[发明专利]光电装置及其制作方法

说明书

发明领域和背景

本发明涉及光电装置，更具体的说涉及具有光催化单元的光电装 置。

绿色植物、蓝细菌和光合作用细菌能通过包藏在它们的细胞膜中 的反应中心(reaction center)来捕捉和利用太阳光。在产氧植物和蓝细 菌中，光子捕捉和光能向化学能的转化发生在称为类囊体的特化膜 中。类囊体在高等植物中位于叶绿体中，在蓝细菌中则由细胞质膜的 折叠所构成。在类囊体由堆积的膜盘(称为基粒)和非堆积的膜盘(称为 基质)所组成。类囊体膜含有两种关键的光合作用成分即光合系统I和 光合系统II，分别标示为PSI和PSII。光合作用要求PSII和PSI依 次工作，用水作为电子来源和用CO₂作为终末电子受体。

PSI是跨膜多亚单位蛋白质-叶绿素复合物，能介导从质体蓝素或 细胞色素C₅₅₃向铁氧化还原蛋白的矢量光诱导电子转移。纳米大小的 尺寸、大约58％的能量产率和几乎等于1的量子效率使得这个反应中 心成为有希望的元件，用于分子纳米电子学的应用中。

细长聚球藻(Synechococus elongatus)和植物叶绿体的PSI的晶体 结构已被解析。在蓝细菌中，该复合物由12个多肽组成，一些多肽 结合96个捕光叶绿素和22个类胡罗卜素色素分子。PSI中的电子传 递链含有特殊的一对叶绿素(P700)，这对叶绿素在1皮秒(ps)时间的光 激发后将电子转移到单聚叶绿素a(Chl)，经过两个中间叶绿醌(PQ)和 三个[4Fe-4S]铁硫中心(FeS)，最终受体还原到0.2μ。

已尝试将植物PSI和细菌反应中心连接到金属表面，在以下文献 中有描述：Lee，I.，Stubna，A.& Greenbaum，E，″Measurement of electrostatic potentials above single photosynthetic reaction center(单一 光合作用反应中心的静电势的测量)，″J.Phys.Chem，B 104，2439-2443 (2000)；Das，R.et al.，″Integration of photosynthetic protein molecular complexes in solid-state electronic devices(光合作用蛋白质分子复合物 向固态电子装置中的结合)，″Nano Letters 4，1079-1083(2004)；Frolov， et al.，″Fabrication of Photo-Electronic Device by Direct Chemical Binding of the Photosynthetic Reaction Center Protein to Metal Surfaces (通过将光合作用反应中心蛋白直接化学结合到金属表面制作光电装 置)″，Adv.Mater.17，2434-2437(2005)；美国专利第60/654,502号和国 际专利申请IL2006/000241。

发明内容

本发明的发明者成功组合了生物蛋白，特别是在固体电子学中的 光活化光合蛋白。本发明者发现此类组合能够用作许多应用的半导体 调制器，包括但不限于光电选通(photo-gating)、光传感、纳米电子 存储器系统、通信和光子能量转换。

根据本发明的一个方面，提供了一种光电装置。装置包括至少一 个经修饰光催化单元和半导体表面，其中，该至少一个经修饰光催化 单元连接到半导体表面，使得在光催化单元吸收光时，生成足量的电 磁场以诱导在半导体表面内的电荷载流子运动。在本发明的一些实施 例中，光电装置可在干燥环境中操作。

根据本发明的另一方面，提供了一种场效应晶体管装置。装置包 括半导体源极层、半导体漏极层、半导体沟道层及至少一层经修饰光 催化单元，该经修饰光催化单元淀积在半导体沟道层的表面上，其方 式使得在至少一个光催化单元吸收光时，生成足量的电场以诱导在源 极与漏极之间通过沟道的电荷载流子运动。

根据所述实施方案的还进一步特征，经修饰光催化单元包含至少 一个具有光合生物的光催化单元的多肽的氨基酸序列的经修饰多肽。

根据所述实施方案的还进一步特征，经修饰光催化单元间接连接 到半导体表面。

根据所述实施方案的还进一步特征，间接连接是通过单层的接头 分子来进行。