光电装置及其制作方法

专利名称：：光电装置及其制作方法
技术领域：
：和背景本发明涉及光电装置，更具体的说涉及具有光催化单元的光电装置。绿色植物、蓝细菌和光合作用细菌能通过包藏在它们的细胞膜中的反应中心(reactioncenter)来捕捉和利用太阳光。在产氧植物和蓝细菌中，光子捕捉和光能向化学能的转化发生在称为类嚢体的特化膜中。类嚢体在高等植物中位于叶绿体中，在蓝细菌中则由细胞质膜的折叠所构成。在类嚢体由堆积的膜盘(称为基粒)和一夂堆积的膜盘(称为基质)所组成。类嚢体膜含有两种关键的光合作用成分即光合系统I和光合系统n,分别标示为psi和psii。光合作用要求psii和psi依次工作，用水作为电子来源和用C02作为终末电子受体。psi是跨膜多亚单位蛋白质-叶绿素复合物，能介导从质体蓝素或细胞色素C553向铁氧化还原蛋白的矢量光诱导电子转移。纳米大小的尺寸、大约58%的能量产率和几乎等于1的量子效率使得这个反应中心成为有希望的元件，用于分子纳米电子学的应用中。纟田长聚球藻(Synechococuselongatus)和植物叶绿体的PSI的晶体结构已被解析。在蓝细菌中，该复合物由12个多肽组成，一些多肽结合96个捕光叶绿素和22个类胡罗卜素色素分子。PSI中的电子传递链含有特殊的一对叶绿素(P700)，这对叶绿素在1皮秒(ps)时间的光激发后将电子转移到单聚叶绿素a(Chl),经过两个中间叶绿醌(PQ)和三个[4Fe-4S]铁硫中心(FeS),最终受体还原到0.2|a。已尝试将植物PSI和细菌反应中心连接到金属表面，在以下文献中有描述Lee,I.,Stubna，A.&Greenbaum，E,"Measurementofelectrostaticpotentialsabovesinglephotosyntheticreactioncenter(单一光合作用反应中心的静电势的测量)，"J.Phys.Chem,B104,2439-2443(2000);Das，R.etal.，"Integrationofphotosyntheticproteinmolecularcomplexesinsolid-stateelectronicdevices(光合4乍用蛋白质分子复合4勿向固态电子装置中的结合),"NanoLetters4，1079-1083(2004);Frolov,etal.,"FabricationofPhoto-ElectronicDevicebyDirectChemicalBindingofthePhotosyntheticReactionCenterProteintoMetalSurfaces(通过将光合作用反应中心蛋白直接化学结合到金属表面制作光电装置)"，Adv.Mater.17，2434-2437(2005);美国专利第60/654,502号和国际专利申请IL2006/000241。
发明内容本发明的发明者成功组合了生物蛋白，特別是在固体电子学中的光活化光合蛋白。本发明者发现此类组合能够用作许多应用的半导体调制器，包括但不限于光电选通(photo-gating)、光传感、纳米电子存储器系统、通信和光子能量转换。根据本发明的一个方面，提供了一种光电装置。装置包括至少一个经修饰光催化单元和半导体表面，其中，该至少一个经修饰光催化单元连接到半导体表面，使得在光催化单元吸收光时，生成足量的电磁场以诱导在半导体表面内的电荷载流子运动。在本发明的一些实施例中，光电装置可在干燥环境中操作。根据本发明的另一方面，提供了一种场效应晶体管装置。装置包括半导体源极层、半导体漏极层、半导体沟道层及至少一层经修饰光催化单元，该经修饰光催化单元淀积在半导体沟道层的表面上，其方式使得在至少一个光催化单元吸收光时，生成足量的电场以诱导在源极与漏极之间通过沟道的电荷载流子运动。根据所述实施方案的还进一步特征，经修饰光催化单元包含至少一个具有光合生物的光催化单元的多肽的氨基酸序列的经修饰多肽。根据所述实施方案的还进一步特征，经修饰光催化单元间接连接到半导体表面。根据所述实施方案的还进一步特征，间接连接是通过单层的接头分子来进行。根据所述实施方案的还进一步特征，单层的接头分子化学吸附在半导体表面上。根据所述实施方案的还进一步特征，光合生物是绿色植物。根据所述实施方案的还进一步特征，光合生物是蓝细菌。根据所述实施方案的还进一步特征，光催化单元是PSI。根据所述实施方案的还进一步特征，光催化单元是集胞藻(Synechosystissp.)PCC6803光催化单元。才艮据所述实施方案的还进一步特征，光催化单元的多肽的氨基酸序列包含至少一个置换突变。根据所述实施方案的还进一步特征，置换突变是在光催化单元的月莫夕卜J不(extra-membraneloop)上。根据所述实施方案的还进一步特征，多肽的氨基酸序列是psaB。根据所述实施方案的还进一步特征，多肽的氨基酸序列是psaC。才艮据所述实施方案的还进一步特征，PsaB在至少一个由坐标D235C/Y634C界定的位置中包含置换突变。才艮据所述实施方案的还进一步特征，PsaC在至少一个由坐标W31C界定的位置中包含置换突变。根据所述实施方案的还进一步特征，该至少一个置换突变是半胱氨酸。才艮据所述实施方案的还进一步特征，表面由n型半导体制成。根据所述实施方案的还进一步特征，表面由p型半导体制成。根据所述实施方案的还进一步特征，表面由i型半导体制成。根据所述实施方案的还进一步特征，表面是透明的。根据所述实施方案的还进一步特征，表面包含GaAs。根据所述实施方案的还进一步特征，表面包含GaN。根据所述实施方案的还进一步特征，表面包含AlGaN。根据所述实施方案的还进一步特征，表面包含至少一种选自Si、Ge、SiGe、AlGaAs、InGaAs、InGaP、AlInP和GalnAsP的材料。才艮据所述实施方案的还进一步特征，经分离多肽是单聚体形式或三聚体形式。根据所述实施方案的还进一步特征，有多个经修饰光催化单元以相对于表面基本上同样的方向定向。根据所述实施方案的还进一步特征，经修饰光催化单元以相对于表面基本上同样的方向层状布置。根据所述实施方案的还进一步特征，多个光催化单元每一个之间的距离在15-25nm。根据所述实施例中还有的其它特性，该装置用作光电二极管中的元件。根据所述实施例中还有的其它特性，该装置用作光电晶体管中的元件。根据所述实施例中还有的其它特性，该装置用作逻辑门中的元件。根据所述实施例中还有的其它特性，该装置用作场效应晶体管中的光电门。根据所述实施例中还有的其它特性，该装置用作光耦合器中的元件。根据所述实施例中还有的其它特性，该装置用作光电探测管中的元件。根据所述实施例中还有的其它特性，该装置用作光学开关中的元件。根据所述实施例中还有的其它特性，该装置用作图像传感器中的元件。根据本发明的另外方面，提供了一种适用于制造光电装置的方法。方法包括将至少一个经修饰光催化单元连接到半导体材料表面，连接方式使得在光催化单元吸收光时，生成足量的电场以诱导在半导体材料内的电荷载流子运动。根据本发明的另外方面，提供了一种制造场效应晶体管的方法。该方法包括将有第一掺杂浓度特征的第一半导体层淀积在有高于第一掺杂浓度的第二掺杂浓度特征的第二半导体层上。方法还包括在第二半导体层上淀积源极欧姆接触层和漏极欧姆接触层，源极欧姆接触层在第二半导体层上方从漏极接触层横向位移。方法还包括在源极欧姆接触层与漏极欧姆接触层之间蚀刻第二半导体层以在第二半导体层中形成凹口并部分显露第一半导体层。方法还包括在凹口中将至少一层经修饰光催化单元连接在第一半导体层，由此形成场效应晶体管。根据下文所述的本发明实施方案的进一步特征，连接是通过由接头分子或接头分子层进行间接连接来实现。根据所述实施方案的还进一步特征，接头分子或接头分子层化学吸附在表面上。根据所述实施方案的还进一步特征，经修饰光催化单元或经修饰光催化单元层共价连接到接头分子。根据所述优选实施方案的还进一步特征，接头分子包含具有马来酰亚胺部分(maleimidmoiety)的氨基;圭烷连接分子(aminosilanlinkedmolecules)。根据所述优选实施方案的还进一步特征，连接包括使经修饰光催化单元与接头分子在含水条件下进行反应，以将经修饰光催化单元共价连接到接头分子。除非另有规定，否则，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的相同含意。虽然类似或等效于本文中所述的方法和材料能够在本发明的实践或测试中使用，但下面描述适用的方法和材料。本文中提及的所有出版物、专利申请、专利及其它参考文献通过引用以其整体结合于本文中。如有冲突，将以包括定义在内的专利说明书为主。另外，材料、方法和示例只是说明性的，无意于限制。本发明将只通过示例的方式，参照附图在本文中进行描述。对于现在对图形的详细具体参考，强调的是所示细节只作为示例，并且只是为了本发明优选实施例的说明性论述，是为了提供相信是本发明原理和概念方面的最有用和最容易理解的说明内容而呈现。在此方面，不尝试以获得本发明的基本理解所必需的更多细节显示本发明的结构细节，结合附图的说明使本领域的技术人员明白本发明的几种形式实际上可如何实施。在图中图la-c是PSI-GaAs系统的分子结构的示意图。图la示出在PSI-半导体系统中的光诱导电荷转移。沿黑箭头的光照促使光诱导电荷转移跨过多肽骨干结构中建模的PSI中红色(空间填充，红色)标记的电子传输链，半胱氨酸突变体D235C/Y634C示为空间填充，黄色(箭头)。图lb示出通过EMCA分子的化学吸附连接到GaAs表面的PSI单层(空间填充模型)的示意图。图lc是在边界层中PSI中半胱氨酸(杆)和GaAs衬底(在图lb中的黄色框中示出)之间的EMCA分子化学键的放大示意图。坐标的图像通过在PDB1JB0文件中的SwissPDBViewer软件建模。图2a-b是在GaAs衬底上定向PSI的三维扫描探针显微术图像。图2a是无涂层GaAs衬底的形貌三维图。图2b是涂有PSI单层的GaAs衬底的形貌三维图。图2c-d分別是在GaAs衬底上同一组PSI单层的2D形貌和表面光诱导电位图。图2e-f分别是在w-GaAs衬底上密集的PSI单层的空间和时间光诱导可逆光响应的图表。图2e中的空间电位分布通过将照明的二元分布(binarydistribution)施加到PSI单层上获得。图2f中的光诱导表面电位变化的动能轨迹1和3分别对应于涂有PSI单层的"-和,GaAs衬底，轨迹2到4对应于无涂层的w-和p-衬底。照明由氦氖激光器提供，为632.8nm，5mW/cm2。从开尔文探针力显微术(KPFM)反馈电路获得的电位符号与测量的接触电位差(CPD)的符号相反。图3是用于PSI-GaAs系统的能级图。w-和p-型GaAs带能量由CPD测量与石墨标准和已知数据的比较而确定。PSI中电子载流子的氧化还原度根据针对标准氢电极(NHE)测量的电位确定。固态能级和NHE氧化还原度在垂直轴上绘出。表面光电压(SPV)是在无光和光线中表面与探针之间的接触电位差的差别，其下降是由于从PSI单层到n-型GaAs的电子转移和从n-型GaAs到PSI单层的空穴转移两者引起的。在使用p-型GaAs的情况下，SPV的增大源于FeS的光诱导还原。实验测量的费米能级E,传导带A的下边界和价带A的上边界分别用于"扁型GaAs-3.8、-3.7、-5.2和-3.06eK用于p-型的等效值分别是-4.63、-3.35、-4.73和-3.52eF。PSI中原初电子供体(P700)、原初(Chl)和最终(FeS)电子受体的能级分别是-4.58、-3.06、-3.52eK。图4是PSI-GaAs光响应的时间相关性的图表。红色曲线对应于涂有PSI的"-GaAs晶体的光响应，蓝色曲线对应于无涂层"-GaAs晶体。照明终止后光响应衰减的过程以更大的比例显现。照明由氦氖激光器提供，为632.8nm,5mW/cm2。从KPFM反馈电路获得的电位符号与测量的CPD的符号相反。图5是PSI-GaAs光响应的时间相关性的图表。红色曲线对应于涂有PSI的p-GaAs晶体的光响应，蓝色曲线对应于无涂层w-GaAs晶体。照明终止后光响应衰减的过程以更大的比例显现。照明由氦氖激光器提供，为632.8nm，5mW/cm2。从KPFM反馈电路获得的电位符号与测量的CPD的符号相反。图6是根据本发明的各种示范实施例的光电装置的示意图。图7是根据本发明的各种示范实施例的光电二极管的示意图。图8是根据本发明的各种示范实施例的光电晶体管的示意图。图9是根据本发明的各种示范实施例的光耦合器的简化图。图lOa-c是根据本发明的各种示范实施例的场效应晶体管(FET)的示意图。图10d是传统肖特基金属栅型FET的能带图。图lla-c是根据本发明的各种示范实施例，适用于制造FET的工艺的示意图。图12示出随晶格常数变化的带隙。图13a-b示出根据本发明的各种示范实施例的PSI(图13a)和镀柏PSI(图13b)的相位对比图。示范实施方案的说明本发明各实施方案包括可共价连接到半导体衬底而又能保持活性的经修饰光催化单元。具体的说，本发明各实施方案可在多种光电装置中用作电子元件。在详细说明本发明的至少一个实施方案之前，应认识到，本
发明内容。本发明还能有其他的实施方案，或者能用不同的方式进行实施或执行。还应认识到，本文所采用的词语和术语是出于说明的目的，不应认为具有限制意味。光合作用是通过光反应和暗反应将电磁能转化成化学能的生物过程。在产氧植物和蓝细菌中，光子捕捉和光能向化学能的转化发生在称为类嚢体的特化膜中。类嚢体在高等植物中位于叶绿体中，在蓝细菌中则由细胞质膜的折叠所构成。PSI是跨膜多亚单位蛋白质-叶绿素复合物，能介导从质体蓝素或细胞色素(3553向铁氧化还原蛋白的矢量光诱导电子转移。纳米大小的尺寸、大约58%的能量产率和高量子效率使得这个反应中心成为有希望的元件，用于分子纳米电子学的应用中。但是，为了将PSI反应中心整合到分子装置中，有必要将PSI反应中心固定化在衬底上而又不的纟田节能使它们变性。往往需要将PSI反应中心以定向方式固定化到衬底上。PSI反应中心的定向连接是有利的，这样可减少或消除所诱导产生的电荷的互相抵消现象。往往需要将PSI反应中心固定化到衬底上，以在干燥环境中维持连接和它们的催化活性。根据本发明的示例性实施方案，可对光催化单元中的多肽进行遗传修饰，使得它们包含据以共价连接到半导体衬底而又仍能保持活性的官能基团。如下文的实施例部分所示，将PSI的PsaB多肽和PsaC多肽中朝向细菌细胞膜的细胞质一侧的膜外环中的氨基酸突变成半胱氨酸，以确保共价键的形成(在PSI单元和半导体村底之间)。在本发明的各个示例性实施方案中，将光催化单元应用在光电装置中。本文所用的词语"光催化单元"指至少一个多肽和其他小分子(例如叶绿素分子和色素分子)的复合物，所述多肽和小分子当整合在一起时能作为一个功能单元起作用，将光能转化成化学能。上文提到，本发明的光催化单元存在于光合生物(即能将光能转化成化学能的生物)中。光合生物的实例包括但不限于绿色植物、蓝细菌、红藻、紫细菌和绿纟田菌。因此，可按本发明的一些实施方案进行使用的光催化单元的实例，包括生物光催化单元如psi和psn、细菌光壽文蛋白、细菌光每文蛋白、细菌视紫红质、光催化微生物、色素(例如原黄素和视紫红质)、有机染料和藻类。优选地，本发明的光催化单元是光合系统I(PSI)。psi是存在于绿色植物和蓝细菌中的蛋白质-叶绿素复合物，是类嚢体膜当中的光合作用机制(machinery)的一部分。它的形状为椭圆形，尺寸约为9x15纳米。本文所用的术语"约"指±10%。PSI复合物通常包含充当吸收光子和将光子能量转移到P700的天线(antennae)的叶绿素分子，这个能量在P700被捕一足并一皮用来驱动光化学反应。除了P700和天线叶绿素外，PSI复合物还含有多种电子受体。从P700释放的电子通过中间的各个受体转移到PSI还原端的终末受体，然后该电子被转运通过类嚢体膜。附录1列出PSI多肽的实例及其来源生物。根据本发明这个方面的一个优选实施方案，PSI衍自蓝细菌，更具体的说衍自集胞藻PCC68Q3。在蓝细菌中，PSI复合物由12个多肽组成，一些多肽结合96个捕光叶绿素和22个p类胡罗卜素分子。电子传递链分别含有P700、A0、ApFx、代表叶绿素a二聚体的FA和FB、单聚叶绿素a、两个叶绿醌和三个[4Fe-4S]铁硫中心。反应中心核心复合物由含有第一电子供体P700的异型二聚的PsaA和PsaB亚单位构成，P700会进行光诱导的电荷分离并将电子转移通过相继的载体AQ、Ai和Fx。最终受体Fa和FB位于另一亚单位PsaC上。衍自蓝细菌的PSI在结构上比衍自植物的PSI和细菌反应中心的更稳定。这是因为在蓝细菌中，所有的叶绿素分子和类胡萝卜素都整合到核心亚单位复合物中，而在才直物和其他细菌反应中心中，天线叶绿素结合到与核心亚单位连接的叶绿素-蛋白质复合物。因此，与衍自其他生物如植物和其他细菌的PSI不同的是，衍自蓝细菌的PSI在干燥环境下与固体表面连接的过程中不需要肽表面活性剂来进行稳定化[R.Dasetal.,NanoLetters2004，41079-1083]。本文所用的术语"(经)分离(的)"指已至少部分上从其天然合成部位(例如光合生物)移取的经修饰光催化多肽。通常，光催化多肽不与光催化单元的其他成员(即叶绿素和色素)分离，以使光催化单元保持具有功能。优选地，多肽基本上不含存在于其体内部位的其他物质(例如其他细胞、蛋白质、核酸等)。在分离后，可对本发明各实施方案的光催化单元的活性进行试验。本文所用的术语"多肽"指可通过重组DNA技术合成的多肽。本说明书和所附权利要求书中用到的术语"氨基酸"，要理解为包括20个天然氨基酸；通常在体内进行翻译后修饰的氨基酸，包括例如羟脯氨酸、磷酸丝氨酸和磷酸苏氨酸；和其他非常见氨基酸，包括但不限于2-氨基己二酸、羟赖氨酸、异锁链素、正缬氨酸、正亮氨酸和鸟氨酸。此外，术语"氨基酸"同时包括D-氨基酸和L-氨基酸。本文所用的词语"(经)修饰(的)多肽"指与野生型多肽相比包含有修饰的多肽。通常，修饰是氨基酸修饰。根据本发明的这个方面，设想对序列可作任何修饰，只要所得的多肽能够共价连接到固体表面并保持光催化活性。修饰的实例包括缺失、插入、置换及其生物活性多肽片段。插入或缺失通常在约l-5个氨基酸的范围。修饰位点是按所提出的光催化单元三维结构来选择。有关光催化单元三维结构的证据(evidence)，可从X射线晶体学研究得到，或者用蛋白质建模软件得到。纟田长聚球藻(Synechococuselongatus)和植物叶绿体的PSI的晶体结构已分别被解析到2.5A于4.4A(2.5Aat4.4A)[P.Jordan,etal.,Nature2001，411909-917;A.BenShem,etal.,Nature2003,426630-635]。要被置换的氨基酸或者插入位点通常位于光催化单元的外表面上(例如膜外环上)。优选地，要被置换的氨基酸或者插入位点在不会引起空间位阻的位置中。还优选的是，将各个突变定位在光催化单元的P700的附近，以确保反应中心和固体表面之间紧密接近，从而促进有效的电连接。根据本发明这个方面的一个优选实施方案，修饰是包含能够介导与固体表面的结合的官能团侧链的置换(即取代)。集胞藻PCC6803的PSI在PsaB中的突变的特别优选的坐标包括单突变D235C、S246C、D479C、S499C、S599C和Y634C或者双突变D235C/Y634C和S246C/Y634C。在PsaC中，特别优选的突变位点是W31C。另外，可在光催化单元中产生三突变(例如PsaC〃PsaBW31C〃D235C/Y634C)。优选地，被置换的野生型氨基酸对于光催化单元的活性不是必需的。哪些氨基酸在功能上是多余的，要确定这一点，可这样获得指引将光催化单元的序列与同源的已知蛋白质分子的序列进行比较，使在高度同源区域中所作的氨基酸序列变化的数目减至最低。在一个实施方案中，在一个或多个预测的非必需氨基酸残基处作出保守氨基酸置换。"保守氨基酸置换"是其中氨基酸残基用具有类似侧链的氨基酸残基进行取代的置换。本领域已确定了具有类似侧链的氨基酸残基的家族。这些家族包括具有碱性侧链的氨基酸(例如赖氨酸、精氨酸、组氨酸)，具有酸性侧链的氨基酸(例如天冬氨酸、谷氨酸)，具有不带电荷的极性侧链的氨基酸(例如甘氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、半胱氨酸)，具有非极性侧链的氨基酸(例如丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、脯氨酸、丙氨酸、曱硫氨酸、色氨酸)，具有(3分支侧链的氨基酸(例如苏氨酸、缬氨酸、异亮氨酸)和具有芳族侧链的氨基酸(例如酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、组氨酸)。在另一个实施方案中，可作出非保守氨基酸置换，因为突变是优选设计来使蛋白质能够定向地共价连接到金属。通过选择能以光合自养方式生长的突变细胞，可确保得到未受损的PSI细胞。优选地，将在上述坐标处的氨基酸用能够结合金属表面的氨基酸(例如包含硫醇基团的氨基酸如半胱氨酸)进行取代。优选使用重组技术来产生本发明的多肽，因为光催化单元通常包含超过一个整合成复合物的多肽和其他分子(例如色素分子和叶绿素)。另外，这些技术更适于产生相对较长的多肽(例如超过20个氨基酸)，并且大量产生。这些重組4支术在以下文献中有描述Bitteretal.，(1987)MethodsinEnzymol.153:516-544;Studieretal.(1990)MethodsinEnzymol.185:60-89;Brissonetal.(1984)Nature310:511-514;Takamatsuetal.(1987)EMBOJ.6:307-311;Coruzzietal.(1984)EMBOJ.3:1671-1680和Broglietal.,(1984)Science224:838-843;Gurleyetal.(1986)Mol.Cell.Biol.6:559-565和Weissbach&Weissbach,1988，MethodsforPlantMolecularBiology,AcademicPress,NY,SectionVIII,pp421-463。本发明的多肽可通过标准的技术如定点诱变(寡核苷酸介导的诱变)和PCR介导的诱变来进行修饰。因此，编码光催化单元的多肽的多核苷酸可进行突变。在诱变后，可在适当的细胞系统中表达光催化单元。寡核苷酸介导的诱变是一种本领域公知的技术，如Addmanetal.,DNA，2:183(1983)所述。简单的说，通过将编码所需突变的寡核苷酸与多核苷S吏模板杂交，来将编码光催化单元的多肽的多核苷酸(例如PsaB基因)进行改变，其中该模板是含有光催化单元的多肽的未经改变的或天然的多核苷酸序列的单链形式质粒。在杂交后，用DNA聚合酶(例如DNA聚合酶I的Klenow片段)合成该模板(它会因此结合上寡核普酸引物，并会编码光催化单元多核苦酸中的选定变更)的完整第二互补链，从而产生异源双链体分子。然后将这一异源双链体分子转化到合适的宿主细胞中，通常是原核生物如大肠杆菌JM101。细胞长出后，可将它们接种到琼脂糖平板上，筛选鉴定出含有突变DNA的细菌菌落。然后移取突变区域并放入用于蛋白质生产的适当载体中，该载体一般是通常用来转化适当宿主的那种类型的表达载体。一般来说，使用长度至少25个核苷酸的寡核苷酸。最佳的寡核苷酸会具有12-15个在编码突变的核普酸的任一侧与模板完全互补的核苷酸。这确保寡核普酸会正确地与单链多核苷酸模板分子杂交。寡核芬酸可容易地用本领域公知的技术合成，如Creaetal.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,75:5765(1978)所述的技术。多核苷酸模板只能由以下两类载体产生衍自噬菌体M13载体的载体(市售的M13mpl8载体和M13mpl9载体是适合的)，或者如Vieraetal.Meth.Enzymol.，153:3(1987)所述含有单链噬菌体复制起点的载体。因此，必需将所要进行突变的多核苷酸插入到这些载体之一中，以产生单链模板。单链模板的产生在Sambrooketal.，MolecularCloning:ALaboratoryManual(ColdSpringHarborLaboratoryPress,N.Y.1989)的4.21-4.41节中有描述。有超过一个氨基酸要进行置换的突变体，也可用定点诱变来产生。103PCR诱变和盒式诱变也是适用于对光催化单元的多肽进行修饰的技术，参见Sambrook和Russell(2001,MolecularCloning,ALaboratoryApproach,ColdSpringHarborPress,ColdSpringHarbor，N.Y.)和Ausubeletal.(2002，CurrentProtocolsinMolecularBiology,JohnWiley&Sons,NY)。适用于表达突变的光催化序列的宿主，包括任何能够合成功能性光催化单元的宿主。因此，宿主必须能够将色素、叶绿素分子等结合到光催化单元中。合适的宿主的实例包括但不限于绿色植物细胞培养物、绿色植物和光合作用细菌。在本发明这个方面的一个优选实施方案中，宿主是集胞藻这种蓝细菌。根据本发明的一个特别优选的实施方案，通过将突变的DNA插入到宿主基因组中来对其进行克隆。当宿主细胞是光合作用细菌时，这特别合适。这个方法是通过将与光合作用基因组DNA中存在的序列互补的DNA序列包括在载体中来实现的。用这个载体转染光合作用细菌会导致与基因组的同源重组和光合作用多肽DNA的插入。词语"(经)分离(的)多核苷酸"指以RNA序列、互补多核苷酸序列(cDNA)、基因组多核苷酸序列的形式和/或复合多核苷酸序列形式(例如以上形式的组合)分离和提供的单链或双链核酸序列。本文所用的词语"互补多核苷酸序列"指用反转录酶或任何其他RNA依赖性DNA聚合酶对信使RNA进行反转录所产生的序列。这种序列随后可用DNA依赖性DNA聚合酶在体内或体外进行扩增。本文所用的词语"基因组多核苷酸序列"指衍自(分离自)染色体的序列，因此它代表着染色体的邻近部分(contigousportion)。本文所用的词语"复合多核苷酸序列"指至少部分上属互补序列和至少部分上属基因组序列的序列。复合序列可包括一些编码本发明多肽所需的外显子序列，以及一些间插在它们中间的内含子序列。内含子序列可以来自任何来源，包括来自其他基因，通常会包括保守剪接信号序列。这些内含子序列还可包括顺式作用表达调节元件。前文提到，可将本发明的多核苷酸序列插入到表达载体(即核酸构建物)中，以使重组多肽得到表达。本发明的表达载体包括另外的能使这个载体适合在原核生物、真核生物或优选这两类生物(例如穿梭载体)中复制和整合的序列。典型的克隆载体含有转录和翻译起始序列(例如启动子、增强子)及转录和翻译终止子(例如聚腺苷酸化信号)。取决于所表达的多肽的预定用途，在细菌系统中，可有利地选用多种表达载体。例如，当需要大量的多肽时，可能需要能指导高水平的蛋白质产物的表达的载体，该蛋白质产物可能是作为带有疏水信号序列的融合体来表达，该疏水信号序列能将所表达的产物导向细菌的周质或培养基中，在那里蛋白质产物可容易进行纯化。某些经工程改造带有特定切割位点以帮助多肽的回收的融合蛋白，也可能是适合需要的。这类能适应这种操作的载体包括但不限于pET系列的大肠杆菌载体[Studieretal.，MethodsinEnzymol.185:60-89(1990)]。在使用植物表达载体的情况中，多肽编码序列的表达可由多个启动子来驱动。例如，可使用病毒启动子如CaMV的35SRNA启动子和19SRNA启动子[Brissonetal.，Nature310:511-514(1984)]或者TMV的衣壳蛋白启动子[Takamatsuetal.，EMBOJ.6:307-311(1987)]。或者，可使用植物启动子，例如RUBISCO的小亚单位[Coruzzietal.，EMBOJ.3:1671-1680(1984)和Broglietal.,Science224:838-843(1984)]或者热激启动子如大豆hspl7.5-E或hspl7.3-B[Gurleyetal.,Mol.Cell.Biol.6:559-565(1986)]。这些构建物可用Ti质粒、Ri质粒、植物病毒载体、直接DNA转化、微注射、电穿孔和本领域技术人员公知的其他技术导入到植物细胞中。参见例如Weissbach&Weissbach[MethodsforPlantMolecularBiology,AcademicPress,NY,SectionVIII,pp421-463(1988)]。应认识到，本发明的表达构建物除了含有所插入的编码序列(对多肽进行编码)的转录和翻译的必需元件外，还可包含经工程改造能使所表达的多肽的稳定性、生产、纯化、产率或活性最优化的序列。表达载体和克隆载体应含有选择基因，也称可选择标记。这是编码对于转化有该载体的宿主细胞的存活或生长来说必需的蛋白质的基因。这个基因的存在，能确保任何缺失了该载体的宿主细胞相比于被转化的宿主不会获得生长和繁殖方面的优势。典型的选择基因编码以下蛋白质(a)赋予对抗生素或其他毒素如氨苄青霉素、新霉素、曱氨喋呤或四环素的抗性的蛋白质，(b)对营养缺陷进行4卜足的蛋白质，或者(c)供应从复杂培养基不能获得的关键营养物的蛋白质。有多种方法可用来将本发明的表达载体导入到宿主细胞系统中。.这些方法一般在以下文献中有描述Sambrooketal.，MolecularCloning:ALaboratoryManual,ColdSpringsHarborLaboratory,NewYork(1989，1992);Ausubeletal"CurrentProtocolsinMolecularBiology,JohnWileyandSons，Baltimore,Md.(1989);Changetal.，SomaticGeneTherapy,CRCPress,AnnArbor,Mich.(1995);Vegaetal.，GeneTargeting,CRCPress,AnnArborMich.(1995),Vectors:ASurveyofMolecularCloningVectorsandTheirUses,Butterworths,BostonMass.(1988)和Gilboaetat.[Biotechniques4(6):504-512,1986],它们包括例如稳定转染或瞬时转染、脂质转染、电穿孔和用重组病毒载体进行的感染。另外，参见美国专利第5,464,764号和第5,487,992号中的正负选择方法。将转化细胞在能使大量的重组多肽得以表达的有效条件下进行培养。有效培养条件包括但不限于有利于蛋白质生产的有效培养基、生物反应器、温度、pH和供氧条件。有效的培养基指任何据以培养细胞生产本发明的重组多肽的培养基。这种培养基通常包括具有可同化的碳源、氮源和磷源及适当的盐类、矿物质、金属和其他营养物如维生素的水溶液。本发明的细胞可在常规的发酵生物反应器、摇瓶、试管、微量滴定盘和平板中进行培养。培养可在适于重组细胞的温度、PH和氧含量下进行。这些培养条件在本领域普通技术人员的技能范围内。在合适的条件下培养后，优选将光催化单元从细胞分离出来。下文实施例部分的实施例2中描迷了示例性的从光合生物移取光催化单元的方法。本发明还设想到使用任何其他纯化和分离方法，只要光催化单元能保持功能即可。光催化单元可作为聚合物如三聚体或者作为单个单体分离。光催化单元可以是完全分离的，或者是膜制品的一部分。制备膜提取物的方法是本领域公知的。例如Qoronfleh等人[JBiomedBiotechnol.2003;2003(4):249口255]教导了通过分配相分离选择性富集膜蛋白质的方法。还有多种市售的提取试剂盒可供用于膜提耳又物的制备，如Sigma-Aldrich的ProteoPrepTMMembraneExtractionKit。优选地，将光催化单元的多肽的一个或多个氨基酸连^t妻到半导体表面，以使氨基酸序列和半导体表面之间能发生电荷载流子转移。半导体表面可包含GaAs、Si、Ge、GeN、SiGe、AlGaAs、InGaAs、InGaP、AlInP、GalnAsP、GaN、AlGaN等。GaAs发生吸收的波长区域与PSI相同。这可导致在下面的GaAs发生光子吸收。当需要防止半导体发生光子吸收时，优选将光催化单元和半导体材料选择成具有不同的吸收光i普。例如，可将经修饰PSI共价连接到GaN或AlGaN。图12显示了作为in-v氮化物半导体和其他m-v半导体(包括GaAs)的晶格常数的函数的带隙。对于A1N、GaN和InGaN，在表面下几个纳米可实现高的二维载体浓度(高于犯13cm,。这能使对表面处的电荷再分布的敏感性更高。A1N、GaN和InGaN还能与生物系统相容。另外，可在相同的芯片上制作蓝光和紫外光发射二极管，从而产生集成的源4全观'j感观'j系统(source-detectkmsensingsystem)。可对多肽进行修饰，以有利于其连接(例如共价连接)到半导体表面。现。例如，可将接头分子化学吸附在半导体表面上，而可将经修饰光催化单元共价连接到化学吸附的分子。当需要连接多个经修饰光催化单元时，连接的分子可在半导体表面上形成单层。这种连接的分子的代表性实例是具有马来酰亚胺部分的氨基硅烷连接分子。这在置换的残基是半胱氨酸的实施方案中特别有用，因为马来酰亚胺可容易地连接到经修饰光催化单元中的半胱氨酸。本发明的发明人发现，即使接头分子与蛋白质的大小相比较短，但它们的马来酰亚胺部分可容易地在含水环境下与半胱氨酸反应形成密密的单层光催化单元。本发明人还发现，短的接头分子能确保光催化单元紧密堆积在半导体表面上。这种单层可包括纳米尺寸大小的颗粒。例如，颗粒的直径可为约15nm-20nm,这分別对应于PSI的单聚体和三聚体的大小。化单元的连接。可将半导体表面清洁和蚀刻。在冲洗后，可将经蚀刻的半导体表面立即浸在选择来促进化学吸收的溶液中。例如，溶液可包含ECMA、BMPA等，这些物质可通过它们的羧基末端化学吸附到经蚀刻的表面而在表面上形成自装配单层。可使用水溶液来终止化学吸附。表面可进行羟基化，然后用例如但不限于(3-氨基丙基)-二乙氧基曱基硅烷或(3-氨基丙基)乙氧基二曱基硅烷的试剂给表面包覆上氨基硅烷。然后可将接头分子例如m-马来酰亚胺基苯甲酰基-N-羟基琥珀醜亚胺石黄酉臾酉旨(m-Maleimidobenzoyl-N-hydroxydulfosuccinimideester)连接到氨基硅烷。根据本发明的一些实施方案，经修饰光催化单元在连接到固体表面后还保持光催化活性。本文中的词语"光催化活性"指光能向化学能的转化。优选地，经修饰光催化单元保持野生型光催化单元在其体内环境中的活性的至少20%、更优选至少30%、更优选至少40%、更优选至少50%、更优选至少60%、更优选至少70%、更优选至少80%、更优选至少90%、例如约100%。本发明还设想到，本发明的光催化单元包含的活性大于野生型光催化单元在其体内环境中的活性。在本发明的各个示例性实施方案中，光催化单元以定向的方式连才妄，以至少部分上防止它们相互中和电荷。未受约束于任何理论，本发明人假设，通过在多个光催化单元中用半胱氨酸置换同一氨基酸，与半导体表面发生的连接将是定向的，从而光催化单元会在表面上形成定向单层。根据本发明的各个示例性实施方案，可通过明智地选择待被半胱氨酸残基置换的氨基酸，可对光催化单元在表面上的定向加以调整。还设想到的是具有反极性的光催化单元定向单层。光电门(photo-gate)的极性的反转可用来关闭n沟道或开启p沟道。例如，当采用PSI日t，可通过将PSI的还原端接合到半导体表面来实现反转极性。在这个实施方案中，可使用亚单位PsaC上的独特半胱氨酸位于其还原端上的经修饰PSI。可用载体p61-2.4在天然集胞藻细胞中诱导PsaC亚单位中的突变W31C。来自PSI亚单位PsaC中的突变体W31C的经分离PSI复合物，可用于通过将半胱氨酸连接到在半导体表面上连接成单层的接头分子的马来酰亚胺部分来制作反转定向的单层。图6是根据本发明的各种示范实施例的光电装置10的示意图。装置10包括半导体衬底12和连接到衬底12的表面13的多个经分离光催化单元14。经分离光催化单元14优选进行修饰，以便有利于单元14共价连接到表面13,同时如上所述保持光催化活性。光电装置10包含光催化单元14部分，有利于光诱导电子转移。受光线11激发，在视光催化单元类型而定能够从几百皮秒到几微秒的时期内，发生从供体部位16跨多个中间级到受体部位18的电子转移。诱导电子转移的光频率取决于从中获得单元14的光合生物。例如，在采用绿色植物或绿细菌的光催化单元时，装置10对从大约400nm到大约730nm波长的绿光敏感，在采用蓝细菌的催化单元时，装置10对从大约400nm到大约730nm波长的光线每文感，在采用红藻的光催化单元时，装置10对从大约650nm到大约700nm波长的红光敏感，以及在采用紫细菌的光催化单元时，装置10对从大约40Qnm到大约800nm波长的紫色光敏感。光电装置10能够在微和亚微电子电路和装置的领域中使用，包括但不限于空间成像装置、太阳能电池、光学计算和逻辑门、光电开关、二极管、光子A/D变换器及薄膜"柔性"太阳能结构。现在参照图7，它是根据本发明的各种示范实施例的光电二极管装置20的示意图。本领域的技术人员将认识到为显示清晰起见，已从图7中忽略了图6中出现的几个元件。光电二极管装置20包括光电装置10和分别与供体部位16和受体部位18电通信的两个电接触部22和24。与供体部位16的电通信例如能够通过将传导材料连接到载体12或表面13而建立。受体部位可通过在本发明经修饰的多狀(在PSI的PsaC子单元中的W31C)与顶部淀积金属电极之间形成的硫化物键而形成共价键。在受体侧的镀铂光催化单元可与通过薄金属电极的蒸发淀积的顶部电极进行金属到金属电连接。光催化单层或4t铂光催化单层上淀积的传导聚合物可用作顶部电极。图7右侧上示出了光电二极管的符号示图。在使用中，光催化单元被光照射，因此被激发以实现一般高于95%的高量子效率的有效电荷分离。接触部22和24分接由电荷分离引起的电流。视在接触部22与24之间应用的电压而定，光电二极管装置20可用作光生伏打装置或反偏压光电二极管。具体而言，在不存在外部电压时，光电二极管装置20作为在光线照射时产生电流的光生伏打装置。此类装置可用作例如太阳能电池中的元件。在接触部22与24之间应用反偏压时，只要光电二极管装置20未受到激发光催化单元的光线照射，光电二极管装置20便保持对从接触部24流到接触部22的电流的高阻抗。在适当波长的光线照射下，电阻会大大降低。此类装置可用作例如光检测器中的元件。在未应用偏置电压时，光电装置IO也可用作太阳能电池。在照射光催化单元时，电荷分离状态在供体部位16与受体部位18之间产生内部电压。内部电压可经在供体部位16和受体部位18的电接触部分接。如果电流电路从外部关闭，则电流通过在太阳能电池中的重复光驱动电荷分离得以保持。装置10的生成的极化电荷分离状态也可在分子晶体管中利用。具体而言，装置10可用作充当栅电极的光充电电容器，更改在与其连接的沟道中电荷载流子的密度。现在参照图8,它是根据本发明的各种示范实施例的光电晶体管30的示意图。光电晶体管30包括源电极32、漏电极34、沟道36和光响应栅电极38。栅电极38优选包括光电装置10。沟道36优选具有半导体属性，以便可改变电荷载流子的密度。没有光线时，沟道30不包含任何自由电荷载流子，并且基本上是绝缘体。暴露在光线下时，装置10的光催化单元产生极化电荷分离状态，并且由此形成的电场吸引来自源电极32和漏电极34的电子(或一般地说，电荷载流子)以便沟道36变得有传导性。因此，光晶体管30充当放大器或开关装置，其中，光线控制从源电极32和漏电极34的电;虎流动。栅电极可从如上详述的所示实施例的经分离光催化单元形成。光电晶体管的符号示图在图8的右侧示出。正如本领域的技术人员将理解的一样，在栅电极38保持开路时光电晶体管30可操作，这是因为选通(gating)由沖击到电极38上的光子诱导。光电晶体管30可用作逻辑元件，由此光电晶体管可由入射光切换到"打开"状态。另外，由于漏电流的强变化与入射光束的空间位置，光电晶体管30可用作带有大的图案结构可能的图像传感器的骨架。如上详述，每个在不同波长操作的若干光电晶体管可组装以允许图像传感器对彩色图像敏感。带有常规半导体领域技术人员熟知的其它修改的结构的电荷存储能力可用于存储器相关的应用。光电二极管20和/或光电晶体管30可在许多电子电路中集成。具体而言，此类装置可用作构件块，这些构件块可在表面结构上组装以形成复合电子组装。例如，两个或更多个光电二极管或光电晶体管可在表面结构上组装以形成逻辑门、逻辑门的组合或微处理器。现在参照图9,它是根据本发明的各种示范实施例的光耦合器40的简化示图。光耦合器40对于在元件之间例如电压电平不匹配而未建立直接电接触的情况下将信号从一个元件转移到另一元件特別有用。例如，光耦合器40可用于在低电压电平操作的微处理器与在高电压电平搡作的选通开关装置之间的无接触通信。根据本发明的优选实施例，光耦合器40包括光发射器42和光接收器44。发射器42可以是任何光源，诸如但不限于光发射二极管(LED)。接收器44优选包括光电装置10,并且例如可以是光电二极管(例如，光电二极管20)或光电晶体管(例如，光电晶体管30)。发射器42的选择使得由此发射的辐射能量充分，可诱导装置10的供体部位16与受体部位18之间的电荷分离。发射器42和接收器44保持光通信，但电去耦合。例如，发射器42和接收器44可通过允许光通过但防止任何电流跨其流动的透明阻隔物46分离。发射器42和接收器44优选相互对立，以便从发射器42发射的辐射撞击接收器44。由电信号触发后，发射器42发射光48，光通过阻隔物46并撞击接收器44。接收器44又生成电信号，如上更详细所述，该信号可经适合的电接触部分接。因此，光耦合器40成功地将在其输入端(发射器42)应用的电信号传送到其输出端(接收器44)，免除了输入端与输出端之间的任何电接触。晶体管(FET)的示意图。图10a所示是包括所示实施例经4'务饰光催化单元一个或多个层的FET。图10b示出了放大的经修饰光催化单元。图10c是能带图的代表性示例，在本示例中对应于n-沟道。为显示清晰起见，也提供了图10d,该图是传统肖特基金属栅型FET的能带图。先参照图10d,在零栅偏压(黑线)，半导体沟道被部分耗尽。在应用更多的正栅偏压(红线)时，经电容耦合在沟道中诱导更多的电荷，由此在源才及与漏极之间产生更大的电流流动。所示实施例的FET的第三端子优选是经修饰的光催化单元，例如，经小务饰的PSI。在吸收光子时，电子转移到半导体中，由此增大了沟道的传导性；同时，空穴转移到经修饰光催化单元，从而吸引从欧姆接触供应的更多电子。因此，产生了开沟道(openchannel)(图10c中的红线)。所示实施例的FET中诱导的光电流一般与空穴寿命在从源极到漏极的电子渡越时间的比率成正比，并且其切换特征取决于这两个时间常数。吸收截面、总量子效率及光电位可使用不止一个的光催化单元的单层进行改进。这可通过由PSI单层光致还原溶液中的Pt"离子，利用金属结合的方法而实现。Pt"离子可由在蛋白还原末端的PSI单层光致还原，并且Pt被淀积。由于相位角随着衬底的硬度而增大，此类单层的特征在于每个PSI顶部的金属淀积(参见分别示出PSI和镀铂PSI的相位对比图像的图13a和13b)。通过使用此类技术，若干定向单层可在相互叠加形成，其中，Pt-S键连接在相邻单层之间。法优选开始是将有第一掺杂浓度特征的第一半导体层淀积在有高于第一掺杂浓度的第二掺杂浓度特征的第二半导体层上。两个半导体层可以为n掺杂或p掺杂层。任选且优选的是第一半导体层淀积在半绝缘半导体层上，使得第一层在半绝缘层与第二层之间。方法可继续到一个步骤，在该步骤中，源极欧姆接触层和漏极欧姆接触层淀积在第二半导体层上。源极和漏极欧姆接触层在第二半导体层上方横向相互离开。方法优选通过蚀刻在源极接触层与漏极接触层之间的第二半导体层以便在第二半导体层中形成凹口而继续。进行的蚀刻优选使得在源极与漏极之间部分显露第一半导体层。一旦凹口形成后，方法便继续到一个步骤，在该步骤中，在凹口中的第一半导体层的表面上连接一层或多层经修饰的光催化单元。现在参照图lla-c,它们是根据本发明的各种示范实施例，适用于制造FET的工艺的示意图。虽然下面的实施例描述时特别着重于半导体为GaAs，并且光催化单元为PSI的工艺，但要理解，对此类工艺的更详细参考不可视为以任何方式限制本发明的范围。得到本文所述细节的本领域的技术人员将知道如何调整用于任何上述半导体材料和任何上述类型光催化单元的工艺。图lla示出具有高载流子迁移率的适中掺杂GaAs沟道在半绝缘GaAs衬底上具有非常低本底杂质的GaAs緩冲区顶部生长，半绝纟彖GaAs衬底后为重掺杂GaAs盖层。欧姆接触(如但不限于用于n-GaAs的AuGe/Ni/Au和用于p-GaAs的ZnAu/Au)例如使用电子束蒸发在顶部GaAs盖上淀积，并形成合金。图lib示出通过使用欧姆接触为蚀刻掩膜形成源极与漏极之间的重掺杂GaAs区域中的自对准栅极凹口。图llc示出如本文所述通过PSI功能化的光学活性栅的形成。在本发明的各种示范实施例中，上述电子装置(包括但不限于光电装置、太阳能电池、光电二极管、光电晶体管、逻辑门、光耦合器及FET)的大小是在亚毫米范围内。优选电子装置的大小从大约0.1nm到大约100jim，更优选的是从大约0.1nm到大约1pm。在查看下面无意于限制的示例时，本领域的技术人员将明白本发明的另外目的、优点和新颖特性。另外，如上所述和如下面权利要求部分所述的本发明的各种实施例和方面的每个实施例和方面得到了下面示例中的实验支持。实施例现将引用以下实施例，这些实施例与以上描述内容一起，以非限制性方式说明本发明。实验程序选择集胞藻PCC6803这一蓝细菌的强大PSI反应中心，来确定遗传修饰是否有助于反应中心向固体载体的连接。PSI的结构稳定性的主要原因在于，所有的叶绿素分子和类胡萝卜素都整合到核心亚单位复合物中。植物和其他细菌反应中心中的天线叶绿素结合到与核心亚单位连接的叶绿素-蛋白质复合物。为使PSI共价连接到GaAs衬底所作的对要修饰成半胱氨酸的氨基酸的选择，是基于有关PSI的原子结构的知识。因此，将朝向细菌细胞膜的细胞质一侧的膜外环中的、当放在固体表面上时不会有立体位阻的氨基酸突变成半胱氨酸，以确保二硫键的形成。用于本发明实施例研究的样品是未经掺杂的、n(Zn)-掺杂的和p(Si)摻杂的GaAs(WaferTechnologyLTD)，其中掺杂浓度为1x10lscnf3。对于未经掺杂的、n掺杂的和p掺杂的GaAs,它们的性质分别为霍耳迁移率54743、65和2305cm2y-V1，电阻系数9E8、1E-2和3E-30hm。将样品在沸腾的丙酮中接着是曱醇中清洁10分钟，在5%HF中蚀刻20秒，然后先在去离子水中接着在乙醇中清洗8秒。为进行化学吸附，将经蚀刻的GaAs立即浸入20°C下的5mMN-￡-马来酰亚胺基己酸(ECMA)或N-P-马来酰亚胺基丙酸(BMPA)(PierceBiotechnologyInc)的乙醇溶液中8小时。通过在含有20mMTris,pH7和0.05%p-D-麦芽糖苷的水溶液中清洗，终止化学吸附。PSI分子通过在PSI突变体即PsaB亚单位中D235C/Y634C中的独特半胱氨酸硫醇之间形成共价键间接连接到表面。将接头分子中的马来酰亚胺部分化学吸附到GaAs表面。清洗后，将样品立即转移到含有相同缓冲剂和0.5mg/mlPSI叶绿素的溶液中20。C下保持2小时。温育后，将样品在去离子水中洗涤，在超純氮气中干燥。用同源重组载体pZBL-D235C/Y634C在psaB基因中进行定点诱变。通过重叠延伸PCR插入突变。按美国专利申请60/654,502和11/507,628及国际专利申请IL2006/000241,对PsaB缺陷型受体细胞进行转化并使转化子在自养生长条件下生长。AFM和KPFM测量使用带Extender电子模块的NanoscopeIliaMultiModeTM(VeecoInc.)和SolverPH47(NTMDTInc.)两者进行。开尔文模式是基于二重技术。第一次时，使用标准半接触模式(悬臂的机械激发)采集形貌。第二次时，从样本表面的设置起升高度回扫此形貌以检测电表面电位。操作频率大约为300kHz。通过使测量第一谐振频率的静电力的锁定放大器的输出信号归零，以常规方式提取CPD。NTMDTAFM配有定制的1300-nm波长反馈激光以防止任何样本诱导的光电压。大多数CPD测量是在氮手套箱中进行。与原位剥离热解石墨标准(OPG)的比较允许提取所有测量样本的实际工作函数。氦氖激光器(入=632.8nm，5mW/cm2)用于光电压测量。示例1PSI-"-GaAs系统的光响应检测在沸腾的丙酮及随后在甲醇中连续清洁掺锌GaAs衬底10分钟，在5。/。HF中蚀刻20秒，先在去离子水，然后在乙醇中冲洗8秒。此夕卜，蚀刻后的GaAs衬底立即浸入20。C的5mMN-￡-马来酰亚胺基己酸(ECMA)或N-[3-马来酰亚胺基丙酸(BMPA)(PierceBiotechnologyInc)的乙醇溶液中8小时。通过在含有20mMTris,pH7和0.05%(3-D-麦芽糖苷的水溶液中清洗，终止化学吸附。化学吸附后的GaAs衬底立即转移到含有相同缓冲剂和0.5mg/mlPSI叶绿素的溶液中20°C下保持2小时。温育后，将样品在去离子水中洗涤，在超纯氮气中干燥。无涂层化学吸附和有PSI涂层的GaAs衬底的CPD值在表1中指明。表l中的每个值是在经6次扫描(512x512行)类似样本后求平均值得出。[/d和^是对应于有照明和无照明样本的CPD。<table>tableseeoriginaldocumentpage32</column></row><table>示例2PSI-/7-GaAs系统的光响应检测掺硅GaAs衬底的处理类似于示例1。无涂层化学吸附和有PSI涂层的p-GaAs衬底的CPD值在表2中指明。<table>tableseeoriginaldocumentpage32</column></row><table>PSI-w-GaAs系统的光响应检测未掺杂的GaAs衬底的处理类似于示例1。无涂层化学吸附和有PSI涂层的w-GaAs衬底的CPD值在表3中指明。<table>tableseeoriginaldocumentpage32</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage33</column></row><table>如表1-3所示，GaAs表面上的EMCA和BMPA单层的蚀刻和化学吸附使CPD增大了0.1到0.17V。此效应假设是由于Ga羧化物的形成和在马来酰亚胺环的一对暴露的氧原子形成的偶极造成的。半导体表面能量中的类似变化由于化学吸附用于调制光子晶体带隙能量的有机和无机分子和肽而受到影响[Bastide，S.etal."通过苯曱酸衍生物的化学吸附控制GaAs的工作函数"(ControllingtheworkfunctionofGaAsbychemisorptionofbenzoicacidderivatives).J.Phys.Chem.B101,2678-2684(1997)]。由于在PSI与GaAs之间的4建形成(图lc)而造成的CPD(无照明)降低，对于n-、w-和PSI-p-掺杂GaAs系统分别是0.05V、0.31V和0.67V。在"-型与型GaAs之间的CPD差别可通过从PSI到GaAs的电子转移而得到解释(参见图3中的能级图)。如图所示，P700基态能级高于；-GaAs和《-GaAs两者的价带最高点Av。然而，电子从P700级转移到户-GaAs价带，而不是到GaAs,这是因为后者的价带被完全占用。PSI的此类氧化为它正充电，并且降低了CPD，符合本示例的实验数据。在化学吸附有BMPA单层的PSI-GaAs系统上得到了类似的结果。BMPA的分子结构与EMCA分子结构相比少包含一个碳原子。这些结果展示了通过化学吸附的小分子在大的蛋白与GaAs衬底之间的直接电子转移。在EMCA处理的"-、w-和p-GaAs中分别测量-0.05、0.06和0.04V的极小光电压t4。这种小的变化主要是由于不同的GaAs表面的小的能带弯曲。然而，PSI单层的化学吸附对w-和p-掺杂GaAs分别产生了大约0.265和Q.295V的高得多的光电压t4。此类正光电压是由于光诱导电荷分离及因此的跨蛋白电子转移造成的，造成了偶极形成。此偶极的负电荷在与GaAs表面相对的PSI还原末端。令人吃惊的是，结合到w-GaAs的PSI单层诱导了-0.47V的负光电压t^。光电压极性的变化可通过比较GaAs带能与一起在图3中示出的PSI蛋白中原初供体和电子受体的氧化还原电位能级而得以解释。p-GaAs和w-GaAs中费米能级￡>与传导带最低值&之间的差分别为大约-0.8和-0.235eF。w-GaAs中的能级&相对于PSI中原初(Chl)和最终(FeS)电子受体级别分别低0.5和0.24eK因此，在照明条件下，电子从PSI转移到w-型GaAs，并且空穴从半导体移动到PSI;此效应可为PSI正充电，并且降低表面电位。光电压形成衰减动力学的实验数据揭示了GaAs-PSI单层中的可逆光诱导变化。稳定状态的开始比0.7ms的快门动作时间更快(图2f,图形线1和3)。稳定状态光电压的总衰减的主要分量的比率(大约96%)由于连4妻到GaAs的PSI中的电荷重组而具有未判定的W2。如后面的实验程序部分中进一步所述，仅大约4%的CPD衰减是由于GaAs中具有1.5s的t1/2的电荷重组造成的(图2f，曲线2和4)。明显的是，观察到在干PSI中光诱导稳定状态CPD的衰减率比0.7ms更快，而0.7ms已知为在P700+与水溶液中PSI中的还原《失石克簇(最终受体FeS)之间电荷重组率范围内。此效应假设是在干燥环境中化学吸附到GaAs的PSI行为的应有持久性。结论上面的示例显示，从蓝细菌选择稳固的反应中心PSI及基于结晶结构的突变合理设计允许在GaAs半导体衬底上制成定向单层。通过在突变诱导的独特半胱氨酸与连接吸附到半导体表面的小分子的单层之间的共价键形成，将蛋白复合物结合到半导体衬底得到了稳定和有效的电子结(j皿ction)。单层中的干膜蛋白保持其能力以生成大约0.5V的光电位。高量子效率使反应中心成为应用在分子电子学和生物技术的极具吸引力的纳米技术装置。定向多层的形成可增大截面的光吸收和装置对光的选择性。附录1下面的PSI多肽及其来源生物的示例。<table>tableseeoriginaldocumentpage35</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage36</column></row><table>虽然本发明已结合其特定实施例进行了描述，但明显的是本领域的技术人员将明白许多备选、修改和变化。相应地，要将在随附权利要求精神和广义范围内的所有此类备选、修改和变化包涵在内。本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用完全结合在说明书中，好象每个单独的出版物、专利或专利申请明确、分別指示为通过引用包括在其中一样。另外，本申请中的任何参考文献的引证或标识不应视为允许此类参考文献作为本发明的现有技术提供。权利要求1.一种光电装置，包括至少一个经修饰光催化单元和半导体材料表面，其中所述至少一个经修饰光催化单元连接到所述半导体表面，使得在所述光催化单元吸收光时，生成足量的电场以诱导所述半导体材料内的电荷载流子运动。2.—种场效应晶体管装置，包括半导体源极层、半导体漏极层、半导体沟道层及至少一层经修饰光催化单元，所述经修饰光催化单元淀积在所述半导体沟道层的表面上，淀积方式使得在所述至少一个光催化单元吸收光时，生成足量的电场以诱导在所述源极与所述漏极之间通过所述沟道的电荷载流子运动。3.如权利要求1或2所述的装置，在干燥的环境中可操作。4.如权利要求1或2所述的装置，其中所述至少一个经修饰光催化单元包括至少一个具有光合生物的光催化单元的多肽的氨基酸序列的经修饰多肽。5.如权利要求1或2所述的装置，其中所述至少一个经修饰光催化单元间接连接到所述半导体表面。6.如权利要求5所述的装置，其中所述间接连接是通过单层的接头分子来进行。7.如权利要求6所述的装置，其中所述单层的接头分子化学吸附在所述半导体表面上。8.如权利要求4所述的装置，其中所述光合生物是绿色植物。9.如权利要求4所述的装置，其中所述光合生物是蓝细菌。10.如权利要求4所述的装置，其中所述光合生物是蓝细菌。11.如权利要求4所述的装置，其中所述光催化单元是PS-I。12.如权利要求9或10所述的装置，其中所述光催化单元是集胞藻(Synechosystissp.)PCC6803光催化单元。13.如权利要求4所述的装置，其中所述光催化单元的所述多肽的所述氨基酸序列包含至少一个置换突变。14.如权利要求13所述的装置，其中所述置换突变是在所述光催化单元的膜外环上。15.如权利要求4所述的装置，其中所述多肽的所述氨基酸序列是psaB。16，如权利要求4所述的装置，其中所述多肽的所述氨基酸序列是psaC。17.如权利要求15所述的装置，其中所述PsaB在至少一个由坐标D235C/Y634C界定的位置中包含置换突变。18.如权利要求15所述的装置，其中所述PsaC在至少一个由坐标W31C界定的位置中包含置换突变。19.如权利要求13所述的装置，其中所述至少一个置换突变是半胱氨酸。20.如权利要求1或2所述的装置，其中所述表面由n型的半导体制成。21.如权利要求1或2所述的装置，其中所述表面由p型的半导体制成。22.如权利要求1或2所述的装置，其中所述表面由i型的半导体制成。23.如权利要求1或2所述的装置，其中所述表面是透明的。24.如权利要求l或2所述的装置，其中所述表面包含GaAs。25.如权利要求1或2所述的装置，其中所述表面包含GaN。26.如权利要求1或2所述的装置，其中所述表面包含AlGaN。27.如权利要求11所述的装置，其中所述经分离多肽是单聚体形式或三聚体形式。28.如权利要求l所述的装置，其中所述至少一个经修饰光催化单元是以相对于所述表面基本上同样的方向定向的多个经修饰光催化单元。29.如权利要求2或28所述的装置，其中所述经修饰光催化单元以相对于所述表面基本上同样的方向定向并层状排列。30.如权利要求28所述的装置其中所述多个光催化单元的每个单元之间的距离为15-25nm。31.如权利要求1所述的装置，用作光电二极管中的元件。32.如权利要求1所述的装置，用作光电晶体管中的元件。33.如权利要求1所述的装置，用作逻辑门中的元件。34.如权利要求1所述的装置，用作场效应晶体管中的光电门。35.如权利要求1所述的装置，用作光耦合器中的元件。36.如权利要求1所述的装置，用作光电探测器中的元件。37.如权利要求1所述的装置，用作光学开关中的元件。38.如权利要求1所述的装置，用作图像传感器中的元件。39.一种制造光电装置的方法，包括将至少一个经修饰光催化单元连接到半导体材料表面，连接方式使得在所述光催化单元吸收光时，生成足量的电场以诱导在所述半导体材料内的电荷载流子运动。40.如权利要求39所述的方法，其中所述连接通过经接头分子的间接连接实现。41.如权利要求40所述的方法，其中所述接头分子化学吸附在所述表面上。42.如权利要求40所述的方法，其中所述经修饰光催化单元共价连接到所述接头分子。43.如权利要求40所述的方法，其中所述接头分子包含具有马来酰亚胺部分的氨基硅烷连接分子。44.如权利要求41所述的方法，其中所述连接包括使所述经修饰光催化单元与所述接头分子在含水条件下进行反应，以将所述经修饰光催化单元共价连接到所述接头分子。45.—种制造场效应晶体管的方法，包括将有第一掺杂浓度特征的第一半导体层淀积在有高于所述第一掺杂浓度的第二掺杂浓度特征的第二半导体层上；在所述第二半导体层上淀积源极欧姆接触层和漏极欧姆接触层，所述源极欧姆接触层在所述第二半导体层上方与所述漏极欧姆接触层横向离开；在所述源极欧姆接触层与所述漏极欧姆接触层之间蚀刻所述第二半导体层以在所述第二半导体层形成凹口并部分显露所述第一半导体层；以及在所述凹口中将至少一个经修饰光催化单元层连接在所述第一半导体层；由此制造所述场效应晶体管。46.如权利要求45所述的方法，其中所述连接通过经接头分子层的间接连接实现。47.如权利要求46所述的方法，其中所述接头分子层化学吸附在所述表面上。48.如权利要求47所述的方法，其中所述连接包括使所述经修饰光催化单元与所述接头分子在含水条件下进行反应，以将所述经修饰光催化单元共价连接到所述接头分子。全文摘要本文公开了一种光电装置。装置包括一个或多个经修饰光催化单元和半导体表面。经修饰光催化单元连接到半导体表面，使得在光催化单元吸收光时，生成足量的电场以诱导在半导体内的电荷载流子运动。在一些实施例中，多个光催化单元以定向方式连接到半导体表面。该光电装置能够在干燥环境中操作。文档编号H01L31/10GK101563788SQ200780038661公开日2009年10月21日申请日期2007年8月22日优先权日2006年8月22日发明者C·卡梅利,I·卡梅利,L·弗罗洛夫,Y·罗森瓦克斯申请人:特拉维夫大学拉莫特有限公司