CNT汞合金：先进灵敏元件系统与纳米检测应用

基于纳米材料的下一代灵敏元件系统将会从根本上提高它们的灵敏度、选择性和快速反应标准。这些带有更好控制器和交互询问特征的新时代探测器将不仅能探测单个分子，而且能为各种分析诊断提供所需的各种多元探测。CNT正被用作化学、气体和生物灵敏元件。基于CNT的灵敏探测器的主要优点是探测所需的传感材料极少，且实现传感所需的传感材料同样少。尽管大多数CNT灵敏元件使用相同的传感材料，但是它们有不同的传感机制和探测方法。一些传感机制取决于CNT的机械性能，而另一些依赖于它们的电子传输过程。另一方面，探测方式可能是光学的或机械的，还可能是观察灵敏元件总体频率响应的变化。尽管光学探测方法仍在发展，但电学探测更加可取，因可靠性日益增长。当制备半导体设备时，CNT归为电子行业。CNT汞合金已被用作各种灵敏元件的传感材料。一般来说，制造灵敏元件需要一个学科交叉的研究团队，因为成功开发一个商业可行的、可工作的灵敏元件需要各学科的专业技能。下面几节将简要介绍几个基于CNT的先进灵敏元件系统。

16.4.1.1 作为生物灵敏元件的碳纳米管

CNT等在一维结构中的电流是相当敏感的，甚至对CNT载流外表面的微小变化都非常敏感。因此，当生物分析物吸附在CNT壁面上时，这种依附作用使量子金属丝中电荷的正常传输不稳定。因此，大多数应用中CNT是理想的灵敏元件材料。其最重要的应用之一是，现实生活中各种基于CNT的生物传感器。在各种不同的应用中，这些纳米级传感材料被证明是非常敏感和有选择性的。有关CNT的研究正在广泛进行，以深入了解它们的适用性。在国防领域，CNT也获得了重视，因为它们能感觉痕量的致命生物作用剂，因此能用于对抗全球恐怖主义。通过使用基于纳米材料的灵敏元件，能节省医学诊断成本和消耗在令人厌倦的诊断实验常规上的时间。人们正在开发基于CNT灵敏元件的纳米检测来加速诊断过程。

美国伊利诺大学香槟分校正在开发使用CNT的单分子探测器。当与目标分子接触时，基于CNT的镀膜传感器就会发出荧光，且记录这种光的波长，能分析判断是否已捕获目标分子。Sofia和Chaniotakis^[27]已开发了一种生物电流传感器，这种传感器带有位于铂基板上的定向MWCNT。在此传感器中，CNT充当了双重角色：其一是用作一种良好的媒介，为官能团的固定提供了大的表面积；其二是用作电子传导媒介。

因其在司法科学、基因工程和基因疗法等领域的广泛适应性，人们已经开发出了各类DNA灵敏元件，并对其进行广泛的研究。Cai等人^[28]使用羧基对MWCNT进行了功能化处理，以便用它来侦查一种特定的杂交过程。与早期带有碳电极的、直接使用低核苷酸进行功能化的DNA灵敏元件相比，基于MWCNT的DNA灵敏元件表现出更好的电荷传输特性和工作能力。(www.xing528.com)

16.4.1.2 基于碳纳米管场效应晶体管的气体传感器

本章16.4.1节会简要阐述研究小组开发气体传感器的一些方法。这些方法涉及把CNT用作纳米复合材料或基于CNT的单个传感器。CNT充电敏感表面积非常大，这使它能充当良好的传感器，因而人们生产基于碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）的气体传感器的兴趣正在日益增长。CNT-FET表面积非常大，这一性质使其对周围环境敏感，特别是氧气和含氧复合材料^[29，30]。Someya等人^[31]的研究表明，使用化学气相淀积技术合成的SWCNT已被用来制备沟道长度为2.5μm和5μm的FET，以探测酒精蒸气。该探测通过观察饱和电流和门限电压等FET参数的变化而实现。当整个设备暴露在酒精蒸气环境中时，该探测器就能探测出酒精蒸气，且所能探测的酒精蒸气浓度范围非常广。由于CNT与金属的界面所造成的肖特基势垒，大多数FET存在电导率极限。为克服这样的电流传导限制，Javey等人^[32]在传感器中使用钯来与SWCNT对接。作为贵金属，钯为CNT充当了更好的浸湿物质，因而减少了电子传导的电荷势垒，提高了传导电流。CO₂是一种常见气体，与大多数的生物过程有关。在很多公共通道区域，民用的CO₂监测也很重要。尽管很多研究者已经开始了对基于CNT的灵敏元件的研究，然而，很少有团队像Star等人^[33]一样，构建一个CNT-FET来探测CO₂。根据他们的报导，他们使用化学职能化的CNT来探测CO₂，这个CNT带有一个特殊识别层来探测CO₂。不像其他的研究，他们使用一种聚合物涂层方式来对CNT进行功能化，以便克服因共价键引起的CNT物理性质的改变。

下面将提供基于CNT的传统半导体器件的更多的信息，以便读者大致了解这些器件。集成电路工业正努力把这些器件引入其当前的技术之中，来改变现有技术的特性，或设计一系列基于CNT的全新技术。