نانوحسگرهای نوری به‌وسیله خودآرایی مولکول‌ها

عنوان انگلیسی: Nano optical sensors via molecular self-assembly
شماره پتنت: ۷,۲۹۴,۵۲۶
نام پدیدآورندگان: Chen Yong، Li Zhiyong، Sean Xiao-an Zhang
تاریخ ثبت: Aug. 12, 2004
 

مقدمه
از زمان ارائه مفاهیم الکترونیک مولکولی برای اولین بار در سال ۱۹۷۴ از سوی Aviram
و Ratner، مطالعات بسیاری صورت گرفت تا از مولکول‌ها مستقیماً به‌عنوان اجزای
مدارهای الکتریکی مانند کلیدزنی، دیودها یا حتی در ترانزیستورها به جای نیمه‌هادی‌های
متداول مخصوصاً سیلیکون، استفاده شود. از طرف دیگر، فعل و انفعال‌ات صورت‌گرفته بین
گونه‌های آلی مواد و سطح سیلیکون، مسئله مهم و قابل توجهی است که باید این برهم‌کنش‌ها
کشف شده، به‌عنوان توانایی بهبود بخشیدن به خواص الکترونیک سطحی سیلیکون به‌وسیله
مولکول‌های آلی یا آلی- فلزی، محسوب ‌شوند که در گذشته تصور انجام این کار، به‌سختی
امکان‌پذیر بود. دانشمندان نشان داده‌اند که می‌توان خواص الکترونیکی سیلیکون را با
مولکول‌هایی با گروه‌های الکترونی متفاوت(دهنده یا گیرنده بار الکتریکی) در روی سطح
سیلیکون تغییر داد؛ هر چند که مولکول‌های مورد بحث، تنها قادر به تغییر خواص
الکترونیکی سیلیکون هستند و نمی‌توانند آن را به‌صورت برگشت‌پذیر یا قابل تنظیم
درآورند. بنابراین تغییر برگشت‌پذیری یا قابل تنظیم بودن خواص الکترونیکی سیلیکون
لازم است.
در این پتنت، از مولکول‌های خودآرا برای انجام این کار استفاده شده‌است که منجر به
ساخت یک نانوحسگر نوری و آشکارساز نوری شده‌است.

خلاصه‌ای از اختراع
نانوحسگر ساخته‌شده در این اختراع شامل موارد زیر است:
a) یک نانوسیم سیلیکونی با طول محدود که در هر دو انتهای خود دارای تماس الکتریکی
است؛
b) تعدادی مولکول خودآرا در روی سطح نانوسیم سیلیکونی؛ این مولکول‌های خودآرا برای
تنظیم هدایت الکتریکی نانوسیم سیلیکونی‌ای هستند که با یک تغییر برگشت‌پذیر در
گشتاور دوقطبی مولکول‌ها و یا یک انتقال برگشت‌پذیر انرژی/ الکترون به کمک این
مولکول‌ها به نانوسیم سیلیکونی، صورت می‌گیرد.
در این اختراع از مولکول‌های خودآرا برای اتصال مولکول‌های کارکردی به سطح نانوسیم
سیلیکونی، استفاده می‌شود و از نقطه‌نظر سازگاری و مشکلات ساخت، این مولکول‌ها (برای
مثال مولکول‌های گروه‌های هیدروکسی) به کمترین اصلاحات نیاز دارند. مولکول‌های
خودآرا، لایه‌های بسیار نازک و منظمی را همراه با پیوند شیمیایی قوی در روی سطح
ایجاد خواهند کرد که این امر با استفاده از سایر روش‌های متداول به‌راحتی امکان‌پذیر
نیست. همچنین ساخت نانوسیم سیلیکونی با مشارکت روش نانوحکاکی، روشی سودمند در تولید
انبوه خواهد بود که به‌وسیله سایر روش‌های ساخت نانوسیم، امکان دست‌یابی به آن میسر
نیست. در این اختراع، یک سیستم الکترونیکی هیبریدی از مولکول سیلیکون ارائه شده‌است
و از مولکول‌های آلی یا آلی- فلزی برای تنظیم خواص الکترونیکی نیمه‌هادی‌ها در
سیستم‌های نانویی استفاده می‌شود. از روش ارائه‌شده در این اختراع، می‌توان به‌صورت
بالقوه‌ای در تولید دستگاه‌های حسگر نوری همراه با چگالی و حساسیت بالاتر، استفاده
کرد.
شکل a1، مراحل فرایند تشکیل یک نانوحسگر نوری را بر پایه خودآرایی مولکول‌ها، بر
روی سطح یک نانوسیم سیلیکونی نشان می‌دهد. شکل ۱c، سازوکار تشخیص(sensing) را بر
پایه تغییر گشتاور دوقطبی مولکول‌ها، و شکل ۱d، سازوکار تشخیص را بر پایه انتقال
الکترون/ انرژی از مولکول به نانوسیم سیلیکونی نشان می‌دهد.
 

بررسی جنبه‌های ابتکاری و مزایای اختراع
عملیات سطحی معدنی متداول مانند آنیل‌کاری، ایجاد لایه خنثی و اعمال ناخالصی برای
دست‌یابی به خواص الکترونیکی یک نیمه‌هادی همگن و قابل کنترل، در عمل با دشواری‌هایی
همراه ‌است. در این اختراع، یک حسگر نوری یا آشکارساز جدید بر پایه مولکول‌های
خودآرای آلی یا آلی- فلزی، بر روی سطح نانوسیم سیلیکونی ایجاد شده‌است. مولکول‌های
خودآرا می‌توانند فوتون‌ها را در طول موج‌های خاصی جذب کرده، سپس یک واکنش
فوتوشیمیایی برای ایجاد یک گشتاور مغناطیسی بزرگ یا انتقال انرژی نوری/ الکترون به
سیلیکون انجام دهند که در نتیجه هر کدام از این واکنش‌ها در انتقال الکترون یا حفره‌ها
به نانوسیم سیلیکونی، مناسب هستند. بنابراین تحریک نوری با یک تغییر ناگهانی در
هدایت الکتریکی اندازه‌گیری‌شده نانوسیم سیلیکونی، امکان‌پذیر است.
از دیگر مهم‌ترین و ارزشمندترین جوانب ابتکاری این اختراع، اندازه سیم‌های سیلیکونی
است؛ هنگامی که‌ اندازه سیم در محدوده نانویی باشد، سطح سیم در مقایسه با حجم سیم،
قابل مقایسه بوده، مولکول‌های متصل‌شده به سطح نقش مهمی را در تنظیم خواص
الکترونیکی نانوسیم سیلیکونی خواهند داشت.