[发明专利]一种基于场效应晶体管的手性传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于手性识别研究的传感器，尤其涉及一种基于碳纳米管场效应晶体管的手性传感器及其制备方法，该手性传感器以场效应晶体管为基本结构，通过碳纳米管场效应晶体管器件性能的变化，灵活、宽泛地检测手性物质。

背景技术

随着半导体工业的发展，硅技术在进一步小型化方面遇到了一系列的挑战，而碳纳米管作为硅材料的替代品引起了半导体行业研究者的极大兴趣。碳纳米管(以下简称CNT)具有多方面的优异性能，既可表现为金属性，又可表现为半导体性。金属性CNT的电导率和最大电流密度可达到或超过现有最好的金属；而半导体性CNT的迁移率和跨导可达到或超过现有最好的半导体。以半导体型碳纳米管作为导电沟道的碳纳米管场效应晶体管具有高的开关电流比、理想的亚阈值特性、低温下可实现弹道输运和可以进行更大规模的集成等优良性能。

半导体型的碳纳米管是一种一维材料，直径在nm量级，远远小于金属电极的尺度，碳纳米管与金属电极接触平衡的过程中，费米钉扎效应非常微弱(可以忽略)，电子或空穴从金属注入到碳纳米管中成为载流子。如果金属的功函数小于碳纳米管的功函数，则金属的导带与碳纳米管接触，载流子为电子；反之，如果金属的功函数大于碳纳米管的功函数，则金属的价带与碳纳米管接触，载流子为空穴。这样就完全避免掺杂，避开了传统硅基CMOS技术所面临的最基本的器件加工和掺杂所导致的器件不均匀问题。栅极电压调制的是碳纳米管的能带相对于金属电极费米能级的位置。因此，使用不同功函数的金属电极作为源、漏电极，会得到n-型或p-型的碳纳米管场效应晶体管。

日前，随着手性化合物在医药、农药、香料、食品添加剂、新材料等领域中的应用，引起了人们的广泛关注，手性化合物的合成、拆分及对映体纯度的测定成为当前化学的前沿领域之一。为与之相适应，用于检测手性化合物成分、品质特性的手性传感器也成为了本领域技术人员高度重视的研究重点。

发明内容

针对上述碳纳米管场效应晶体管的各项优势，本发明的目的旨在提供一种基于场效应晶体管的手性传感器及其制备方法，将经过手性分子修饰的碳纳米管薄膜作为场效应晶体管的有源层，再与待检测的手性分子结合后，使场效应晶体管各项特性参数改变，完成对手性分子的检测，以实现一种低成本、高检测速度的可识别手性物质的传感器。

本发明的一个目的，将通过以下技术方案来实现：

一种基于场效应晶体管的手性传感器，所述晶体管包括基底、栅绝缘层、有源层、栅电极、源电极和漏电极，其特征在于：所述场效应晶体管的有源层为具有手性识别与检测功能的碳纳米管薄膜。该有源层为经手性分子修饰的单壁碳纳米管薄膜、或经手性分子修饰的多壁碳纳米管薄膜，又或者为以上两种材料混合所制成的薄膜。

本发明的另一个目的——基于场效应晶体管的手性传感器的制备方法，其实现方法步骤包括：

I、在基底/栅极上生长一层10nm～100nm厚的绝缘层；II、将经过分散并经过手性分子修饰的碳纳米管溶液喷涂、打印、旋涂、或滴加在绝缘层上，排布形成场效应晶体管的导电沟道；III、在导电沟道上溅射或蒸发制备电极，并对电极刻蚀形成源、漏电极之间0.1μm～1μm的距离。

本发明的另一个目的——基于场效应晶体管的手性传感器的制备方法，其实现方法步骤还可包括：

I、在基底/栅电极上生长一层10nm～100nm厚的栅绝缘层；II、在栅绝缘层上制备电极，并对电极进行刻蚀形成源、漏电极之间0.1μm～1μm的距离；III、将经过分散并经过手性分子修饰的碳纳米管溶液滴在基底的源、漏电极之间，排布形成场效应晶体管的导电沟道。

上述两种制备方法：其中所述手性修饰的碳纳米管采用表面沉积交联法制备，其步骤为先将手性分子集团溶于酸性或碱性溶液中，再加入碳纳米管，将混合液体超声分散后用磁力搅拌，最后在手性分子与碳纳米管的分散体系中加入碱性或酸性溶液，直至手性分子沉积于碳纳米管之上。

应用本发明基于场效应晶体管的手性传感器及其制备方法，其优点为：

该基于碳纳米管场效应晶体管的手性传感器，对碳纳米管进行手性分子修饰制成薄膜后，作为场效应晶体管的有源层。该手性传感器结合了碳纳米管场效应晶体管的优势，容易突破传统硅场效应晶体管的物理极限，并在继续减小器件尺寸、解决耗能和散热问题等方面具有优势。因此，基于碳纳米管场效应晶体管的手性传感器，可有效扩大检测手性分子的种类，结合碳纳米管的低成本优势和简单制备方法，可以得到更加低廉的检测手性物质的传感器，为手性传感器的推广应用及手性化合物的研究提供了保障。