《場效應柵控納米孔器件的動電輸運機理研究》是依託浙江大學，由劉暘擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：場效應柵控納米孔器件的動電輸運機理研究
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：劉暘
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
電子調控的納米孔器件能有效控制生物分子和離子輸運，在生物晶片、基因測序、環境監測和水處理方面有重要套用前景。但這類器件常呈現機理不明的、複雜的動電輸運現象，導致離子電流不穩定，嚴重阻礙進一步實用化。本項目將以史丹福大學最新研製的一種場效應柵控納米孔器件為研究對象，結合理論仿真與實驗測量研究其不穩定性機理。數值方法上將發展耦合Poisson-Nernst-Planck和Navier-Stokes方程的暫態仿真方法。實驗上將最佳化ALD柵極氧化物工藝，製備柵控納米孔器件，並搭建電測試系統。在此基礎上，我們將深入研究不同偏壓、pH、離子強度、離子種類、溶液粘度下器件動態電流-電壓和低頻噪音特性，探究不穩定性出現規律及其與離子流體非線性動電輸運過程的內在關聯，闡釋其產生機理，為進一步提高柵控納米孔器件的穩定性提供理論支持和指引，也在更大範圍內為理解納米孔結構的動電輸運過程提供新思路
結題摘要
納米孔與納流道器件在基因測序、DNA/RNA/蛋白質分子檢測等生物醫療領域有著重要的套用前景。更清楚地理解器件中離子與流體的耦合輸運過程和相應的電學特性，以及更進一步地實現具有更多功能結構的納米孔與納流道器件是重要發展方向。在本項目中，我們發展了定態以及暫態建模的方法來對納米孔與納流道進行器件層面的數值仿真，並對其數值求解進行了驗證。在此基礎上，我們深入研究了溝道內離子與流體耦合輸運導致的不同電壓區間內呈現的層流與渦流現象，並揭示了其分別對應於電導的抑制與恢復。我們也首次揭示了一種輸運造成的溝道內離子禁止電荷的反轉效應，並解釋了溝道入口處渦流的產生機理。我們研究了納流道和納米孔的瞬態電學回響特性。通過對於具有不同電學參數和幾何參數的納流體器件分析，我們用雙極輸運解釋了暫態過程，並推導了回響時間的數學表達式。在實驗方面，我們建立了一套成熟的納米孔測試平台和封裝測試流程，首次開發了以ITO作為柵電極的柵控納米孔器件工藝，並實現了孔徑小於10納米的柵控納米孔器件。在柵控納米孔中我們觀測到實時的DNA分子過孔信號，並揭示了柵電壓通過場效應對過孔DNA摺疊形態的調製作用。另外我們也在這個納米孔實驗平台上製備了二硫化鉬納米孔，並測試到蛋白質過孔信號。
