一种用于检测氨基酸分子的GeSicore/shell纳米器件的制作方法

本发明属于纳米电子
技术领域：
，具体涉及一种用于氨基酸分子检测的GeSicore/shell纳米器件。
背景技术：
：生物分子传感器能够实现对生物分子进行识别和检测，这对未来生物学的发展有巨大的帮助。在纳米级器件研究中也发现这类器件与传统生物传感器相比具有很高的灵敏度，因此受到了广泛关注。准一维纳米线由于其具有大的表面积和体积比率，其表面很容易吸附或功能化生物分子，而功能化分子和纳米线之间具有高效的电荷转移对输运特性有强烈的影响，因此基于纳米线材料的器件在传感器应用潜力十分巨大。并且该种器件结构十分微小可以进入某些特殊环境(比如细胞，甚至病毒内)，因此与传统生物检测相比其具有不可比拟的优势。core-shell纳米线与碳纳米线类似，都是一种准一维纳米线结构，这种一维纳米线结构在分子器件、生物传感器方面有广泛的应用前景。对于core-shell纳米线结构来说，其core区域是一种材料，shell区域是另一种材料，两种材料形成具有独特性质的异质结。目前许多core/shell纳米线已经被制造出来，其中GeSi纳米结构是众多已被只在出来core/shell结构中的一种，由于其与目前硅基半导体工艺相兼容更是引起了人们的重视。JongseobKim等报道中称[100]、[111]面的GeSi随着纳米线枝晶的减小，由于量子局域效应其能带结构会由Type-Ⅱ转变为Type-Ⅰ类型，而在[110]面施加应力其能带结构类型也有类似的转变，Type-Ⅰ能带结构会在Ge材料的core区域同时形成电子和空穴量子阱从而可以同时提高两类载流子迁移率，可以用于COMS工艺。这表明GeSicore/shell纳米结构器件可用于涉及更复杂的检测电路。基于GeSi纳米线器件的分子传感器是直接检测电信号变化的传感特性，不需要与其它设备(如光学检测设备)结合使用，这更进一步扩大其应用场合。氨基酸作为生命的基础，对其存在的可能性及其种类检测十分必要，但是当前仍然没有相关发明或研究报道出来，而本发明提供了一种可以用于氨基酸分子检测的纳米器件类型，这可以有效的填补该领域的空白。技术实现要素：本发明的目的是解决上述问题，提供一种用于氨基酸分子检测的GeSicore/shell纳米器件，该纳米器件具有超低功耗和对氨基酸超高灵敏度。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种用于氨基酸分子检测的GeSicore/shell纳米器件，该纳米器件包含一段GeSicore/shell纳米线，所述纳米线两端分别与两个金电极相连接，且纳米线表面功能化设定的氨基酸分子。上述技术方案中，所述GeSicore/shell纳米线直径为1～2nm，长度不小于2nm。上述技术方案中，所述GeSicore/shell纳米器件通过以下步骤获得：S1：用化学气相沉积法生长直径为1～2nm且长度不小于2nm无缺陷的GeSicore/shell纳米线；S2：采用电子束刻蚀技术将纳米线裁剪成长度为1～2nm的纳米棒；S3：对shell区域的Si原子进行H原子钝化；S4：沿纳米棒方向的左右两端分别连接上金电极；S5：在该器件的散射区表面功能化设定种类的氨基酸分子，获得用于氨基酸分子检测的GeSicore/shell纳米器件。需要说明的是，上述步骤中涉及到的化学气相沉积法、电子束刻蚀技术、H原子钝化以及功能化氨基酸分子，均可以采用本领域常规方式及参数进行即可。本发明的创新点不在于上述现有技术本身，而更在于该纳米器件的结构本身。本发明人经过对纳米线器件性质的长期研究发现：功能化氨基酸分子与纳米线之间具有高效的电荷转移，其对纳米线器件输运具有强烈的影响。在下述的具体实施例中，将对本发明纳米器件结构所涉及的物理机制结合具体实施例做进一步的详细说明。上述技术方案中，优先选择输运方向在GeSicore/shell[111]面的纳米线材料，因为[111]面断裂时每个原子仅有一个悬挂键在与金电极耦合后没有多余的悬挂键，这样不容易引起其他效应。上述技术方案中，所述纳米线与电极接触面的Si和Ge原子全部与电极的Au原子相连接，从而减少界面悬挂键对器件输运性质的影响。本发明的有益效果是：本发明提供的用于氨基酸分子检测的GeSicore/shell纳米器具有氨基酸分子传感器效应，在偏压为0到100mv小偏压范围内，I-V曲线表现为线性变化，功能化氨基酸后I-V曲线斜率即电阻发生了明显的变化，电阻作为一个简单可测的电学信号便于观测，简化结果处理。总体而言，该纳米器件结构简单，具有超低功耗和对氨基酸超高灵敏度，在分子传感器
技术领域：
中将具有十分广阔的应用前景。附图说明图1为实施例中[111]面GeSicore/shell纳米结构的一个晶胞；图2为实施例中一个GeSicore/shell纳米器件结构；图3为实施例中功能化谷氨基酸后器件结构；图4为实施例中功能化组氨基酸后器件结构；图5为实施例中功能化丝氨基酸后器件结构；图6为实施例中功能化前和功能化不同种类氨基酸后GeSicore/shell结构的I-V特性曲线；图7为实施例中原始器件在不同偏压下透射谱的变化情况；图8为实施例中阴影窗口积分面积与电压关系图；图9为实施例中零偏下原始器件的LDOS图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：本发明提出的一种用于氨基酸分子检测的GeSicore/shell纳米器件，该纳米器件包含一段GeSicore/shell纳米线，纳米线两端分别与两个金电极相连接，且纳米线表面功能化某种氨基酸分子。本发明的GeSicore/shell纳米器件可通过以下步骤获得：S1：用化学气相沉积法生长直径为1～2nm且长度不小于2nm无缺陷的GeSicore/shell纳米线；S2：采用电子束刻蚀技术将纳米线裁剪成长度为1～2nm的纳米棒；S3：对shell区域的Si原子进行H原子钝化；S4：沿纳米棒方向的左右两端分别连接上金电极；S5：在该器件的散射区表面功能化设定种类的氨基酸分子，获得用于氨基酸分子检测的GeSicore/shell纳米器件。在本发明中，上述步骤涉及到的各项技术均采用本发明
技术领域：
中的常用技术即可，且对于如何制备出该器件，并非本发明的重点，因而对该纳米器件具体采用何种方式技术制备，不再赘述。而该种纳米器件结构具有氨基酸分子传感器效应才是发明人研究的创新点所在，因而在下述具体实施例中，发明人使用第一性原理，首先仿真一个二端纳米器件，绘制该器件在初始和功能化氨基酸分子后的I-V曲线，并且通过比较曲线变化规律来分析这种器件的传感器效应。1、计算模型与研究方法如图1所示，GeSicore/shell纳米线是由体硅[111]方向抽取SiNW来构建初始的结构，，其沿Z方向周期性延长即为GeSicore/shell纳米线。每个纳米线unitcell的长度为包含14个Ge原子作为core，以及24个Si原子作为shell，外部空间有H原子饱和。弛豫后，截取该纳米线2个unitcell长度作为器件的散射区。从体材金的[100]面构造金纳米线，金纳米线每层原个数子按{7，8，7，8…}堆叠，接下来对金纳米线弛豫。然后构造金/GeSi/金输运结，形成一个二端器件结构，如图2所示，其由左右两边Au电极以及中间散射区构成，箭头为外加偏压电场方向。如图3、4、5所示，分别功能化谷氨基酸、组氨基酸、丝氨基酸后且弛豫后器件结构。本发明主要进行了该种器件对上述三种典型氨基酸分子敏感性测试。本实施例中结构优化是基于VASP软件中的密度泛函理论(DFT)进行计算。平面波的截断能为250eV，k点采样为1×1×45。电子输运性质主要是基于Nanodcal软件中非平衡格林函数进行自洽和计算。偏压Vb下的输运电流I，可用Landauer-Buttiker公式计算：其中T(E，Vb)是透射函数，e是电子电荷，h是普朗克常数，μL/R＝EF±eVb/2左右电极在Vb处的电化学势，f(E-μL/R)左右电极费米—狄拉克分布函数。2、计算结果与讨论2.1器件结构仿真为了保持半导体技术持续发展，发明者需要不断的创造新的器件结构来满足未来更高集成度、更底功耗的电路设计要求。器件设计即器件结构的设计，器件结构很大程度上决定了器件各种电学参数。对于纳米器件结构设计，器件结构仿真显得十分重要。器件结构仿真能够相对简单、快速、准确的找到有用的器件结构。如图2-5所示，为利用第一性原理对材料优化和分子器件软件仿真建模后得到的GeSicore/shell纳米器件以及功能化氨基酸后器件结构。散射区与电极接触面的Si和Ge原子全部与电极的Au原子相连，从而减少界面悬挂键对器件输运性质的影响。目前，此尺寸GeSicore/shell纳米器件鲜有研究和报道。2.2输运性质本发明实施例在器件输运性质的研究中描绘处不同偏压下器件的伏安特性曲线(I-V特性曲线)，如图6所示。I-V曲线图中可以看到，无论原始还是功能化氨基酸后GeSicore/shell纳米器件结构的电流与电压关系均表现为线性，即这类器件在一定偏压下为欧姆特性。然而，原始器件和功能化不同氨基酸后，电阻不尽相同，所以功能化氨基酸能够调控该种器件电阻。实施例中功能化谷氨酸对器件结构电阻调控最显著，调控幅度达到了47.2％。然而，功能化组氨酸对器件结构电阻调控效应几乎可以忽略，调控幅度仅有1.3％。此外，这类器件电阻值都在兆欧量级，电流在微安量级，电压在毫伏量级，这对未来高集成度低功耗电路设计具有广阔应用前景。2.3传感器特性对原始和功能化氨基酸器件输运性质的分析，发现功能化氨基酸后器件的电阻发生了明显的改变，通过检测器件电阻变化的测定可实现氨基酸分子的检测。本发明实施例中器件的工作电压范围为0到100mV，在如此低电压范围内功能化不同氨基酸器件电阻保持不变且不尽相同，这些特点表明GeSicore/shell纳米器件对氨基酸分子检测具有非常高的灵敏度。电阻简单易测，可以直接作为电信号读出，不需要额外复杂的设备处理，这表明该种器件结构对氨基酸分子检测更为简便。2.4物理机制为了弄清这种器件的氨基酸传感特性起源，为什么功能化氨基酸可以调控器件电阻大小。图7和图9分别给出了上述设计的纳米器件在不同偏压下的透射谱以及零偏下器件的LDOS。可以清楚发现，透射谱积分窗口面积与电压为线性关系，如图8所示，并且LDOS左右对称且连通，因此纳米器件I-V曲线表现为线性关系。此外，从LDOS还可以清楚看到散射区的电子输运通道主要集中在core/shell结构的core区域，即形成了电子量子阱，这与已有报道结果相符。由于电子主要集中在core区域输运，因此功能化氨基酸分子的吸引电子能力会很大程度上影响器件电阻。三中不同氨基酸的得失电子情况如表1所示：表1：氨基酸的得失电子情况SerGluHisSer0.838e0.881e0.745e0.838e由表1可知，本发明实施例中的这三种氨基酸的得电子能力是谷氨酸>丝氨酸>组氨酸。分析发现功能化得电子能力越强的氨基酸，器件电阻越大。由LDOS(图9)知电子从散射区表面向内输运时，电子量子阱会将电子限制在core区域传播，core区域为Ge材料能够提高载流子的迁移率。当功能化氨基酸后，得电子能力比较强的氨基酸(如ser氨基酸)会把电子拉向shell区域，从而抑制了core电子输运能力。归其根本原因就是功能化分子与纳米线之间具有高效的电荷转移，其对纳米线器件输运具有强烈的影响。2.5结论从第一性原理出发，仿真了GeSicore/shell纳米器件结构，以及对其功能化氨基酸分子后的电子输运性质进行了研究，并且与原始器件的输运特性进行对比。结果表明，功能化氨基酸后器件的电阻发生了明显的变化。发明实施例中，谷氨酸对对器件结构电阻调控最显著，调控幅度达到了47.2％，而组氨酸对器件结构电阻调控最小调控幅度仅有1.3％。因而这种器件具有氨基酸分子传感器效应，并且该种器件工作电压在100mV以内，表明其在低功耗，高灵敏氨基酸传感器应用方面潜力巨大。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。当前第1页1 2 3