DE102018203848A1 - Ligand, SAMFET, method of making same and sensor - Google Patents

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    • G01N27/4141Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Liganden (V) für einen SAMFET (10). Der Ligand (V) weist die Struktur R-S-K-S-A auf. Dabei ist R eine Rezeptorgruppe für einen Analyten, Sund Ssind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Alkylengruppen, perfluorierten Alkylengruppen und aliphatischen Ethergruppen, K ist eine aromatische oder hetereoaromatische Gruppe und A ist eine Ankergruppe für ein Dielektrikum (12). Der SAMFET (10) wird hergestellt, indem ein Transistorsubstrat (30) bereitgestellt wird. Dieses weist eine Gateelektrode (11), ein auf der Gateelektrode (11) angeordnetes Dielektrikum (12), eine auf dem Dielektrikum (12) angeordnete Sourceelektrode (13) und eine auf dem Dielektrikum (12) angeordnete Drainelektrode (14) auf. Zumindest das Dielektrikum (12) wird mit einer Lösung des Liganden (V) benetzt. Dann erfolgt ein Wärmebehandeln des Transistorsubstrats (30). Der so erhaltene SAMFET (10) weist eine zwischen der Sourceelektrode (13) und der Drainelektrode (14) auf dem Dielektrikum (12) angeordnete selbstorganisierte monomolekulare organische Schicht (15) mit Rezeptorgruppen (R) für den Analyten auf. Der SAMFET kann als Teil eines Sensors zum Detektieren des Analyten verwendet werden.The invention relates to a ligand (V) for a SAMFET (10). The ligand (V) has the structure R-S-K-S-A. Where R is a receptor group for an analyte, Sund S are independently selected from the group consisting of alkylene groups, perfluorinated alkylene groups, and aliphatic ether groups, K is an aromatic or heteroaromatic group, and A is an anchor group for a dielectric (12). The SAMFET (10) is made by providing a transistor substrate (30). This has a gate electrode (11), a dielectric (12) arranged on the gate electrode (11), a source electrode (13) arranged on the dielectric (12) and a drain electrode (14) arranged on the dielectric (12). At least the dielectric (12) is wetted with a solution of the ligand (V). Then, heat treatment of the transistor substrate (30) is performed. The SAMFET (10) thus obtained has a self-assembled monomolecular organic layer (15) with receptor groups (R) for the analyte, arranged between the source electrode (13) and the drain electrode (14) on the dielectric (12). The SAMFET may be used as part of a sensor for detecting the analyte.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Liganden für einen SAMFET. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen SAMFET und ein Verfahren zur Herstellung des SAMFETs. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Sensor, der den SAMFET umfasst.The present invention relates to a ligand for a SAMFET. Furthermore, the present invention relates to a SAMFET and a method for manufacturing the SAMFET. Finally, the present invention relates to a sensor comprising the SAMFET.

Stand der TechnikState of the art

Gassensoren liefern ein elektrisches Spannungssignal, dass sich in Abhängigkeit von der Anwesenheit des Analyten ändert. Ein Gassensor kann beispielsweise auf einem Transistor basieren. In dem Transistor fließt Strom von einer Sourceelektrode zu einer Drainelektrode, sobald an seine Gateelektrode eine elektrische Spannung angelegt wird. Wechselwirkt die aktive Schicht eines Halbleiters zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode mit einem Analyten, so werden die Kennlinien des Transistors verändert. Aus der US 2011/0239735 A1 ist es hierzu beispielsweise bekannt, zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode eine monomolekulare organische Schicht eines Quinquethiophenderivats aufzubringen, die auf der Oberfläche des Dielektrikums der Gateelektrode angebunden wird. Diese monomolekulare organische Schicht wird mit einer weiteren Schicht eines Metalloporphyrinkomplexes beschichtet, welcher an sein Metallzentrum Stickstoffmonoxid anbinden kann. Dieser Sensoraufbau wird als SAMFET (Self-Assembled Monolayer Field Effect Transistor) bezeichnet. Die Funktion eines SAMFET wird auch in Organic Electronics 11 (2010), 895 - 898 detailliert beschrieben. Während die monomolekulare organische Schicht einfach durch Eintauchen des Transistorsubstrats in eine Lösung hergestellt werden kann, erfordert das Aufbringen der Rezeptorschicht auf die monomolekulare organische Schicht ein Aufdampfen in einer Vakuumkammer, was langwierig und teuer ist.Gas sensors provide an electrical voltage signal that varies depending on the presence of the analyte. For example, a gas sensor may be based on a transistor. In the transistor, current flows from a source electrode to a drain electrode as soon as an electrical voltage is applied to its gate electrode. When the active layer of a semiconductor between the source electrode and the drain electrode interacts with an analyte, the characteristics of the transistor are changed. From the US 2011/0239735 A1 For example, it is known to apply between the source electrode and the drain electrode a monomolecular organic layer of a quinquethiophene derivative which is bound to the surface of the dielectric of the gate electrode. This monomolecular organic layer is coated with another layer of a metalloporphyrin complex which can attach nitric oxide to its metal center. This sensor structure is called SAMFET (Self-Assembled Monolayer Field Effect Transistor). The function of a SAMFET is also described in detail in Organic Electronics 11 (2010), 895-898. While the monomolecular organic layer can be prepared simply by immersing the transistor substrate in a solution, applying the receptor layer to the monomolecular organic layer requires vapor deposition in a vacuum chamber, which is tedious and expensive.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der Ligand für einen SAMFET weist die folgende Struktur auf: R-S 1 -K-S 2 A

Figure DE102018203848A1_0001
The ligand for a SAMFET has the following structure: RS 1 -KS 2 - A
Figure DE102018203848A1_0001

Dabei bezeichnet R eine Rezeptorgruppe für einen Analyten, der mittels eines Sensors detektierbar ist, in dem der SAMFET verbaut ist. Die Rezeptorgruppe kann abhängig vom zu detektierenden Analyten ausgewählt werden. Geeignete Rezeptorgruppen für Bestandteile von Gasen sind insbesondere ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Amingruppen (NH2), Hydroxygruppen (OH), Carboxygruppen (COOH), Thiolgruppen (SH), C2 bis C10 Alkenylgruppen und aromatischen C6 bis C18 Gruppen. Unter den C2 bis C10 Alkenylgruppen ist eine Vinylgruppe besonders bevorzugt.In this case, R denotes a receptor group for an analyte, which can be detected by means of a sensor in which the SAMFET is installed. The receptor group can be selected depending on the analyte to be detected. Suitable receptor groups for constituents of gases are in particular selected from the group consisting of amine groups (NH 2 ), hydroxy groups (OH), carboxy groups (COOH), thiol groups (SH), C 2 to C 10 alkenyl groups and aromatic C 6 to C 18 groups , Among the C 2 to C 10 alkenyl groups, a vinyl group is particularly preferred.

S1 und S2 sind flexible Spacer, welche es Molekülen des Liganden ermöglichen, sich in einer monomolekularen Schicht selbst zu organisieren. Sie sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Alkylengruppen, perfluorierten Alkylengruppen und aliphatischen Ethergruppen. Diese Gruppen können verzweigt oder unverzweigt sein, wobei unverzweigte Gruppen bevorzugt sind. Bei den Alkylengruppen handelt es sich vorzugsweise um C2 bis C20 Alkylengruppen und bei den perfluorierten Alkylengruppen handelt es sich vorzugsweise um perfluorierte C2 bis C20 Alkylengruppen. Unter Ethergruppen werden Gruppen mit einem oder mit mehreren Sauerstoffatomen verstanden. Bevorzugt handelt es sich um aliphatische C2 bis C20 Ethergruppen.S 1 and S 2 are flexible spacers which allow molecules of the ligand to self-assemble in a monomolecular layer. They are independently selected from the group consisting of alkylene groups, perfluorinated alkylene groups and aliphatic ether groups. These groups may be branched or unbranched, with unbranched groups being preferred. The alkylene groups are preferably C 2 to C 20 alkylene groups and the perfluorinated alkylene groups are preferably perfluorinated C 2 to C 20 alkylene groups. By ether groups are meant groups having one or more oxygen atoms. Preference is given to aliphatic C 2 to C 20 ether groups.

K ist eine aromatische oder hetereoaromatische Gruppe. Diese bildet einen halbleitenden Kern des Liganden, der im Betrieb des SAMFET durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen „dotiert“ werden kann. Dieser Kern ist vorzugweise ausgewählt aus Gruppen basierend auf Perylenbisimid, Naphthalenbisimid, Pentacen, Thiophen und Oligothiophenen sowie deren Derivaten gemäß den folgenden Strukturformeln:

Figure DE102018203848A1_0002
Figure DE102018203848A1_0003
K is an aromatic or heteroaromatic group. This forms a semiconducting core of the ligand which can be "doped" by the uptake or release of electrons during operation of the SAMFET. This core is preferably selected from groups based on perylenebisimide, naphthalenebisimide, pentacene, thiophene and oligothiophenes and their derivatives according to the following structural formulas:
Figure DE102018203848A1_0002
Figure DE102018203848A1_0003

Dabei bezeichnet X jeweils Wasserstoff, eine Cyanogruppe (CN) oder eine C1 bis C10 Alkylgruppe. In unterschiedlichen Einheiten, beziehungsweise in unterschiedlichen aromatischen oder hetereoaromatischen Ringen, kann X jeweils gleich oder unterschiedlich sein, n kann Werte von 0 bis 4 annehmen, p kann Werte von 0 bis 2 annehmen und q kann Werte von 0 bis 3 annehmen.In this case, X in each case denotes hydrogen, a cyano group (CN) or a C 1 to C 10 alkyl group. In different units, or in different aromatic or heteroaromatic rings, X may each be identical or different, n may assume values of 0 to 4, p may assume values of 0 to 2 and q may assume values of 0 to 3.

Schließlich bezeichnet A eine Ankergruppe, mit welcher der Ligand auf der Oberfläche eines Dielektrikums des SAMFETs verankert werden kann. Vorzugweise ist diese ausgewählt aus der Gruppe, die aus P(O)Y1Y2, -C(O)Y1, - SH und -SiY1Y2Y3 besteht. Dabei sind die Reste Y1, Y2 und Y3 unabhängig voneinander aus der Gruppe ausgewählt, die aus -OH, -CI, -Br, und -O-Z besteht, wobei Z eine C1 bis C10 Alkylgruppe ist.Finally, A denotes an anchor group with which the ligand can be anchored on the surface of a dielectric of the SAMFET. Preferably, this is selected from the group consisting of P (O) Y 1 Y 2 , -C (O) Y 1 , -SH, and -SiY 1 Y 2 Y 3 . The radicals Y 1 , Y 2 and Y 3 are independently selected from the group consisting of -OH, -CI, -Br, and -OZ, wherein Z is a C 1 to C 10 alkyl group.

Dieser Ligand vereint in sich die Eigenschaften eines herkömmlichen SAMFET-Liganden und eines SAMFET-Rezeptors. Unter Verwendung dieses Liganden ist es also nicht mehr notwendig, zunächst eine monomolekulare organische Schicht aus dem Liganden auf dem Dielektrikum eines Transistorsubstrats aufzubringen und diese Schicht dann anschließend mit einer separaten Rezeptorschicht zu beschichten. Vielmehr genügt zur Fertigstellung des SAMFETs das Aufbringen der monomolekularen organischen Schicht aus dem vorliegenden Liganden. Die Aufgabe der nun nicht mehr notwendigen Rezeptorschicht wird durch die Rezeptorgruppen übernommen, welche mit dem Analyten wechselwirken können. Da die Rezeptorgruppen kovalent an den Liganden angebunden sind, kann der Analyt, je nach gewählter Kombination aus Analyt und Rezeptorgruppe, sogar einen ausgeprägteren Effekt auf die Kennlinien des SAMFET ausüben, als dies mittels einer aufgedampften Rezeptorschicht erreicht werden könnte. Dies ermöglicht die Fertigung eines SAMFET mit einer besonders hohen Empfindlichkeit gegenüber dem Analyten.This ligand combines the properties of a traditional SAMFET ligand and a SAMFET receptor. Thus, using this ligand, it is no longer necessary to first apply a monomolecular organic layer of the ligand on the dielectric of a transistor substrate and then subsequently coat this layer with a separate receptor layer. Rather, to complete the SAMFET, it is sufficient to apply the monomolecular organic layer of the present ligand. The task of the now no longer necessary receptor layer is taken over by the receptor groups, which can interact with the analyte. Since the receptor groups are covalently attached to the ligand, the analyte, depending on the selected combination of analyte and receptor group, even exert a more pronounced effect on the characteristics of the SAMFET, as could be achieved by means of a vapor-deposited receptor layer. This allows the manufacture of a SAMFET with a particularly high sensitivity to the analyte.

Der SAMFET weist eine Gateelektrode, ein auf der Gateelektrode angeordnetes Dielektrikum, eine auf dem Dielektrikum angeordnete Sourceelektrode und eine auf dem Dielektrikum angeordnete Drainelektrode auf. Zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode befindet sich ein Kanal, in dem eine monomolekulare organische Schicht mit Rezeptorgruppen für einen Analyten angeordnet ist. Diese organische Schicht weist insbesondere die voranstehend beschriebenen Liganden auf. Durch Anbindung eines Analyten an die Rezeptorgruppen werden die Kennlinien des SAMFET verändert.The SAMFET has a gate electrode, a dielectric disposed on the gate electrode, a source electrode disposed on the dielectric, and a drain electrode disposed on the dielectric. Between the source electrode and the drain electrode is a channel in which a monomolecular organic layer having receptor groups for an analyte is arranged. This organic layer has, in particular, the ligands described above. By connecting an analyte to the receptor groups, the characteristics of the SAMFET are changed.

Das Verfahren zur Herstellung des SAMFET beginnt mit dem Bereitstellen eines Transistorsubstrats. Dieses weist eine Gateelektrode, ein auf der Gateelektrode angeordnetes Dielektrikum, eine auf dem Dielektrikum angeordnete Sourceelektrode und eine auf dem Dielektrikum angeordnete Drainelektrode auf. Zumindest das Dielektrikum wird mit einer Lösung eines Liganden benetzt, der Rezeptorgruppen für einen Analyten aufweist. Es ist allerdings bevorzugt, dass das gesamte Transistorsubstrat in der Lösung eingetaucht wird, was eine besonders schnelle und einfache Herstellung des SAMFETs ermöglicht. Durch ein Wärmebehandeln des Transistorsubstrats wird das Lösungsmittel der Lösung verdampft und eine monomolekulare organische Schicht des Liganden zwischen der Sourceelektrode und Gateelektrode auf dem Dielektrikum ausgebildet.The method of manufacturing the SAMFET begins by providing a transistor substrate. This has a gate electrode, a dielectric disposed on the gate electrode, a source electrode arranged on the dielectric and a drain electrode arranged on the dielectric. At least the dielectric is wetted with a solution of a ligand, the receptor groups for an analyte having. However, it is preferred that the entire transistor substrate be immersed in the solution, allowing for a particularly fast and easy fabrication of the SAMFET. By heat treating the transistor substrate, the solvent of the solution is evaporated and a monomolecular organic layer of the ligand is formed between the source electrode and the gate electrode on the dielectric.

Bei den Liganden handelt es sich vorzugweise um die voranstehend beschriebenen Liganden. Dabei sind die Ankergruppen der Liganden Ankergruppen für das Dielektrikum des Transistorsubstrats.The ligands are preferably the ligands described above. The anchor groups of the ligands are anchor groups for the dielectric of the transistor substrate.

Der Sensor zum Detektieren eines Analyten, weist mindestens einen SAMFET gemäß der vorangehenden Beschreibung auf. Die organische Schicht des SAMFETs weist Rezeptorgruppen für den Analyten auf, der mittels des Sensors detektiert werden soll. Als weitere Komponenten kann der Sensor insbesondere einen Signalprozessor aufweisen, der elektrisch mit dem SAMFET verbunden ist sowie eine Ausgabeeinheit, welche Signale vom Signalprozessor empfängt.The sensor for detecting an analyte comprises at least one SAMFET as described above. The organic layer of the SAMFET has receptor groups for the analyte to be detected by the sensor. As further components, the sensor may in particular comprise a signal processor which is electrically connected to the SAMFET and an output unit which receives signals from the signal processor.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

  • 1 zeigt ein Reaktionsschema der Darstellung eines Liganden gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2 zeigt schematisch Bereiche, in welcher ein Ligand gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unterteilt werden kann.
  • 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines SAMFETs gemäß dem Stand der Technik.
  • 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Transistorsubstrats, das zur Herstellung eines erfindungsgemäßen SAMFETs verwendet werden kann.
  • 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines SAMFETs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die einzelnen Verfahrensschritte bildlich illustriert sind.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung eines SAMFETs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 7 zeigt ein Reaktionsschema der Anbindung eines Analyten an Rezeptorgruppen der organischen Schicht eines SAMFETs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ausführungsbeispiele der Erfindung
Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description.
  • 1 Figure 9 is a reaction diagram illustrating a ligand according to an embodiment of the invention.
  • 2 schematically shows areas in which a ligand can be divided according to an embodiment of the invention.
  • 3 shows a schematic cross-sectional view of a SAMFET according to the prior art.
  • 4 shows a schematic cross-sectional view of a transistor substrate which can be used to produce a SAMFET according to the invention.
  • 5 shows a flowchart of a method for producing a SAMFET according to an embodiment of the invention, wherein the individual process steps are illustrated graphically.
  • 6 shows a schematic representation of a SAMFET according to an embodiment of the invention.
  • 7 shows a reaction scheme of the attachment of an analyte to receptor groups of the organic layer of a SAMFET according to an embodiment of the invention. Embodiments of the invention

Die Darstellung eines Liganden gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 dargestellt. Hierzu werden zunächst 1 g (2,54 mmol) der Ausgangsverbindung I bereitgestellt, deren Synthese in A. Ringk, N-Type Self-Assembled Monolayer Field-Effect Transistors and Complementary Inverters, Advanced Functional Materials, Volume 23, Issue 16, 25, 2013, Seiten 2016-2023 beschrieben wird. Diese Ausgangsverbindung I wird mit einem Überschuss von 1,344 g (15,24 mmol) 1,4-Diaminobutan unter Argonatmosphäre in Imidazol 3 Stunden lang bei einer Temperatur von 160°C umgesetzt. Die Verbindung II wird als schwerlösliches Produkt erhalten.The representation of a ligand according to an embodiment of the invention is shown in FIG 1 shown. For this purpose, initially 1 g (2.54 mmol) of the starting compound I are provided, whose synthesis in A. Ringk, N-Type Self-Assembled Monolayer Field-Effect Transistors and Complementary Inverters, Advanced Functional Materials, Volume 23, Issue 16, 25, 2013, pages 2016-2023 is described. This starting compound I is reacted with an excess of 1.344 g (15.24 mmol) of 1,4-diaminobutane under argon atmosphere in imidazole for 3 hours at a temperature of 160 ° C. Compound II is obtained as a sparingly soluble product.

Die unfunktionalisierte Imidgruppe der Verbindung II wird mittels Kaliumcarbonat deprotoniert und in situ weiter umgesetzt. Hierzu werden 1 g (2,15 mmol) der Verbindung II in Dimethylformamid (DMF) 5 Tage lang bei einer Temperatur von 80°C mit 1 g Kaliumcarbonat und 0,8 g (2,15 mmol) 1-Dimethylphosphoryl-12-bromdodecan zur Reaktion gebracht. Hierbei wird die Verbindung III als Zwischenstufe erhalten, welche zu der Verbindung IV weiterreagiert. Die Verbindung IV wird mittels Flashchromatographie mit einer Mischung aus Chloroform und Essigsäure aufgearbeitet. Die Synthese von 1-Dimethylphosphoryl-12-bromdodecan erfolgt gemäß einer Vorschrift, die in Organic Electronics 14 (2013), 1297 - 1304 beschrieben wird.The unfunctionalized imide group of compound II is deprotonated by means of potassium carbonate and further reacted in situ. For this purpose, 1 g (2.15 mmol) of the compound II in dimethylformamide (DMF) for 5 days at a temperature of 80 ° C with 1 g of potassium carbonate and 0.8 g (2.15 mmol) of 1-dimethylphosphoryl-12-bromododecane reacted. Here, the compound III is obtained as an intermediate, which further reacts to the compound IV. Compound IV is worked up by flash chromatography with a mixture of chloroform and acetic acid. The synthesis of 1-dimethylphosphoryl-12-bromododecane is carried out according to a procedure described in Organic Electronics 14 (2013), 1297-1304 is described.

Zu 1 g (1,32 mmol) einer Lösung der Verbindung IV in Dichlormethan werden bei einer Temperatur von 0°C tropfenweise 2 ml (15,16 mmol) Trimethylbromsilan über einen Zeitraum von 2 Stunden zugegeben und so unter Dimethylierung der Dimethylphosphorylgruppe der erfindungsgemäße Ligand V erhalten. Nach Zugabe des Trimethylbromsilans wird die Temperatur der Lösung über einen Zeitraum von 48 Stunden auf 20°C erhöht. Es wird eine 1:1 Mischung von Methanol und Wasser zugesetzt und der gebildete Niederschlag abfiltriert. Dieser wird in Trifluoressigsäure gelöst und in Dioxan erneut gefällt, um den Liganden V zu isolieren.2 ml (15.16 mmol) of trimethylbromosilane are added dropwise to 1 g (1.32 mmol) of a solution of compound IV in dichloromethane at a temperature of 0 ° C. over a period of 2 hours, and the dimethyl ligand according to the invention is then dimethylated under dimethylation Behavior. After addition of the trimethylbromosilane, the temperature of the solution is raised to 20 ° C. over a period of 48 hours. A 1: 1 mixture of methanol and water is added and the precipitate formed is filtered off. This is dissolved in trifluoroacetic acid and reprecipitated in dioxane to isolate the ligand V.

In dem Liganden V fungiert die Aminogruppe als Rezeptor R, der beispielsweise mit Kohlendioxid aus der Umgebungsluft reagieren kann. Die Buthylengruppe, welche die Aminogruppe von dem Perylenbisimid trennt, fungiert als erster flexibler Spacer S1. Die Perylenbisimidgruppe bildet einen halbleitenden Kern K. Dieser wird durch die Dodecylengruppe als zweitem flexiblem Spacer S2 von dem Phosphonsäurerest getrennt, der als Ankergruppe A fungiert. Dies ist in 2 dargestellt. In the ligand V, the amino group acts as a receptor R, which can react, for example, with carbon dioxide from the ambient air. The buthylene group, which separates the amino group from the perylene bisimide, acts as the first flexible spacer S 1 . The perylenebisimide group forms a semiconducting core K. This is separated by the dodecylene group as the second flexible spacer S 2 from the phosphonic acid residue, which acts as anchor group A. This is in 2 shown.

In einem herkömmlichen SAMFET, wie er aus der US 2011/0239735 A1 und aus Organic Electronics 11 (2010), 895 - 898 bekannt ist, weist den in 3 gezeigten Aufbau auf. Der SAMFET 10 verfügt über eine Gateelektrode 11 und eine auf der Gateelektrode 11 aufgebrachte Schicht eines Dielektrikums 12. Auf dem Dielektrikum 12 sind eine Sourceelektrode 13, und eine Drainelektrode 14 aufgebracht. In dem Kanal zwischen der Sourceelektrode 13 und der Drainelektrode 14 befindet sich eine monomolekulare organische Schicht 15. Diese besteht aus einer selbstorganisierten Schicht 151 von Liganden und einer darauf aufgedampften Rezeptorschicht 152. Ein gasförmiger Analyt 20 kann an die Rezeptorschicht anbinden.In a conventional SAMFET, as seen from the US 2011/0239735 A1 and from Organic Electronics 11 (2010), 895-898 is known, has the in 3 shown construction. The SAMFET 10 has a gate electrode 11 and one on the gate electrode 11 applied layer of a dielectric 12 , On the dielectric 12 are a source electrode 13 , and a drain electrode 14 applied. In the channel between the source electrode 13 and the drain electrode 14 there is a monomolecular organic layer 15 , This consists of a self-organized layer 151 of ligands and a vapor deposited receptor layer 152 , A gaseous analyte 20 can bind to the receptor layer.

Zur Herstellung eines SAMFETs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zunächst ein Transistorsubstrat 30 bereitgestellt, wie es in 4 dargestellt ist. Dieses weist ebenfalls eine Gateelektrode 11 auf, die vorliegend beispielsweise aus dotiertem Silizium besteht. Auf dieser ist vorliegend amorphes Aluminiumoxid als Dielektrikum 12 aufgebracht. Eine Sourceelektrode 13 und eine Drainelektrode 14, die vorliegend jeweils aus Gold bestehen, sind auf das Dielektrikum 12 aufgebracht.For producing a SAMFET according to an embodiment of the invention, first a transistor substrate 30 provided as it is in 4 is shown. This also has a gate electrode 11 on, which consists in the present example of doped silicon. On this is in the present case amorphous alumina as a dielectric 12 applied. A source electrode 13 and a drain electrode 14 , which in this case each consist of gold, are on the dielectric 12 applied.

In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen SAMFETs 10 wird zunächst das Transistorsubstrat 30 in einem ersten Schritt S01 bereitgestellt. Wie in 5 dargestellt ist, wird es in einem zweiten Schritt S02 mit Ethanol 41 gereinigt und dann in einem dritten Schritt S03 in eine Lösung 42 eines Liganden V in Toluol eingetaucht. In einem vierten Schritt S04 wird das Transistorsubstrat 30 aus der Lösung 42 entnommen und auf eine Heizplatte 43, bei einer Temperatur von 110°C im Vakuum wärmebehandelt. Dabei bildet sich zwischen der Sourceelektrode 13 und der Drainelektrode 14 eine monomolekulare organische Schicht des Liganden V aus, in der der Phosphorsäurerest der Ankergruppe A unter Ausbildung von Al-O-P Sauerstoffbrücken kovalent an das Dielektrikum 12 anbindet. Schließlich wird mit einer Messvorrichtung 44 in einem letzten Schritt S05 die Funktionsfähigkeit des SAMFETs geprüft.In an embodiment of the method for producing a SAMFET according to the invention 10 first, the transistor substrate 30 in a first step S01 provided. As in 5 it is shown in a second step S02 with ethanol 41 cleaned and then in a third step S03 in a solution 42 of a ligand V immersed in toluene. In a fourth step S04 becomes the transistor substrate 30 out of the solution 42 taken and on a hot plate 43 , heat-treated at a temperature of 110 ° C in vacuum. It forms between the source electrode 13 and the drain electrode 14 a monomolecular organic layer of the ligand V in which the phosphoric acid radical of anchor group A is covalently bonded to the dielectric to form Al-OP oxygen bridges 12 connects. Finally, with a measuring device 44 in a final step S05 the functionality of the SAMFET has been tested.

6 zeigt schematisch, wie Elektronen im Betrieb des SAMFETs 10 von der Sourceelektrode 13 durch die halbleitenden Kerne K der Liganden V zur Drainelektrode 14 transportiert werden. Dabei verändern sich die elektrischen Eigenschaften der Liganden V und damit die Kennlinien des SAMFETs 10, wenn ein Analyt an den Rezeptorgruppen R anbindet. 6 schematically shows how electrons in the operation of the SAMFETs 10 from the source electrode 13 through the semiconducting cores K the ligands V to the drain electrode 14 be transported. This changes the electrical properties of the ligands V and thus the characteristics of the SAMFET 10 if an analyte is attached to the receptor groups R connects.

In 7 ist dargestellt, wie dies im vorliegenden Ausführungsbeispiel des Liganden im Falle von Kohlendioxid erfolgt. Da die Rezeptorgruppen R der Liganden V des SAMFETs 10 Kohlendioxid reversibel binden und wieder freigeben können und dabei die Kennlinien des SAMFETs 10 ändern, kann dieser als Sensorelement eines Gassensors zur Ermittlung vom Kohlendioxid in der Umgebungsluft verwendet werden. Ein derartiger Sensor kann in vielen Anwendungsbereichen, einschließlich der Medizin, eingesetzt werden.In 7 is shown as in the present embodiment of the ligand in the case of carbon dioxide. Because the receptor groups R the ligands V of the SAMFET 10 Reversibly bind carbon dioxide and release it again and thereby the characteristics of the SAMFETs 10 change, this can be used as a sensor element of a gas sensor for determining the carbon dioxide in the ambient air. Such a sensor can be used in many applications, including medicine.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • Organic Electronics 14 (2013), 1297 - 1304 [0016]Organic Electronics 14 (2013), 1297-1304 [0016]
  • Organic Electronics 11 (2010), 895 - 898 [0019]Organic Electronics 11 (2010), 895-898 [0019]

Claims (10)

Ligand (V) für einen SAMFET (10), aufweisend die folgende Struktur R-S 1 -K-S 2 A
Figure DE102018203848A1_0004
wobei R eine Rezeptorgruppe für einen Analyten (20) ist, S1 und S2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Alkylengruppen, perfluorierten Alkylengruppen und aliphatischen Ethergruppen, K eine aromatische oder hetereoaromatische Gruppe ist und A eine Ankergruppe für ein Dielektrikum (12) ist.
Ligand (V) for a SAMFET (10), having the following structure RS 1 -KS 2 - A
Figure DE102018203848A1_0004
wherein R is a receptor group for an analyte (20), S 1 and S 2 are independently selected from the group consisting of alkylene groups, perfluorinated alkylene groups and aliphatic ether groups, K is an aromatic or heteroaromatic group, and A is an anchor group for a dielectric ( 12).
Ligand (V) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass R ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus -NH2, -OH, -COOH, -SH, C2 bis C10 Alkenylgruppen und aromatischen C6 bis C18 Gruppen.Ligand (V) after Claim 1 , characterized in that R is selected from the group consisting of -NH 2 , -OH, -COOH, -SH, C 2 to C 10 alkenyl groups and aromatic C 6 to C 18 groups. Ligand (V) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass S1 und S2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus C2 bis C20 Alkylengruppen, perfluorierten C2 bis C20 Alkylengruppen, und aliphatischen C2 bis C20 Ethergruppen.Ligand (V) after Claim 1 or 2 , characterized in that S 1 and S 2 are independently selected from the group consisting of C 2 to C 20 alkylene groups, perfluorinated C 2 to C 20 alkylene groups, and aliphatic C 2 to C 20 ether groups. Ligand (V) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass K ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus
Figure DE102018203848A1_0005
Figure DE102018203848A1_0006
wobei X jeweils H, CN oder eine C1 bis C10 Alkylgruppe ist und X in unterschiedlichen Einheiten gleich oder unterschiedlich ist, und wobei n = 0 bis 4, p = 0 bis 2 und q = 0 bis 3 ist.
Ligand (V) after one of Claims 1 to 3 , characterized in that K is selected from the group consisting of
Figure DE102018203848A1_0005
Figure DE102018203848A1_0006
wherein each X is H, CN or a C 1 to C 10 alkyl group and X is the same or different in different units, and wherein n is 0 to 4, p is 0 to 2 and q is 0 to 3.
Ligand (V) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass A ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus -P(O)Y1Y2, -C(O)Y1, -SH und -SiY1Y2Y3, wobei Y1, Y2 und Y3 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus -OH, -CI, -Br und -O-Z, wobei Z eine C1 bis C10 Alkylgruppe ist.Ligand (V) after one of Claims 1 to 4 characterized in that A is selected from the group consisting of -P (O) Y 1 Y 2 , -C (O) Y 1 , -SH and -SiY 1 Y 2 Y 3 , wherein Y 1 , Y 2 and Y 3 are independently selected from the group consisting of -OH, -CI, -Br and -OZ, wherein Z is a C 1 to C 10 alkyl group. SAMFET (10), aufweisend eine Gateelektrode (11), ein auf der Gateelektrode (11) angeordnetes Dielektrikum (12), eine auf dem Dielektrikum (12) angeordnete Sourceelektrode (13), eine auf dem Dielektrikum (12) angeordnete Drainelektrode (14) und eine zwischen der Sourceelektrode (13) und der Drainelektrode (14) auf dem Dielektrikum (12) angeordnete selbstorganisierte monomolekulare organische Schicht (15), dadurch gekennzeichnet, dass die organische Schicht (15) Rezeptorgruppen (R) für einen Analyten (20) aufweist.SAMFET (10) comprising a gate electrode (11), a dielectric (12) arranged on the gate electrode (11), a source electrode (13) arranged on the dielectric (12), a drain electrode (14) arranged on the dielectric (12) and a self-assembled monomolecular organic layer (15) disposed between the source electrode (13) and the drain electrode (14) on the dielectric (12), characterized in that the organic layer (15) has receptor groups (R) for an analyte (20) , SAMFET (10), nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Schicht (15) Liganden (V) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist. SAMFET (10), after Claim 6 , characterized in that the organic layer (15) ligands (V) according to one of Claims 1 to 5 having. Verfahren zur Herstellung eines SAMFETs (10) nach Anspruch 6 oder 7, aufweisend die folgenden Schritte: - Bereitstellen (S01) eines Transistorsubstrats (30), aufweisend eine Gateelektrode (11), ein auf der Gateelektrode (11) angeordnetes Dielektrikum (12), eine auf dem Dielektrikum (12) angeordnete Sourceelektrode (13) und eine auf dem Dielektrikum (12) angeordnete Drainelektrode (14), - Benetzen (S03) zumindest des Dielektrikums (12) mit einer Lösung (42) eines Liganden (V), der Rezeptorgruppen (R) für einen Analyten (20) aufweist, und - Wärmebehandeln (S04) des Transistorsubstrats (30).A method for producing a SAMFET (10) according to Claim 6 or 7 , comprising the following steps: - providing (S01) a transistor substrate (30) comprising a gate electrode (11), a dielectric (12) arranged on the gate electrode (11), a source electrode (13) arranged on the dielectric (12) and a drain electrode (14) arranged on the dielectric (12), wetting (S03) at least the dielectric (12) with a solution (42) of a ligand (V) having receptor groups (R) for an analyte (20), and - Heat treating (S04) of the transistor substrate (30). Verfahren, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Liganden (V) Liganden nach einem der Ansprüche 1 bis 5 sind, wobei die Ankergruppen (A) Ankergruppen für das Dielektrikum (12) des Transistorsubstrats (30) sind.Method, after Claim 8 , characterized in that the ligands (V) ligands according to one of Claims 1 to 5 wherein the anchor groups (A) are anchor groups for the dielectric (12) of the transistor substrate (30). Sensor zum Detektieren eines Analyten (20), dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens einen SAMFET (10) nach Anspruch 6 oder 7 aufweist, dessen organische Schicht (15) Rezeptorgruppen (R) für den Analyten (20) aufweist.Sensor for detecting an analyte (20), characterized in that it comprises at least one SAMFET (10) according to Claim 6 or 7 whose organic layer (15) has receptor groups (R) for the analyte (20).
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