DE112017001412T5

DE112017001412T5 - Photovoltaische Vorrichtung zur Stimulation von Zellen und /oder elektrochemischen Reaktionen

Info

Publication number: DE112017001412T5
Application number: DE112017001412.3T
Authority: DE
Inventors: August Dorn; Daniel Diedrich; Robert Blick
Original assignee: Hamburg Arbeitsstelle fur Wissens und Technologietransfer, University of; Universitat Hamburg Arbeitsstelle fur Wissens- und Technologietransfer
Current assignee: Hamburg Arbeitsstelle fur Wissens und Technologietransfer, University of; Universitat Hamburg Arbeitsstelle fur Wissens- und Technologietransfer
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2018-12-06
Also published as: WO2017157874A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Stimulation von mindestens einer Zelle (2) und / oder zur Stimulation von mindestens einer elektrochemischen Reaktion, bestehend aus mindestens einem Halbleiter (3), der so gestaltet ist, dass elektromagnetische Strahlung (4) zu einer Ladungstrennung (5) führt, wobei der Halbleiter (3) eben ist, und die Vorrichtung umfasst weiterhin eine ebene Metallschicht (6), wobei die Metallschicht (6) eine Schottky-Barriere (7) und / oder einen Metall-Isolator-Halbleiter-Übergang zur Halbleiterschicht (3) bildet und der Halbleiter (3) und / oder die Metallschicht so gestaltet ist, dass bei Berührung die Bindung an eine Zelle (2) möglich ist, und / oder so, dass die Zelle (2) bei Berührung abgestoßen wird, um eine gerichtete oder nicht gerichtete Bindung an die Zelle zu begünstigen, und / oder so gestaltet ist, dass die elektrochemische Reaktion begünstigt wird, wenn die Vorrichtung (1) mit einem Lösungsmittel (11) in Berührung kommt.
System (10) zur Stimulation einer Vielzahl von Punkten in einem Netz aus Zellen, das entsprechend der Erfindung eine Vielzahl von Vorrichtungen (1) umfasst, die in einem Lösungsmittel (11) verteilt sind.
Verfahren (100-140, 210-240) für die Herstellung einer Vielzahl von Vorrichtungen (1) entsprechend der Erfindung.
Desinfektions- oder Sterilisationsmittel und Medikament mit einer Vielzahl von Vorrichtungen entsprechend der Erfindung als aktiver Bestandteil.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Stimulation von Zellen und / oder elektrochemischen Reaktionen sowie auf Methoden zur Herstellung solcher Vorrichtungen. Die Vorrichtungen werden durch elektromagnetische Strahlung angetrieben.
Hintergrund der Erfindung
Einzelneuronen wurden in den letzten Jahren äußerst detailliert beschrieben. Die Aktivität des gesamten Gehirns war ebenfalls Gegenstand intensiver Forschung, wobei Methoden wie die Magnetresonanztomographie (MRT) Anwendung fanden. Jedoch ist unser Verständnis von Zwischenprozessen, die Tausende bis Millionen von Neuronen umfassen, in denen Gedanken und Bewusstsein entstehen, noch immer sehr begrenzt. Ein Grund für dieses Defizit besteht darin, dass geeignete Forschungsinstrumente erforderlich sind. Einen vielversprechenden Durchbruch brachte die Entwicklung von Multi-Elektroden-Technologien, die in der Regel durch die Anzahl der verkabelten Elektroden begrenzt sind. Als beeindruckender Fortschritt erwies sich außerdem die Entwicklung der Optogenetik, dank der die Möglichkeit besteht, auf individuelle Neuronen in vitro und in vivo zu zielen und diese optisch zu stimulieren. Die erforderliche Biochemie kann jedoch eine Herausforderung darstellen und hat bisher den weitverbreiteten Einsatz dieser Methode verhindert.
US 2008/300 663 A1 offenbart ungebundene Mikro- und Nanosonden, die in Gewebe dispergiert werden können, um einzeln durch externe elektromagnetische Strahlung angesprochen zu werden, damit lokal elektrischer Strom erzeugt werden kann, der für die direkte Stimulation, die Änderung des Zellpotenzials oder die Freisetzung oder Modifizierung von enthaltenen oder beigefügten chemischen Verbindungen genutzt wird.
Ziel der Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Vorrichtungen weiter zu verbessern, mit denen äußere elektromagnetische Strahlung so umgewandelt wird, dass eine Zelle und / oder eine elektrochemische Reaktion lokal stimuliert werden kann.
Dieses Ziel wird durch eine Vorrichtung, ein System und ein Herstellungsverfahren erreicht. Die Vorrichtung kann außerdem der aktive Bestandteil eines Desinfektions- oder Sterilisationsmittels oder eines Medikaments sein. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung, des Systems und des Verfahrens sind in den entsprechenden Unteransprüchen detailliert dargestellt.
Offenlegung der Erfindung
Die Erfinder haben eine Vorrichtung zur Stimulation von mindestens einer Zelle und / oder zur Stimulation von mindestens einer elektrochemischen Reaktion entwickelt. Diese Vorrichtung umfasst mindestens einen Halbleiter, der so gestaltet ist, dass elektromagnetische Strahlung eine Ladungstrennung bewirkt. Diese Ladungstrennung sorgt für den Stimulus.
Bei der Zelle handelt es sich vorzugsweise um ein Neuron mit Doppellipidmembran. Der Begriff „elektrochemische Reaktion“ umfasst jegliche chemische Reaktion im Zusammenhang mit dem Fließen von elektrischem Strom. Die mit der Ladungstrennung verbundene Spannung ist die treibende Kraft für das Fließen eines solchen Stroms.
Entsprechend der Erfindung ist der Halbleiter eben, und die Vorrichtung umfasst außerdem eine ebene Metallschicht. Diese Metallschicht bildet eine Schottky-Barriere (Schottky-Übergang) und / oder einen Metall-Isolator-Halbleiter (MIS) - Übergang zur Halbleiterschicht. Die Halbleiterschicht und / oder die Metallschicht sind so gestaltet, dass sie sich bei Berührung an eine Zelle binden und / oder so, dass die Zelle bei Berührung abgestoßen wird, damit sich der Halbleiter an die Zelle bindet, um eine gerichtete oder nicht gerichtete Bindung an die Zelle zu begünstigen, und / oder so gestaltet, dass die elektrochemische Reaktion begünstigt wird, wenn die Vorrichtung mit einem Lösungsmittel in Berührung kommt. Vorzugsweise bildet die Metallschicht eine Schottky-Barriere-Solarzelle, SBSC, mit dem Halbleiter. Vorzugsweise sind die Metallschicht und / oder der Halbleiter so gestaltet, dass die Bindung an eine Doppellipidmembran der Zelle möglich ist.
Im Vergleich zu den im vorhergehenden Aufbau verwendeten p-n-Übergängen verfügen Schottky-Barrieren und MIS-Übergänge über eine geringere Leerlaufspannung von maximal 900 mV. Dadurch kann jedoch ein ausreichend großes Potenzial für jede Art der Zellstimulation erzeugt werden. Der Hauptvorteil von Schottky-Barrieren und MIS-Übergängen besteht darin, dass sie ganz einfach herzustellen sind. Folglich sind so leichter zu miniaturisieren. Das bedeutet, dass in einem feststehenden Feld vieler solcher Vorrichtungen, das mit einem oder mehreren Zellen in Berührung gebracht wird, die Vorrichtungen in einem viel kleineren Abstand angeordnet werden können, damit mehr Berührungspunkte und eine verbesserte räumliche Auflösung entstehen. Handelt es sich bei den Vorrichtungen um autonome Einheiten, die in ein Netz aus Zellen diffundiert werden, insbesondere in ein Netz aus Neuronen, lassen sich diese Einheiten so verkleinern, dass sie leichter tief in dieses dreidimensionale Netz eindringen können.
Die Metallschicht verfügt über zwei weitere Vorteile, die zur erwähnten Miniaturisierung beitragen. Erstens reflektiert sie das Licht und erzeugt Plasma-Effekte an der Schnittstelle zum Halbleiter, wodurch der Umwandlungswirkungsgrad zwischen der äußeren elektromagnetischen Strahlung und der Ladungstrennung verbessert wird. Zum Beispiel wurde über Solarenergie-Umwandlungswirkungsgrade von mehr als 20 % für SBSCs aus Silizium berichtet, und durch Laseranregung im Spektralbereich zwischen 500 nm und 800 nm können äußere Quantenwirkungsgrade von mehr als 80 % erreicht werden. Zweitens ermöglicht es die zusätzliche Funktion der Metallschicht als bindendes Element bezüglich einer Zelle bei Berührung, dass sich sogar sehr kleine Vorrichtungen in selbstbestimmter Weise an die Zelle binden können, ohne dass eine zusätzliche Komponente für eine solche Bindung zur Masse der Vorrichtung beiträgt. Außerdem gibt es eine weitere Anziehung zwischen der Metallschicht und der Potenzialdifferenz an der Oberfläche einer Doppellipidmembran, die den Teil einer Zelle bildet.
Vorteilhaft umfasst die Vorrichtung außerdem einen p-n-Übergang und / oder eine zweite Schottky-Barriere und / oder einen zweiten Metall-Isolator-Halbleiter-Übergang in Reihe mit der ersten Schottky-Barriere und / oder dem Metall-Isolator-Halbleiterübergang. Ähnlich wie bei einer Mehrfachsolarzelle erhöht dies die Leerlaufspannung. Höhere Leerlaufspannungen können wünschenswert sein, um die Fähigkeit der Vorrichtung zur Polarisierung einer Zelle zu verbessern. Außerdem ermöglichen höhere Leerlaufspannungen elektrochemische Prozesse, die bei geringeren Spannungen nicht stattfinden. Dies kann der Vorrichtung bei Beleuchtung eine zytotoxische Eigenschaft verleihen, sodass sie auch als Desinfektions- oder Sterilisationsmittel eingesetzt werden kann.
Bei mehreren Übergängen bietet jeder Übergang seine eigene Verarmungszone. Diese Verarmungszonen lassen sich durch zusätzliche Tunnelübergänge trennen, ähnlich wie bei Mehrfachsolarzellen. Die Übergänge können aus demselben oder aus einem anderen Halbleitermaterial hergestellt werden. Im Gegensatz zu Mehrfachsolarzellen ist es nicht notwendig, verschiedene Halbleiter mit verschiedenen Bandlücken zu verwenden, da das Primärziel darin besteht, die Leerlaufspannung zu erhöhen und nicht darin, den Energieumwandlungswirkungsgrad von Licht aus einem Breitbandemitter, wie zum Beispiel der Sonne, zu verbessern.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Metallschicht in eine Vielzahl von separaten Elektroden geteilt, die sich auf der Oberfläche des Halbleiters befinden. Wird der Halbleiter im Bereich des Übergangs zur Metallschicht elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt, entstehen Exzitonen bestehend aus einem Elektron und einem Loch. Einer dieser Ladungsträger wird in die Metallschicht hineingezogen, während der andere zur anderen Fläche des Halbleiters hin gezogen wird. Ein Referenzpunkt für die Spannung, die zu der Ladungstrennung korrespondiert, kann gesetzt werden, indem diese andere Fläche des Halbleiters auf ein spezifisches Potenzial eingestellt wird, zum Beispiel, indem diese andere Fläche mittels ohmschem Kontakt mit einem Erdpotenzial verbunden wird. Kommt die Vorrichtung zum Beispiel mit einem Lösungsmittel in Berührung und haftet sie sich durch ihre Metallschicht an eine Zelle, kann sich das Lösungsmittel auf Erdpotenzial befinden, und die Spannung an der Metallschicht kann in Bezug auf dieses Erdpotenzial an die Zelle angelegt werden. Die Polarität der durch die Ladungstrennung induzierten Spannung hängt vom Halbleiter und von der Art der Dotierung ab sowie von der Austrittsarbeit der Metallschicht. Abhängig von dieser Polarität folgt aus der Bestrahlung des Halbleiters entweder in eine Stimulation oder eine Hemmung der Zellaktivität, insbesondere der neuronalen Aktivität.
Wird das Feld mit einer oder mehreren Zellen in Berührung gebracht, insbesondere mit Neuronen, verbinden sich deren Doppellipidmembranen mit den einzelnen Elektroden. Idealerweise kann sich ein Netz aus mehreren Zellen selbstbestimmt an die vielen Elektroden der Vorrichtung heften. Das Verhalten des Zellennetzes kann anschließend untersucht werden, indem der Halbleiter an einer oder mehreren Stellen bestrahlt wird, wo er einen Übergang zur Metallschicht bildet. Die Stimulation oder Hemmung der Zellaktivität kann mit geeigneten Mitteln überwacht werden, zum Beispiel mit spannungs- und kalziumempfindlichen Farbstoffen oder Elektroden mit elektrischen Kontakten.
Ein Halbleiter, bei dem sich oben die Metallschicht befindet, kann zum Beispiel durch seine untere Fläche bestrahlt werden. Ist zum Beispiel die Absorption von Silizium eher schwach, erreicht genügend Licht den Übergang zur Metallschicht. Die Lokalisierung der Bestrahlung lässt sich jedoch in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung noch weiter verbessern, wenn mindestens eine Elektrode über eine Öffnung verfügt, durch die die elektromagnetische Strahlung in den Halbleiter gelangt.
Vorzugsweise ist mindestens eine Elektrode partiell mit einer Isolierschicht überzogen, und der nicht mit der Isolierschicht überzogene Teil der Elektrode ist so gestaltet, dass er sich bei Berührung an die Doppellipidmembran der Zelle bindet. Insbesondere kann die Isolierschicht so gestaltet sein, dass das Anhaften von Zellen an diese gehemmt wird, sodass die Zellen nur an dem Teil der Elektrode haften, der nicht mit der Isolierschicht überzogen ist. Damit soll beispielsweise verhindert werden, dass der Strahlenweg hin zu einer Öffnung in der Elektrode durch eine anhaftende Zelle blockiert wird. Die Isolierschicht kann für die elektromagnetische Strahlung durchlässig sein, die zur Anregung des Halbleiters genutzt wird, und / oder sie kann über eine Öffnung verfügen, die der Öffnung in der darunter liegenden Metallschicht entspricht.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Halbleiter mindestens ein Plättchen, das auf einer Fläche mit der Metallschicht überzogen ist. Der Begriff „Plättchen“ selbst ist nicht auf spezielle Formen beschränkt. Mit diesem Begriff soll vielmehr lediglich impliziert werden, dass es eine ebene obere Fläche, eine ebene untere Fläche und eine periphere Seitenfläche gibt, die mehr oder weniger linien- oder bandförmig ist. Das Plättchen kann zum Beispiel eine runde, elliptische, polygonale oder sternenartige Form haben.
Die Plättchen sind zur Benutzung als autonome Einheiten vorgesehen, die über ein zweidimensionales Netz aus Zellen, insbesondere Neuronen, verteilt oder tief in ein dreidimensionales Netz aus Zellen diffundiert werden können. Sie können einzeln oder gemeinsam durch elektromagnetische Strahlung angesprochen werden, z. B. durch einen Laser. Jedes Plättchen hat idealerweise die Form einer im Wesentlichen runden oder elliptischen Scheibe, um scharfe Ecken und Kanten polygonaler Formen zu vermeiden, die sich in einem dreidimensionalen Netz aus Zellen, insbesondere Neuronen, verfangen könnten. Es mag andere Anwendungen geben, bei denen ein solches Verfangen vorteilhaft und / oder erwünscht ist.
Da entweder die obere Fläche oder die untere Fläche des Plättchens metallisch ist, handelt es sich um ein janusköpfiges Plättchen. Das heißt, dass man unterscheiden kann, welche Fläche betrachtet wird, wenn man ein Plättchen mit einem Mikroskop oder anderem Apparat betrachtet. Diffundiert zum Beispiel eine Vielzahl von autonomen Plättchen in ein Netz aus Zellen, kann beobachtet werden, ob sich die Plättchen ordnungsgemäß mit der Metall- oder der Halbleiterfläche an die Zellen geheftet haben, je nachdem, welche Polarität gewünscht wird.
Vorteilhaft kann das Plättchen einen Durchmesser R zwischen 20 nm und 20 µm haben, besser zwischen 80 nm und 20 µm, noch besser zwischen 200 nm und 20 µm und am besten zwischen 1 µm und 10 µm. Diese Spannbreiten sind durch viele verschiedene Effekte motiviert.
Bei vielen biologischen Anwendungen ist ein unterer praktischer Grenzwert für die Größe der Plättchen durch zelluläre Aufnahme per Endozytose gegeben, die nicht wünschenswert ist. Es wurde festgestellt, dass bei Goldnanopartikeln mit einem Durchmesser von mehr als 80 nm Endozytose kaum vorkommt, und ein ähnlicher Wert von 100 nm wurde für die Aufnahme von CdSe-Quantenpunkten berichtet, die durch HeLa-Zellen mit Sacchariden beschichtet waren. Somit kann sicher angenommen werden, dass Plättchen mit Abmessungen oberhalb von 0,1 µm nicht von Endozytose betroffen sind.
Ein oberer praktischer Grenzwert von ca. 10-20 µm ist dadurch gegeben, dass die Plättchen in der Lage sein müssen, in dreidimensionales Gewebe zu diffundieren.
Sollte das Plättchen im Durchschnitt mindestens einen spannungsgesteuerten Na⁺ und K⁺ Ionenkanal umfassen, und geht man von einer Ionenkanaldichte von ca. 60 Na⁺ und 18 K⁺ pro 1 µm², würde dies einen Plättchendurchmesser größer als ca. 0,3 µm erfordern. In der Praxis ist jedoch ein Plättchendurchmesser, der den Durchmesser des Laserbrennpunktes von ca. 200 bis 500 nm übersteigt, ebenfalls günstig. Ein größerer Plättchendurchmesser ermöglicht es außerdem, die Plättchenausrichtung auf der Membran mit einem optischen Mikroskop zu bestimmen.
Vorteilhaft kann das Plättchen eine Dicke D zwischen 5 nm und 5 µm haben, besser zwischen 20 nm und 5 µm und noch besser zwischen 500 nm und 5 µm. Um eine zelluläre Aufnahme per Endozytose zu verhindern, ist es ausreichend, dass mindestens eine Abmessung des Plättchens größer als ca. 80 nm ist. Die Dicke des Halbleiters wirkt sich hauptsächlich auf die Effizienz der Absorption der einfallenden elektromagnetischen Strahlung aus. Handelt es sich um einen Siliziumhalbleiter, kann eine ausreichende Absorption bei Anregungswellenlängen unterhalb von 550 nm für eine Siliziumschichtdicke zwischen 500 nm und 5 µm erwartet werden. Silizium ist ein Halbleiter mit einer indirekten Bandlücke, die die Effizienz der Absorption begrenzt. Halbleiter mit einer direkten Bandlücke absorbieren Licht effizienter, sodass sie dünner sein können.
Plättchen mit einem Durchmesser zwischen 1 µm und 10 µm und einer Dicke zwischen 20 nm und 5 µm lassen sich mithilfe der optischen Standardlithographie erzeugen. Geringere Durchmesser können mithilfe von Elektronenstrahl-, Nanopräge- oder Schablonenlithographie erzielt werden. Stäbe mit einem Durchmesser unter 30 nm lassen sich durch die Dampf-Flüssigkeit-Feststoff-Synthese von Silizium-Nanodrähten herstellen, die mit Goldkatalysatorpartikeln bedeckt sind, die nachfolgend durch Ultraschallbehandlung vom Wachstumssubstrat entfernt werden können.
Das Plättchen ist vorteilhaft so gestaltet, dass es hydrophil ist. Dies erleichtert die Dispersion einer Vielzahl von Plättchen in einem biokompatiblen polaren Lösungsmittel für biologische Anwendungen, insbesondere für die Verteilung über ein zwei- oder dreidimensionales Netz aus Zellen. Eine allgemeine hydrophile Natur der Flächen des Plättchens lässt sich zum Beispiel mithilfe von hydrophilen nativen Oxiden des Halbleiters oder des Metalls erzeugen oder mithilfe von geeigneten Ligandbeschichtungen. Für eine ordentliche Verteilung der Plättchen in der Lösung und zur Verhinderung von Agglomeration können die Plättchen ladungsstabilisiert werden, z. B. mithilfe von Zitronensäure.
Unpolare Lösungsmittel, die nicht biokompatibel sind, können vorteilhaft für nichtbiologische Anwendungen sein. Muss eine Vielzahl von Plättchen in einem unpolaren Lösungsmittel verteilt werden, sind die Plättchen vorteilhaft hydrophob.
Vorteilhaft wird zumindest ein Teil der Metallschicht oder der Halbleiterschicht mit einer Ligandbeschichtung funktionalisiert, um eine gerichtete Anhaftung der Halbleiter- und / oder der Metallschicht an der Zelle, insbesondere an der Doppellipidmembran, zu begünstigen. Ist zum Beispiel die Metallschicht so aufgebaut, dass sie die Zelle abstößt, begünstigt dies die Anhaftung des Halbleiters an die Zelle.
Der Ligand kann zum Beispiel ein Poly-L-Lysin sein. Die Liganden in der Ligandbeschichtung können positiv geladene Endgruppen sein, die vom negativ geladenen Glykokalyx in der Doppellipidmembran eines Neurons angezogen werden. Die Ligandbeschichtung sollte vorteilhaft ein Thiol enthalten, am besten 11-Amino-1-undecanethiol, AUT. Verglichen mit anderen Beschichtungen, wie PDL, PLL oder Fibronektin, sorgt AUT für einen synergistischen Effekt in Kombination mit Gold als Metall, da es sich selektiv über Gold-Thiol-Verbindungen an Gold anhaftet. Zum Beispiel sorgt die Komplementärladung zwischen der Goldoberfläche und dem Neuron dafür, dass die Plättchen leichter in der gewünschten Ausrichtung am Neuron anhaften.
Jedoch könnte die Anhaftung in zufälliger Ausrichtung in einigen Fällen ebenfalls nützlich sein. Da es möglich ist, die Ausrichtung eines Plättchens durch ein optisches Mikroskop zu bestimmen, könnte man Zellen de- oder repolarisieren, indem man in geeigneter Weise gebundene Plättchen auswählt. In diesem Fall kann die gesamte Oberfläche des Plättchens so funktionalisiert werden, dass die Bindung an die Zelle begünstigt wird.
Die Metallschicht sollte vorteilhaft eine oder mehrere der Folgenden umfassen: Gold, Platin, Silber, Aluminium, Titan, ein transparentes, leitfähiges Oxid und ein leitfähiges Polymer. Diese Materialien sind nicht toxisch und relativ widerstandsfähig gegenüber den aggressiven biologischen Flüssigkeiten in einem Netz aus Zellen, insbesondere Neuronen. Die Edelmetalle haben den zusätzlichen Vorteil, dass durch ihre Kombination z. B. mit Silizium Potenziale größer 0,6 V erzeugt werden können, was ausreichend ist für jede Art der Zellstimulation.
Vorteilhaft umfasst die Metallschicht eine erste Unterschicht eines ersten Metalls, die so gestaltet ist, dass sie sich bei Berührung an die Zelle bindet, und eine zweite Unterschicht, die als Adhäsionsschicht zwischen der besagten ersten Unterschicht und dem Halbleiter aufgebracht wird. Zum Beispiel wird die Adhäsion zwischen Gold und Silizium durch eine Titanadhäsionsschicht begünstigt.
Vorteilhaft umfasst die Metallschicht eine erste Unterschicht, die so gestaltet ist, dass sie sich bei Berührung an die Zelle bindet, und eine dritte Unterschicht eines dritten Metalls, die zumindest einen Teilbereich der ersten Unterschicht bedeckt, damit die Bindung an die Zelle im beschichteten Bereich verhindert wird. Dies kann dazu genutzt werden, den Bereich der Metallschicht fein abzustimmen, der sich an die Doppellipidmembran der Zelle anhaften wird. Indem man zum Beispiel Gold als erste Unterschicht vollständig mit Titan als dritter Unterschicht überzieht, lässt sich die Goldschicht so beschränken, dass sie nur mit der peripheren Seitenfläche an der Doppellipidmembran anhaftet. Somit kann die genaue Position, in der sich das Plättchen in der Doppellipidmembran anheften wird, auf den konkreten Bedarf für die Stimulation oder Hemmung von Zellaktivität zugeschnitten werden.
Vorzugsweise umfasst der Halbleiter Silizium oder Germanium. Der Hauptvorteil von Silizium besteht darin, dass Silizium-Isolator-Substrate (silicon-on insulator (SOI) substrates) als äußerst zweckdienliches Ausgangsmaterial für die Herstellung von Plättchen im Handel erhältlich sind. Germanium andererseits hat eine geringere Bandlücke, was für längere Anregungswellenlängen im biologischen Fenster von ca. 800 nm günstig ist. Weitere vorteilhafte Halbleiter sind zum Beispiel BN, SnS, SnS₂, TiO, TiO₂, CuO, Cu₂O, SnO, SnO₂, die Halbleiter mit großer Bandlücke Diamant und BN sowie die Halbleiter mit direkter Bandlücke GaN, SiC, ZnO, ZnS, ZnSe and ZnTe und Übergangsmetalloxide.
Vorteilhaft zeigt die Halbleiterschicht mit einer Fläche zur Metallschicht und mit der anderen Fläche zur Isolierschicht. Diese Isolierschicht kann zum Beispiel ein Oxid des Halbleiters sein. Ein solches Oxid kann das Anhaften der Doppellipidmembran einer Zelle hemmen, was das Anhaften eines autonomen Plättchens an der Zelle in der richtigen Ausrichtung weiter begünstigt, und zwar so, dass die Metallschicht in Richtung Zelle zeigt.
Mit der Erfindung wird außerdem ein System für die Stimulation einer Vielzahl von Punkten in einem Netz aus Zellen, insbesondere Neuronen, bereitgestellt, wobei dieses Netz zwei- oder dreidimensional sein kann. Dieses System umfasst eine Vielzahl von Plättchen, die entsprechend der Erfindung in einem Lösungsmittel verteilt sind. Das Lösungsmittel kann zum Beispiel Wasser oder ein anderes polares Lösungsmittel sein, das biokompatibel ist.
Die Plättchen umfassen vorteilhaft Antriebsmittel, die die Ladungstrennung als Energiequelle nutzen. Solche Antriebsmittel können zum Beispiel aus einem oder mehreren Geißelmotoren bestehen. Die Antriebsmittel können die Diffusion der Plättchen in das Netz aus Neuronen begünstigen.
Die Plättchen können außerdem Mittel für die Kommunikation zwischen zwei oder mehr Plättchen, und / oder eine mechanische Verbindung zwischen zwei oder mehr Plättchen, umfassen. Dies ermöglicht einen einstellbaren Grad der Koordination zwischen den Stimuli, die von verschiedenen Plättchen geliefert werden.
Die Erfindung stellt außerdem ein Verfahren für die Herstellung der Plättchen bereit.
Das Ausgangsmaterial für dieses Verfahren ist ein Halbleiter-Isolator-Substrat, das mindestens die Halbleiterschicht, eine Isolierschicht und eine Basisschicht umfasst.
Die Basisschicht kann zum Beispiel aus demselben Material wie die Halbleiterschicht bestehen und sich optional vom Material der Halbleiterschicht darin unterscheiden, dass die Basisschicht nicht dotiert ist.
Die Metallschicht der Plättchen wird zumindest auf einen Teil des Halbleiter-Isolator-Substrats aufgebracht und mittels Lithographie in die Form der Plättchen strukturiert. Jede geeignete Art der Lithographie kann verwendet werden. Zum Beispiel kann die Metallschicht als Erstes über das gesamte Substrat aufgebracht und nachfolgend in den Bereichen entfernt werden, die nicht zu den Plättchen gehören, d. h. Bereiche, die die Plättchen nicht bedecken. Alternativ kann das Substrat zum Beispiel vor dem Aufbringen der Metallschicht mit einer Maske versehen werden, sodass die Metallschicht nur in den Bereichen am Substrat haftet, die zu den Plättchen gehören. Positive oder negative Lithographie kann verwendet werden.
Es ist nicht zwingend erforderlich, dass sämtliche Maßnahmen, die sich auf die Strukturierung beziehen, nach dem Aufbringen der Metallschicht durchgeführt werden. Zum Beispiel kann ein Photoresist, das für die Strukturierung verwendet wird, entweder vor oder nach der Abscheidung der Metallschicht aufgebracht werden. Wird ein Photoresist wahlweise auf dem Halbleiter in den Bereichen aufgebracht, die nicht zu den Plättchen gehören, haftet eine nachfolgend aufgebrachte Metallschicht am Halbleiter-Isolator-Substrat nur in den Bereichen, die zu den Plättchen gehören. Das Metall kann durch Lift-off des Photoresist von den Bereichen entfernt werden, die nicht zu den Plättchen gehören. Das verbleibende Metall in den zu den Plättchen gehörenden Bereichen kann anschließend als Ätzmaske zum Ätzen der Halbleiterschicht dienen.
Zumindest die Halbleiterschicht wird in den Bereichen abgeätzt, die nicht zu den Plättchen gehören, d.h. die Bereiche, die die Plättchen nicht bedecken. Dies kann zum Beispiel nach der Herstellung des Metalls in der Form der Plättchen erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, zuerst die Halbleiterschicht zu ätzen und anschließend eine Metallschicht abzuscheiden. Bei beiden Varianten werden „Säulen“ oder „Inseln“ des Halbleitermaterials mit der Metallschicht überzogen.
Die Strukturierung der Plättchen und das Wegätzen der Halbleiterschicht lassen sich zur Beschleunigung und Vereinfachung des Herstellungsprozesses vorteilhaft miteinander verbinden. Zum Beispiel kann eine einzelne, strukturierte Schicht Photoresist als Maske genutzt werden, um damit gleichzeitig die Halbleiter- und die Metallschicht in den Bereichen zu ätzen, die nicht zu den Plättchen gehören.
Schließlich werden die Plättchen vom Substrat abgelöst. Jedes geeignete Mittel kann für diesen Ablöseprozess verwendet werden. Zum Beispiel sind die verbleibenden Halbleiterplättchen nach dem Ätzen der Halbleiterschicht nur noch schwach mit der Isolierschicht verbunden, sodass sie durch einen physikalischen Prozess abgetragen werden können, etwa durch Ultraschallbehandlung oder Delamination. Bei der Ultraschallbehandlung lösen sich die Plättchen durch Schwingung, während bei der Delamination zum Beispiel eine Scherkraft zwischen den Plättchen und dem Substrat und / oder eine Biegekraft am Substrat angewendet wird. Die Plättchen lassen sich aber auch chemisch ablösen. Deshalb kann das Ablösen der Plättchen vom Substrat auch speziell ein Ablösen von der Basisschicht, von der Isolierschicht oder beidem beinhalten.
Vorteilhaft wird der Halbleiter mittels Trockenätzen geätzt. Dies kann vorteilhaft so mit Lithographie kombiniert werden, dass nur ein Strukturierungsschritt notwendig ist: Nachdem eine komplette Metallschicht auf dem Substrat aufgebracht wurde, kann ein Photoresist nur in den Bereichen aufgebracht werden, die die Plättchen bedecken. In allen anderen Bereichen wird das Photoresist entfernt. Beim nachfolgenden Trockenätzen werden sowohl die Metallschicht als auch die Halbleiterschicht entfernt, außer in den Bereichen, die zu den Plättchen gehören und die durch das Photoresist geschützt sind.
Es ist jedoch auch möglich, zuerst die Metallschicht mittels Lithographie zu Plättchen zu formen und anschließend das Trockenätzen mit einem Ätzmittel durchzuführen, das den Halbleiter, aber nicht das Metall angreift.
Das Material der Basisschicht kann sich vom Material der Halbleiterschicht unterscheiden und einen Ätzstopp für den Ätzvorgang bilden.
Vorteilhaft wird beim Ätzen auch die Isolierschicht in den Bereichen entfernt, die nicht zu den Plättchen gehören. Zusätzlich umfasst der Ablöseprozess ein Nassätzen der Isolierschicht. Diese Ätzvariante erfolgt zum Beispiel mittels Fluorwasserstoffsäure. Die Isolierschicht ist in dem Fall eine Opferschicht. Die Auswahl eines Halbleiter-Isolator-Substrats ist wirtschaftlich, da das handelsübliche Substrat bereits die temporäre Opferschicht enthält; für die Herstellung dieser Schicht ist kein zusätzlicher Aufwand erforderlich.
Die abgelösten Plättchen können anschließend mit Liganden funktionalisiert und in einem Lösungsmittel verteilt werden, z. B. in Wasser oder einer anderen wässrigen Lösung.
Nach unseren Erwartungen sind Siliziumplättchen mit einem Durchmesser zwischen 0,5 und 5 µm, einer Dicke zwischen 0,5 und 3 µm und Metallabdeckungsschichten mit einer Dicke zwischen 10 und 100 nm am besten geeignet. Unsere Schätzungen gründen sich unter anderem auf den Überlegungen zu Endozytose, interzellulärer Mobilität, Lichtabsorption und Polarisierbarkeit von Zellen.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Plättchen-Vorrichtungen umfasst:

das Aufbringen einer Opferschicht zumindest auf einem Teil einer Basisschicht, die als Substrat dient;
das Aufbringen einer Photoresistschicht mit einer Strukturierung, das den Plättchen entspricht;
das Abscheiden der Halbleiterplättchen einschließlich der Metallschicht auf die Opferschicht;
das Entfernen des Halbleiters und des Metalls in den Bereichen, die nicht zu den Plättchen gehören; und
das Ablösen der Plättchen durch Abtragung der Opferschicht.

Die Reihenfolge dieser Schritte ist nicht festgelegt. Zum Beispiel kann die Photoresistschicht vor der Opferschicht aufgebracht werden; sie dient dann auch als Maske für das Abscheiden der Opferschicht. Die Photoresistschicht lässt sich auch als Opferschicht doppelnutzen. Insbesondere muss sich die Strukturierung in der Photoresistschicht nicht bis zum Substrat fortsetzen. Die Strukturierung muss nur einen gewissen topographischen Kontrast zwischen den Bereichen bilden, die zu den Plättchen gehören, und denen, die nicht zu den Plättchen gehören.
Bei der Opferschicht kann es sich um jede beliebige Schicht handeln, die sich einfach mit geeigneten Mitteln abtragen lässt, ohne dass die Integrität des Halbleiters und des Metalls beeinträchtigt wird. Zum Beispiel kann die Opferschicht durch ein Ätzmittel abätzbar sein, das weder den Halbleiter noch das Metall angreift. Die Opferschicht kann zum Beispiel auch eine Photoresist- oder eine andere Polymerschicht sein, die sich mit einem Lösungsmittel abheben lässt, das weder den Halbleiter noch das Metall angreift. Die Opferschicht kann zum Beispiel auch als mechanisch schwache Verbindung zwischen der Halbleiter- und der Basisschicht ausgebildet sein, sodass, wenn eine mechanische Kraft zwischen der Halbleiter- und der Basisschicht angewendet wird, die Opferschicht abgetragen wird, bevor sich die Halbleiter- oder die Metallschicht löst. Ein Abtragen der Opferschicht erfordert keine vollständige Entfernung der Opferschicht. Es ist vielmehr ausreichend, die Integrität der Opferschicht gerade soweit zu beeinträchtigen, dass sie die Plättchen nicht mehr an Ort und Stelle halten kann.
Diese Ausführungsform des Verfahrens hat den Vorteil, dass kein Halbleiter-Isolator-Substrat erforderlich ist. Solche Substrate sind nur für sehr wenige Halbleiter gut verfügbar.
Bei beiden Ausführungsformen des Verfahrens lässt sich die Form und die Größe der Plättchen durch einen lithographischen Prozess wie zum Beispiel optische Lithographie oder UV-Lithographie, Elektronenstrahl-, Nanopräge-, Schablonenlithographie oder sonstige Lithographie im Zusammenhang mit einer Kombination aus Dünnfilmabscheidung, Lift-off-Verfahren und / oder vertikales Ätzen wie Trockenätzen, Ionenätzen, chemisches Nassätzen oder sonstiges Ätzen definieren. Die Plättchen lassen sich entweder durch einen physikalischen Prozess, wie zum Beispiel Ultraschallbehandlung oder Delamination, vom Substrat lösen, oder durch Entfernen der Opferschicht. Die Opferschicht lässt sich mithilfe von Lösungsmitteln, durch chemisches Nassätzen, Dampfätzen oder andere Verfahren entfernen.
Die Verwendung von photovoltaischen Nanoplättchen zur Polarisierung von Zellen ist ebenfalls nützlich für die Untersuchung von Krebszellen und für die Krebsbehandlung. Von Krebszellen ist bekannt, dass sie elektrische Eigenschaften besitzen, die sich von denen gesunden Gewebes unterscheiden, und Krebszellen haben meist eine geringere Polarisierung als reguläre Zellen. Bei der Polarisierung von Krebszellen wird daher angenommen, dass sie ein nützlicher Regulator für Krebs ist, und die Forschung zeigt, dass dies tatsächlich der Fall ist. Die vorgeschlagenen photovoltaischen Vorrichtungen können zur Erhöhung der Polarisierung von Krebszellen genutzt werden und somit ein wertvolles Werkzeug in der Krebsforschung und bei der Krebstherapie sein.
Zusätzlich können die in den Mikro- und Nanoplättchen induzierten Photospannungen zytotoxische Effekte haben, die von elektrochemischen Reaktionen und von Erwärmung herrühren. Insbesondere ist bekannt, dass bei der Erzeugung von Triplett-Sauerstoff zytotoxische Effekte auftreten, was man sich bei der photodynamischen Therapie zunutze macht. Wesentliche Vorteile von photovoltaischen Plättchen gegenüber anderen Substanzen, die typischerweise bei der photodynamischen Therapie eingesetzt werden, liegen in ihrer chemischen Stabilität, dem geringeren Photobleaching, der geringen Dunkeltoxizität und den zusätzlichen Mitteln für die Bestrahlung von Gewebe durch Größen- und Oberflächenfunktionalisierung der Plättchen.
Mit der Erfindung steht somit auch ein Desinfektions- und Sterilisationsmittel zur Verfügung. Dieses Mittel umfasst eine Vielzahl von Plättchen-Vorrichtungen entsprechend der Erfindung und / oder ein System solcher, in einem Lösungsmittel verteilten Plättchen-Vorrichtungen als aktiven Bestandteil.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Plättchen in Wasser verteilt oder auf eine Oberfläche aufgebracht (die unter Umgebungsbedingungen mit einem dünnen Wasserfilm überzogen ist) und elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt. Die Desinfektions- / Sterilisationswirkung wird durch Erwärmung und elektrochemische Reaktionen erzielt, was unter anderem zur Erzeugung von reaktiven Sauerstoffspezies wie Singulett-Sauerstoff führt.
Mit der Erfindung wird außerdem ein Medikament zur Behandlung von Krebs oder Hauterkrankungen bereitgestellt. Dieses Medikament umfasst eine Vielzahl von Plättchen-Vorrichtungen entsprechend der Erfindung und / oder ein System solcher, in einem Lösungsmittel verteilten Plättchen-Vorrichtungen als aktiven Bestandteil.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die photovoltaischen Plättchen in einem Lösungsmittel verteilt, das auf den Bereich aufgebracht werden kann, der von Interesse ist. Die Oberflächen der Plättchen können derart chemisch funktionalisiert werden, dass sie sich speziell mit Zielgewebe, -zellen oder anderen -teilen verbinden. Außerdem ist eine seitenspezifische Funktionalisierung der Plättchen möglich, um eine gerichtete Anhaftung zu begünstigen. Ein bevorzugter Mechanismus besteht im Verbinden der Plättchen mit Krebszellen oder Tumoren über Antikörper oder Antikörperfragmente. Ein nach der Größe ausgewähltes Targeting ist ebenfalls möglich je nach größenspezifischer Kinetik, falls die Plättchen in den Blutkreislauf oder ins Gewebe eingebracht werden. Illumination durch elektromagnetische Strahlung kann mit einem Laser, einer Leuchtdiode, einer Breitbandlichtquelle wie zum Beispiel einer Wärme- oder Halogenlampe, Umgebungsbeleuchtung oder ähnlichem erfolgen. Ein bevorzugter Wellenlängenbereich für die Illumination liegt zwischen 650 nm und 950 nm, das sogenannte biologische Fenster für Gewebe.
Die therapeutische Wirkung wird durch elektromagnetische Strahlung (z. B. Erzeugung von reaktiven Sauerstoffspezies), Zellenpolarisierung und / oder Erwärmung erzielt.
Die Plättchen können auch als Werkzeug für die Krebsforschung dienen, um Krebszellen zu untersuchen analog zu dem für Zellen, insbesondere für Neuronen, beschriebenen Verfahren.
Hauterkrankungen umfassen unter anderem Hautkrebs, Akne, Herpes, Warzen, Krätze und Ekzeme. Diese können behandelt werden, indem die Plättchen auf das betroffene Gewebe aufgebracht werden, z. B. durch Aufbringen einer Lösung, in der sie verteilt sind. Die nachfolgende Illumination durch elektromagnetische Strahlung kann mit einem Laser, einer Leuchtdiode, einer Breitbandlichtquelle wie Wärme- oder Halogenlampe, Umgebungsbeleuchtung oder ähnlichem erfolgen. Die therapeutische Wirkung wird durch elektrochemische Reaktionen, Zellenpolarisierung und / oder Erwärmung erzielt.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Abbildungen detailliert dargestellt, ohne dass eine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist.
Figurenliste

: Ausführungsform der Vorrichtung 1 mit mehreren Elektroden 61 auf dem Halbleiter 3.
: Ausführungsform der Vorrichtung 1, gestaltet als autonome Einheit mit Halbleiter 3 in Form eines Plättchens 31.
: Abhängigkeit der Breite W_D der Verarmungszone 38 von der Dotierdichte Nd (a); Abhängigkeit der Absorption A von der Dicke D des Plättchens 31 für Silizium als Halbleiterschicht (b).
: Mehrere autonome Vorrichtungen 1 an verschiedenen Stellen an ein Neuron 2 angehaftet.
: Herstellung von Vorrichtungen 1, die aus einem Halbleiter-Isolator-Substrat 35 als Ausgangsmaterial ein System 10 bilden.
: Exemplarische Umsetzungsweisen für das in dargestellte Verfahren.
: Herstellung von Vorrichtungen 1 ohne ein Halbleiter-Isolator-Substrat 35.

zeigt eine erste exemplarische Ausführungsform der Vorrichtung 1 entsprechend der Erfindung. Bei handelt es sich um die Draufsicht aus einem schrägen Blickwinkel. Bei dieser Ausführungsform ist die Metallschicht 6 in eine Vielzahl von separaten Elektroden 61a-61f eingeteilt, die sich auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats 3, z. B. Silizium, befinden. zeigt eine Schnittansicht des Bereiches, in dem eine Elektrode 61a-61f auf das Siliziumsubstrat 3 aufgebracht wird, wobei mit dem Silizium 3 eine lokale Schottky-Barriere 7 gebildet wird.
Das Siliziumsubstrat 3 ist mittels ohmschem Kontakt 37 mit einem Erdpotenzial verbunden. Jede Elektrode 61a-61f verfügt über eine Öffnung 62, durch die Laserlicht 4 in das Silizium 3 gelangt. Die Elektrode 61a-61f ist teilweise mit einer Isolierschicht 63 überzogen, die über die obere Fläche des Siliziumsubstrats 3 verläuft. Die Isolierschicht 63 schränkt das Anhaften der Doppellipidmembran 21 des Neurons 2 an dem Teil 64 der Elektrode 61a-61f ein, der nicht von der Isolierschicht 63 überzogen ist. Die Isolierschicht 63 ist transparent, damit Laserlicht 4 durch die Öffnung 62 und weiter zum Silizium 3 gelangt.
Das Laserlicht 4 kann mithilfe eines auf einem Piezo-Gestell montierten Objektivs auf die Öffnung 62 ausgerichtet werden mit den zwei ebenen Koordinatenachsen x und y als Freiheitsgrade. Wird das Silizium 3 durch das Laserlicht 4 angeregt, werden Exzitonen 39 erzeugt, die aus einem Elektron 38a und einem Loch 38b bestehen. Das Elektron 38a bewegt sich nach oben zur Elektrode 61a-61f, während sich das Loch 38b über den ohmschen Kontakt 37 nach unten zum Erdpotenzial hin bewegt. Die Schottky-Barriere 7 bildet eine Verarmungszone 38, die eine Ladungstrennung 5 induziert. Die Ladungstrennung führt zu einer Potenzialdifferenz, die einer Spannung zwischen der Elektrode 61a-61f und dem Erdpotenzial entspricht. Diese Spannung kann je nach Polarität die Aktivität des Neurons 2 stimulieren oder hemmen.
zeigt eine zweite exemplarische Ausführungsform der Vorrichtung 1. Bei handelt es sich um eine perspektivische Ansicht. Der Halbleiter 3 ist ein mit der Metallschicht 6 überzogenes Plättchen 31 mit einem Durchmesser R. Die obere Fläche der Metallschicht 6 wird mit einer Ligandbeschichtung 69 funktionalisiert. Wird das Halbleiterplättchen 31 angeregt, bildet sich eine Verarmungszone 38, die an die untere Fläche der Metallschicht 6 angrenzt und nach unten nur durch einen Teil der Gesamtdicke D des Plättchens 31 verläuft.
Bei handelt es sich um eine Schnittansicht der Vorrichtung 1 in dem Zustand, in dem sie an der Doppellipidmembran 21 einer Zelle 2 haftet. In diesem Beispiel ist das Halbleiterplättchen 31 n-dotiert. Bei Anregung mit Licht 4 wird ein Exziton 39 erzeugt, was dazu führt, dass sich ein Elektron 38a nach unten zur Metallschicht 6 und ein Loch 38b nach oben zur oberen Fläche des Plättchens 31 bewegt. Die negative Ladung in der Metallschicht 6 induziert eine entsprechende positive Ladung 23 im Inneren 22 der Zelle 2 auf der anderen Seite der Doppellipidmembran 21.
Wird das Halbleiterplättchen 31 p-dotiert, wie in dargestellt, bewegt sich das Loch 38b entsprechend nach unten zur Metallschicht 6, während sich das Elektron 38a nach oben zur oberen Fläche des Plättchens 31 bewegt. Somit ist die induzierte Ladung 23 im Inneren 22 der Zelle 2 negativ.
zeigt ein Beispiel, wie die Ausführung der Metallschicht 6 als Doppelschicht aus einer ersten Schicht 65 und einer dritten Schicht 67, die die erste Schicht 65 komplett überzieht, die Haftung der Vorrichtung 1 an der Doppellipidschicht 21 beeinflusst. Somit ist der mit der Schicht 67 überzogene Bereich 68 die komplette Ebene der ersten Schicht 65. Die erste Schicht 65 besteht aus Gold, und die dritte Schicht 67 besteht aus Titan. Die Ligandbeschichtung 69 umfasst 11-Amino-1-undecanethiol, AUT, das sich selektiv mittels Gold-Thiol-Verbindungen mit dem Gold in der ersten Schicht 65 verbindet. Daraus folgt, dass wenn die Vorrichtung 1 während der Herstellung mit einer Lösung der Ligandbeschichtung 69 in Kontakt kommt, die Ligandbeschichtung 69 nur an der exponierten peripheren Seitenfläche der ersten Schicht 65 haftet. Folglich heftet die Vorrichtung 1 sich nur mittels dieser peripheren Seitenfläche, die sich in der Mitte der Doppellipidmembran 21 befinden wird, an die Doppellipidmembran 21.
zeigt, wie eine Änderung im Aufbau der Metallschicht 6 die Haftung der Vorrichtung 1 innerhalb der Doppellipidmembran 21 beeinflusst. In diesem Beispiel ist die erste Schicht 65 dünner, während die dritte Schicht 67 dicker ist als in dem in dargestellten Beispiel. Außerdem überzieht die dritte Schicht 67 nur einen Teilbereich 68 der ersten Schicht 65. Folglich haften Liganden der Ligandbeschichtung 69 nicht nur an der peripheren Seitenfläche der ersten Schicht 65, sondern auch an der unteren Fläche, die zur Doppellipidmembran 21 zeigt. Der Nettoeffekt besteht darin, dass die Vorrichtung 1 weniger tief in die Doppellipidmembran 21 eindringt, da sämtliche an der ersten Schicht 65 haftenden Liganden bereits zu einem früheren Zeitpunkt Gegenstücke in der Doppellipidmembran 21 gefunden haben werden.
zeigt die Abhängigkeit der Breite W_D der Verarmungszone 38 von der Dotierdichte Nd für verschiedene Paare von Siliziumplättchen 31 und Metallschichten 6. Zusätzlich sind Literaturwerte für entsprechende Schottky-Barriere-Höhen ϕ_B0 aufgeführt. Idealerweise sollte die Breite W_D der Verarmungszone geringer sein als die Dicke D des Plättchens 31, damit die Schottky-Barriere-Höhe ihren Gleichgewichtswert erreicht und die Leerlaufspannung maximiert wird. Aus ergibt sich, dass Dotierlevel oberhalb 2*10¹⁵ cm^-3 am geeignetsten sein sollten.
Es sei darauf hingewiesen, dass eine dünne Adhäsionsschicht 66 zwischen dem Gold und dem Silizium, z. B. Aluminium oder Titan mit einer Dicke von 2-5 nm erforderlich sein könnte, um die Delamination der Goldschicht zu verhindern. Die Adhäsionsschicht 66 würde wahrscheinlich auch die daraus entstehende Schottky-Barriere-Höhe und die Leerlaufspannung dominieren. Sie ist in nicht dargestellt.
zeigt die Absorption A des Siliziumplättchens 31 als eine Funktion der Dicke D des Plättchens 31 für verschiedene Laserwellenlängen. Es sieht so aus, dass bei Anregungswellenlängen unter 550 nm eine Schichtdicke zwischen 0,5 und 3 µm eine ausreichende Absorption zeigt.
zeigt ein Neuron 2, bei dem autonome Vorrichtungen 1 an verschiedenen Stellen haften. Das Neuron 2 umfasst einen Zellkern 24, ein Soma 25, ein Axon 26 und ein Dendrit 27. Ein spezifischer funktionaler Bereich des Neurons 2 kann stimuliert oder gehemmt werden, indem ein Laserstrahl 4 auf die spezifische Vorrichtung 1 ausgerichtet wird, die sich in diesem Bereich befindet.
In ist die Herstellung von Vorrichtungen 1 und eines Systems 10 dargestellt. Ein Silizium-Isolator-Substrat 35, das eine dotierte Siliziumschicht 3, eine Siliziumdioxidschicht 32 und eine undotierte Siliziumbasisschicht 33 umfasst, ist das Ausgangsmaterial für die Herstellung. In einem ersten Schritt 100 wird eine Metallschicht 6 oben auf die Siliziumschicht 3 aufgebracht. Mittels Lithographie 110 wird diese Metallschicht 6 anschließend in Schritt 110 strukturiert und in Inseln segmentiert, die den herzustellenden Plättchen 31 entsprechen. Durch selektives Trockenätzen 120, das die Halbleiterschicht 3 und die Isolierschicht 32 angreift, jedoch nicht die Metallschicht 6, werden Säulen der Metallschicht 6 oben auf den auf der Isolierschicht 32 befindlichen Halbleiterplättchen 31 freistehend auf der Siliziumbasisschicht 33 gelassen.
Nassätzen mit Fluorwasserstoffsäure löst die Isolierschicht 32, wobei die mit einer Metallschicht 6 bedeckten Scheiben von der Basisschicht 33 abgelöst werden. Nach Funktionalisierung der Metallschicht 6 mit der Ligandbeschichtung 69 werden die Vorrichtungen 1 fertiggestellt. Durch Suspendierung der Vorrichtungen 1 in einem Lösungsmittel 11 wird ein gebrauchsfertiges System 10 für die laserinduzierte Stimulation oder Hemmung der Neuronen 2 gebildet.
In sind zwei mögliche Umsetzungsweisen der ersten Ausführungsform für das Herstellungsverfahren detailliert dargestellt, bei der mit einem Halbleiter-Isolator-Substrat 35 als Ausgangsmaterial begonnen wird.
zeigt die erste Umsetzungsweise. In Schritt 100 wird die Metallschicht 6 auf das Halbleiter-Isolator-Substrat 35 abgeschieden, das eine Basisschicht 33, eine Isolierschicht 32 und den eigentlichen Halbleiter 3 oben umfasst. In Schritt 110a, dem ersten Unterschritt der Strukturierung 110, wird ein Photoresist 50 auf die Metallschicht 6 selektiv in den Bereichen aufgebracht, die zu den Plättchen 31 gehören. Bei der Photoresistschicht 50 handelt es sich um eine Ätzmaske für einen nachfolgenden vertikalen Ätzprozess. Bei diesem vertikalen Ätzprozess wird die Metallschicht 6 in den Bereichen entfernt, die nicht zu den Plättchen 31 gehören, weshalb es sich hierbei um den zweiten Unterschritt 110b der Strukturierung 110 handelt. Gleichzeitig wird beim vertikalen Ätzprozess 120 der Halbleiter 3 in den Bereichen abgeätzt, die nicht zu den Plättchen 31 gehören.
Beim Ätzprozess 120 bilden sich aus dem Halbleiter 3 die Plättchen 31. Nach diesem Ätzprozess 120 wird das Photoresist entfernt 125. Im letzten Schritt 130 werden die Plättchen 31 aus dem Substrat 35 abgelöst 130, sodass unabhängige Vorrichtungen 1 gebildet werden.
zeigt die zweite Umsetzungsweise. Im Gegensatz zu ist die Reihenfolge der Schritte 100 und 110a umgedreht. Der erste Unterschritt 110a der Strukturierung 110, und zwar das Aufbringen des Photoresist 50, wird vor dem Aufbringen 100 der Metallschicht 6 durchgeführt. Der zweite Unterschritt 110b der Strukturierung 110, und zwar die Entfernung des Metalls in den Bereichen, die nicht zu den Plättchen 31 gehören, wird durch Lift-off der Photoresistschicht 50 bewirkt, statt durch den vertikalen Ätzprozess.
Das vertikale Wegätzen 120 des Halbleiters 3 verläuft so, dass die Metallschicht 6 nicht angegriffen, sondern vielmehr als Ätzmaske eingesetzt wird, um die Plättchen 31 aus dem Halbleiter 3 zu bilden. Das Ablösen 130 der Plättchen 31 vom Substrat 35 zur Bildung unabhängiger Vorrichtungen 1 kann genauso wie bei der ersten Umsetzungsweise durchgeführt werden.
In sind drei mögliche Umsetzungsweisen der zweiten Ausführungsform für das Herstellungsverfahren detailliert dargestellt. Im Vergleich zu der in detailliert dargestellten ersten Ausführungsform kann diese Ausführungsform auch für Halbleiter 3 genutzt werden, für die kein Halbleiter-Isolator-Substrat 35 gut verfügbar ist. Außerdem ist kein Equipment für den vertikalen Ätzprozess erforderlich. Damit verbunden ist jedoch ein Mehraufwand für das Abscheiden der Halbleiter- und der Opferschicht.
In ist die erste Umsetzungsweise detailliert dargestellt. Zuerst wird in Schritt 210 die Opferschicht 36 auf die Basisschicht 33 aufgebracht, die als Substrat dient. In Schritt 220a wird ein Photoresist 50 aufgebracht und mittels Lithographie mit einem Muster strukturiert, das den Plättchen 31 entspricht. Die Photoresistschicht 50 dient als Maske für das nachfolgende Abscheiden 220b der Halbleiter 3 Plättchen 31 einschließlich der Metallschicht 6. Der Halbleiter 3 und das Metall 6 werden über die gesamte Oberfläche abgeschieden, jedoch verhindert die Photoresistschicht 50, dass diese mit der Opferschicht 36 in den Bereichen in Berührung kommen, die nicht zu den Plättchen 31 gehören. In Schritt 230 werden der Halbleiter 3 und das Metall 6 in den Bereichen, die nicht zu den Plättchen 31 gehören, durch Lift-off der Photoresistschicht 50 entfernt. Schließlich werden die Plättchen 31 in Schritt 240 durch Abtragung der Opferschicht 36 abgelöst, sodass unabhängige Vorrichtungen 1 entstehen.
In ist die zweite Umsetzungsweise detailliert dargestellt. Im Vergleich zu wurde die Reihenfolge der Schritte 210 und 220 umgedreht. Die Halbleiterschicht 50 dient deshalb auch als Maske für das Abscheiden der Opferschicht 36. Werden in Schritt 230 der Halbleiter 3 und das Metall 6 in den Bereichen entfernt, die nicht zu den Plättchen 31 gehören, bleibt in diesen Bereichen keine Opferschicht 36 zurück. Somit befinden sich die Plättchen 31 nicht auf einer flachen Opferschicht 36, die über die gesamte Basisschicht 36 verläuft. Die Plättchen 31 sind vielmehr mithilfe von freistehenden Sockeln des Materials der Opferschicht 36 mit der Basisschicht 33 verbunden. So lässt sich in Schritt 240 die Opferschicht 36 leichter mittels Unterätzen abtragen.
In ist die dritte Umsetzungsweise detailliert dargestellt. Im Vergleich zu lässt sich die Photoresistschicht 50 als Opferschicht 36 doppelnutzen. Deshalb wird mit dem Aufbringen 220a der Photoresistschicht 50 gleichzeitig die Opferschicht 36 auf die Basisschicht 33 aufgebracht 210. Im Vergleich zu verläuft die Strukturierung in der Photoresistschicht 50, das den Plättchen 31 entspricht, nicht über die gesamte Dicke der Photoresistschicht 50 auf der Basisschicht 33. Die Photoresistschicht 50 sorgt vielmehr lediglich für einen topographischen Kontrast zwischen den Bereichen, die zu den Plättchen 31 gehören, und den Bereichen, die nicht zu den Plättchen 31 gehören.
Das Entfernen 230 des Halbleiters 3 und des Metalls 6 in den Bereichen, die nicht zu den Plättchen 31 gehören, wird durch einen partiellen Lift-off der Photoresistschicht 50 bewirkt. Die Plättchen 31 werden anschließend in Schritt 240 durch ein komplettes Lift-off der Photoresistschicht 50 freigesetzt.
Bei dieser Umsetzungsweise können die Schritte 230 und 240 zu einem einzigen Lift-off-Schritt kombiniert werden. Jedoch werden die Plättchen 31 anschließend mit dem verbliebenen Halbleiter 3 und dem Metall 6 aus den Bereichen vermischt, die nicht zu den Plättchen 31 gehören. Mit der Trennung der Schritte 230 und 240 wird sichergestellt, dass dieser Rest entfernt wird und man eine Lösung erhält, die nur fertiggestellte Vorrichtungen 1 als feste Bestandteile enthält.
Die Offenbarung der vorliegenden Erfindung umfasst außerdem die folgenden Beispiele:
Beispiel 1: Eine Vorrichtung zur Stimulation von mindestens einer Zelle und / oder von mindestens einer elektrochemischen Reaktion, die mindestens einen Halbleiter umfasst, der so gestaltet ist, dass elektromagnetische Strahlung zu einer Ladungstrennung führt, wobei der Halbleiter eben ist, und die Vorrichtung umfasst weiterhin eine ebene Metallschicht, wobei die Metallschicht eine Schottky-Barriere und / oder einen Metall-Isolator-Halbleiter-Übergang zur Halbleiterschicht bildet und die Halbleiter- und / oder Metallschicht so gestaltet ist, dass sie sich bei Berührung an eine Zelle bindet, und / oder so, dass die Zelle bei Berührung abgestoßen wird, um die gerichtete oder nicht gerichtete Bindung an die Zelle zu begünstigen, und / oder die so gestaltet ist, dass die elektrochemische Reaktion begünstigt wird, wenn die Vorrichtung mit einem Lösungsmittel in Berührung kommt.
Beispiel 2: Die Vorrichtung aus Beispiel 1, wobei die Metallschicht in eine Vielzahl von separaten Elektroden aufgeteilt ist, die sich auf der Oberfläche des Halbleiters befinden.
Beispiel 3: Die Vorrichtung aus Beispiel 2, wobei mindestens eine Elektrode eine Öffnung umschließt, durch die die elektromagnetische Strahlung in den Halbleiter gelangt.
Beispiel 4: Die Vorrichtung aus Beispiel 2 oder 3, wobei mindestens eine Elektrode teilweise mit einer Isolierschicht überzogen und der nicht mit einer Isolierschicht überzogene Teil der Elektrode so gestaltet ist, dass er sich bei Berührung an die Doppellipidmembran der Zelle bindet.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Zelle, Neuron
3: Halbleiter
4: elektromagnetische Strahlung
5: Ladungstrennung
6: Metallschicht
7: Schottky-Barriere (Schottky-Übergang)
10: System
11: Lösungsmittel
21: Doppellipidmembran der Zelle 2
22: Inneres der Zelle 2
23: induzierte Ladung im Inneren 22 der Zelle 2
24: Zellkern der Zelle 2
25: Soma des Neurons 2
26: Axon des Neurons 2
27: Dendrit des Neurons 2
31: Plättchen hergestellt aus Halbleiter 3
32: Isolierschicht angrenzend an den Halbleiter 3
33: Basisschicht des Halbleiter-Isolator-Substrats 35
35: Halbleiter-Isolator-Substrat
36: Opferschicht
37: ohmscher Kontakt des Halbleiters 3
38: Verarmungszone im Halbleiter 3
38a: Elektron
38b: Loch
39: Exziton
41: Objektiv für die Strahlung 4
50: Photoresistschicht für die Strukturierung 110, 220a, 220b
61a-61f: Elektroden gebildet aus der Metallschicht 6
62: Öffnung in der Elektrode 61a-61f
63: Isolierschicht auf der Elektrode 61a-61f
64: Bereich auf der Elektrode 61a-61f, der nicht mit der Schicht 63 überzogen ist
65: erste Unterschicht der Metallschicht 6
66: zweite Unterschicht der Metallschicht 6
67: dritte Unterschicht der Metallschicht 6
68: Bereich der ersten Unterschicht 65, der mit der dritten Unterschicht 67 überzogen ist
69: Ligandbeschichtung auf der Metallschicht 6
100: Aufbringen der Metallschicht 6 auf das Substrat 35
110: Strukturierung der Plättchen 31
110a: Aufbringen des Photoresist 50 während der Strukturierung 110
110b: Entfernung von Metall 6 während der Strukturierung 110
120: Ätzen der Halbleiterschicht 3
125: Entfernen des Photoresist 50
130: Ablösen der Plättchen 31 vom Substrat 35
210: Aufbringen der Opferschicht 36 auf die Basisschicht 33
220a: Aufbringen der strukturierten Photoresistschicht 50
220b: Abscheiden der Halbleiterplättchen 31
230: Entfernen des überflüssigen Halbleiters 3 und des überflüssigen Metalls 6
240: Ablösen der Plättchen 31
A: Absorption
D: Dicke des Plättchens 31
ϕ_B0: Höhe der Schottky-Barriere 7
R: Durchmesser des Plättchens 31
W_D: Dicke der Verarmungszone 38

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2008300663 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (1) zur Stimulation von mindestens einer Zelle (2) und / oder zur Stimulation von mindestens einer elektrochemischen Reaktion, bestehend aus mindestens einem Halbleiter (3), der so gestaltet ist, dass elektromagnetische Strahlung (4) zu einer Ladungstrennung (5) führt, wobei der Halbleiter (3) eben ist, und die Vorrichtung umfasst weiterhin eine ebene Metallschicht (6), wobei die Metallschicht (6) eine Schottky-Barriere (7) und / oder einen Metall-Isolator-Halbleiter-Übergang zur Halbleiterschicht (3) bildet und der Halbleiter (3) und / oder die Metallschicht (6) so gestaltet ist, dass bei Berührung die Bindung an eine Zelle (2) möglich ist, und / oder so, dass die Zelle (2) bei Berührung abgestoßen wird, um eine gerichtete oder nicht gerichtete Bindung an die Zelle (2) zu begünstigen, und / oder so gestaltet ist, dass die elektrochemische Reaktion begünstigt wird, wenn die Vorrichtung (1) mit einem Lösungsmittel (11) in Berührung kommt, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter (3) mindestens ein Plättchen (31) mit einer ebenen oberen Fläche, einer ebenen unteren Fläche und einer peripheren Seitenfläche, die mehr oder weniger linien- oder bandförmig ist, umfasst, wobei entweder die obere Fläche oder die untere Fläche des Plättchens (31) mit der Metallschicht (6) überzogen ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Zelle (2) ein Neuron mit einer Doppellipidmembran (21) ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Plättchen (31) eine im Wesentlichen runde oder elliptische Scheibe ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Plättchen (31) einen Durchmesser R zwischen 20 nm und 20 µm, besser zwischen 80 nm und 20 µm, noch besser zwischen 200 nm und 20 µm und am besten zwischen 1 µm und 10 µm hat.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Plättchen (31) eine Dicke D zwischen 5 nm und 5 µm hat.
Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 4 und 5, wobei das Plättchen (31) einen Durchmesser R zwischen 0,1 µm und 10 µm und eine Dicke zwischen 5 nm und 5 µm hat.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei das Plättchen (31) einen Durchmesser R zwischen 1 µm und 10 µm und eine Dicke D zwischen 500 nm und 5 µm hat.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Plättchen (31) so gestaltet ist, dass es hydrophil ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens ein Teil der Metallschicht (6) oder der Halbleiterschicht (3) derart mit einer Ligandbeschichtung (69) funktionalisiert ist, dass die gerichtete Anhaftung des Halbleiters (3) und / oder der Metallschicht (6) an die Zelle (2), insbesondere die Doppellipidmembran (21), begünstigt wird.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, wobei die Liganden in der Ligandbeschichtung (69) positiv geladene Endgruppen enthalten.
Vorrichutung (1) nach Anspruch 10, wobei die Ligandbeschichtung (69) ein Thiol, vorzugsweise 11-Amino-undecanethiol, AUT, umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Metallschicht (6) eine oder mehrere der Folgenden umfasst: Gold, Platin, Silber, Aluminium, Titan, ein transparentes, leitfähiges Oxid und ein leitfähiges Polymer.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Metallschicht (6) eine erste Unterschicht (65) eines ersten Metalls umfasst, die so gestaltet ist, dass sie sich bei Berührung an eine Zelle (2) bindet, und eine zweite Unterschicht (66) eines zweiten Metalls, die zwischen der besagten ersten Unterschicht (65) und dem Halbleiter (3) als Adhäsionsschicht aufgebracht wird.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Metallschicht (6) eine erste Unterschicht (65) umfasst, die so gestaltet ist, dass sie sich bei Berührung an eine Zelle (2) bindet, und eine dritte Unterschicht (67) eines dritten Metalls, mit dem mindestens ein partieller Bereich (68) der ersten Unterschicht (65) überzogen ist, um die Bindung an die Zelle (2) im überzogenen Bereich (68) zu hemmen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Halbleiter (3) Silizium, Germanium, GaN, SiC, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, Diamant, BN, SnS, SnS₂, TiO, TiO₂, CuO, Cu₂O, SnO, SnO₂ und / oder ein Übergangsmetalloxid umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Halbleiter (3) auf der einen Fläche zur Metallschicht (6) zeigt und auf der anderen Fläche zur Isolierschicht (32) zeigt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 16, wobei die Isolierschicht (32) ein Oxid des Halbleiters (3) ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, das außerdem einen p-n-Übergang, und / oder eine zweiten Schottky-Barriere, und / oder einen zweiten Metall-Isolator-Halbleiter-Übergang in Reihe mit der ersten Schottky-Barriere und / oder dem Metall-Isolator-Halbleiterübergang, umfasst.
System (10) zur Stimulation einer Vielzahl von Punkten in einem Netz aus Neuronen, das eine Vielzahl von Vorrichtungen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 umfasst, die so in einem Lösungsmittel (11) verteilt sind, dass es sich bei den Plättchen (31) um autonome Einheiten handelt, die sich über ein zweidimensionales Netz aus Neuronen verteilen lassen oder die tief in ein dreidimensionales Netz aus Neuronen diffundieren können.
System (10) nach Anspruch 19, wobei die Plättchen (31) Antriebsmittel umfassen, die die Ladungstrennung (5) als Energiequelle nutzen.
System (10) nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Plättchen (31) Mittel zur Kommunikation zwischen zwei oder mehr Plättchen (31), und / oder eine mechanische Verbindung zwischen zwei oder mehr Plättchen (31), umfassen.
Verfahren zu Herstellung eines Systems (10) nach einem der Ansprüche 19 bis 21, umfassend: Aufbringen (100) der Metallschicht (6) mindestens auf einen Teil eines Halbleiter-Isolator-Substrats (35), das mindestens die Halbleiterschicht (3), eine Isolierschicht (32) und eine Basisschicht (33) umfasst; Strukturierung (110, 110a, 110b) der Metallschicht (6) zur Form der Plättchen (31) mittels Lithographie; Abätzen (120) mindestens der Halbleiterschicht (3) in den Bereichen, die nicht zu den Plättchen (31) gehören; Ablösen (130) der Plättchen (31) vom Substrat (35); und Verteilung der Plättchen (31) in einem Lösungsmittel (11), sodass das System (10) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei es sich beim Ätzen (120) um das Trockenätzen handelt.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei sich das Material der Basisschicht (33) vom Material der Halbleiterschicht (3) unterscheidet und einen Ätzstopp für den Ätzvorgang (120) bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei mit dem Ätzvorgang (120) auch die Isolierschicht (32) in den Bereichen entfernt wird, die nicht zu den Plättchen gehören, und wobei das Ablösen (130) das Nassätzen der Isolierschicht (32) umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Systems (10) nach einem der Ansprüche 19 bis 21, umfassend: Aufbringen (210) einer Opferschicht (36) zumindest auf dem Teil einer Basisschicht (33), die als Substrat dient; Aufbringen (220a) einer Photoresistschicht (50) mit einer Strukturierung, die den Plättchen (31) entspricht; Abscheiden (220b) der Halbleiter- (3) Plättchen (31) einschließlich der Metallschicht (6) auf die Opferschicht (36); Entfernen (230) des Halbleiters (3) und des Metalls (6) in den Bereichen, die nicht zu den Plättchen (31) gehören; Ablösen (240) der Plättchen (31) durch Abtragung der Opferschicht (36); und Verteilung der Plättchen (31) in einem Lösungsmittel (11), sodass das System (10) entsteht.
Desinfektions- oder Sterilisationsmittel, umfassend eine Vielzahl von Vorrichtungen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, und / oder ein System (10) nach einem der Ansprüche 19 bis 21.
Medikament für die Behandlung von Krebs oder Hauterkrankungen, umfassend eine Vielzahl von Vorrichtungen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, und / oder ein System (10) nach einem der Ansprüche 19 bis 21.