一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子三极管及其特性调节方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种离子=极管，特别是一种具有发散/汇聚纳米流道结构的离子= 极管及其特性调节方法。
【背景技术】
[0002] 微细尺度下的物质输运，特别是在微通道和多孔基体中的流体流动特性W及强化 热质输运得到了广泛的关注。近年来，随着MEMS(微机电系统)技术的发展，纳米机构的制备 及其应用得到了广泛的关注。例如Lu等采用纳米压印技术制备超细（~4nm)Nb(妮)丝用于 超导测试;H.化等和化Vid.C等对应用于生物大分子研究的纳米传感器进行了研究，所制备 的纳米传感器具有体积小、与现代CMOS器件兼容性高W及浓度敏感性强等特点。其中，纳流 控技术作为一种先进的纳米技术，今年来也得到了学者们的广泛关注。纳流控系统采用微 纳加工技术将微储液器、微累、微阀、微通道和微电极等原件集成到忍片上，从而实现采样、 流控、富集、测量和分离等功能，因此纳流控技术在生物、环境、燃料电池、航空、军事和农业 等各个领域都有广泛的应用前景。
[0003]纳流控系统的近几年的一个重要应用是纳米离子=极管。与传统的半导体=极管 相似，离子二极管/ =极管能够实现对离子电流的放大、截止、导通等作用。上述功能的实现 依靠的是离子=极管内部纳米流道壁面的双电层对离子的筛选和控制作用。因此，能够对 离子=极管纳米通道的表面电荷进行有效控制是能够实现离子=极管功能的关键环节。通 常，离子=极管中需要配置=个调控电极，使通道沿流动方向分为=个部分，每部分所带表 面电荷电性与相邻部分相反;或者只在通道上盖中部覆盖电极，其余部分不加电极。但是纳 流控系统的电极通常采用PVD或CVD(物理气相沉积或化学气相沉积)方法直接锻于基板表 面，要在细小的区域内对涂覆区域进行选择对工艺提出较高要求，且需要增加掩膜、清除等 步骤。上述分析表明，现有的离子=极管实现方法或需要采用多个调控电极，或需要较高难 度的制造工艺，均存在一定弊端。基于此，本发明提出一种具有发散/汇聚纳米流道结构的 单调控电极的离子=极管及其特性调节方法，所述调控电极覆盖于整个表面，无需对蒸锻 表面进行选择，旨在解决现有离子=极管结构弊端，降低制造难度，提高其实用性、经济性。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是:提供一种具有发散/汇聚纳米 流道结构的离子=极管及其特性调节方法，采用全新的纳米级发散/汇聚流道结构，将纳流 控系统有效应用于纳米离子=极管。
[0005]为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子=极管，包括基板、上盖板、 调控电极、驱动电极、绝缘层、储液池;驱动电极、绝缘层、储液池、基板、储液池、绝缘层、驱 动电极从前往后依次设置，调控电极、绝缘层、基板、绝缘层、调控电极从左往右依次设置， 基板的上端面设有从前往后延伸贯穿的宽度为纳米级的发散/汇聚纳米流道，基板上设有 将发散/汇聚纳米流道覆盖的上盖板。
[0007]作为一种优选，发散/汇聚纳米流道中，发散纳米流道为中间小、前后两端开口大 的结构，汇聚纳米流道为中间大、前后两端开口小的结构;发散/汇聚纳米流道的深度为微 米或纳米级，可达几微米。在沿流道方向有两处位置分别形成离子浓度富集/消散区，即离 子浓度最大值/最小值区。优选地，该位置为流道长度1/3和2/3处。优选的，流道的最大宽度 值不超过lOOnm。
[000引作为一种优选，发散/汇聚纳米流道左右对称且前后对称。
[0009] 作为一种优选，发散/汇聚纳米流道的数量为一条时，位于基板的左右居中位置； 发散/汇聚纳米流道的数量为两条W上时，所有发散/汇聚纳米流道沿着左右方向依次排 列，且相对于基板的左右居中位置左右对称布置。
[0010] 作为一种优选，发散/汇聚纳米流道的左右侧壁面为平面或弧形面。采用运种结构 后，流道的前半边或后半边壁面各点距离两侧调控电极距离不同，导致沿流道方向表面电 荷密度不均匀。此处所说的弧形面，指的是在俯视方向上成弧形的曲面，距离流道的左右对 称中屯、线距离逐渐加大或逐渐减小。
[0011] 作为一种优选，基板为立方体结构，位于左右两侧的调控电极和位于左右两侧的 绝缘层的大小与基板的左右端面大小相等，并将基板的左右端面完全覆盖。
[0012] 作为一种优选，储液池为立方体结构，前后两侧的端面大小与基板前后两侧的端 面大小相等;储液池设有与发散/汇聚纳米流道连通的液体容腔，还设有将液体容腔和外部 连通的进出口；位于前后两侧的驱动电极和位于前后两侧的绝缘层的大小与储液池的前后 端面大小相等，并将储液池的相应端面完全覆盖;上盖板的上下端面大小与基板的上下端 面大小相等，并将基板的上端面完全覆盖且紧密贴合。上盖板可防止电解液泄露。驱动电极 之间产生平行于离子迁移方向的驱动电场。储液池用于电解液的储存，优选地，电解液为 KCl溶液，溶液浓度为0.1~ImM。绝缘层用于防止漏电，优选的，左右两侧的绝缘层厚度范围 为20~lOOnm，具体厚度值根据电解液浓度选择，而前后两侧的绝缘层厚度无具体要求。驱 动电极分布于流道进出口处储液池的前后端面，该前后端面垂直于离子迁移方向，产生平 行于离子迁移方向的驱动电场，驱动离子迁移。
[0013]作为一种优选，基板的材料为PMMA或PDMS;上盖板的材料为二氧化娃;调控电极为 娃电极;驱动电极为娃电极。PMMA为聚甲基丙締酸甲醋，PDMS为聚二甲基硅氧烷。
[0014]作为一种优选，调控电极的数量为两片;两片施加同极电压的调控电极中，一片位 于基体的左侧，一片位于基体的右侧。采用运种结构后，即调控电极一片整采用PVD/CVD(物 理气相沉积/化学气相沉积)方法直接锻在基板左右两侧面，结构简单，加工方便。两片调控 电极之间形成单电极调控离子=极管。
[0015] -种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子=极管的特性调节方法，保 持驱动电极的电压值不变，通过改变调控电极的电压值能够改变通道电导率，从而改变离 子电流值;或保持调控电极的电压值不变，离子电流值与驱动电压值呈线性关系变化。
[0016] 本发明的原理是:一种具有发散/汇聚纳米流道结构的单电极调控离子=极管，包 括基板、上盖板、调控电极、驱动电极、绝缘层。基板上形成具有发散/汇聚结构的纳米流道， 该发散/汇聚结构关于基板中屯、对称，使流道表面电荷分布具有对称性;调控电极正/负极 覆盖于流道两侧，流道中离子迁移进行调控，实现离子=极管功能。本发明仅采用单调控电 极沿流道方向分布即可实现离子=极管功能，通过修改发散/汇聚结构的模角能够方便地 更改=极管固有特性;通过调节调控电极电压能够实时更改=极管的电导率。与传统采用 =电极的离子=极管相比，仅采用单调控电极，且调控电极覆盖整个基板侧面，故电极制备 时不需要放置电极锻到其他表面，S极管整体结构更简单，制造更方便，成本更低，且能够 实现=极管导通电流的实时调控，具有良好的应用前景。
[0017] 总的说来，本发明具有如下优点：结构更简单，制造更方便，成本更低，且能够实现 =极管导通电流的实时调控，具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0018] 图1是一种具有汇聚纳米流道结构的单电极调控离子=极管的=维示意图，储液 池上端盖板未示出。
[0019]图視图1的俯视图。
[0020] 图3A和3B是发散/汇聚纳米流道结构的示意图，其中图3A为发散纳米流道，图3B为 汇聚纳米流道。其中，发散角与汇聚角均Wa表示。
[0021] 图4是汇聚纳米流道的设计图，其中，hin为入口宽度一半，hmax为槽道最宽处一半， hx为沿槽道长度方向某处宽度一半，Sx为沿槽道长度方向某处基板边缘至槽道边缘距离，即 基板厚度。1为槽道长度。
[0022] 图5是正调控电压下汇聚纳米流道的离子迁移图。
[0023] 图6为采用Comsol多物理场禪合有限元模拟软件获得的本发明S极管的伏安特性 曲线。
[0024] 其中，1为基板，2为上盖板，3-1为左侧的调控电极，3-2为右侧的调控电极，4-1是 前侧的驱动电极，4-2是后侧的驱动电极，5为绝缘层，6-1为前侧的储液池，6-2为后侧的储 液池。
【具体实施方式】
[0025] 下面来对本发明做进一步详细的说明。
[0026] -种具有汇聚纳米流道结构的单电极调控离子=极管，包括:基板、上盖板、调控 电极、驱动电极、绝缘层、储液池。
[0027] 基板为PDMS或者PMMA，形状为厚度较薄的立方体形，在其上端面加工出汇聚纳米 流道。图3A和3B为纳米流道的俯视图，纳米流道具有发散型（图3A)和汇聚型结构（图3B)，发 散与汇聚结构区别在于，发散型流道中部小，前后两端开口大;汇聚型结构中部大，前后两 端开口小。发散角与汇聚角均Wa表示，且在外部给定条件相同时，发散角等于汇聚角。本实 施例中的汇聚纳米流道的数量为一条，位于基板的左右居中的位置，且汇聚纳米流道的前 后对称，左右对称。流道的左右两侧壁面均为平面，即俯视方向上，左右两侧壁面由直线组 成。
[0028] 上盖板为二氧化娃，与基板开有流道的表面紧密贴合，防止电解液泄露。
[0029] 在基板的左右两侧，即沿离子在流道迁移方向的长度方向的两侧，各有一片调控 电极，两个调控电极均完全覆盖整个基板的左右两侧，故沉积电极加工时无需对沉积区域 加W选择。调控电极与基板间有绝缘层。绝缘层厚度范围20-100nm，具体厚度值根据电解液 浓度选择。W电解液为KCl且浓度为ImM,pH值为7,溫度为297K为例，其选择方法包括：
[0030] 1.迪拜长度表达式为
(1)
[0032]确定的电解液类型、浓度和溫度下，迪拜长度一定。各参数如表1所示：