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硅纳米线场效应晶体管生物传感器克服德拜屏蔽效应的研究进展

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稀有金属 2021年第11期45卷 1385-1393页

作者：阳江兰魏千惠张青竹肖寒魏峰贵州民族大学化学工程学院贵州贵阳550025 有研工程技术研究院有限公司智能传感与功能材料国家重点实验室北京101407 中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心北京100029 有研科技集团有限公司科技发展部北京100088

硅纳米线场效应晶体管(silicon nanowire field-effect transistor,SiNW-FET)生物传感器具有灵敏度高、特异性强、免标记、实时响应的检测能力而被广泛地研究和应用,如离子、核酸、蛋白质、病毒、糖类等目标生物分子以及细胞的活体信号... 详细信息

硅纳米线场效应晶体管(silicon nanowire field-effect transistor,SiNW-FET)生物传感器具有灵敏度高、特异性强、免标记、实时响应的检测能力而被广泛地研究和应用,如离子、核酸、蛋白质、病毒、糖类等目标生物分子以及细胞的活体信号检测。但是,SiNW-FET生物传感器受到德拜屏蔽效应的影响,高离子强度溶液中目标生物分子的检测灵敏度会大大降低甚至不能检测,从而极大限制了SiNW-FET生物传感器的应用。克服德拜屏蔽效应的主要原理是将待测溶液中的目标生物分子控制在德拜长度范围内,通过增加德拜长度和缩短待测溶液中目标分子与SiNW-FET生物传感器表面的距离可以有效地克服德拜屏蔽效应。其中增加德拜长度的方法包括稀释法、去盐法、蛋白质纯化法、渗透聚合物层法。缩短待测溶液中目标分子与SiNW-FET表面距离的方法包括将抗体碎片化、适配体替代抗体以及选用新型修饰分子法等。本文综述了SiNW-FET生物传感器的工作原理、存在的具体挑战以及克服高离子强度溶液中德拜屏蔽效应的方法,并展望了SiNW-FET生物传感器的发展趋势。

关键词：硅纳米线场效应晶体管德拜屏蔽效应生物传感器

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硅纳米线在生物传感器中的应用概述

中国生物工程杂志 2022年第1期42卷 174-181页

作者：朱舒朱利丰杨朔靳然王玉生孙宝全苏州大学纳米科学技术学院苏州215123 苏州大学功能纳米与软物质研究院苏州215123

硅纳米线(SiNW)作为一种新型一维纳米材料,具有高比表面积、高稳定性等特点,在传感器领域得到了重视和研究。随着硅纳米线制备工艺优化、修饰方式多样化,以硅纳米线为载体的生物传感器被应用到了金属离子检测、蛋白质检测等诸多领域,较... 详细信息

硅纳米线(SiNW)作为一种新型一维纳米材料,具有高比表面积、高稳定性等特点,在传感器领域得到了重视和研究。随着硅纳米线制备工艺优化、修饰方式多样化,以硅纳米线为载体的生物传感器被应用到了金属离子检测、蛋白质检测等诸多领域,较为优良的生物兼容性为生物学研究中的单细胞动态、实时监测提供了途径,电学、光学等不同检测手段也促进了硅纳米线生物传感器的机制研究。在生物化学物质传感检测中,传感器的敏感性、专一性和稳定性是衡量其性能的重要指标。硅纳米线化学性质稳定,为传感器的制备提供了良好的平台,在不同的应用场景中,传感器对硅纳米线的表面修饰提出了较高的要求。为此,研究人员提出了不同的传感机制。在电学信号传感方式中,硅纳米线场效应管(SiNW-FET)通过测量硅纳米线表面电荷变化引发的电导率变化,实现了对目标物质的超灵敏检测。在光学信号传感方式中,荧光分子识别应用较广,当目标物质与受体结合后通过荧光的增强、猝灭,波长的移动等多种方式传递信号,响应较快、检测手段较为便捷。对硅纳米线场效应管生物传感器和硅纳米线荧光传感器的机制与应用进行了概述,对今后硅纳米线在生物传感领域的发展提出了展望。

关键词：硅纳米线生物传感器场效应管荧光传感器

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硅纳米线太阳能电池研究进展

化工新型材料 2022年第3期50卷 64-68页

作者：李忠唐安江唐石云王伟张贵飞许秋媛贵州大学化学与化工学院贵阳550025 贵州理工学院贵阳550003 贵州大学资源与环境工程学院贵阳550025

硅纳米线基太阳电池相对于平面硅基太阳电池具有来源丰富低成本的特点,在未来光伏市场应用中具有一定的潜力及价值。就硅纳米线太阳能电池的工作原理,即势垒电场的形成和光生电场的产生进行了简要介绍。详细阐述了径向型和轴向型两种结... 详细信息

硅纳米线基太阳电池相对于平面硅基太阳电池具有来源丰富低成本的特点,在未来光伏市场应用中具有一定的潜力及价值。就硅纳米线太阳能电池的工作原理,即势垒电场的形成和光生电场的产生进行了简要介绍。详细阐述了径向型和轴向型两种结构的硅纳米线太阳能电池及硅纳米线长度和微观形貌对其光电转换效率的影响。最后,对硅纳米线太阳能电池的发展进行了展望。

关键词：硅纳米线光电效应太阳能电池转换效率 PN结

一种计算多面体纳米晶体表面效应的方法及其在硅纳米线中的应用

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Acta Mechanica Sinica 2022年第10期38卷 28-37页

作者：刘凡威楚海建 School of Mechanics and Engineering Science Shanghai UniversityShanghai200444China Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics Shanghai UniversityShanghai200444China Shanghai Key Laboratory of Energy Engineering Mechanics Shanghai UniversityShanghai200444China

本文提出一种“拉伸-释放”策略,将表面能在纳米晶体内引起应力场的问题分解为拉伸子问题和释放子问题.基于该策略和有限元方法分析了表面能在硅纳米线表面角点附近的应力集中和{111}面上的切应力,为实验中观察到的硅纳米线生长方向由〈... 详细信息

本文提出一种“拉伸-释放”策略,将表面能在纳米晶体内引起应力场的问题分解为拉伸子问题和释放子问题.基于该策略和有限元方法分析了表面能在硅纳米线表面角点附近的应力集中和{111}面上的切应力,为实验中观察到的硅纳米线生长方向由〈111〉转向〈112〉的扭结现象提供了坚实的力学解释.与传统的块状材料表面效应可忽略的观点不同,研究发现,由于表面层拉伸引起的双轴应力和纳米晶体几何形状的影响,表面能引起的应力存在与尺寸无关的部分,其值可达数十至数百兆帕.这一尺寸无关的表面效应很好地解释了硅纳米线生长扭结与纳米线粗细无关的实验现象.

关键词：硅纳米线双轴应力块状材料表面效应几何形状纳米晶体生长方向表面层

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硅纳米线场效应管生物传感器的医学应用

生物医学工程学杂志 2017年第5期34卷 807-811页

作者：包增涛王彤南京医科大学附属连云港市第一人民医院胃肠外科江苏连云港222002 南京医科大学附属无锡临床医学院腔镜外科江苏无锡214023

蛋白质、核酸、病毒等物质的高灵敏度定量检测在疾病诊断、医学研究中起到重要作用。硅纳米线场效应管(SiNWs-FET)生物传感器有望在蛋白质和其它分子的非标记、快速实时响应、超高灵敏检测中成为极有价值的方法之一。本文介绍了硅纳米... 详细信息

蛋白质、核酸、病毒等物质的高灵敏度定量检测在疾病诊断、医学研究中起到重要作用。硅纳米线场效应管(SiNWs-FET)生物传感器有望在蛋白质和其它分子的非标记、快速实时响应、超高灵敏检测中成为极有价值的方法之一。本文介绍了硅纳米线场效应管生物传感器的工作原理并总结其在医学中的应用进展,讨论了提高硅纳米线生物传感器灵敏度的方法及目前所面临的挑战,并展望了硅纳米线场效应管生物传感器的发展前景。

关键词：硅纳米线纳米生物传感器场效应晶体管肿瘤标记物分子诊断

硅纳米线和聚3-十二烷基噻吩混合薄膜在场效应晶体管中的应用研究

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化学学报 2016年第5期74卷 429-434页

作者：朱昊云黄威黄宇立汪伟志聚合物分子工程国家重点实验室高分子及其先进复合材料协同创新中心复旦大学高分子科学系上海200433

为了提高聚3-十二烷基噻吩的场效应迁移率,将硅纳米线混入聚3-十二烷基噻吩的溶液中制成薄膜.退火后的聚3-十二烷基噻吩能够自组装成有序的微晶结构,有利于电子传输.聚3-十二烷基噻吩薄膜在场效应晶体管中能够获得0.015 cm2·V^(-1)·s^... 详细信息

为了提高聚3-十二烷基噻吩的场效应迁移率,将硅纳米线混入聚3-十二烷基噻吩的溶液中制成薄膜.退火后的聚3-十二烷基噻吩能够自组装成有序的微晶结构,有利于电子传输.聚3-十二烷基噻吩薄膜在场效应晶体管中能够获得0.015 cm2·V^(-1)·s^(-1)的迁移率,而混合薄膜能够获得高达0.68 cm2·V^(-1)·s^(-1)的迁移率.这是因为硅纳米线优异的电子传输性能使得电子通过硅纳米线就像通过快速通道一样,从而能够缩短电子在场效应晶体管中的传输时间,提高传输速度.此外,使用离子胶作为介电层也能够提升场效应晶体管的性能,混合薄膜能够获得高达6.2 cm2·V^(-1)·s^(-1)的迁移率.

关键词：硅纳米线聚3-十二烷基噻吩共轭聚合物场效应晶体管离子胶

硅纳米线/氧化钒纳米棒复合材料的制备与气敏性能研究

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物理学报 2016年第9期65卷 19-25页

作者：张玮祎胡明刘星李娜闫文君天津大学电子信息工程学院天津300072

采用纳米球光刻和金属辅助刻蚀法以p型单晶硅片制备了硅纳米线阵列,并以此作为基底,通过溅射不同时长的金属钒薄膜并进行热退火氧化处理,制备出硅纳米线/氧化钒纳米棒复合材料.采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪表征了该复合材料的微观特... 详细信息

采用纳米球光刻和金属辅助刻蚀法以p型单晶硅片制备了硅纳米线阵列,并以此作为基底,通过溅射不同时长的金属钒薄膜并进行热退火氧化处理,制备出硅纳米线/氧化钒纳米棒复合材料.采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪表征了该复合材料的微观特性,结果表明该结构增大了材料的比表面积,有利于气体传感,并且镀膜时间对后续生长的氧化钒纳米棒形貌有明显影响.采用静态配气法在室温下测试了该复合材料对NO_2的气敏性能,气敏测试结果表明沉积钒膜的时间对复合材料的气敏性能影响较大.当选择合适的镀膜时间时,适量氧化钒纳米棒增加了材料表面积并形成大量pn结结构,相比纯硅纳米线对NO_2气体的灵敏度有明显提升,且在室温下表现出优良的选择性.同时,对气敏机理做了定性解释,认为硅纳米线与氧化钒纳米棒之间形成的pn结及能带结构在接触NO_2时的动态变化是其气敏响应提升的主要机制.

关键词：硅纳米线氧化钒纳米棒 NO2 气敏性能

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硅纳米线离子敏传感器制备及应用研究

硅纳米线离子敏传感器制备及应用研究

作者：方敏北方工业大学

学位级别：硕士

先进互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺技术制备的离子敏场效应晶体管(ISFET)由于具有易于小型化、易与逻辑电路混合集成和低成本等优点,已经成为人们越来越感兴趣的方向。ISFET在结构上分为传统栅极ISFET和延展栅极ISFET,传统栅传感器工... 详细信息

先进互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺技术制备的离子敏场效应晶体管(ISFET)由于具有易于小型化、易与逻辑电路混合集成和低成本等优点,已经成为人们越来越感兴趣的方向。ISFET在结构上分为传统栅极ISFET和延展栅极ISFET,传统栅传感器工作时精细的栅极氧化物会直接暴露在检测环境中,导致传统栅ISFET稳定性低、噪声高、重复性差。与传统栅ISFET相比,延展栅极ISFET具有稳定性高、噪音低等优点,但分离结构导致器件集成度很低。研究表明,将延展栅ISFET传感器与先进节点器件相结合,不仅可以减少生化检测对器件的影响,还可以提高检测灵敏度,减小器件尺寸,增加器件集成度,降低传感器的工作电压,降低器件损耗。本文针对超低浓度生物样品难以检测问题,制备了一种传统栅SiNW传感器并探究了其修饰和检测全过程。但传统栅器件具有不可避免的弊端,故设计了一种基于10nm节点鳍式场效应晶体管(FinFET)工艺的延展传感栅硅纳米线离子敏场效应晶体管(ESG SiNWISFET)传感器。以下为本文主要研究内容与结论:1、本文采用自对准侧墙转移(SIT)工艺高效率的制备了传统栅SiNW FET传感器,并采用金属硅化物和注入技术降低传感器的源漏寄生电阻。在制成SiNW FET传感器上修饰钙调素后,成功实现了对Ca高灵敏度、高特异性、实时无标签的检测,并且Ca检测限低于100 f Mol/L,检测结果远超传统的电化学方法。2、针对传统栅器件易损坏问题,设计了一种延展栅器件。基于10nm节点FinFET工艺制备的ESG SiNWISFET传感器是将FinFET器件与ISFET概念相结合的产物。制备成功的器件便于测试且器件的Fin形貌良好,尺寸超薄。对栅氧化层薄膜种类厚度也进行了优化,得到了良好性能器件。3、新制备的ESG SiNWISFET传感器灵敏度高达90.2 m V/p H。4、传感器稳定性是判断器件具有优良性能的重要依据。经过稳定性判断实验,在相同处理条件后,新设计的ESG SiNWISFET传感器的灵敏度降低量是传统栅SiNW FET传感器的50%。5、关于传感器功耗难以降低问题,制备成功的ESG SiNWISFET传感器工作电压低于0.8V,实现了器件的低功耗工作。

关键词：硅纳米线延展传感栅(ESG) FinFET 灵敏度鲁棒性

硅纳米线场效应晶体管生物传感器在肿瘤分子诊断中的应用

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科学通报 2016年第4期61卷 442-452页

作者：鲁娜高安然戴鹏飞宋世平樊春海王跃林李铁中国科学院上海微系统与信息技术研究所微系统技术重点实验室上海200050 中国科学院上海应用物理研究所物理生物学研究室与上海光源生物成像中心上海201800

肿瘤的早期诊断是目前临床医学最具挑战性的问题之一.分子诊断不仅能对肿瘤早期做出确切的诊断,而且能对肿瘤分期、分型、疗效监测和预后评估做出判断.硅纳米线作为新型一维半导体纳米材料,具有超高灵敏度、专一选择性、无标记检测、快... 详细信息

肿瘤的早期诊断是目前临床医学最具挑战性的问题之一.分子诊断不仅能对肿瘤早期做出确切的诊断,而且能对肿瘤分期、分型、疗效监测和预后评估做出判断.硅纳米线作为新型一维半导体纳米材料,具有超高灵敏度、专一选择性、无标记检测、快速实时响应等独特优势,在近年来的生物医学检测应用,特别是肿瘤的分子诊断方面引起了极大的关注.基于此,本文介绍了硅纳米线场效应晶体管(FET)的工作原理、硅纳米线的制备方法、传感灵敏度的影响因素,综述了硅纳米线FET生物传感器在肿瘤分子诊断中的应用(包括核酸的定性与定量检测、肿瘤蛋白标志物检测、以及分子间相互作用研究),并展望了硅纳米线生物传感器的未来发展趋势,希望能为硅纳米线在肿瘤早期诊断的进一步应用提供一定的参考.

关键词：硅纳米线生物传感器场效应晶体管分子诊断肿瘤