单壁碳纳米管薄膜谐振器的机电耦合特性研究与在生物检测上的应用

以申请者已发表的对准排列的碳单壁纳米管（SWNT）薄膜制备和图形化技术为基础，进一步研究SWNT薄膜的机电耦合效应，并将理论成果用于高灵敏度的SWNT薄膜谐振器，实现疾病的早期诊断。. 利用谐振器来检测分子黏附是实现无标记生物分子检测的热点技术之一，以SWNT为结构材料的谐振器比表面积大、质量小、谐振频率高，从而可以获得单分子的检测灵敏度（~zg）。但单根SWNT的个体差异很大，无法制成重复性，一致性满足应用要求的传感器件。在申请者的前期研究中，将上千根SWNT对准排列成为悬空的纳米管薄膜（厚度控制在20纳米左右），加工成的悬梁等微结构由于统计效应而具有性能的一致性。本申请进一步研究SWNT薄膜的机电耦合特性，在理论基础上研制与微流控芯片集成的"差分"式谐振器，用以提高生物检测的灵敏度和准确性。此外，做为一种有潜力的NEMS结构材料，SWNT薄膜的研究对NEMS的发展也有意义。

采用重掺杂的硅衬底做为栅电极的谐振器，由于源、漏和栅之间存在较大的寄生电容，难以在高频下工作。而采用绝缘衬底并在纳米管薄膜的下方制造栅电极能有效降低寄生电容对于测试信号的干扰。我们分别研制了基于玻璃或聚合物基板（Polypropylene， PP）的纳米管谐振器，经检测寄生电容约为50 fF，比相同版图的硅器件的寄生电容降低1个数量级以上。玻璃和聚合物基板是生物检测中常用的材料，这种工艺可使微流体通道与谐振器集成在一起。上述工作总结投稿到Journal of micromechanics and microengineering. 目前已经过一轮审稿和修改。由于需要探索源、漏电极间距对于纳米谐振器性能的影响，项目组成员张玉龙等在本项目经费的支持下开发了一种采用阵列对准误差获取纳米间隙电极对的工艺。该结果发表在《微纳电子技术》上。.通过扫描电镜观察，纳米管薄膜的长、宽为1.5 微米，厚度为20-50纳米。通过半导体测试仪检测，其直流阻抗为5 MΩ左右，栅压从-10V变化到+10V时，电阻降低约一个数量级。搭建了低温、真空探针台和网络分析仪测试系统，在 10-4Pa的真空度下，发现谐振频率约为16.5-17.5 MHz，并随栅压的变化偏移。对于纳米管薄膜的研究成果做为CSTIC‘2012的特邀报告并发表在ECS Trans..测量纳米管薄膜谐振器的谐振频率后，在纳米管薄膜上吸附单链DNA后清洗吹干，测量这时的谐振频率。发现吸附DNA后，谐振频率从约17 MHz降低到16.6 MHz. 为了验证DNA在碳纳米管薄膜上的吸附，测量后的样品上另外吸附与上述DNA配对的带有荧光标志的DNA, 清洗吹干后测量样品的谐振频率。发现谐振频率进一步下降到14.9MHz。上述检测结果正在整理并准备投稿。.为扩展纳米管薄膜的应用，测试了其热特性。通过芯片之间的纳米管薄膜的生长，将两片芯片连接在一起，测量了产生的剪切力和散热特性，发现剪切力可以达到450kPa，界面热阻达到4.5 mm2 K/W。这种方法可替代现有的导热胶用于电子封装中，并实现更好的导热特性。这部分工作发表在International Journal of Adhesion & Adhesives和Soldering & Surface Mount Technology杂志和APM'2011会议上。