Материал: Физические основы молекулярной электроники (Плотников), 2000, c.164

Глава /V Принципыпостроениядействующихи перспективныхустройствмоч электроники

Следующаятаблицадемонстрируетширокие возможнос­ ти для подбора пар биологический чувствительныйэлемент - преобразователь сигнала.

Как видно из таблицы, можно создать очень много сочета­ ний, выбирая чувствительный элемент из первой колонки, а затем подбирая к нему подходящий преобразователь одного из типов, указанных в колонке 2, конкретные примеры которых приведены в следующей колонке.

Ключевым моментом при создании биосенсора является иммобилизация биологически активного элемента на поверхнос­ ти преобразователя. Иммобилизация должна 1) удерживать актив­ ный материал на поверхности твердого тела, не давая ему ото­ рваться в течении всего времени жизни сенсора, 2) давать возмож­

ность вводить сенсор в соприкосновение с исследуемым веще­

ством, 3) давать возможность для удаления из иммобилизоваиио-

Таблица 4.3 Компонентыбиосенсоров

141

Физические основы молекулярной электроники

го слоя продуктов реакции и, наконец, самое главное, 4) не изме­ нять естественные свойства биологически активного материала (не денатурировать его). Последнее требование является крити­

ческим, так как энзимы, антигены, органеллы, клетки и ткани ЯВ­

ляются очень хрупкими объектами, которые могут легко потерять

активность в результате механического повреждения, перегрева

или переохлаждения, воздействия токсинов, нехватки необходи­

мых химических элементов или даже в результате изменения КОН­

формации м:олекул. Существует два основных типа техники им­ мобилизации - присоединение и удержание, схематически изоб­ раженные на рис. 4.8. Присоединение предполагает образование связи биологически активного материала непосредственно с по­ верхностью преобразователя или с нанесенной на нее буферной мембраной. Вид связи - физическая или химическая адсорбция. Техника удержания биологически активного компанента состоит в его отделении от окружающей среды с помощью внешней мем­ браны или с помощью специальной матрицы. Мембрана или мат-

Рис.4.8. Различные варианты иммобилизации биологичес­ ки активного материала: а) под мембраной, б) в матрице, в) физическая адсорбция, г) химическая адсорбция

142

Глава /V Принципыпостроениядействующихи перспективныхустройствМО.7. электроники

рица в этом случаедолжны быть хорошо проницаемыдля анали­ зируемоговеществаи для продуктовреакциираспознавания.Наи­ большейпроблемойпри созданиибиосенсоровна настоящиймо­ ментявляетсяпроблемаих стабильности,связанная,во-первых,с созданиемстабильныхиммобилизованныхбиологическихпленок и, во-вторых, с проблемой создания эффективныхи стабильных преобразователейсигнала,оптимальнымобразомподходящихдля того или иногобиологическиактивногокомпонента.Однакоблаго­ даря высокойчувствительностии избирательностибиологических системсозданиекомбинированныхбиосенсоровявляетсянаиболее перспективнымпутем развития сенсорной аппаратурыДЛЯ хими­

ческого анализа.

4.3. Запоминание и хранение информации

в молекулярных системах

Как было отмечено выше (см. 2.1), в качестве логических элементов могут работать только специфические молекулярные системы, представляющие собой комбинацию довольно сложных органических молекул. Для систем, которые используются для за­ поминания числовой информации, необходимыми являются сле­ дующие условия: наличие двух устойчивых состояний с доста­ точно большим временем жизни, возможность перевести систему в каждое из этих СОСТОЯНИЙ управляющим физическим воздей­ ствием и идентифицировать эти состояния. Достаточно перспек­ тивными для этих целей являются молекулы органических краси­ телей, имеющие большое сечение захвата по отношению к кван­ там света, переводящим их в возбужденное синглетное состояние. Недостатком таких молекул является малое время жизни возбуж­ денных состояний красителей как в растворах (----1 О -9с), так и на поверхности твердых тел (--1 O-ll c). Принципиальная возможность обойти эти трудности была обозначена в 3.1.2: использовать для

143

Физические основы молекулярной электроники

долговременного хранения информации ловушки диэлектрика (ЛД)

в структурах диэлектрик-полупроводник с нанесенными на поверх­

IIOCTb молекуламикрасителей.В этом случае "заряжать"ЛД мож­ 110, инжектируя носители светом из объема полупроводника(от­ метим, что время жизни носителей в ловушках, например,для си­ стемы Si-SiО2 измеряется многими часами при комнатной тем­ пературе). Опустошатьэти состояния можно, используя явления спектральнойсенсибилизациипереходовиз ЛД в объем полупро­ водника (см. 3.1.2), облучая структуры светом в полосе поглоще­ ния красителя. Основным недостатком таких элементов памяти является низкая эффективность фотоопустошения заряженных ЛД (<р). Если попытаться повысить величину <р за счет увеличения концентрации молекул красителя на поверхности N, то это приве­ дет к обратному эффекту. С ростом N вероятность переноса энер­ гии по слою красителя будет возрастать и существенно превысит вероятность переноса энергии к ЛД. к тому же, данная модель

предполагает использовать в качестве элементов памяти струк­

туры диэлектрик-полупроводник, на основе которых реальные эле­

менты памяти не создаются.

Решить эту проблему можно, если использовать в качестве ячеек памяти структуры металл-пленка ЛБ органического краси­ теля-диэлектрик-полупроводник. Такая структура является ана­ логом широко используемой в практике в качестве ячеек памяти, работающих в токовом режиме, МДП-структур. Наличие сенси­ билизатора - упорядоченного слоя ЛБ - позволяет эффективно оптическим путем перезаряжать такие ячейки. Слои ЛБ обладают резкой анизотропией, и при определенной их ориентации вероят­ ность переноса энергии фотовозбужденных молекул к твердому

телу может на несколько порядков превышать вероятность дис­

сипации энергии в слое красителя.

В качестве примера подобного элемента памяти рассмот­ рим ячейку на основе структуры металл-пленка ЛБ фталоциани­ на кобальта (PcCo)-нитрид кремния-окисел кремния-кремний. Толщина слоев Si02 и SiзN4 составляла по 10 нм, пленки ЛБ фта­ лоцианина кобальта -- 0,1 мкм. Металлический электрод напы-

144

Глава /V Принципыпостроениядействующихи перспектинныхустройствмол электроники

лялся в вакууме. Заряжение ловушек диэлектрика осуществля­ лось путем фотоинжекцииносителей из объема полупроводника при облученииквантамисвета с энергией4,5 эВ. Величина накоп­

ленного при этом в диэлектрике максимального заряда определя­

лась по сдвигу низкочастотных СV-кривых и составляла 8·1011 эл.заряда/см', Высокие значения Qo по сравнению с зарядом, зах­ ваченным в слое Si02 при оптическом заряжении в аналогичных условиях структур Si-SiО2 (-..2· 1О11 эл. заряда/см"), свидетельству­ ют о том, что основная часть захваченных носителей в данном случае локализована в слое SiJ N4 либо на границе Si02-SiзN4• Ве­ личина заряда, локализованного в самом слое РсСо, была незна­ чительной, На рис.4.9 представлены СУ-кривые данной структу­ ры до заряжения светом (кривая 1) и после (кривая 2). Нанесе­ ние РсСо не приводит к дополнительному заряжению поверх­ ности - кривая 1 идентична исходной. При облучении в полосе поглощения РсСо квантами света с энергией hv -- 2,0 эВ фиксиро-

1,0

с)

~

15

')

0,5

0,0

Рис.4.9. СV-кривые структуры Sj-SiО,-Si,N~- РсСо. I -- исходная, 2 - после оптического заряжения ПЭС квантами света с энергией Jzv = 4,5 эВ, 3 - после освещения в полосе поглощсния РсСо (llV = 2 ')В). Изменение заряда ПJС пропорционально сдвигу напряжения плоских зон ДV

145