專利名稱：碳納米管化學分子探測傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米探測傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種利用納米尺度的碳納米管實現(xiàn)對化學分子傳感探測的器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前市場上有多種化學氣體傳感器，其構(gòu)成的主要材料是氧化物半導體，結(jié)構(gòu)以薄膜器件為主。對化學氣體探測的原理主要基于1)薄膜表面吸附不同氣體后改變載流子的表面散射幾率；2)表面載流子濃度受到吸附氣體的調(diào)制。這兩個原因?qū)е卤∧さ碾妼Оl(fā)生變化，從而實現(xiàn)傳感特性。薄膜傳感器工藝簡單、成本低，但其探測靈敏度低，并且大多需要工作在較高溫度。
隨著納米科技的發(fā)展，特別是納米材料制備技術(shù)與器件設計和加工能力的增強，人們開始關(guān)注納米探測傳感器件，有些原理型傳感器件已經(jīng)制備出來。從器件材料來看，納米傳感器使用一維的氧化物半導體納米線、納米帶、納米管取代了二維的薄膜材料，由于其比表面積相對于薄膜材料有顯著的提高(比常用薄膜傳感器中的薄膜厚度提高近三個量級)，因此器件的靈敏度得到了極大的提高。目前納米傳感器件的工作模式主要可分為電導型和場效應型。前者是利用納米材料吸附的化學氣體分子同一維納米結(jié)構(gòu)表面進行電荷交換，使納米結(jié)構(gòu)表面的載流子發(fā)生消耗(或積累)，導致納米結(jié)構(gòu)的電導減小(或增加)，從而實現(xiàn)對吸附氣體的傳感探測。后者實際上就是利用一維納米結(jié)構(gòu)制備出場效應管，然后利用吸附氣體同納米結(jié)構(gòu)間的電荷轉(zhuǎn)移對場效應管的輸入輸出特性、轉(zhuǎn)移特性等的影響來探測吸附氣體。它比電導型傳感器探測的靈敏度要高，但制作工藝相應復雜許多。
但是，前面介紹的納米傳感器件都只是應用了納米結(jié)構(gòu)的表面效應這一特點，雖然它對化學氣體的探測傳感靈敏度比薄膜器件得到了明顯增強，但還不能實現(xiàn)對單分子的直接探測與鑒別。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提供一種具有單分子探測能力的碳納米管化學分子探測傳感器及其制備方法。
技術(shù)方案本發(fā)明的碳納米管化學分子探測傳感器，其特征在于單壁碳納米管置于襯底上，其一端沉積基點電極，然后在納米管上距離另一端口(懸空端)距離為該納米管的電子相干長度的位置再沉積相干電極；基點電極、相干電極分別通過置于襯底上的相應外接電極與探測儀相連，或基點電極直接與探測儀相連；碳納米管表面涂敷保護層，但懸空端暴露作為傳感探頭。
在上述傳感器中，所述碳納米管的長度為微米級，直徑為1～3納米，懸空端為斷口狀；所述相干電極的寬度小于等于20納米。
本發(fā)明的碳納米管化學分子探測傳感器的制備方法，其特征在于1)將單壁碳納米管分散在絕緣的襯底上，使得碳納米管的分散平均面密度為0.1～0.2根/平方微米；2)利用電子束光刻等技術(shù)在碳納米管的一端制備金屬基點電極；3)利用掃描隧道顯微鏡確定上述碳納米管中的電子相干長度；4)利用聚焦離子束在納米管上離懸空端距離為電子相干長度的位置處沉積金屬相干電極，該相干電極的寬度小于等于20納米；5)利用電子束光刻在絕緣襯底上制備面積為微米級的金屬外接電極2個，并且與步驟2)和步驟4)制備的基點電極及相干電極分別連接；或者只沉積上述外接電極1個，并且與相干電極連接；6)利用掃描探針直寫(Dip-pen)的方法將高分子有機絕緣材料涂覆在碳納米管表面形成保護層，但在納米管懸空端需留出長度小于等于10納米、無保護膜的一小段作為傳感探頭。
本發(fā)明的碳納米管化學分子探測傳感器，其工作原理是利用電子波在一維納米結(jié)構(gòu)中的量子相干效應。
電子具有波粒二象性。在經(jīng)典導體中，由于缺陷、聲子等的散射，使電子的相干性不能充分體現(xiàn)。但碳納米管有完美的晶體結(jié)構(gòu)，且尺寸很小，因此電子的相干性將成為輸運過程的主導因素。電子在碳納米管中的運動可以看成是一列波在波導中的行進，當遇到勢壘時，即發(fā)生透射，也發(fā)生反射，反射波在滿足相干條件下將與入射波發(fā)生干涉。
本納米單分子傳感器中，注入到碳納米管中的電子波首先在相干電極處發(fā)生分波成為兩個波列，其中一個波列沿相干電極前行，另一個繼續(xù)沿碳管前行的波列將在懸空端處發(fā)生透射與反射，其反射波在適當?shù)臈l件下(相干條件)將與沿相干電極前行的波列發(fā)生干涉，并被相干電極接收，探測儀中所顯示的電流將呈現(xiàn)周期性振蕩，否則就沒有電流的振蕩現(xiàn)象。
滿足相干條件至少需要懸空端的長度小于電子波在碳管中的相干長度。探測傳感器工作的條件是當懸空端長度和相干長度相同時，懸空端斷口一旦吸附分子，將增加附加相位，導致原先可以發(fā)生的相干干涉現(xiàn)象消失，從而實現(xiàn)探測傳感功能。同時，懸空端斷口吸附分子后，其對電子反射的能力會發(fā)生變化，進而導致在相干電極處相干強度的大小(即電流值)也會發(fā)生變化，從而實現(xiàn)探測傳感功能。
有益效果這種碳納米管傳感器利用了電子波的量子相干特性，因此具有很高的靈敏度，原則上可以實現(xiàn)單分子的探測傳感。而本發(fā)明的結(jié)構(gòu)保證了探頭處所暴露的碳納米管表面積非常小，使得懸空端斷口所吸附的分子能夠是單個分子，從而使探測器的靈敏度得到進一步的保證。在結(jié)合理論計算獲得不同分子吸附對電導的影響后，還可以進一步實現(xiàn)單分子的識別功能。


圖1是本發(fā)明的碳納米管傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；其中有基點電極1，相干電極2，碳納米管3，表面涂覆保護層4，外接電極5和襯底6。
圖2是實施例1的C(5，5)碳納米管傳感器吸附氣體前后電導的變化。
圖3是實施例2的C(9，0)碳納米管傳感器吸附氣體前后電導的變化。
具體實施例方式
實施例11)將長度約為3微米、結(jié)構(gòu)為C(5，5)的開口單壁碳納米管分散在乙醇溶液中，經(jīng)超聲處理1分鐘后，將少許混合溶液滴到二氧化硅襯底上，待乙醇自然揮發(fā)后碳管就留在襯底上，10平方微米的范圍內(nèi)約有1～2根碳納米管；2)利用顯微鏡找出其中一根不同其他碳管聯(lián)結(jié)或接觸的碳納米管，利用電子束光刻工藝在碳納米管的一端制備金屬材質(zhì)的基點電極，電極的金屬可以分兩層以便有較好的附著力和導電性，本實施例中是先沉積10納米厚的鈦(Ti)，然后再沉積50納米的金(Au)，基點電極在納米管上的寬度約300納米，并將納米管的一端斷口完全覆蓋(該電極的寬度并無特定要求，以制作工藝簡便為主；如果其寬度不能將斷口覆蓋，還可以在后續(xù)過程中利用高分子有機材料形成的保護層將斷口覆蓋，以避免該端吸附分子)，納米管的另一端懸空；3)將上述部件裝到掃描隧道顯微鏡(STM)中，基點電極接地，沿碳納米管移動STM探針，通過觀察相應的隧道譜確定出碳納米管中電子的相干長度為30納米；4)利用聚焦離子束在碳管上離懸空端斷口距離為30納米的位置上制備出一寬度為12納米的金屬鉑(Pt)材質(zhì)的相干電極；該相干電極的寬度小于等于20納米(該電極的寬度將直接影響到器件的探測靈敏度，電極寬度越窄，靈敏度越高)；5)利用電子束光刻在碳納米管近旁的二氧化硅襯底上沉積出面積為5平方微米的金屬外接電極2個(該電極的金屬層結(jié)構(gòu)與上述基點電極相同)，并且與步驟2)和步驟4)制備的兩個基點電極及相干電極分別連接；然后即可通過相應的外接電極與探測儀相連(外接電極的面積大小并無特定要求，只要便于與探測儀連接即可。做成微米級就是為了便于制作、便于連接)；對電極的正負極也沒有要求，任意一個接正極均可；6)利用掃描探針直寫(Dip-pen)方法將高分子有機材料聚甲基丙烯酸甲酯涂覆在碳納米管表面，但懸空端留出8納米的一小段未覆蓋、使碳納米管斷口暴露在外作為傳感探頭(該小段的長度越短，則吸附的分子越少，探測精度越高；若要探測多個分子，可以將該小段的長度相應地保留較長)；7)對納米傳感器進行測量，發(fā)現(xiàn)當氨分子吸附到傳感器的懸空端后，電導將呈現(xiàn)明顯的變化(參見圖2，吸附前電導呈現(xiàn)振幅不等的周期振蕩，吸附后即無振蕩)，據(jù)此實現(xiàn)化學分子的傳感探測。
實施例21)將長度約為3微米、結(jié)構(gòu)為C(9，0)的開口單壁碳納米管分散在乙醇溶液中，經(jīng)超聲處理1分鐘后，將少許混合溶液滴到云母襯底上，待乙醇自然揮發(fā)后碳管就留在襯底上，10平方微米的范圍內(nèi)約有1～2根碳納米管；2)利用顯微鏡找出其中一根不同其他碳管聯(lián)結(jié)或接觸的碳納米管，利用電子束光刻工藝在碳納米管的一端制備金屬材質(zhì)的基點電極，電極的金屬也分為兩層，先沉積10納米厚的鉻(Cr)，然后再沉積50納米的金(Au)，電極在納米管上的寬度約為1微米，并將納米管的一端斷口完全覆蓋，另一端懸空；3)將上述部件裝到掃描隧道顯微鏡(STM)中，基點電極接地，沿碳納米管移動STM探針，通過觀察相應的隧道譜確定出碳納米管中電子的相干長度為40納米；4)利用聚焦離子束在碳管上離懸空端斷口距離為40納米的位置上制備出一寬度為12納米的金屬鉑(Pt)材質(zhì)的相干電極；5)利用電子束光刻在碳納米管近旁的云母襯底上沉積出面積為20平方微米的金屬外接電極1個(該電極的金屬層與上述基點電極相同)，并且與步驟4)制備的相干電極連接；該相干電極即可通過外接電極與探測儀相連；而基點電極本身的面積較大，可以直接與探測儀連接；對電極的正負極沒有要求，任意一個接正極均可；6)利用掃描探針直寫(Dip-pen)方法將高分子有機材料聚氯己烯涂覆在碳納米管表面，懸空端留出10納米的一小段未覆蓋作為傳感探頭；7)對納米傳感器進行測量，發(fā)現(xiàn)當氨分子吸附到傳感器的懸空端后，電導將呈現(xiàn)明顯的變化(參見圖3，吸附前電導呈現(xiàn)振幅相等的周期振蕩，吸附后即無振蕩)，據(jù)此實現(xiàn)化學分子的傳感探測。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管化學分子探測傳感器，其特征在于將單壁碳納米管置于襯底上，其一端沉積基點電極，然后在納米管上距離另一端口即懸空端距離為該納米管的電子相干長度的位置再沉積相干電極；基點電極、相干電極分別通過置于襯底上的相應外接電極與探測儀相連，或基點電極直接與探測儀相連；碳納米管表面涂敷保護層，但懸空端暴露作為傳感探頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管化學分子探測傳感器，其特征在于在傳感器中，所述碳納米管的長度為微米級，直徑為1～3納米，懸空端為斷口狀；所述相干電極的寬度小于等于20納米。
3.一種如權(quán)利要求1所述的碳納米管化學分子探測傳感器的制備方法，其特征在于制備方法為1)將單壁碳納米管分散在絕緣的襯底上，使得碳納米管的分散平均面密度為0.1～0.2根/平方微米；2)利用電子束光刻等技術(shù)在碳納米管的一端制備金屬基點電極；3)利用掃描隧道顯微鏡確定上述碳納米管中的電子相干長度；4)利用聚焦離子束在納米管上離懸空端距離為電子相干長度的位置處沉積金屬相干電極，該相干電極的寬度小于等于20納米；5)利用電子束光刻在絕緣襯底上制備面積為微米級的金屬外接電極2個，并且與步驟2)和步驟4)制備的基點電極及相干電極分別連接；或者只沉積上述外接電極1個，并且與相干電極連接；6)利用掃描探針直寫的方法將高分子有機絕緣材料涂覆在碳納米管表面形成保護層，但在納米管懸空端需留出長度小于等于10納米、無保護膜的一小段作為傳感探頭。
全文摘要
碳納米管化學分子探測傳感器及其制備方法涉及一種利用納米尺度的碳納米管實現(xiàn)對化學分子傳感探測的器件及其制備方法，其傳感器是將單壁碳納米管置于襯底上，其一端沉積基點電極，然后在納米管上距離另一端口即懸空端距離為該納米管的電子相干長度的位置再沉積相干電極；基點電極、相干電極分別通過置于襯底上的相應外接電極與探測儀相連，或基點電極直接與探測儀相連；碳納米管表面涂敷保護層，但懸空端暴露作為傳感探頭。制備方法為將單壁碳納米管分散在絕緣的襯底上，一端制備金屬基點電極，另一端沉積金屬相干電極，制備面積為微米級的金屬外接電極2個，并與基點電極及相干電極分別連接。
文檔編號G01N27/12GK1664570SQ20051003864
公開日2005年9月7日 申請日期2005年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月1日
發(fā)明者胡海龍, 張琨, 王振興, 石勤偉, 王曉平, 侯建國 申請人:中國科學技術(shù)大學