Nowoczesne narzędzia dla analityki chemicznej na bazie układów mikromechanicznych i nanoelektronicznych

Transkrypt

1 Politechnika Wrocławska Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Zakład Metrologii Mikro- i Nanostruktur Autoreferat rozprawy doktorskiej Nowoczesne narzędzia dla analityki chemicznej na bazie układów mikromechanicznych i nanoelektronicznych AUTOR: mgr inż. Piotr Pałetko PROMOTOR: prof. dr hab. inż. Teodor Gotszalk Wrocław, 2016

2 1. Wprowadzenie i Cel Pracy Analizowanie substancji chemicznych (analitów) przy wykorzystaniu różnych platform pomiarowych jest jednym z kluczowych kierunków rozwoju współczesnej chemii. Szczególne znaczenie, w tych badaniach ma analiza związków chemicznych wytwarzanych przez żywe organizmy lub substancji bioaktywnych. Wiele z tych substancji może mieć negatywny wpływ na zdrowie ludzkie czy też środowisko naturalne. W ostatnich latach znacząco zwiększa się ilość i różnorodność procesów chemicznych i substancji wykorzystywanych w rolnictwie, przetwarzaniu żywności, medycynie czy też w codziennym życiu. Sprawia to, że ilość zagrożeń związanych z obecnością tych substancji również ulega zwiększeniu. Metody charakteryzujące się wysoką czułością i selektywnością detekcji znajdują zastosowanie w diagnostyce klinicznej, profilaktyce medycznej, opracowywaniu nowych leków, kontroli żywności, monitorowaniu środowiska, systemach zabezpieczeń czy też zrozumieniu funkcjonowania układów biologicznych. Opracowanie tych narzędzi wymaga interdyscyplinarnego łączenia technik z pogranicza fizyki, mechaniki, chemii, biochemi oraz elektroniki. W nowoczesnych metodach analitycznych systemy spełniające postawione wyzwania nazywane są biosensorami (ang. biosensors). Biosensor jest to analityczny przyrząd powstały w wyniku połączenia poszczególnych (bio)chemicznych elementów oraz elementów fizycznych pozwalający na detekcję określonych indywiduów (bio)chemicznych [1]. Typowy biosensor jest złożony z trzech głównych składowych: przetwornika odbierającego sygnał, części elektronicznej przetwarzającej sygnał oraz komputera wyposażonego w odpowiednie oprogramowanie pozwalające na analizę uzyskanych informacji (rysunek 1.1). Kluczowym elementem konstrukcyjnym jest przetwornik od którego wymaga się wysokiej czułości na zachodzące zmiany. W celu pomiaru bardzo małych wartości (stężeń, siły, ciepła, etc.) wymagane jest użycie odpowiednio małych narzędzi pomiarowych. Współczesne technologie mikrowytwarzania pozwalają na wykonanie wystarczająco małych przetworników dla potrzeb czujnikowych analityki chemicznej. Rysunek 1.1 Schemat ideowy budowy typowego biosensora. Sygnał (bio)chemiczy pochodzący z powierzchni przetwornika jest przetwarzany na sygnał elektryczny. Odpowiedni dobór układów elektronicznych i oprogramowania pozwala na uzyskanie jakościowej lub/i ilościowej informacji. Selektywne oddziaływanie z analizowaną substancją zapewnia receptor Urządzenia mikromechaniczne takie jak mikrodźwignia sprężysta czy nanoelektroniczne jak nanodruty krzemowe spełniają te założenia i mogą posłużyć konstruowaniu systemów analitycznych o dużej czułości

3 i rozdzielczości. Selektywność przetwornika na daną substancję zapewnia dobór odpowiedniej warstwy receptorowej. Warstwa ta jest w stanie wychwycić pożądaną substancję z mieszaniny i związać ją z powierzchnią przetwornika na drodze selektywnych i specyficznych oddziaływań. Jedną z możliwości modyfikacji powierzchni przetworników jest wytwarzanie tak zwanych warstw samoorganizujących się (SAM ang. self assembled monolayers). Prostota ich uzyskania oraz duża ich różnorodność stanowią o olbrzymim zainteresowaniu tymi strukturami powierzchniowymi. Warstwy samoorganizujące się same w sobie stanowić mogą warstwę receptorową lub też posłużyć za bazę dla (bio)chemicznej modyfikacji powierzchni. Celem niniejszej rozprawy było: opracowanie technologii receptorowych molekularnych warstw samoorganizujących się (SAM) integrowanych z czujnikami mikromechanicznymi i nanoelektronicznych. zastosowanie platformy czujników mikromechanicznych i nanoelektronicznych nowej generacji do detekcji wybranych biomolekuł i jonów metali ciężkich, Cele pracy zrealizowano w pracach eksperymentalnych związanych z wytworzeniem odpowiednich konstrukcji czujnikowych oraz zastosowaniem odpowiednich warstw receptorowych. 2. Warstwy Samoorganizujące Się W materiałach molekularnych samoorganizacja (ang. self-assembly) dotyczy procesu samorzutnego gromadzenia się określonych jednostek (tj. atomów, molekuł lub biomolekuł) w uporządkowane struktury ponad cząsteczkowe [2]. Układy supramolekularne powstają dzięki różnego typu oddziaływaniom między poszczególnymi cząsteczkami. W literaturze znane są jako molekularne warstwy samoorganizujące się (ang. self-assembled monolayers; SAM). Struktury te wykazują wysoki stopień upakowania, uporządkowania oraz orientacji molekuł. Odkąd struktury SAM zostały opisane po raz pierwszy w 1980 roku, wiedza o nich, metody wytwarzania oraz możliwości zastosowań znacząco się poszerzyły [3]. Prostota uzyskania struktur SAM, i możliwości ich modyfikacji są powodem tak olbrzymiego zainteresowania tymi strukturami supramolekularnymi w laboratoriach badawczych. W swoich badaniach autor pracy warstwy SAM zastosował jako warstw receptorowe czujników mikromechanicznych i nanoelektonicznych, stosując związki siarkoorganiczne i krzemoorganiczne do ich funkcjonalizacji (tabela 2.1 ). Ze względu na budowę warstw samoorganizujących molekuły zdolne do tworzenia układów SAM z energetycznego punktu widzenia składają się z trzech elementów: grupy czołowej, łańcucha alkilowego oraz grupy funkcyjnej. Grupa czołowa (ang. head group) zwana również grupą wiążącą (ang. linking group) jest to reaktywna chemicznie grupa, która umożliwia chemisorpcję molekuł do podłoża, tworząc wiązanie chemiczne. Determinuje ona właściwości powstałych warstw pod względem trwałości w czasie i kąt pod jakim molekuły układają się do podłoża, co ma między innymi wpływ na wysokość warstwy.

4 Skrót stosowany w pracy Silany Struktura chemiczna /nazwa (ang.) Skrót stosowany w pracy Struktura chemiczna /nazwa (ang.) Si NH 2 Si CH 3 APTES 3-aminopropyltrimethoxysilane OTMS trimethoxy(octyl)silane Si NH NH 2 Si Na O O N N O O O Na EDA ETA N-(2-aminoethyl)-3- aminopropyltrimethoxysilane Si NH NH EDTA O Na N-(trimethoxysilylopropyl ethylenediamine triacetic tri sodium salt (EDTA-silane) NH 2 Si N C N -(3-trimethoxysilylpropyl)- diethylenetriamine TESPIC 3-(triethoxysilyl)propyl isocyanate Skrót stosowany w pracy Si O O Si GOPTES 3-glicydyloxypropylotrimethyoxysilane MPTES (3-Mercaptopropyl)trimethoxysilane Tiole Struktura chemiczna Struktura chemiczna /nazwa (ang.) /nazwa (ang.) Skrót stosowany w pracy SH HS CH 3 HS UDT 1-undecanethiol TP thiophenol O HS OH NH 2 HS MUA 11-mercaptoundecanoic acid CS cystamine [2-aminoethanethiol] Tabela 2.1 Tabela związków chemicznych tworzących warstwy SAM, wykorzystanych w badaniach autora pracy 2.1 Metody selektywnej funkcjonalizacji powierzchni W trakcie realizacji rozprawy autor rozprawy wdrożył techniki selektywnej funkcjonalizacji powierzchni warstwami SAM. Dało to możliwości wytwarzania określonych warstw receptorowych w ściśle określonych miejscach zarówno w układach testowych jak i selektywnej funkcjonalizacji czujników. Pierwszą z metod jest tzw. mikropieczątkowanie (µcp - ang. Microcontact Printing), należące do technik tzw. miękkiej litografii (ang. soft lithography), umożliwia wytwarzanie warstw samoorganizujących się na ściśle określonej powierzchni i o określonych wzorach. Technika mikropieczątkowania z powodzeniem

5 może być stosowana do wykonywania wzorów molekularnych na innych powierzchniach przy zastosowaniu odpowiednich związków [4]. Autor rozprawy zaadoptował technikę mikropieczątkowania nieciągłych wzorów molekularnych warstw SAM. Na rysunku 2.1 przedstawiono proces uzyskiwania nieciągłych warstw SAM metodą µcp. Rysunek 2.1 Proces uzyskiwania nieciągłych warstw samoorganizujących się o zdefiniowanych kształtach metodą mikropieczątkowania. a) Wytworzenie formy o zdefiniowanych kształtach b) Wykonanie pieczątki z PDMS c) Naniesienie roztworu związku do funkcjonalizacji powierzchni adsorpcja molekuł do powierzchni pieczątki d) Wysuszenie pieczątki na powierzchni znajduje się cieńka warstwa nanoszonego związku. e) Pieczątkowanie transfer molekuł związku funkcjonalizującego na płaską powierzchnię podłoża. f) Oderwanie pieczątki od podłoża na podłożu powstaje chemicznie związana monowarstwa o zdefiniowanym kształcie. Wyliczona wysokość: 1,15 nm b) Zmierzona wysokość: 1,10 nm O CH 3 a) C H 3 Si O O CH 3 CH 3 c) Rysunek 2.2 Struktura OTMS uzyskana z pomocą techniki mikropieczątkowania (pomiary wykonany przez autora) a) Obraz topografii przedstawiony w 3D b) Przekrój przez mierzoną strukturę c) Molekuła OTMS wraz z wysokością zmierzoną i obliczoną

6 Autor pracy w trakcie prowadzonych badań opracował i wdrożył technikę µcp do praktyki ZMMiN. Przykładem warstwy uzyskanej za pomocą techniki mikropieczątkowania jest warstwa OTMS na powierzchni tlenku krzemu widoczna na rysunku 2.2 Wysokość mierzonej warstwy zależy od długości łańcucha alkilowego i wynosi 1,10 nm, co odpowiada wartości teoretycznej wynoszącej 1,15 nm. Drugą metodą wdrożoną przez autora rozprawy była tzw. nanolitografia ze zwilżonym ostrzem (DPN - ang. Dip Pen Nanolitography) stanowi interesującą metodę tworzenia warstw molekularnych, w kontrolowany sposób. Metoda umożliwia tworzenie molekularnych struktur, o dowolnych kształtach oraz wymiarach na płaskich powierzchniach. Nanoszenie warstw SAM odbywa się przez dyfuzję cząsteczek zaadsorbowanych do ostrza na skanowaną powierzchnię przez menisk wodny, dzięki zjawisku występowania kapilary wodnej w punkcie styku ostrza i powierzchni. Tworzenie warstw przedstawiono schematycznie na rysunek 2.3. Rysunek 2.3 Tworzenie warstwy SAM metodą litografii ze zwilżonym ostrzem Metoda ta daje możliwość wytwarzania stabilnych nanostruktur dzięki zastosowaniu substancji chemicznej, której molekuły na skutek chemisorpcji silnie wiążą się z atomami podłoża i mogącymi tworzyć warstwy SAM.. Niewątpliwą zaletą DPN jest możliwość wytwarzania wzorów z różnych molekularnych atramentów na tym samym podłożu. a) b) c) d) Rysunek 2.4 Struktury OTMS wytworzone w procesie DPN na podłożu tlenku krzemu. Obrazy otrzymano przy użyciu komercyjnego mikroskopu: Veeco Dimension V Scanning Probe Microscope zmierzone w trybie TM AFM. a) Obraz topografii struktury OTMS prędkość nanoszenia struktur 1µm/s; temperatura pokojowa; wilgotność 28% ; ostrze MPP ; siła nacisku 30nN b) Obraz kontrastu fazowego struktury c) Obraz topografii pojedynczej struktury uzyskanej w procesie DPN d) Przekrój przez strukturę zmierzona wysokość 0,55nm

7 Do wykonania prostych doświadczeń wykorzystujących litografię ze zwilżonym ostrzem może zostać użyty praktycznie każdy mikroskop sił atomowych, umożliwiający pomiary w trybie kontaktowym. Przykładem mogą być przedstawione na rysuku 2.4 struktury OTMS wytworzone za pomocą mikroskopu Veeco Dimension V. W trakcie prowadzonych prac autor rozprawy opracował system widoczny na rysunku 2.5, który pozwala na nanoszenie struktur warstw receptorowych na bazie tioli i silanów na podłożach tlenku krzemu i złota o wielkości dziesiątków nanometrów w polu do 100x100 µm, przy dowolności rysowanego kształtu. Rysunek 2.16 System do litografii ze zwilżonym ostrzem (DPN) wraz z komorą klimatyczną umożliwiającą kontrolę wilgotności w zakresie od 10% do 90%. Na potrzeby systemu opracowano oprogramowanie w języku C++, które jest modułem rozszerzającym możliwości programu DSP skaner. Aplikacja umożliwia rysowanie dowolnych kształtów, konwersję plików graficznych oraz generację testowych struktur periodycznych. 2.2 Wykorzystanie metod mikroskopii sił atomowych do diagnostyki warstw receptorowych Mikroskopia sił atomowych (ang. Atomic Force Microscopy - AFM) jest jedną z powszechnie stosowanych technik do obrazowania powierzchni. W pomiarach metodami mikroskopii AFM wykorzystywane są oddziaływania między atomami mierzonej powierzchni i atomami ostrza dźwigni sprężystej. Powstające oddziaływania odchylają sprężystą dźwignię od stanu równowagi powodując jej ugięcie. Ponieważ ostrze i powierzchnia znajdują się w polu bliskich oddziaływań, występujące siły międzycząsteczkowe umożliwiają wysokorozdzielcze obrazowanie powierzchni zarówno izolatorów jak i przewodników. Technikami mikroskopii AFM wykorzystanymi w obrazowaniu i diagnostyce warstw receptorowych, a w szczególności SAM, są między innymi: tryb kontaktowy, tryb przerywanego kontaktu, mikroskopia sił chemicznych, ciągła spektroskopia sił czy mikroskopia z sondą Kelvina. W ramach realizowanych prac autor rozprawy z powodzeniem wykorzystywał powyżej wymienione techniki do diagnostyki warstw receptorowych.

8 3. Układy oparte na mikrodźwigniach sprężystych Badania prowadzone nad rozwojem technik mikroskopii bliskich oddziaływań w pierwszej połowie lat 90. XX wieku, doprowadziły do powstania pierwszych systemów z czujnikami mikrodźwigniowmi (ang. cantilever sensors, microcantilever sensors). Przedstawiona na rysunku 3.1 liczba rozwiązań oraz przewidywanych aplikacji jako przetworników dla danych wielkości fizycznych i chemicznych obrazuje jak uniwersalnym narzędziem jest mikrodźwignia. Współcześnie techniki te sprawdzają się jako doskonałe, wysokorozdzielcze narzędzia analityczne i badawcze. Rysunek 3.1 Proponowane zastosowania czujników mikrodźwigniowych wg H.P. Langa [5] Czujniki wykorzystujące konstrukcje mikrodźwigni sprężystej dają możliwość uzyskania taniej, przenośnej, bezznacznikowej detekcji molekuł o wysokiej czułości. Selektywność na określone indywidua chemiczne uzyskiwana jest przez dobór odpowiednich pokryć powierzchni czujnika warstwami funkcjonalnymi. Właściwości mechaniczne oraz wysoki stosunek powierzchni do objętości mikrodźwigni sprężystych powoduje, że są one bardzo dobrymi czujnikami masy i siły. W połączeniu z technologiami funkcjonalizacji powierzchni możliwa jest obserwacja fizycznych i chemicznych zjawisk w skali molekularnej. Prezentowane w rozprawie układy pomiarowe ugięcia dźwigni wykonano na podstawie konstrukcji mikroskopu AFM wykonanego w ZMMiN. W rozwiązaniach tych wykorzystywana jest

9 metoda optycznej detekcji ugięcia dźwigni (OBD - ang. Optical Beam Deflection), która charakteryzuje się wysoką czułością. Rysunek 3.2 Schemat ideowy układu pomiarowego wychylenia mikrodźwigni sprężystej. Głównymi składowymi omawianych systemów pomiarowych konstrukcji własnej są: układ zasilania, źródło wiązki świetlnej, układ ogniskowania i justowania wiązki, mikrodźwignia sprężysta, układ detekcji wiązki odbitej, karta przetwornikowej oraz komputer PC (rysunek 3.2). W zależności od zastosowań systemu, opracowano szereg celek gazowo-cieczowych oraz elektrochemicznych. Przy zastosowaniu odpowiedniego układu optycznego rozszerzającego wiązkę lasera (EBD ang. Expanded Beam Deflection), oraz zwielokrotnieniu układów detekcji oraz przetwarzania wiązki lasera możliwy jest pomiar ugięcia wielu dźwigni jednocześnie w czasie rzeczywistym. a) b) c) Rysunek 3.3 Obrazy SEM przykładowych matryc mikrodźwigni sprężystych Komercyjna matryca 2 dźwigni - Arrow-TL2Au, NanoWorld a) Wytworzona w ITE w Warszawie matryca 2 dźwigni z osobno wyprowadzoną metalizacją, przeznaczona do pomiarów elektrochemicznych. b) Przekrój przez strukturę mikrodźwigni (c) - Na dźwigni obecne są powierzchnie złota zdolne do wiązania tioli lub innych związków siarkoorganicznych, oraz powierzchnie tlenku krzemu zdolne do wiązania związków siarkoorganicznych

10 W trakcie prowadzonych prac wykorzystywano mikrodźwignie wytworzone w ITE w Warszawie oraz komercyjnie dostępne struktury. Na rysunku 3.3 widoczne są przykładowe struktury wykorzystywanych matryc mikrodźwigni. Mirodźwignie mają strukturę warstwową, w której każda warstwa ma inny współczynnik rozszerzalności cieplnej. Wpływ zmian temperatury na odczyt ugięcia czujnika eliminuje się przez zastosowanie dodatkowego czujnika odniesienia. Ze względu na przetwarzanie sygnału pochodzącego z dźwigni wyróżnia się dwa tryby pomiarowe: statyczny i dynamiczny. Analit Warstwa SAM; Warstwa receptorowa Przetwornik Rysunek 3.4 Zasada odpowiedzi czujników na bazie mikrodźwigni sprężystych W trybie statycznym mikrodźwignia sprężysta jest przetwornikiem powstających na jej powierzchni naprężeń oraz zmiany masy wywołanej adsorpcją molekuł (rysunek 3.4). Odpowiednio dobrana funkcjonalizacja prowadzi do powstania selektywnej warstwy receptorowej dla analizowanej substancji. W trybie rezonansowym (dynamicznym) mierzona jest zmiana częstotliwości wywołana zmianą masy związanej na elemencie drgającym jakim jest mikrodźwignia. Rysunek 3.8 Wynik pomiaru w trybie statycznym pojedynczej mikrodźwigni - Funkcjonalizacja czujnika przez wytworzenie warstwy 11MUA na powierzchni złota W trakcie realizacji rozprawy wykonano szereg eksperymentów przy wykorzystaniu mikrodźwigni sprężystych. Powierzchnię mikrodźwigni funkcjonalizowano warstwami SAM. Przykład takiej

11 funkcjonalizacji widoczny jest na rysunku 3.5 przedstawiono wynik statycznego pomiaru ugięcia dźwigni podczas funkcjonalizacji jej powierzchni molekułami MUA. Dodatkowo autor rozprawy współpracował przy opracowaniu nowatorskich metod pomiarowych polegających na: Odpowiedź mechanicznej dźwigni w układzie woltamperometrycznym [6] oraz metodzie bezpośredniego pomiaru naprężeń powierzchniowych [7]. 4.1 Układ Pomiarowy Do charakteryzacji jonoczułych tranzystorów polowych oraz nanodrutów krzemowych, autor rozprawy skonstruował system pomiarowy składający się z dwóch mierników Keithley 2400SMU. Schemat układu widoczny jest na rysunku 4.1. Rysunek 4.1 Schemat układu pomiarowego do pomiarów czujników ISFET oraz tranzystorowych nanodrutów krzemowych. W systemie pomiarowym jeden miernik pracuje jako stabilne źródło napięciowe sprzężone z pomiarem prądu płynącego przez element półprzewodnikowy. Drugi służy jako źródło napięcia przykładanego do bramki tranzystora lub elektrody referencyjnej. Rysunek 4.2 Rozszerzenie układu pomiarowego PWr (rysunek 5.12) o dodatkowy moduł miernik Keithley 2400SMU. Daje to możliwość pomiaru prądu dwóch nanodrutów w tym samym czasie.

12 System może służyć zarówno jako układ pomiarowy do badań chemicznych jak i układ do charakteryzacji tranzystorów. Zakres podawanych napięć jest rzędu pojedynczych mv, natomiast mierzone prądy to pojedyncze na. W kolejnych etapach prac rozwinięto ten układ pomiarowy. Na rysunku 4.2 przedstawiono schemat układu do pomiarów dwóch czujników jednocześnie. W układzie tym zastosowano dodatkowy miernik Keithley 2400SMU, który mierzy prąd płynący przez dodatkowy czujnik o charakterze tranzystora. System jest sterowany z poziomu komputera za pomocą magistrali GPIB. Stanowisko wykorzystuje oprogramowanie w środowisku LabView 8.6. dzięki temu system pomiarowy jest charakter otwarty na kolejne usprawnienia. a) b) Rysunek 4.3 Oprogramowanie do badania odpowiedzi czujników na bazie tranzystorów ISFET. a) Okno dialogowe programu FET meas v1.0.; Wynik pomiarów czujnika ISFET ITE Warszawa b) zestaw charakterystyk przedstawionych w przestrzeni 3D. Oprogramowanie umożliwia charakteryzację czujnika przez pomiar rodzin charakterystyk przejściowych i wyjściowych. Wyniki widoczne są na rysunku 4.3. Pomiar odbywa się przez zadawanie rosnącego napięcia między źródło a dren i określanie prądu drenu w kolejnych punktach, przy zadanym napięciu bramki. Niewątpliwym atutem stworzonego oprogramowania jest dowolność zadawania parametrów pomiaru, 4.2 Pomiarowa celka cieczowa Dla przeprowadzenia pomiarów czujników w małej objętości cieczy dla kolejnych generacji czujników zostały zaprojektowane i wykonane kolejne celki pomiarowe. W celu realizacji pomiaru temperatury autor rozprawy opracował układ pomiaru temperatury. Na rysunku 4.4 przedstawiono celkę pomiarową ISFET.

13 a) b) Rysunek 4.4 Pomiarowa celka cieczowa do pomiarów ISFET PWr; a) elementy celki, b) złożona celka. Do pomiarów nanodrutów krzemowych została zaprojektowana i wykonana przepływowa celka pomiarowa widoczna na rysunku 4.5. Celka umożliwia zarówno pomiary statyczne jak i przepływowe. Objętość komory pomiarowej wynosi 1 ml, co uwarunkowane jest kształtem matrycy czujników. a) b) Rysunek 4.5 Pomiarowa celka cieczowa do pomiarów nanodrutów krzemowych. a) rysunek projektowy (AutoDesk) b) złożona celka z zamontowanym czujnikiem. W obydwóch konstrukcjach celek zastosowano komercyjnie dostępne chlorosrebrowe elektrody referencyjne. 5. Jonoczuły Tranzystor Polowy Jonoczułe tranzystory polowe (ang. Ion Sensitive Field Effect Transistor - ISFET) są jednymi z najbardziej popularnych przetworników do detekcji różnych substancji (bio)chemicznych. Budowa tych urządzeń i zasada działania oparta jest o konstrukcje struktur MIS. Różnicą jest metaliczna bramka, odseparowana i zastąpiona elektrodą referencyjną umieszczoną w mierzonym roztworze wodnym, będącą w kontakcie z izolatorem bramkowym (rysunek 5.1). Wiele uwagi poświęcono w literaturze modyfikacji technologii oraz poprawie wydajności procesów produkcji [8]. Łatwy dostęp do powierzchni aktywnej czujnika zaowocował szeregiem modyfikacji mających na celu wytworzenie urządzenia, którym w sposób efektywny można mierzyć określone wielkości (bio)chemiczne. W ten sposób osiągnięto urządzenia o powtarzalnych właściwościach, co ma kluczowe znaczenie w potencjalnych zastosowaniach. Dodatkowo

14 możliwość seryjnej produkcji obniża koszt wytwarzania tych czujników oraz daje możliwość wytwarzanych matryc czujników. Rysunek 5.1 Porównanie budowy tranzystorów. [9] a) MISFET b) ISFET 5.1 Struktury jonoczułych tranzystorów polowych wykorzystywanych w badaniach Rysunek 5.2 Struktury ISFET wytwarzane w ITE w Warszawie z kontaktami wyprowadzonymi od spodu (BSC), stosowane w pomiarach autora rozprawy. a) Struktury ISFET; b) pojedynczy czujnik; c) d) Widok kanału czujnika o szerokości 50 µm.

15 Wykorzystywane w badaniach struktury ISFET wytwarzano w ITE w Warszawie, w technologii CMOS. Wymiary pojedynczego chipu wynoszą: 4,9 mm długośći, 4,9 mm szerokości, grubość 1,7 mm. Grubość samej struktury ISFET wynosi 380 µm. Czujnik przeznaczony jest do pracy w zakresie U DS = 0-10 V przy maksymalnym prądzie drenu I D = 5 ma. Struktury ISFET widoczne na rysunku 5.2 mają kanał typu n normalnie otwarty pokryty warstwą Si 3 N 4. Struktury te zostały dobrze opisane w literaturze [10] i wykorzystane w wielu konstrukcjach czujnikowych. 5.2 Porównanie metod pomiarowych jonoczułych tranzystorów polowych Rysunek 5.3 Porównanie dwóch systemów pomiaru ISFET. Oryginalnym pomiarem był, przedstawiony na rysunku 5.3, porównawczy pomiar dla dwóch różnych systemów pomiarowych przeprowadzony w dwóch trybach, w tych samych warunkach i na tych samym czujniku. Porównano dwa układy pomiarowe, w których stabilizowano napięcie U DS system PWr oraz prąd I DS system zaproponowany przez ITE Warszawa.W celu poprawnego porównania poziomu odpowiedzi punkt pracy dla układu PWr został wyznaczony przez pomiar napięć w układzie z ITE i wynosił: U DS = 1,38 V oraz U GS = 1,34 V. Wyniki obydwu pomiarów znormalizowano i zestawiono na rysunku Wynika z nich, że poziom odpowiedzi dla tych technik jest porównywalny, co za tym idzie techniki te mogą być uznane za równorzędne. Wydawać by się mogło że stabilniejszy jest pomiar prądu drenu, jednakże był on realizowany w dłuższym czasie. Porównanie metod pomiarowych wykonano również dla układów bioligicznych. Dodatkowo wykonano szereg pomiarów funkcjonalizacji czujników ISFET oraz pomiarów biologicznych.

16 6. Nanodruty Krzemowe Podczas realizacji pracy badano nanodruty krzemowe wytwarzane w technologii FinFET przez ITE w Warszawie. Nazwa technologii pochodzi od wyglądu struktur, które w widoku od góry przypominają rybie płetwy. Angielskie słowo fin oznacza płetwę (ość, żebro) natomiast FET podkreśla fakt że urządzenie działa na zasadzie tranzystora polowego. Wytworzone struktury FinFET pozbawione fizycznej bramki, spełniają wszelkie wymagania do zastosowań czujnikowych jako struktury ISFET. Zwielokrotnienie bramki skutecznie podnosi kontrolę przewodnictwa kanału, co stanowi niewątpliwą ich zaletę. Wykorzystywane struktury nanodrutów w pełni scharakteryzowano za pomocą technik obrazowania (AFM, SEM, optycznie) oraz elektrycznie. 6.1 Charakteryzacja struktur nanodrutów krzemowych Struktury NW-1 wytworzono w dwóch wariantach długośći: 10 µm i 20 µm oraz liczbie nanodrutów w pojedynczej strukturze mieszczącej się w zakresie od 2 do 32. Nanodruty NW-1 scharakteryzowano przy użyciu mikroskopii optycznej (rysunek 6.1), SEM) oraz AFM. a) b) Rysunek 6.6 Obraz mikroskopii optycznej struktur nanodrutów NW-1 a) Trzy struktury nanodrutów krzemowych b) Struktura NW-1-20Fin16 Drugi typ matryc wykorzystywanych w badaniach, oznaczono jako NW-2. Pojedyncze struktury nanodrutów, w przekroju mają wymiary wynoszące 100 nm szerokości oraz 200 nm wysokości. Na pojedynczej matrycy przedstawionej na rysunku 6.2 znajduje się 16 struktur nanodrutów krzemowych. Struktury można podzielić ze względu na długość (8 lub 20 µm) oraz rodzaj domieszkowania obszaru kanału oraz kontaktów.

17 Rysunek 6.2 Matryca NW-2; Obraz z mikroskopu optycznego złożony z 8 fotografii. W trakcie prowadzenia badań nanodruty NW-1 oraz NW-2 charakteryzowano za pomocą zaawansowanych technik mikroskopii AFM. Pomiary metodami mikroskopii termicznej ( SThM - ang. Scanning thermal microscopy). W tym samym układzie polaryzacji struktur przeprowadzono pomiary metodą mikroskopii z sondą Kelvina. Metoda KPFM pozwala na obrazowanie rozkładu ładunku na powierzchni urządzenia. Pozwoliło to na eksperymentalne zaobserwowanie efektu odcinania kanału na nanodrucie. Trzecim typem matryc wykorzystanych w badaniach były matryce nanodrutów uwolnionych z podłoża, oznaczone jako snw-2 (rysunek6.3) będących pochodną struktur NW-2.. Rysunek 6.3 Obraz SEM struktur nanodrutów uwolnionych a) Struktura 2 nanodrutów długości 8µm snw-2-a8fin2 b) Kontakt pojedynczego uwolnionego nanodrutu - szacowana szerokość wynosi 121 nm c) Nanodrut zerwany za pomocą mikromanipulatora

18 Proces uwalniania nanodrutów NW-2 prowadzi do zmiany charakterystyk prądowo napięciowych tych struktur. Zaobserwowane efekty są wynikiem wyższego ilorazu pola powierzchni do objętości uwolnionych nanodrutów niż w strukturach nieuwolnionych. Nanodruty snw-2 wykazują potencjalnie wyższą czułość co jest szczególnie dobrze widoczne przy porównaniu charakterystyk wyjściowych widocznych na rysunku 6.4. Porównanie parametrów, transkonduktancyjnch pozwala stwierdzić czterokrotną wyższą czułość uwolnionych struktur. Rysunek 6.4 Porównanie charakterystyk wyjściowych nanodrutów NW-2 i snw-2 analogicznych do struktur A20Fin2. Charakterystyki mierzone w roztworze zawierającym PBS o stężeniu 1mM oraz KCl o stężeniu 10 mm, przy polaryzacji U DS=2V. 6.2 Funkcjonalizacja nanodrutów krzemowych Rysunek 6.5 Charakterystyki wyjściowe nanodrutów NW-1-20Fin16 przed i po procesie funkcjonalizacji warstwą APTES zestaw charakterystyk wyjściowych przed i po funkcjonalizacji nanodrutu

19 Struktury nanodrutów w celu użycia ich jako czujniki chemiczne lub biologiczne wymagają odpowiedniej funkcjonalizacji polegającej na wytworzeniu warstw SAM. Opracowana przez autora procedura pomiarów charakterystyk pozwala na szybkie testowanie uformowanych warstw SAM bez konieczności stosowania zaawansowanych metod pomiarowych. Na rysunku 6.5 przedstawiono wynik zmian charakterystyk wyjściowych spowodowany wytworzeniem warstwy receptorowej. W trakcie prowadzonych prac zaimplementowano litografię ze zwilżonym ostrzem do selektywnej funkcjonalizacji czujników. DPN jest metodą, umożliwiającą w ściśle określone miejsca nanoszenie warstw SAM za pomocą ostrza mikroskopu AFM. Przy użyciu komercyjnego mikroskopu Veeco Dimension V wykonano selektywną funkcjonalizację struktur NW-1. Do eksperymentu użyto struktur NW-1-20Fin2 oraz NW-1-20Fin4. Wynik eksperymentu przedstawiono na rysunku 6.6. Widoczna jest różnica odpowiedzi czujników na zadane stężenie jonów miedzi. Rysunek 6.6 Oznaczanie jonów Cu 2+ przy użyciu czujników sfunkcjonalizowanych techniką DPN. OTMS NW-2-20Fin4 (2 finy aktywne); ETA NW-2-20Fin2 (U DS=2V dla obu czujników, U GS=1V)

20 6.3 Pomiary wykonywane za pomocą funkcjonalizowanych nanodrutów krzemowych W trakcie prowadzonych prac autor rozprawy wykonał szereg oznaczeń jonów metali oraz substancji biologicznych. Struktury nanodrutów modyfikowano za pomocą warstw SAM tak, aby stały się one selektywne dla danych indywiduów chemicznych. Przykładem może być widoczny na rysunku 6.7 przykład oznaczania endotoksyn bakteryjnych. Endotoksyny są szkodliwymi dla organizmu substancjami wytwarzanymi dostarczanymi przez bakterie do środowiska. LPS jest podstawowym składnikiem ściany komórkowej bakterii gram ujemnych. Mechanizm odpowiedzi immunologicznej w momencie pojawienia się LPS w środowisku opiera się na selektywnym i specyficznym wiązaniu endotoksyn z odpowiednimi przeciwciałami. Jest to jeden z możliwych sposobów identyfikacji szkodliwych dla organizmu bakterii. -4,14 60µl kanal "P" SiO 2 struktura 8 fin 20µm Ugs=-3V Uds=-3V -4,16-4,18 20µl 40µl c=12µg/ml Current (µa) -4,20-4,22 LPS c=6µg/ml -4,24-4,26 c=2µg/ml dodatek przeciwcial o c =1mg/ml Time (s) Rysunek 6.7 Oznaczanie przeciwciał endotoksyn bakteryjnych LPS na odpowiednio przygotowanej strukturze NW-2-B20Fin8

21 7. Podsumowanie W rozprawie omówiono zagadnienia związane z nowoczesnymi narzędziami analitycznymi. Autor rozprawy rozwijał techniki pomiarowe dla mikromechanicznych i nanoelektronicznych układów. W zakresie rozprawy jako układ mikromechaniczny badano czujniki na bazie mikrodźwigni sprężystej natomiast układami nanoelektronicznymi były nanodruty krzemowe, które są rozwinięciem konstrukcji jonoczułych tranzystorów polowych. Dodatkowo autor rozprawy opracował technologię osadzania warstw receptorowych dla obu typów układów analitycznych, bazującą na warstwach samoorganizujących się, w celu uzyskania czujników selektywnych na określone jony metali ciężkich, molekuły organiczne, oraz molekuły pochodzenia biologicznego. Opracowano metody selektywnego nanoszenia warstw receptorowych na powierzchnie czujnikowe. Dla warstw samoorganizujących się opracowano metodologie pomiarów technikami mikroskopii sił atomowych bazującą na warstwach nieciągłych. Do najważniejszych osiągnięć autora rozprawy należą: W zakresie funkcjonalizacji powierzchni: - wdrożenie technologii mikropieczątkowania; opracowanie matryc i technologii wytwarzania pieczątek dla tej technologii, - uzyskanie szeregu warstw nieciągłych, zarówno na podłożach złotych jak i tlenku krzemu i przeprowadzenie diagnostyki tych warstw szeregiem nowoczesnych technik mikroskopii sił atomowych, - opracowanie warstw receptorowych dla czujników bazujących na systemach mikrodźwigni sprężystej oraz nanodrutów krzemowych, - opracowanie technik selektywnej funkcjonalizacji czujników. W zakresie układów mikromechanicznych - opracowanie nowatorskich technik pomiarowych bazujących na systemach pomiaru ugięcia mikrodźwigni sprężystej. W zakresie układów nanoelektronicznych: - opracowanie metod funkcjonalizacji nanodrutów metodami litografii ze zwilżonym ostrzem - opracowanie selektywnych metod funkcjonalizacji nanodrutów przez sterowanie potencjałem nanodrutu - opracowanie metod wyznaczania parametrów mechanicznych nanodrutów uwolnionych metodami mikroskopii AFM - opracowanie metod charakteryzacji nanodrutów krzemowych technikami mikroskopii sił atomowych, - opracowanie systemu pomiarowego dla jonoczułych tranzystorów polowych oraz nanodrutów krzemowych, - opracowanie metody pomiarowej nanodrutów krzemowych oraz jonoczułych tranzystorów polowych dla selektywnego oznaczania substancji biologicznych: BSA; Igg/anty-Igg; Awidyna-biotyna, streptavidyna oraz jonów metali: miedzi, kadmu, rtęci, ołowiu, - wykazanie zwiększonej czułości detekcji ph za pomocą nanodrutów uwolnionych. Badania przedstawione w niniejszej rozprawie były realizowane w ścisłej współpracy z zespołami z Instytutu Technologii Elektronowej w Warszawie.

22 LITERATURA [1] L. Su, W. Jia, C. Hou, and Y. Lei, Microbial biosensors: A review, Biosensors and Bioelectronics, vol. 26, no. 5. pp , [2] "Chemiczna funkcjonalizacja powierzchni dla potrzeb nanotechnologii, przaca zbiorowa pod redakcją G. Schroedera, Cursiva [3] J. Sagiv, Organized monolayers by adsorption. 1. Formation and structure of oleophobic mixed monolayers on solid surfaces, J. Am. Chem. Soc., vol. 399, no. 1976, pp , [4] S. Alom Ruiz and C. S. Chen, Microcontact printing: A tool to pattern, ; Soft Matter, vol. 3, no. 2. p. 168, [5] H. P. Lang, M. K. Baller, R. Berger, C. Gerber, J. K. Gimzewski, F. M. Battiston, P. Fornaro, J. P. Ramseyer, E. Meyer, and H. J. Güntherodt, An artificial nose based on a micromechanical cantilever array, Analytica Chimica Acta, 1999, vol. 393, no. 1 3, pp [6] K. Nieradka, P. Pałetko, D. Kopiec, P. Grabiec, P. Janus, G. Schroeder, T. Ossowski, and T. Gotszalk, Electrochemical cell with electrically addressable cantilever arrays, pp , [7] D. Kopiec, P. Pałetko, K. Nieradka, W. Majstrzyk, P. Kunicki, A. Sierakowski, G. Jóźwiak, and T. Gotszalk, Closed-loop surface stress compensation with an electromagnetically actuated microcantilever, Sensors Actuators B Chem., vol. 213, pp , [8] S. J. P. Fan Ren, "Semiconductor Device-Based Sensors for Gas, Chemical, and Biomedical Applications". CRC Press, [9] W. W. Zbigniew Brzózka, "Sensory chemiczne". Oficyna Wydawnicza PW, [10] M. Zaborowski, B. Jaroszewicz, D. Tomaszewski, P. Prokaryn, E. Malinowska, E. Grygolowicz-Pawlak, and P. Grabiec, Fabrication of MOS - Compatible Ion - Sensitive Devices for Water Pollution Monitoring (Warmer), th Int. Conf. Mix. Des. Integr. Circuits Syst., 2007.