Нанопроволока

редактировать
Проволока диаметром в нанометрах Проволока диаметром в нанометрах

A нанопроволока наноструктура диаметром порядка нанометра (10 метров). Его также можно определить как отношение длины к ширине, превышающее 1000. В качестве альтернативы, нанопроволоки могут быть определены как структуры, толщина или диаметр которых ограничены десятками нанометров или меньше и неограниченной длиной. В этих масштабах важны квантово-механические эффекты - отсюда и появился термин «квантовые проволоки ». Существует множество различных типов нанопроволок, включая сверхпроводящие (например, YBCO ), металлические (например, Ni, Pt, Au, Ag), полупроводниковые (например, кремниевые нанопроволоки (SiNW), InP, GaN ) и изолирующие (например, SiO 2, TiO 2 ). Молекулярные нанопроволоки состоят из повторяющихся молекулярных единиц либо органических (например, ДНК ), либо неорганических (например, Mo 6S9-x Ix).

Содержание
  • 1 Обзор
  • 2 Синтез
    • 2.1 Суспензия
    • 2.2 Рост VLS
    • 2.3 Синтез в фазе раствора
    • 2.4 Некаталитический рост
    • 2.5 Металлическая нанопроволока с ДНК-темплатой синтез
    • 2.6 Литография с теневой маской с дефектоскопией
  • 3 Физика
    • 3.1 Проводимость нанопроволок
    • 3.2 Сварка нанопроволок
    • 3.3 Механические свойства нанопроволок
      • 3.3.1 Исследование механических свойств нанопроволок
      • 3.3.2 Модуль Юнга нанопроволок
      • 3.3.3 Предел текучести нанопроволок
  • 4 Области применения
    • 4.1 Электронные устройства
    • 4.2 Устройства с одной нанопроволокой для измерения газов и химикатов
    • 4.3 Лазеры на нанопроволоке
    • 4.4 Обнаружение белков и химических веществ с помощью полупроводниковых нанопроволок
      • 4.4.1 Ограничения обнаружения с помощью кремниевых нанопроволок на полевых транзисторах
  • 5 Кукурузоподобные нанопроволоки
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки
Обзор
Кристаллическая нанопроволока с 2 × 2 атомами селенида олова, выращенная внутри одностенной углеродной нанотрубки (диаметр трубки ~ 1 нм). Шум Электронно-фильтрованное изображение HRTEM крайней нанопроволоки HgTe, внедренной в центральную пору ОСУНТ. Изображение также сопровождается моделированием кристаллической структуры.

Типичные нанопроволоки имеют соотношение сторон (отношение длины к ширине) 1000 или более. Поэтому их часто называют одномерными (1-D) материалами. Нанопроволоки обладают множеством интересных свойств, которые нельзя увидеть в объемных или трехмерных материалах. Это связано с тем, что электроны в нанопроволоках квантово ограничены латерально и, таким образом, занимают энергетические уровни, которые отличаются от традиционного континуума энергетических уровней или полос, обнаруживаемых в объемных материалах.

Особенности этого квантового ограничения, проявляемые некоторыми нанопроводами, проявляются в дискретных значениях электропроводности. Такие дискретные значения возникают из-за квантово-механического ограничения количества электронов, которые могут проходить через провод в нанометровом масштабе. Эти дискретные значения часто называют квантами проводимости и являются целым кратным

2 e 2 h ≃ 77,41 μ S {\ displaystyle {\ frac {2e ^ {2}} {h} } \ simeq 77.41 \; \ mu S}{\ frac {2e ^ {2}} {h}} \ simeq 77.41 \; \ mu S

a + b = c {\ displaystyle a + b = c}a + b = c

Они являются обратной величиной хорошо известной единицы сопротивления h / e, которая примерно равна 25812,8. Ом и называется константой фон Клитцинга R K (в честь Клауса фон Клитцинга, первооткрывателя точного квантования ). С 1990 года принято фиксированное условное значение R K-90.

Примеры нанопроволок включают неорганические молекулярные нанопроволоки (Mo 6S9-x Ix, Li 2Mo6Se6), который может иметь диаметр 0,9 нм и длину в сотни микрометров. Другие важные примеры основаны на полупроводниках, таких как InP, Si, GaN и т.д., диэлектриках (например, SiO 2, TiO 2) или металлах (например, Ni, Pt).

Существует множество приложений, в которых нанопровода могут стать важными в электронных, оптоэлектронных и наноэлектромеханических устройствах, в качестве добавок в передовые композиты, для металлических межсоединений в квантовых устройствах нанометрового масштаба, в качестве полевых эмиттеров и в качестве проводов для биомолекулярных наносенсоров.

Синтез
Изображение SEM эпитаксиальных нанопроволочных гетероструктур, выращенных из каталитических наночастиц золота.

Существует два основных подхода к синтезу нанопроволок: сверху вниз и снизу вверх. При подходе сверху вниз большой кусок материала превращается в мелкие с помощью различных средств, таких как литография, измельчение или термическое окисление. При восходящем подходе нанопроволока синтезируется путем объединения составляющих адатомов. Большинство методов синтеза используют восходящий подход. За первоначальным синтезом любым способом часто может следовать стадия термообработки нанопроволоки, часто включающая форму самоограничивающегося окисления, для точной настройки размера и соотношения сторон структур.

При производстве нанопроволоки используются несколько общих лабораторных методов, включая суспензию, электрохимическое осаждение, осаждение из паровой фазы и выращивание VLS. Ионно-трековая технология позволяет выращивать гомогенные и сегментированные нанопроволоки диаметром до 8 нм. Поскольку скорость окисления нанопроволок регулируется диаметром, этапы термического окисления часто применяются для настройки их морфологии.

Подвеска

Подвешенная нанопроволока - это проволока, произведенная в камере высокого вакуума, удерживаемая на продольных концах. Подвешенные нанопроволоки могут быть получены с помощью:

  • химического травления проволоки большего размера
  • бомбардировки проволоки большего размера, как правило, ионами высокой энергии
  • вдавливания кончика СТМ на поверхности металла вблизи точки его плавления, а затем его втягивание

Рост VLS

Распространенным методом создания нанопроволоки является метод пар-жидкость-твердое тело ( VLS), о котором впервые сообщили Вагнер и Эллис в 1964 году для кремниевых усов с диаметром от сотен нм до сотен мкм. Этот процесс может производить высококачественные кристаллические нанопроволоки из многих полупроводниковых материалов, например, выращенные методом VLS монокристаллические кремниевые нанопроволоки (SiNW) с гладкой поверхностью могут иметь превосходные свойства, такие как сверхбольшая эластичность. В этом методе используется исходный материал либо из частиц, подвергнутых лазерной абляции , либо из исходного газа, такого как силан.

. Для синтеза VLS требуется катализатор. Для нанопроводов лучшими катализаторами являются жидкие металлы (такие как золото ) нанокластеры, которые можно самостоятельно собрать из тонкой пленки путем обезвоживания или приобрести в коллоидной форме и нанесены на подложку.

Источник входит в эти нанокластеры и начинает их насыщать. По достижении пересыщения источник затвердевает и вырастает наружу из нанокластера. Простое выключение источника может изменить окончательную длину нанопроволоки. Переключение источников, пока они все еще находятся в фазе роста, может создавать сложные нанопроволоки со сверхрешетками из чередующихся материалов.

Одностадийная парофазная реакция при повышенной температуре позволяет синтезировать неорганические нанопроволоки, такие как Mo 6S9-x Ix. С другой точки зрения, такие нанопроволоки представляют собой кластерные полимеры.

VSS Growth Подобно VLS-синтезу, VSS (пар-твердое-твердое) синтез нанопроволок (NW) происходит посредством термолитического разложения прекурсора кремния (обычно фенилсилана).. В отличие от VLS, каталитическая затравка остается в твердом состоянии после высокотемпературного отжига подложки. Такой тип синтеза широко используется для синтеза нанопроволок силицидов металлов / германидов путем легирования VSS между медной подложкой и прекурсором кремний / германий.

Синтез в фазе раствора

Синтез в фазе раствора относится к методам выращивания нанопроволок в растворе. Они могут производить нанопровода из многих типов материалов. Фазовый синтез в растворе имеет то преимущество, что он может производить очень большие количества по сравнению с другими методами. В одном методе синтеза полиола этиленгликоль является как растворителем, так и восстанавливающим агентом. Этот метод особенно универсален при производстве нанопроволок из золота, свинца, платины и серебра.

Метод выращивания в сверхкритическом состоянии жидкость-жидкость-твердое тело можно использовать для синтеза полупроводниковых нанопроволок, например Si и Ge. При использовании металлических нанокристаллов в качестве затравки металлоорганические предшественники Si и Ge загружают в реактор, заполненный сверхкритическим органическим растворителем, таким как толуол. Термолиз приводит к деградации предшественника, что позволяет высвобождать Si или Ge и растворяться в металлических нанокристаллах. По мере того как больше растворенного полупроводника добавляется из сверхкритической фазы (из-за градиента концентрации), твердый кристаллит выпадает в осадок, и нанопроволока растет одноосно из затравки нанокристалла.

Наблюдение на месте роста нанопроволок CuO

Некаталитический рост

Нанопроволоки также можно выращивать без помощи катализаторов, что дает преимущество чистых нанопроволок и сводит к минимуму количество технологических этапов. В простейших методах получения нанопроволок оксидов металлов используется обычный нагрев металлов, например металлический провод, нагретый батареей, Джоулевым нагревом на воздухе можно легко сделать в домашних условиях. Подавляющее большинство механизмов образования нанопроволок объясняется использованием каталитических наночастиц, которые стимулируют рост нанопроволоки и либо добавляются намеренно, либо генерируются во время роста. Однако механизмы роста нанопроволок (или усов) без катализатора были известны с 1950-х годов. Спонтанное образование нанопроволок некаталитическими методами объяснялось наличием дислокации в определенных направлениях или анизотропией роста различных граней кристалла. Совсем недавно, после развития микроскопии, был продемонстрирован рост нанопроволок за счет винтовых дислокаций или двойных границ. На рисунке справа показан рост одного атомного слоя на кончике нанопроволоки CuO, наблюдаемый с помощью in situ ПЭМ-микроскопии во время некаталитического синтеза нанопроволоки.

Синтез металлических нанопроволок по шаблону ДНК

Возникающей областью является использование цепей ДНК в качестве каркасов для синтеза металлических нанопроволок. Этот метод исследуется как для синтеза металлических нанопроволок в электронных компонентах, так и для приложений биочувствительности, в которых они позволяют трансдукцию нити ДНК в металлическую нанопроволоку, которая может быть обнаружена электрически. Обычно нити оцДНК растягиваются, после чего они украшаются металлическими наночастицами, которые функционализированы короткими комплементарными цепями оцДНК.

Литография с теневой маской с выделением трещин

Простой метод получения нанопроволок с определенной геометрия была недавно сообщена с использованием традиционной оптической литографии. В этом подходе оптическая литография используется для создания нанозазоров с контролируемым образованием трещин. Эти нанозазоры затем используются в качестве теневой маски для создания отдельных нанопроволок с точной длиной и шириной. Этот метод позволяет производить отдельные нанопроволоки шириной менее 20 нм с возможностью масштабирования из нескольких металлических материалов и оксидов металлов.

Физика

Проводимость нанопроволок

Изображение SEM никелевой проволоки толщиной 15 микрометров.

Несколько физических причин предсказывают, что проводимость нанопроволоки будет намного меньше, чем у соответствующего насыпного материала. Во-первых, это рассеяние от границ проволоки, влияние которого будет очень значительным, если ширина проволоки меньше длины свободного пробега свободных электронов в массивном материале. В меди, например, длина свободного пробега составляет 40 нм. Медные нанопроволоки шириной менее 40 нм сокращают длину свободного пробега до ширины проволоки. Серебряные нанопроволоки имеют очень отличную электрическую и теплопроводность от массивного серебра.

Нанопроволоки также демонстрируют другие специфические электрические свойства из-за своего размера. В отличие от одностенных углеродных нанотрубок, движение электронов которых может подпадать под режим баллистического транспорта (что означает, что электроны могут свободно перемещаться от одного электрода к другому), на проводимость нанопроволоки сильно влияют краевые эффекты. Краевые эффекты возникают из-за атомов, которые лежат на поверхности нанопроволоки и не полностью связаны с соседними атомами, как атомы в объеме нанопроволоки. Несвязанные атомы часто являются источником дефектов внутри нанопроволоки и могут привести к тому, что нанопроволока будет проводить электричество хуже, чем объемный материал. По мере того, как нанопроволока уменьшается в размере, поверхностных атомов становится больше по сравнению с атомами внутри нанопроволоки, и краевые эффекты становятся более важными.

Кроме того, проводимость может подвергаться квантованию по энергии: то есть энергия электронов, проходящих через нанопроволоку, может принимать только дискретные значения, которые кратны кванту проводимости G = 2e / h (где e - заряд электрона, а h - постоянная Планка. См. также квантовый эффект Холла ).

Таким образом, проводимость описывается как сумма переноса по отдельным каналам различных квантованных уровней энергии. Чем тоньше провод, тем меньше каналов для переноса электронов.

Это квантование было продемонстрировано путем измерения проводимости нанопроволоки, подвешенной между двумя электродами при ее вытягивании: по мере уменьшения ее диаметра ее проводимость снижается ступенчато, а плато соответствует кратным G.

Квантование проводимости более выражено в полупроводниках, таких как Si или GaAs, чем в металлах, из-за их более низкой электронной плотности и более низкой эффективной массы. Это можно наблюдать в кремниевых пластинах шириной 25 нм и приводит к увеличению порогового напряжения. На практике это означает, что MOSFET с такими кремниевыми ребрами нанометрового размера при использовании в цифровых приложениях потребует более высокого напряжения затвора (управления) для включения транзистора.

Сварка нанопроволок

Чтобы внедрить технологию нанопроволоки в промышленное применение, исследователи в 2008 году разработали метод сварки нанопроволок вместе: металлическая нанопроволока жертвенного металла помещается рядом с концами соединяемых деталей (с помощью манипуляторы сканирующего электронного микроскопа ); затем подается электрический ток, который плавит концы провода. Этот метод плавит проволоку размером до 10 нм.

Для нанопроволок диаметром менее 10 нм существующие методы сварки, которые требуют точного управления механизмом нагрева и которые могут привести к повреждению, не будут практичными.. Недавно ученые обнаружили, что монокристаллические ультратонкие золотые нанопроволоки диаметром ~ 3–10 нм можно «сварить в холодном состоянии» в течение нескольких секунд одним лишь механическим контактом и при исключительно низких приложенных давлениях (в отличие от макро- и микромасштабов холодного процесс сварки ). Просвечивающая электронная микроскопия с высоким разрешением и измерения in situ показывают, что сварные швы почти идеальны, с той же ориентацией кристаллов, прочностью и электропроводностью, что и остальная нанопроволока. Высокое качество сварных швов объясняется наноразмерными размерами образца, механизмами ориентированного крепления и быстрой поверхностной диффузией с механической поддержкой. Также были продемонстрированы сварные швы нанопроволоки между золотом и серебром, и серебряные нанопроволоки (диаметром ~ 5–15 нм) при температуре, близкой к комнатной, что указывает на то, что этот метод может быть в целом применим для ультратонких металлических нанопроволок. Ожидается, что в сочетании с другими технологиями нано- и микротехнологии холодная сварка найдет потенциальное применение в будущем восходящая сборка металлических одномерных наноструктур.

Механические свойства нанопроволок

Исследование механических свойств нанопроволок

Кривая напряжения-деформации обеспечивает все соответствующие механические свойства, включая: модуль упругости при растяжении, предел текучести, предел прочности при растяжении и прочность на излом

Изучение механики нанопроволоки резко выросло с момента появления атомно-силового микроскопа (АСМ) и связанных с ним технологий, которые позволили напрямую изучить реакция нанопроволоки на приложенную нагрузку. В частности, нанопроволока может быть зажата с одного конца, а свободный конец перемещен наконечником АСМ. В этой геометрии кантилевера точно известна высота AFM и приложенная сила. Это позволяет построить кривую зависимости силы от смещения, которую можно преобразовать в кривую напряжение-деформация, если размеры нанопроволоки известны. Из кривой "напряжение-деформация" можно получить постоянную упругости, известную как модуль Юнга, а также ударную вязкость и степень деформационного упрочнения.

Юнга. Модуль упругости нанопроволок

Упругая составляющая кривой напряжения-деформации, описываемая модулем Юнга, была описана для нанопроволок, однако этот модуль очень сильно зависит от микроструктуры. Таким образом, полное описание зависимости модуля от диаметра отсутствует. Аналитически, механика сплошной среды была применена для оценки зависимости модуля от диаметра: E = E 0 [1 + 4 (E 0 / E s - 1) (rs / D - rs 2 / D 2)] {\ displaystyle E = E_ {0} [1 + 4 (E_ {0} / E_ {s} -1) (r_ {s} / D-r_ {s} ^ {2} / D ^ { 2})]}{\ displaystyle E = E_ {0} [1 + 4 (E_ {0} / E_ {s} -1) (r_ {s} / D-r_ {s} ^ {2} / D ^ {2}) ]} при растяжении, где E 0 {\ displaystyle E_ {0}}{\ displaystyle E_ {0}} - объемный модуль упругости, rs {\ displaystyle r_ {s} }{\ displaystyle r_ {s}} - толщина слоя оболочки, в котором модуль упругости зависит от поверхности и отличается от объема, E s {\ displaystyle E {s}}{\ displaystyle E {s}} - модуль упругости поверхности, а D {\ displaystyle D}D - диаметр. Это уравнение подразумевает, что модуль увеличивается с уменьшением диаметра. Однако различные вычислительные методы, такие как молекулярная динамика, предсказывают, что модуль должен уменьшаться с уменьшением диаметра.

Экспериментально было показано, что золотые нанопровода имеют модуль Юнга, который фактически не зависит от диаметра. Аналогичным образом, наноиндентирование было применено для изучения модуля серебряных нанопроволок, и снова было обнаружено, что модуль упругости составляет 88 ГПа, что очень похоже на модуль объемного серебра (85 ГПа). Эти работы продемонстрировали, что аналитически определенная зависимость модуля, по-видимому, подавлена ​​в образцах нанопроволок, кристаллическая структура которых очень напоминает структуру объемной системы.

Напротив, твердые нанопроволоки Si были изучены и показали, что модуль упругости уменьшается с увеличением диаметра. Авторы этой работы сообщают, что модуль упругости Si вдвое меньше объемного значения, и они предполагают, что плотность Точечные дефекты и / или потеря химической стехиометрии могут объяснить эту разницу.

Предел текучести нанопроволок

Пластический компонент кривой деформации напряжения (или, точнее, начало пластичности) описывается пределом текучести. Прочность материала увеличивается за счет уменьшения количества дефектов в твердом теле, что естественным образом возникает в наноматериалах, где объем твердого тела уменьшается. Поскольку нанопроволока сжимается до единственной линии атомов, прочность теоретически должна возрасти до предела прочности на разрыв молекулы. Золотые нанопроволоки были охарактеризованы как «сверхвысокая прочность» из-за резкого увеличения предела текучести, приближающегося к теоретическому значению E / 10. Было определено, что такое огромное увеличение текучести связано с отсутствием дислокаций в твердом теле. Без движения дислокации действует механизм «дислокация-голодание». Соответственно, материал может испытывать огромные напряжения до того, как станет возможным движение дислокации, а затем начинает деформироваться. По этим причинам нанопроволоки (исторически называемые «усами») широко используются в композитах для повышения общей прочности материала. Более того, нанопроволоки продолжают активно изучаться, и исследования направлены на преобразование улучшенных механических свойств в новые устройства в областях МЭМС или NEMS.

Приложения

Электронные устройства

Результат атомистического моделирования для формирования канала инверсии (электронной плотности) и достижения порогового напряжения (IV) в полевом МОП-транзисторе с нанопроволокой. Обратите внимание, что пороговое напряжение для этого устройства составляет около 0,45 В.

Нанопроволоки можно использовать для MOSFET (MOS полевых транзисторов ). МОП-транзисторы широко используются в качестве основных строительных элементов в современных электронных схемах. Как предсказывает закон Мура, размер МОП транзисторов сжимается все меньше и меньше до наномасштаба. Одна из ключевых задач создания будущих наноразмерных МОП-транзисторов - обеспечение хорошего управления затвором канала. Из-за высокого соотношения сторон, если диэлектрик затвора обернут вокруг канала нанопроволоки, мы можем получить хороший контроль над электростатическим потенциалом канала, тем самым эффективно включая и выключая транзистор.

Благодаря уникальной одномерной структуре с замечательными оптическими свойствами, нанопроволока также открывает новые возможности для создания фотоэлектрических устройств с высоким КПД. По сравнению со своими объемными аналогами, солнечные элементы с нанопроволокой менее чувствительны к примесям из-за объемной рекомбинации, и поэтому кремниевые пластины с более низкой чистотой могут использоваться для достижения приемлемой эффективности, что приводит к снижению расхода материала.

При создании активных электронных элементов первым ключевым шагом было химическое легирование полупроводниковой нанопроволоки. Это уже было сделано с отдельными нанопроводами для создания полупроводников p-типа и n-типа.

Следующим шагом было найти способ создать p – n-переход, одно из самых простых электронных устройств. Это было достигнуто двумя способами. Первый способ заключался в том, чтобы физически пересечь провод p-типа над проводом n-типа. Второй метод заключался в химическом легировании одиночной проволоки различными легирующими добавками по длине. Этот метод создал p-n-переход только с одним проводом.

После того, как p-n-переходы были построены с помощью нанопроволок, следующим логическим шагом было создание логических вентилей. Соединив несколько p-n-переходов вместе, исследователи смогли создать основу для всех логических схем: вентили И, OR и НЕ были созданы из пересечений полупроводниковых нанопроволок.

В августе 2012 года исследователи сообщили о создании первого логического элемента NAND из нелегированных кремниевых нанопроволок. Это позволяет избежать проблемы, связанной с прецизионным легированием дополнительных наноцепей, которая остается нерешенной. Они смогли управлять барьером Шоттки для достижения контактов с низким сопротивлением, разместив слой силицида на границе раздела металл-кремний.

Возможно, полупроводниковая нанопроволока переходы будут важны для будущего цифровых вычислений. Хотя есть и другие применения нанопроволок помимо этого, единственные, которые действительно используют преимущества физики в нанометровом режиме, являются электронными.

Кроме того, нанопроволоки также изучаются для использования в качестве фотонных баллистических волноводов в качестве межсоединений в квантовая точка / квантовые ямы с фотонной логикой. Фотоны перемещаются внутри трубки, электроны перемещаются по внешней оболочке.

Когда две нанопроволоки, действующие как фотонные волноводы, пересекаются друг с другом, соединение действует как квантовая точка.

Проводящие нанопроволоки дают возможность соединять объекты молекулярного масштаба в молекулярном компьютере. Дисперсии проводящих нанопроволок в различных полимерах исследуются для использования в качестве прозрачных электродов для гибких дисплеев с плоским экраном.

Из-за их высоких модулей Юнга их использование в механическом улучшении композитов изучается. Поскольку нанопроволоки собираются в пучки, их можно использовать в качестве трибологических добавок для улучшения характеристик трения и надежности электронных преобразователей и исполнительных механизмов.

Благодаря своему высокому соотношению сторон нанопроволоки также уникально подходят для диэлектрофорезной манипуляции, которая предлагает недорогой восходящий подход к интеграции подвешенных диэлектрических нанопроволок оксида металла в электронные устройства, такие как в качестве датчиков ультрафиолета, водяного пара и этанола.

Устройства с одной нанопроволокой для измерения газа и химикатов

Как упоминалось ранее, высокое соотношение сторон нанопроволоки делает эти наноструктуры подходящими для электрохимического измерения с потенциалом для максимальной чувствительности. Одна из проблем, связанных с использованием нанопроволок в коммерческих продуктах, связана с изоляцией, обращением и интеграцией нанопроволок в электрическую цепь при использовании традиционного и ручного подхода по выбору и установке, что приводит к очень ограниченной пропускной способности. Недавние разработки в методах синтеза нанопроволоки теперь позволяют параллельное производство устройств на основе одинарных нанопроволок с полезными приложениями в электрохимии, фотонике, газо- и биодатчиках.

Лазеры на нанопроволоке

Лазеры на нанопроволоке для сверхбыстрой передачи информации в свету импульсы

Нанопроволочные лазеры представляют собой наноразмерные лазеры с потенциалом в качестве оптических межсоединений и оптической передачи данных на кристалле. Лазеры на основе нанопроволоки построены на основе полупроводниковых гетероструктур III – V, высокий показатель преломления обеспечивает низкие оптические потери в сердцевине нанопроволоки. Нанопроволочные лазеры - это субволновые лазеры с длиной волны всего несколько сотен нанометров. Нанопроволочные лазеры представляют собой резонаторные полости Фабри – Перо, определяемые торцами провода с высокой отражательной способностью, недавние разработки продемонстрировали частоту повторения более 200 ГГц, предлагая возможности для оптической связи на уровне чипа.

Определение белков и химикатов. с использованием полупроводниковых нанопроволок

Аналогично устройствам на полевых транзисторах, в которых модуляция проводимости (поток электронов / дырок) в полупроводнике между входом (исток) и выходом (сток) контролируется посредством изменение электростатического потенциала (электрод затвора) носителей заряда в проводящем канале устройства, методология Bio / Chem-FET основана на обнаружении локального изменения плотности заряда или так называемого «эффекта поля», который характеризует событие распознавания между молекулой-мишенью и поверхностным рецептором.

Это изменение поверхностного потенциала влияет на устройство Chem-FET точно так же, как напряжение «затвора», что приводит к обнаруживаемым и измеримым изменениям проводимости устройства. Когда эти устройства изготавливаются с использованием полупроводниковых нанопроволок в качестве транзисторного элемента, связывание химического или биологического вещества с поверхностью датчика может привести к истощению или накоплению носителей заряда в «основной части» нанопроволоки нанометрового диаметра, т.е. раздел, доступный для каналов проводимости). Кроме того, провод, который служит настраиваемым проводящим каналом, находится в тесном контакте с окружающей средой обнаружения цели, что приводит к короткому времени отклика, а также к увеличению на порядки чувствительности устройства в результате огромного Отношение S / V нанопроволок.

Хотя для изготовления нанопроволок использовалось несколько неорганических полупроводниковых материалов, таких как Si, Ge и оксиды металлов (например, In2O3, SnO2, ZnO и т. Д.), Si обычно является предпочтительным материалом при изготовлении нанопроволок. Химио / биосенсоры на основе полевых транзисторов.

Несколько примеров использования сенсорных устройств кремниевой нанопроволоки (SiNW) включают сверхчувствительное зондирование белков-биомаркеров рака в реальном времени, обнаружение единичных вирусных частиц, а также обнаружение нитроароматических взрывчатых материалов, таких как 2,4,6-тринитротолуол (TNT), в чувствительности выше, чем у собак. Кремниевые нанопроволоки также могут использоваться в их скрученной форме в качестве электромеханических устройств для измерения межмолекулярных сил с большой точностью.

Ограничения чувствительности с помощью кремниевых нанопроволок устройств на полевых транзисторах

Обычно, заряды на растворенных молекулах и макромолекулах экранируются растворенными противоионами, поскольку в большинстве случаев молекулы, связанные с устройствами, отделены от поверхности сенсора примерно на 2–12 нм (размер рецепторных белков или линкеров ДНК, связанных с поверхностью сенсора).). В результате экранирования электростатический потенциал, который возникает из-за зарядов на молекуле аналита, экспоненциально спадает к нулю с расстоянием. Таким образом, для оптимального восприятия, длина Дебая должна быть тщательно выбрана для измерений полевого транзистора с нанопроволокой. Один из подходов к преодолению этого ограничения заключается в использовании фрагментации улавливающих антитела единиц и контроля над поверхностной плотностью рецепторов, что обеспечивает более тесное связывание с нанопроволокой целевого белка. Этот подход оказался полезным для значительного повышения чувствительности обнаружения сердечных биомаркеров (например, тропонина ) непосредственно из сыворотки для диагностики острого инфаркта миокарда.

Кукурузоподобные нанопроволоки.

Кукурузоподобная нанопроволока - это одномерная нанопроволока с взаимосвязанными наночастицами на поверхности, обеспечивающая большой процент реактивных граней. TiO 2 кукурузоподобные нанопроволоки были впервые получены с использованием концепции модификации поверхности с использованием механизма поверхностного натяжения посредством двух последовательных гидротермальных операций, и показали повышение эффективности сенсибилизированного красителем солнечного элемента на 12% в светорассеивающем слое.. Ранее также сообщалось о нанопроволоках типа кукурузы CdSe, выращенных путем химического осаждения в ванне, и о фотокатализаторах типа кукурузы γ-Fe 2O3@SiO 2 @TiO 2, индуцированных магнитными дипольными взаимодействиями.

См. Также
  • icon Научный портал
  • Технологический портал
Ссылки
Внешние ссылки
Поищите нанопровод в Викисловаре, бесплатном словаре.
Последняя правка сделана 2021-05-31 09:21:38
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте