一种III族氮化物生物探针及其制备方法与流程

本发明属于半导体材料制备及生物医学交叉领域，特别涉及一种III族氮化物生物探针及其制备方法。

背景技术：

在医学领域，人们使用传统的有机染料以及生物纳米探针来进行细胞的标记和荧光成像。

有机分子在生物体内容易分解，其荧光很容易淬灭，无法长期的跟踪和观察；同时它作为受体的荧光染料仍存在生物相容性差、荧光量子产率偏低、抗光漂白能力不足和发射波长偏短等不足，因此在实际的使用中有诸多不便。

生物纳米探针主要包括，胶体金，磁性纳米颗粒，量子点等。微观尺度上纳米金探针的信号不易放大，人们利用传统仪器对其进行检测具有一定困难；且磁性纳米颗粒处于研究实验阶段。量子点是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100nm以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子限域效应特别显著。量子点具有传统有机荧光染料无可比拟的光学魅力，在材料以及生物医学领域已经得到了广泛的应用。目前，量子点被广泛地应用在生物体内作为荧光标记物。通过观察量子线标记分子与靶分子相互作用的部位，及其在活细胞内的运行轨迹，可能为信号传递的分子机制提供线索，从而为阐明细胞生长发育的调控及癌变规律提供直观依据。量子点在研究生物大分子荧光标记、生物大分子之间的相互作用、生物及细胞组织的荧光标记与成像以及活体成像等方面有重要的应用。

量子点可以分为II-VI族量子点(如CdTe、CdSe等)、Si量子点以及III-V族量子点(如InP、GaN等)等。其中II-VI族量子点，即由第二副族和第六主族元素组成，如CdSe，CdS，，CdTe，CdSe/ZnS，CdSe/ZnSe和CdS/ZnS等。合成方法概括起来有两大类：有机相合成法和水相合成法。有机相合成一般采用高温热分解有机物，其操作条件苛刻、毒性大。水相合成方法操作简单，合成出的量子点可以直接标记生物分子，但是合成的量子点尺寸分布较宽，荧光效率低，而且其发光寿命容易受体缺陷影响，寿命较短，在进行生物传感研究时，实际应用受到限制。Si量子点是间接带隙材料，能带宽度窄，发光能力很弱(在近红外区其效率仅为10^-6)，而且容易受表面氧化影响，很难得到长期稳定发光。

III-V族量子点结构，该类化合物普遍具有电子迁移率高；介电常数小，可引入深能级杂质；电子有效质量小，能带结构特殊等特点。因其高度稳定，在生物体内不会淬灭，可代谢，寿命长，亮度高以及颜色可调节众多优点，具有潜在的应用前景。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种III族氮化物生物探针及其制备方法，用于解决现有生物探针普遍存在的寿命短、发光不稳定、荧光效率低的问题。

(二)技术方案

基于上述问题，本发明一方面提出一种III族氮化物生物探针，包括：

一衬底；

一第一n型氮化镓层，形成于所述衬底上；

一量子线结构，该量子线结构是由在所述第一n型氮化镓层上生长的多量子阱和第二n型氮化镓层经腐蚀形成的。

其中，所述的衬底材料为c面蓝宝石衬底。

其中，所述的第一n型氮化镓层为硅掺杂的氮化镓，厚度在10μm-500μm之间，所述的第一n型氮化镓层是由金属有机物化学气相外延生长形成的。

其中，所述量子线结构的厚度范围为10nm-100nm，直径范围为10nm-70nm；所述量子线结构的量子阱层为GaN与InGaN的交替结构，其中GaN为本征GaN，InGaN中In的组分在10％-70％之间可调；一组量子阱的厚度范围为4nm-10nm；多量子阱的数量在1-10之间可调。

本发明另一方面提出一种III族氮化物生物探针的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：在衬底上生长第一n型氮化镓层；

步骤S2：在所述第一n型氮化镓层上生长多量子阱层；

步骤S3：在所述多量子阱层上生长第二n型氮化镓层；

步骤S4：采用化学腐蚀方法对所述第二n型氮化镓层及多量子阱层进行腐蚀，得到量子线结构。

所述化学腐蚀是使用硝酸银和氢氟酸的混合溶液，在紫外光下进行的。

所述制备方法还包括将所述的量子线结构浸泡于化学溶液中，去除所述化学腐蚀中反应生成的金属颗粒，其中化学溶液为一定浓度的硝酸溶液用于去除所述化学腐蚀中产生的金属银颗粒。

所述制备方法还包括对所述的量子线结构进行超声波清洗，得到分散的量子线。所述的超声波清洗在一定纯度的乙醇溶液环境中进行，得到的所述量子线分散在乙醇溶液中。

所述第一n型氮化镓层的掺杂剂为硅。

所述第二n型氮化镓层的厚度范围为10nm-30nm。

(三)有益效果

本发明具有的有益效果是：

(1)III-V族化合物多量子阱的生长在半导体制造领域是非常成熟的工艺，生长的多量子阱质量高，其数量、厚度以及组分均可调，使发光强度和波长可在一定范围内进行调节，得到不同颜色的荧光。

(2)量子阱的化学腐蚀方法工艺简单成熟，成本低，通过调节溶液的浓度以及腐蚀时间，可以控制量子线的长度以及直径。

(3)此III族氮化物生物探针在生物体内高度稳定，不易淬灭，寿命长，可代谢。

附图说明

图1为III族氮化物生物探针的结构示意图；

图2为III族氮化物生物探针制作流程图。

【附图标记说明】

10-衬底

11-第一n型氮化镓层

12-量子线结构

13-多量子阱

14-第二n型氮化镓层

具体实施方式

本发明提出一种III族氮化物生物探针，包括：衬底；形成于衬底上的第一n型氮化镓层；由在第一n型氮化镓层上生长的多量子阱和第二n型氮化镓层经腐蚀形成的量子线结构。

其中，衬底的材料可以为c面蓝宝石衬底；第一n型氮化镓层由金属有机物化学气相外延生长形成，为硅掺杂的氮化镓，厚度在10μm-500μm之间；量子线结构的厚度范围为10nm-100nm，直径范围为10nm-70nm。其中量子线结构的量子阱层为GaN与InGaN的交替结构，且GaN为本征GaN，InGaN中In的组分在10％-70％之间，则一组量子阱的厚度范围为4nm-10nm；多量子阱的数量在1-10之间可调。

本发明还提出一种III族氮化物生物探针的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：在衬底上生长第一n型氮化镓层；步骤S2：在第一n型氮化镓层上生长多量子阱层；步骤S3：在多量子阱层上生长第二n型氮化镓层；步骤S4：采用化学腐蚀方法对第二n型氮化镓层及多量子阱层进行腐蚀，得到量子线结构。

其中腐蚀所用化学溶液是硝酸银和氢氟酸的混合溶液，且化学腐蚀应在紫外光下进行。

上述制备方法还包括将所述的量子线结构浸泡于化学溶液中，去除化学腐蚀中反应生成的金属颗粒，随后对量子线结构进行超声波清洗，得到分散的量子线。其中，去除金属颗粒所用的化学溶液是一定浓度的硝酸溶液；超声波清洗在一定纯度的乙醇溶液环境中进行，则得到的量子线分散在乙醇溶液中。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

参照图1及图2，以下具体介绍本发明的生物探针的一个实施例的制备方法：

S1、对材料为单面抛光的C面蓝宝石，厚度为400μm的衬底10用RCA标准清洗法清洗干净；将清洗后的衬底10送入金属有机化合物气相外延(MOCVD)设备中，生长200μm的第一n型氮化镓层11，此GaN的掺杂材料为Si；

S2、在第一n型氮化镓层11上生长3组多量子阱结构13，其中阱层材料GaN为本征GaN，厚度为3nm；垒层材料为InGaN，厚度为17nm，其中InGaN中In组分的含量为15％；

S3、在多量子阱结构13上生长10nm厚的第二n型氮化镓层14；

S4、采用化学腐蚀方法对所述第二n型氮化镓层及多量子阱层进行腐蚀，得到量子线结构；

S41、使用0.005M的AgNO₃与5M的HF混合溶液在500W的紫外灯下对多量子阱层13及第二n型氮化镓层14进行化学腐蚀，腐蚀时间为3分钟；

S42、腐蚀结束后将量子线结构取出并浸泡在浓度为30wt.％HNO₃的溶液中，浸泡时间为半小时，去除其表面在步骤S41中反应生成的金属颗粒，浸泡结束后取出用去离子水清洗并用氮气吹干；

S43、将吹干的量子线结构浸泡在乙醇溶液中进行超声波清洗，清洗时间为10分钟，清洗结束后得到均匀分布在乙醇溶液中的量子线。

在此实施例的基础上，需做进一步说明，本实施例中所述的第一n型氮化镓层11的厚度在几十微米到几百微米可调；第二n型氮化镓层14的厚度在10-30nm之间可调；量子阱中垒层InGaN材料的In组分在10％-70％可调，一组量子阱的厚度在4-10nm范围可调，多量子阱的数量在1-10之间可调，则多量子阱的厚度、数量、及组分均可调，从而实现发光强度和波长在一定范围内可调，最终得到的量子线结构的厚度在10-100nm范围，直径在10-70nm范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。