相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本專利申請(qǐng)要求在2016年3月25日提交的、序號(hào)為62/313,526的、名稱為“chemicalsensorbasedonlayerednanoribbons(基于層狀納米帶的化學(xué)傳感器)”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其被分配予本文的受讓人并且在此為了所有目的明確地通過(guò)引用將其并入本文。

本發(fā)明涉及一種基于層狀納米帶的化學(xué)傳感器、一種使用化學(xué)傳感器檢測(cè)物質(zhì)的方法以及一種用于構(gòu)造基材以便于通過(guò)化學(xué)傳感器進(jìn)行化學(xué)檢測(cè)的方法。

背景技術(shù)：

對(duì)于環(huán)境和生命形式演變、工業(yè)排放、早期醫(yī)學(xué)診斷及公眾和食品安全以及其他因素的日益增長(zhǎng)的憂慮和關(guān)注，已經(jīng)提出了對(duì)濃度極低的重要的化學(xué)和生物種群的更高水平的靈敏度檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的需求。納米結(jié)構(gòu)材料的進(jìn)步使得能夠出現(xiàn)具有高表面-體積比、高孔隙率和優(yōu)異化學(xué)特性的新一代超靈敏固態(tài)傳感器。然而，由于在這種傳感器中使用的結(jié)構(gòu)和材料的限制，檢測(cè)極限通常是百萬(wàn)分之幾(ppm)。隨著在該技術(shù)中持續(xù)得到進(jìn)展，可能需要更集中的檢測(cè)限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

以下呈現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方案的概述，以便提供對(duì)這些方案的基本理解。該概述不是所有預(yù)期方案的廣義概述，并且既不旨在標(biāo)識(shí)所有方案的關(guān)鍵或重要元素，也不旨在描繪任何或所有方案的范圍。其唯一目的是以簡(jiǎn)化形式呈現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方案的一些概念，作為稍后呈現(xiàn)的更詳細(xì)描述的前導(dǎo)。

在一個(gè)示例中，提供了一種化學(xué)傳感器，其包括：基材，其包括多條活性層狀納米材料的納米帶；以及物質(zhì)檢測(cè)部件，其用于當(dāng)與物質(zhì)接觸時(shí)測(cè)量所述多條納米帶中的至少一部分納米帶的電或物理特性的變化。

在另一個(gè)示例中，提供了一種使用化學(xué)傳感器檢測(cè)物質(zhì)的方法。該方法包括向位于基材上的多條層狀納米帶提供電荷，其中多條層狀納米帶由活性層狀納米材料構(gòu)成；監(jiān)測(cè)多條層狀納米帶的物理或電特性的變化；以及基于確定多條層狀納米帶的物理或電特性的變化達(dá)到閾值來(lái)檢測(cè)物質(zhì)。

在又一個(gè)示例中，提供了一種用于構(gòu)造基材以便于通過(guò)化學(xué)傳感器進(jìn)行化學(xué)檢測(cè)的方法。該方法包括：在基材上設(shè)置活性層狀納米材料，用光阻層涂覆活性層狀納米材料，將具有多個(gè)平行條的掩模施加至光阻層，顯影基材以暴露活性層狀納米材料的由掩模覆蓋的區(qū)域以產(chǎn)生多條涂覆有光阻層的、活性層狀納米材料的納米帶，蝕刻掉活性層狀納米材料的暴露區(qū)域以實(shí)現(xiàn)對(duì)于多條納米帶的邊緣的基本上一致的邊緣構(gòu)造，以及將光阻層的剩余部分從多條納米帶去除。

為了實(shí)現(xiàn)前述和相關(guān)的目的，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方案包括在下文中充分描述并在權(quán)利要求中特別指出的特征。以下描述和附圖詳細(xì)闡述了一個(gè)或多個(gè)方案的某些說(shuō)明性特征。然而，這些特征僅指示可用來(lái)實(shí)施各個(gè)方案的原理的多種方式中的幾種，并且這種描述旨在包括所有這些方案及其等同物。

附圖說(shuō)明

在所附權(quán)利要求中闡述被認(rèn)為是本文所描述的方案的特性的新穎特征。在下面的描述中，在整個(gè)說(shuō)明書和附圖中分別用相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。附圖不一定按比例繪制，并且為了清楚和簡(jiǎn)明起見(jiàn)，某些附圖可以以夸張或概括的形式示出。然而，當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀時(shí)，通過(guò)參考示例性實(shí)施例的以下詳細(xì)描述會(huì)最佳地理解本發(fā)明本身以及優(yōu)選的應(yīng)用模式、其進(jìn)一步的目的和進(jìn)展，其中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案的傳感器的示例的示意圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案的納米帶的邊緣構(gòu)造的示例；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案的用于檢測(cè)基材的特性變化的方法的示例的流程圖；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案的用于構(gòu)造納米帶的工藝的示例；以及

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案的用于構(gòu)造納米帶的方法的示例的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖闡述的詳細(xì)描述旨在作為各種構(gòu)造的描述，不旨在表示可以實(shí)踐本文所描述的概念的僅有的構(gòu)造。詳細(xì)描述包括用于提供對(duì)各種概念的透徹理解的目的的具體細(xì)節(jié)。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是，這些概念可以在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。在一些情況下，以框圖形式示出了公知的結(jié)構(gòu)和部件，以便避免模糊這些概念。

現(xiàn)在將參考各種裝置和方法來(lái)呈現(xiàn)某些系統(tǒng)的若干方案。這些裝置和方法將在以下詳細(xì)描述中描述并且通過(guò)各種框、模塊、部件、電路、步驟、過(guò)程、算法等(統(tǒng)稱為“元素”)在附圖中進(jìn)行說(shuō)明。這些元素可以使用電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件或其任何組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種元素是實(shí)現(xiàn)為硬件還是軟件取決于特定應(yīng)用和施加在整個(gè)系統(tǒng)上的設(shè)計(jì)限制。另外，雖然下面在各個(gè)附圖、如圖3和圖5中描述的操作以特定順序呈現(xiàn)和/或由示例的部件執(zhí)行，在一些示例中，取決于實(shí)施方式，動(dòng)作的順序和執(zhí)行動(dòng)作的部件可以變化。

圖1示出了根據(jù)本文所述的方案的示例性化學(xué)傳感器100。例如，傳感器100可以包括基材102和位于其上的活性層狀納米材料的納米帶104。傳感器100還可以包括用于在確定物質(zhì)(例如化學(xué)物質(zhì)，其可以包括分子分析物或類似物質(zhì))的存在的情況下引入電流通過(guò)納米帶以檢測(cè)其反應(yīng)的部件，諸如源極端子106、用于向源極端子106提供電位或電荷的柵極端子108、以及用于基于提供給源極端子106的電荷從源極端子106接收電流的漏極端子110。因此，例如，傳感器100可以作為化學(xué)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(fet)操作或否則包括化學(xué)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(fet)，以通過(guò)檢測(cè)納米帶104的電或物理特性的變化來(lái)檢測(cè)傳感器100上或附近(例如，納米帶104上或附近)的物質(zhì)的存在。在一個(gè)示例中，傳感器100可聯(lián)接到物質(zhì)檢測(cè)裝置150(例如，經(jīng)由電連接152)，其可基于監(jiān)測(cè)和/或測(cè)量納米帶104的電或物理特性的變化來(lái)檢測(cè)物質(zhì)的存在。

基材102可以包括二氧化硅、氧化鋁、mcm-41、mgo、zro2、鋁穩(wěn)定的氧化鎂、沸石或本領(lǐng)域已知的其他載體、及其組合?；钚詫訝罴{米材料的納米帶104可以包括石墨烯130、諸如硫化物材料(例如二硫化鉬(mos2)或類似材料)的二維(2d)金屬硫族化合物132、碳納米管(cnt)、黑磷、氮化物(例如六方氮化硼)，氧化物(例如五氧化二釩)、基本上任何金屬、和/或類似物。

在一個(gè)示例中，可被測(cè)量以檢測(cè)物質(zhì)的存在的納米帶104的活性層狀納米材料的物理(例如，輸送)特性和/或電子特性可取決于帶的寬度和/或原子在納米帶104的邊緣的構(gòu)造。在一個(gè)示例中，納米帶104的邊緣可以比平面區(qū)域更有活性，并且因此在示例性配置中，可以在基材102上設(shè)置多條120納米帶104，以增加邊緣的數(shù)量，從而增加傳感器100的靈敏度。此外，與無(wú)限平面材料相比，設(shè)置多條120納米帶104可增加傳感器100上的邊緣相對(duì)于平面表面的比例，或其中納米帶的縱橫比增加，這可以額外增加傳感器100的靈敏度。此外，例如，原子的某些邊緣結(jié)構(gòu)可能比其他結(jié)構(gòu)對(duì)某些類別的物質(zhì)更敏感。因此，例如，每條納米帶104(或多條120納米帶104中的至少一部分納米帶)可以具有適合于由傳感器100檢測(cè)的物質(zhì)類別的邊緣結(jié)構(gòu)。在如本文所示和所述的示例中，邊緣結(jié)構(gòu)可以沿邊緣基本上一致。此外，在一個(gè)示例中，具有邊緣輪廓的邊緣可以是被配置為基本上垂直于在圖1所示的傳感器100中源極端子106和漏極端子110的邊緣，而在一些示例中，附加或替代的邊緣可以具有邊緣輪廓。另外，在一個(gè)示例中，多條120納米帶104中的一條或多條可以具有與多條120納米帶104中的另一條不同的邊緣輪廓。在又一個(gè)示例中，納米帶104可以在納米帶104的一側(cè)上具有邊緣輪廓，以及在納米帶104的另一側(cè)上具有不同的邊緣輪廓。

在一個(gè)示例中，如圖2所示，邊緣輪廓可以包括鋸齒形邊緣122、扶手形邊緣124或基本上任何邊緣輪廓。如圖所示，例如，活性層狀納米材料可以具有六邊形結(jié)構(gòu)，其中邊緣在納米材料的原子之間共享。因此，例如，原子可以旋轉(zhuǎn)地定位在納米帶104的基材上，使得在納米帶104的邊緣上的原子暴露與納米帶104的端部成角度地偏移的邊緣，如同鋸齒形邊緣122。在另一個(gè)示例中，原子可以旋轉(zhuǎn)地定位在基材上，使得邊緣上的原子暴露與納米帶104的端部基本平行的邊緣，如扶手椅邊緣124。在任一種情況下，在參考圖4-5進(jìn)一步描述的蝕刻工藝期間，可以根據(jù)原子的旋轉(zhuǎn)位置蝕刻邊緣，以實(shí)現(xiàn)鋸齒形邊緣122或扶手形邊緣124作為沿著納米帶104的端部的基本上一致的邊緣。

另外，例如，當(dāng)存在某些可檢測(cè)物質(zhì)時(shí)，包括邊緣的納米帶104可能由于通過(guò)納米帶104的電流和/或納米帶104的改型而隨時(shí)間劣化。將納米帶104暴露于紫外(uv)光140可以恢復(fù)和清潔納米帶104及其邊緣。因此，在一個(gè)示例中，納米帶104可以在原位置暴露于uv光140，以維持和提高納米帶104在檢測(cè)物質(zhì)中的性能。例如，納米帶104可以在最佳操作條件下暴露于uv光140，以特別地維持/改善性能。例如，納米帶104可以暴露于uv光140，以便于通過(guò)氣體解吸、等離子體共振、電磁場(chǎng)增強(qiáng)、熱力學(xué)加熱、直接光解吸等促進(jìn)凈化。此外，在示例中，物質(zhì)檢測(cè)裝置150可以確定納米帶104中的變化是否表示物質(zhì)的存在和/或可以考慮可能由uv光140、光電效應(yīng)等引起的電荷雜質(zhì)。清潔和恢復(fù)納米帶性能的其他方法可以包括熱力學(xué)加熱、其他輻射等。例如，納米帶104可以連續(xù)地暴露于輻射光或輻射，使得uv光140連續(xù)地存在用于加熱納米帶104。

如所描述的，在一個(gè)示例中，納米帶104可由mos2組成，其在含氧的環(huán)境中(例如，在干燥空氣中在連續(xù)uv光照射下)可以比例如石墨烯和cnt的其他材料更加穩(wěn)定。在一個(gè)示例中，可以基于將通過(guò)相應(yīng)的傳感器100檢測(cè)的物質(zhì)、傳感器100將被使用的環(huán)境等，在此方面選擇納米帶104的結(jié)構(gòu)(例如納米帶的材料、數(shù)量和間隔、邊緣構(gòu)造等)。在一個(gè)示例中，傳感器100可以包括基本上任何數(shù)量的納米帶104以便于檢測(cè)某些材料。在一個(gè)示例中，所使用的納米帶104的數(shù)量可以基于傳感器100的尺寸、納米帶104的尺寸、納米帶104之間的間隔等。在一個(gè)具體示例中，1毫米(mm)寬的傳感器100可以包括數(shù)千條納米帶104(例如10000至100000條納米帶104)。在特定示例中，1mm側(cè)傳感器100可以包括大約33000條納米帶104，其中納米帶104是15nm寬并且在納米帶之間具有15納米(nm)間隙。

現(xiàn)在參考圖3，示出了用于(例如通過(guò)物質(zhì)檢測(cè)裝置150)操作諸如傳感器100的傳感器的示例性方法300。在框302中，可以向基材上的多條層狀納米帶提供電荷。在一個(gè)方案，例如，物質(zhì)檢測(cè)裝置150可以向基材102上的納米帶104(例如，源極端子106)提供電荷。在一個(gè)示例中，源極端子106可以提供電荷，并且漏極端子110可以接收來(lái)自源端子106的電流，其允許物質(zhì)檢測(cè)裝置150在物質(zhì)接近納米帶104或與納米帶104接觸時(shí)監(jiān)測(cè)納米帶104中的物理/電改變。此外，如所描述的，使用多條120納米帶104增加邊緣的數(shù)量，從而增加可以由物質(zhì)檢測(cè)裝置150檢測(cè)的活性水平。

在框304中，可以監(jiān)測(cè)層狀納米帶104的物理或電特性的變化。在一個(gè)方案中，物質(zhì)檢測(cè)裝置150可監(jiān)測(cè)納米帶104的物理或電特性的變化，如上所述。例如，所述變化可以對(duì)應(yīng)于納米帶104上的原子組成的變化，其基于納米帶104附近或之上的物質(zhì)的存在?？梢员O(jiān)測(cè)的物理或電特性可以是，例如但不限于，納米帶104的電導(dǎo)率、介電常數(shù)、介電強(qiáng)度、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)、壓電常數(shù)、塞貝克系數(shù)、熱電勢(shì)、電容、波阻抗、波吸收、發(fā)射性、發(fā)光性、亮度、熱導(dǎo)率、機(jī)械和光學(xué)特性。通過(guò)例如從源極端子施加電壓通過(guò)納米帶104(例如，到漏極端子)，可以監(jiān)測(cè)在與物質(zhì)接觸時(shí)在納米帶104中引起的電氣或物理特性的變化(例如，在源極和漏極端子之間流動(dòng)的電流的變化)。一種特性可以包括納米帶104的電導(dǎo)的變化，其可以指示物質(zhì)在納米帶104附近或之上的存在。另外，如所述的，納米帶104的邊緣的邊緣輪廓的不同構(gòu)造可以基于不同物質(zhì)的存在表現(xiàn)出組成的不同變化。

在框306中，當(dāng)層狀納米帶的物理或電特性的變化達(dá)到閾值時(shí)，可以檢測(cè)物質(zhì)的存在。在一個(gè)方案中，當(dāng)納米帶104的物理或電特性的變化達(dá)到閾值時(shí)，物質(zhì)檢測(cè)裝置150可以檢測(cè)物質(zhì)的存在。在一個(gè)示例中，物質(zhì)檢測(cè)裝置150可以基于檢測(cè)納米帶104上的電阻(例如，基于在漏極端子110處接收的電流的變化)確定變化，檢測(cè)納米帶上的電阻可以包括通過(guò)評(píng)估漏極端子110、柵極端子108等處的特性檢測(cè)一條或多條納米帶104上的阻抗。

參考圖4和圖5，示出了用于構(gòu)造本文所述的納米帶的工藝和相關(guān)方法的示例。圖4示出了使用諸如光刻的工業(yè)工藝構(gòu)造上述多條120納米帶104的工藝400的示例。圖5示出了用于執(zhí)行工藝400的步驟的示例方法500。

在框502中，可以將活性層狀納米材料設(shè)置在基材上。例如，給定基材402，并且活性層狀納米材料404可以至少部分地設(shè)置在基材402上。例如，活性層狀納米材料404可以包括石墨烯130、諸如硫化物材料(例如二硫化鉬(mos2)或類似材料)的2d金屬硫族元素132、碳納米管(cnt)、黑磷、氮化物(例如六方氮化硼)、氧化物(例如五氧化二釩)、基本上任何金屬等。

在框504中，活性層狀納米材料可以涂覆有光阻層。例如，活性層狀納米材料404可以至少部分地涂覆有光阻層406，其可以是基本上任何光敏層。

在框506中，可以將具有多個(gè)平行條的掩模施加到光阻層。例如，掩?？梢允蔷哂卸鄠€(gè)平行條的電子束掩模408，并且可以由用于光學(xué)地阻擋光穿過(guò)條的材料構(gòu)成。

在框508中，可以顯影基材以暴露活性層狀納米材料的由掩模覆蓋的區(qū)域，以形成活性層狀納米材料的涂覆有光阻層的多條納米帶。例如，基材402和各個(gè)層可以通過(guò)將基材402暴露于光源而被顯影。在一個(gè)示例中，負(fù)光阻可用于光阻層406，使得光阻層406的未暴露區(qū)域410(例如，由掩模覆蓋的區(qū)域)在顯影期間可變得可消溶。

在框510中，可以蝕刻掉活性層狀納米材料的暴露區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)多條納米帶的邊緣的基本一致的邊緣構(gòu)造。例如，可以使用等離子體蝕刻、激光蝕刻等蝕刻掉未暴露區(qū)域410，以產(chǎn)生涂覆在光阻層材料中的活性層狀納米材料的多條納米帶414。在一個(gè)示例中，可以應(yīng)用蝕刻以沿著涂覆在光阻層材料中的多條納米帶414中的每一個(gè)的側(cè)面實(shí)現(xiàn)本文所述的一個(gè)或多個(gè)邊緣輪廓，例如鋸齒形邊緣122、扶手形邊緣124等。

在框512中，可以從多條納米帶去除光阻層的剩余部分。例如，可以去除納米帶414上的光阻層的剩余部分，以暴露活性層狀材料的多條120納米帶104，并且具有基本一致的邊緣構(gòu)造，如上所述。例如，可以使用化學(xué)剝離劑、灰化工藝等去除光阻層的剩余部分。具有多條120納米帶104的基材402可以用于如上所述具有源極端子106、柵極端子108和漏極端子110以檢測(cè)一種或多種物質(zhì)的傳感器100中。

應(yīng)該理解的是，上述公開(kāi)的和其他的特征和功能或其替代或變型的各種實(shí)施方式可以期望地組合到許多其他不同的系統(tǒng)或應(yīng)用中。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以隨后進(jìn)行各種目前未預(yù)見(jiàn)的或未預(yù)期的替代、修改、變化或改進(jìn)，其也旨在被所附權(quán)利要求書所涵蓋。