[发明专利]一种基于单晶硅纳米薄膜光电器件的气体与化学物质传感系统的制备方法

说明书

本发明属于柔性光电子传感技术领域，具体为一种基于高灵敏单晶硅纳米薄膜光电子器件的气体与化学物质探测传感系统的制备方法。本发明首先采用整体转移的工艺，将单晶硅纳米薄膜光电三极管转移到柔性的聚酰亚胺衬底上实现高灵敏的柔性光电子器件。以此器件为平台，在器件表面修饰在特定气体或化学物质作用下能发生光学参数变化的敏感材料，通过分析系统吸附化学物质后光电信号的变化，实现气体与化学物质的探测传感。本发明作为传统传感器的有力补充，为未来可集成于芯片上的非接触式气体与化学物质的传感探测系统的研制奠定了基础。

技术领域

本发明属于柔性光电子传感技术领域，具体为一种基于单晶硅纳米薄膜光电器件的气体与化学物质传感系统的制备方法。

背景技术

气体和化学物质的探测传感对人类社会的生产和生活具有重要意义，在工业、民用和环境检测领域有广泛应用。对于化工、煤炭、石油等生产企业，一旦可燃气体发生泄漏极易引发火灾爆炸等重大安全事故，造成人员和财产的严重损失；在日常生活中，以空气湿度为代表的气体成分传感分析，有助于改善人类家居生活环境，提升人类生活水平；以免疫球蛋白为代表的生物大分子检测，在医疗领域具有重要应用潜力。

为实现气体等化学物质的探测传感，传统的方法多以具有吸附功能的特定半导体材料为基础，使气体吸附到半导体表面，通过吸附前后半导体电阻率等电学特定的变化实现目标化学物质的检测和分析(火灾科学, 2002, 11, 180.)。其优点在于较高的灵敏度和响应速度，目前已经成为应用最广泛的传感器之一。然而目前已经报道的基于纯电学特性的半导体气体传感器多需要在较高的温度条件下工作，同时敏感层材料对待测气体的选择性较差，易受干扰( Nanoscale, 2016, 8(17), 9159.; International Journal ofHydrogen Energy, 2014, 39, 6120.; Sensors and Actuators B: Chemical, 2011,157, 290.)。另一方面，研究者将目光转向吸附特定化学物质后光学吸收或透射等参数发生改变的各类敏感材料，通过这些光学参数的变化实现对化学物质的传感( Sensors andActuators B: Chemical, 2017, 238, 111.)。通过敏感材料颜色等直观的外观变化，可以非常便捷地实现对待测气体等化学物质的检测。操作简单、易使用以及成本低廉是这类纯光学检测手段的突出优势。然而，如需定量获取待测气体或化学物质的相关信息，则需要使用复杂的光谱仪或通过比色卡进行人工对照。同时，纯光学的检测手段也不利于实现数字信号的输出与系统的集成。基于上述考虑，我们提出通过集成敏感材料与高灵敏光电探测单元，实现可芯片上集成的化学物质传感的解决方案。

近年来，基于局域化的表面等离子体共振（LSPR）实现生物大分子的检测受到研究者们极大关注。当入射光频率与金、银、铜等贵金属的纳米结构传导电子的整体震动频率相匹配时，纳米结构会对入射光产生很强的吸收作用，这就是所谓的LSPR(Science, 2006,311, 189.)。这些贵金属纳米结构的共振频率多在可见光波段，同时非常容易受到纳米颗粒的尺寸、形状、周围环境介电特性等因素影响(Chemical Reviews, 2005, 105, 1547.;Nano Letters, 2005, 5, 2246.)。凭借LSPR超高的灵敏性，近年来这类结构在生物分子的检测领域得到了广泛的应用(Langmuir, 2012, 28, 17435.)。其基本工作原理为：首先通过特定的化学修饰手段，在具有LSPR效应的金属颗粒表面修饰包覆特定的免疫球蛋白；免疫球蛋白对生物大分子具有很高的选择性，此时，只有当特定的抗体免疫球蛋白与这些金属颗粒接触后，才能被特异地吸附。吸附抗体免疫球蛋白后，金属颗粒的尺寸及周围环境介电特性发生变化，LSPR 峰位也将随之变化。光谱表现为消光峰位置发生移动。通过特定的光谱仪器，便可以检测这些变化。当前，这种依赖等离子体的生物分子检测材料多需要配合体积庞大的光谱仪等分析系统，不利于便携式、实时的生物分子检测。与上述气体探测的思路类似，将这些修饰过的LSPR纳米结构与高灵敏光电探测单元相结合，便可实现基于柔性光电器件的生物大分子检测系统。