碲化铋或硒化铋或碲化锑。
6.如权利要求1所述的基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器，其特征在于：所述拓扑绝缘体层表面设有凹槽，所述手性分子置于所述凹槽内。
7.如权利要求6所述的基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器，其特征在于：所述凹槽为圆形。
8.如权利要求6所述的基于拓扑绝缘体光电效应的手性分子探测器，其特征在于：所述凹槽为环形。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116207166A (zh) * | 2023-02-22 | 2023-06-02 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器及制备方法 |
| CN116207166B (zh) * | 2023-02-22 | 2023-11-07 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 集成式可配置超高圆偏振消光比光电探测器及制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114486751B (zh) | 2024-04-16 |
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