一種具有發散/匯聚納米流道結構的單電極調控離子三極管的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種離子Ξ極管，特別是一種具有發散/匯聚納米流道結構的離子Ξ 極管。
【背景技術】
[0002] 微細尺度下的物質輸運，特別是在微通道和多孔基體中的流體流動特性W及強化 熱質輸運得到了廣泛的關注。近年來，隨著MEMS(微機電系統)技術的發展，納米機構的制備 及其應用得到了廣泛的關注。例如Lu等采用納米壓印技術制備超細（~4nm)Nb(妮)絲用于 超導測試;H.化等和化vid.C等對應用于生物大分子研究的納米傳感器進行了研究，所制備 的納米傳感器具有體積小、與現代CMOS器件兼容性高W及濃度敏感性強等特點。其中，納流 控技術作為一種先進的納米技術，今年來也得到了學者們的廣泛關注。納流控系統采用微 納加工技術將微儲液器、微累、微閥、微通道和微電極等原件集成到忍片上，從而實現采樣、 流控、富集、測量和分離等功能，因此納流控技術在生物、環境、燃料電池、航空、軍事和農業 等各個領域都有廣泛的應用前景。
[0003] 納流控系統的近幾年的一個重要應用是納米離子Ξ極管。與傳統的半導體Ξ極管 相似，離子二極管/Ξ極管能夠實現對離子電流的放大、截止、導通等作用。上述功能的實現 依靠的是離子Ξ極管內部納米流道壁面的雙電層對離子的篩選和控制作用。因此，能夠對 離子Ξ極管納米通道的表面電荷進行有效控制是能夠實現離子Ξ極管功能的關鍵環節。通 常，離子Ξ極管中需要配置Ξ個調控電極，使通道沿流動方向分為Ξ個部分，每部分所帶表 面電荷電性與相鄰部分相反;或者只在通道上蓋中部覆蓋電極，其余部分不加電極。但是納 流控系統的電極通常采用PVD或CVD(物理氣相沉積或化學氣相沉積)方法直接鍛于基板表 面，要在細小的區域內對涂覆區域進行選擇對工藝提出較高要求，且需要增加掩膜、清除等 步驟。上述分析表明，現有的離子Ξ極管實現方法或需要采用多個調控電極，或需要較高難 度的制造工藝，均存在一定弊端。基于此，本發明提出一種具有發散/匯聚納米流道結構的 單調控電極的離子Ξ極管及其特性調節方法，所述調控電極覆蓋于整個表面，無需對蒸鍛 表面進行選擇，旨在解決現有離子Ξ極管結構弊端，降低制造難度，提高其實用性、經濟 性。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的是:提供一種具有發散/匯聚納米 流道結構的離子Ξ極管，采用全新的納米級發散/匯聚流道結構，將納流控系統有效應用于 納米離子Ξ極管。
[0005] 為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0006] -種具有發散/匯聚納米流道結構的單電極調控離子Ξ極管，包括基板、上蓋板、 調控電極、驅動電極、絕緣層、儲液池;驅動電極、絕緣層、儲液池、基板、儲液池、絕緣層、驅 動電極從前往后依次設置，調控電極、絕緣層、基板、絕緣層、調控電極從左往右依次設置， 基板的上端面設有從前往后延伸貫穿的寬度為納米級的發散/匯聚納米流道，基板上設有 將發散/匯聚納米流道覆蓋的上蓋板。
[0007]作為一種優選，發散/匯聚納米流道中，發散納米流道為中間小、前后兩端開口大 的結構，匯聚納米流道為中間大、前后兩端開口小的結構;發散/匯聚納米流道的深度為微 米或納米級，可達幾微米。在沿流道方向有兩處位置分別形成離子濃度富集/消散區，即離 子濃度最大值/最小值區。優選地，該位置為流道長度1/^3和2/^3處。優選的，流道的最大寬度 值不超過lOOnm。
[000引作為一種優選，發散/匯聚納米流道左右對稱且前后對稱。
[0009] 作為一種優選，發散/匯聚納米流道的數量為一條時，位于基板的左右居中位置； 發散/匯聚納米流道的數量為兩條W上時，所有發散/匯聚納米流道沿著左右方向依次排 列，且相對于基板的左右居中位置左右對稱布置。
[0010] 作為一種優選，發散/匯聚納米流道的左右側壁面為平面或弧形面。采用運種結構 后，流道的前半邊或后半邊壁面各點距離兩側調控電極距離不同，導致沿流道方向表面電 荷密度不均勻。此處所說的弧形面，指的是在俯視方向上成弧形的曲面，距離流道的左右對 稱中屯、線距離逐漸加大或逐漸減小。
[0011] 作為一種優選，基板為立方體結構，位于左右兩側的調控電極和位于左右兩側的 絕緣層的大小與基板的左右端面大小相等，并將基板的左右端面完全覆蓋。
[0012] 作為一種優選，儲液池為立方體結構，前后兩側的端面大小與基板前后兩側的端 面大小相等;儲液池設有與發散/匯聚納米流道連通的液體容腔，還設有將液體容腔和外部 連通的進出口；位于前后兩側的驅動電極和位于前后兩側的絕緣層的大小與儲液池的前后 端面大小相等，并將儲液池的相應端面完全覆蓋;上蓋板的上下端面大小與基板的上下端 面大小相等，并將基板的上端面完全覆蓋且緊密貼合。上蓋板可防止電解液泄露。驅動電極 之間產生平行于離子遷移方向的驅動電場。儲液池用于電解液的儲存，優選地，電解液為 KC1溶液，溶液濃度為0.1~ImM。絕緣層用于防止漏電，優選的，左右兩側的絕緣層厚度范圍 為20~lOOnm，具體厚度值根據電解液濃度選擇，而前后兩側的絕緣層厚度無具體要求。驅 動電極分布于流道進出口處儲液池的前后端面，該前后端面垂直于離子遷移方向，產生平 行于離子遷移方向的驅動電場，驅動離子遷移。
[0013] 作為一種優選，基板的材料為PMMA或PDMS;上蓋板的材料為二氧化娃;調控電極為 娃電極;驅動電極為娃電極。PMMA為聚甲基丙締酸甲醋，PDMS為聚二甲基硅氧烷。
[0014] 作為一種優選，調控電極的數量為兩片;兩片施加同極電壓的調控電極中，一片位 于基體的左側，一片位于基體的右側。采用運種結構后，即調控電極一片整采用PVD/CVD(物 理氣相沉積/化學氣相沉積)方法直接鍛在基板左右兩側面，結構簡單，加工方便。兩片調控 電極之間形成單電極調控離子Ξ極管。
[0015] -種具有發散/匯聚納米流道結構的單電極調控離子Ξ極管的特性調節方法，保 持驅動電極的電壓值不變，通過改變調控電極的電壓值能夠改變通道電導率，從而改變離 子電流值;或保持調控電極的電壓值不變，離子電流值與驅動電壓值呈線性關系變化。
[0016] 本發明的原理是:一種具有發散/匯聚納米流道結構的單電極調控離子Ξ極管，包 括基板、上蓋板、調控電極、驅動電極、絕緣層。基板上形成具有發散/匯聚結構的納米流道， 該發散/匯聚結構關于基板中屯、對稱，使流道表面電荷分布具有對稱性;調控電極正/負極 覆蓋于流道兩側，流道中離子遷移進行調控，實現離子Ξ極管功能。本發明僅采用單調控電 極沿流道方向分布即可實現離子Ξ極管功能，通過修改發散/匯聚結構的模角能夠方便地 更改Ξ極管固有特性;通過調節調控電極電壓能夠實時更改Ξ極管的電導率。與傳統采用 Ξ電極的離子Ξ極管相比，僅采用單調控電極，且調控電極覆蓋整個基板側面，故電極制 備時不需要放置電極鍛到其他表面，Ξ極管整體結構更簡單，制造更方便，成本更低，且能 夠實現Ξ極管導通電流的實時調控，具有良好的應用前景。
[0017] 總的說來，本發明具有如下優點：結構更簡單，制造更方便，成本更低，且能夠實現 Ξ極管導通電流的實時調控，具有良好的應用前景。
【附圖說明】
[0018] 圖1是一種具有匯聚納米流道結構的單電極調控離子Ξ極管的Ξ維示意圖，儲液 池上端蓋板未示出。
[0019]圖視圖1的俯視圖。
[0020] 圖3Α和3Β是發散/匯聚納米流道結構的示意圖，其中圖3Α為發散納米流道，圖3Β為 匯聚納米流道。其中，發散角與匯聚角均Wa表示。
[0021] 圖4是匯聚納米流道的設計圖，其中，hin為入口寬度一半，hmax為槽道最寬處一半， hx為沿槽道長度方向某處寬度一半，δχ為沿槽道長度方向某處基板邊緣至槽道邊緣距離，即 基板厚度。1為槽道長度。
[0022] 圖5是正調控電壓下匯聚納米流道的離子遷移圖。
[0023] 圖6為采用Comsol多物理場禪合有限元模擬軟件獲得的本發明Ξ極管的伏安特性 曲線。
[0024] 其中，1為基板，2為上蓋板，3-1為左側的調控電極，3-2為右側的調控電極，4-1是 前側的驅動電極，4-2是后側的驅動電極，5為絕緣層，6-1為前側的儲液池，6-2為后側的儲 液池。
【具體實施方式】
[0025] 下面來對本發明做進一步詳細的說明。
[0026] -種具有匯聚納米流道結構的單電極調控離子Ξ極管，包括:基板、上蓋板、調控 電極、驅動電極、絕緣層、儲液池。
[0027] 基板為PDMS或者PMMA，形狀為厚度較薄的立方體形，在其上端面加工出匯聚納米 流道。圖3A和3B為納米流道的俯視圖，納米流道具有發散型（圖3A)和匯聚型結構（圖3B)，發 散與匯聚結構區別在于，發散型流道中部小，前后兩端開口大;匯聚型結構中部大，前后兩 端開口小。發散角與匯聚角均表示，且在外部給定條件相同時，發散角等于匯聚角。本實 施例中的匯聚納米流道的數量為一條，位于基板的左右居中的位置，且匯聚納米流道的前 后對稱，左右對稱。流道的左右兩側壁面均為平面，即俯視方向上，左右兩側壁面由直線組 成。
[0028] 上蓋板為二氧化娃，與基板開有流道的表面緊密貼合，防止電解液泄露。
[0029] 在基板的左右兩側，即沿離子在流道遷移方向的長度方向的兩側，各有