芯片内线阵P-GaN/ZnO纳米线异质结高效率发射蓝紫色LED在生化试剂分析上的应用研究

In this research, We present a novel technique of electrical injection into linear array semiconductor ZnO nanowires for realizing UV-blue light emission with high efficiency. The method makes use of inductively coupled plasma etch and selective growth method for fabricating lateral growth ZnO nanowire heterojunction light emitting diode, combining high-resolution electron-beam resist and direct electron-beam patterning for the precise fabrication of metallic electrode on the side surface of each nanowire respectively.It can be applied to any nanowire structure with an arbitrary cross section. The microfuidic channels, heaters,temperature sensors, and fuorescence detectors to analyze biochemical reagent can be built by microfabrication technology.The device is capable of measuring aqueous reagent and DNA-containing solutions.No external lenses, heaters, or mechanical pumps are necessary for sample processing and analysis, because all of the components are made using photolithographic production techniques. The device has the potential for low-power, integrated analysis systems at low unit cost. The availability of portable, reliable instruments may facilitate the use of biochemical analysis.

在这项研究中，我们呈现了电注入到线阵半导体ZnO纳米线实现蓝紫色光高效率发射的新颖技术。这种方法利用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀和选择性生长的方法制备侧向生长的ZnO纳米线异质结发光二极管（LED），结合高分辨率电子束胶和直写的电子束图样可分别在每一根纳米线的侧面实现精确的金属电极制备。这种方法可以应用在有任意截面的其他纳米线结构中。微流体通道、加热器、温度传感器和光电探测器可以用微加工的方法来实现。这种器件能检测水溶液试剂和含DNA的溶液。这个器件不需用外在的透镜、加热器和机械的泵浦就能实现样品的处理和分析，因为所有的结构可以用刻蚀加工技术来完成。这种器件在低能耗，集成分析和低成本方面有着潜在的优势，便携、可靠的器件方便生化分析检测。

紫外发光二极管（LED）和激光管（LD）器件在长寿命固态发光、高密度信息存储、安全通讯、空气和水的纯化、生化试剂检测方面有着潜在的应用价值。目前，集中的研究工作已经聚焦到寻找合适的材料来实现高效率的紫外LED和LD器件。在可获得的半导体材料中，ZnO有着大的直接宽带隙3.37eV，由于它的典型特征比如大的激子束缚能60 meV（电子和空穴之间强的库伦作用的结果导致了光谱中紫外区的增强的辐射跃迁）和能带工程的实现来构造低晶格失配的载流子层和量子阱结构，因此是有希望替代应用的作为高效率紫外光发射器件。. 按照项目申请书计划：本项目重点着眼于芯片内阵列化微纳LED制备，生化分析，微流通道加工及其传感检测相关的研究工作，以期实现应用为目标，重点开展芯片内阵列化微纳异质接LED、生化传感器、生化试剂及其探测器相关的研制工作。在微小型化LED研制方面取得的成果：作为1作+通讯作者在德国Wiley 国际知名Small期刊发表影响因子大于8.3的卷首页SCI论文1篇，基于II-VI族ZnO半导体微米柱/p-GaN实现微米柱的离散点阵发光，结合ZnO纤锌矿结构的压电性和II-VI族宽带隙半导体特性实现了发光的调制，通过能带工程实现了芯片内LED发射颜色从紫外-蓝色到黄绿色的转变；基于取得压电-发光调制实验结果的基础上布局了相关传感器设计及生化检测方面的专利。作为发明人申请发明专利5项，其中基于ZnO压电、光学特性相结合实现生物分子传感的授权发明专利1项；基于微纳加工手段实现高密度、规模化微纳米结构的批量操纵是实现芯片器件极具挑战性的关键因素之一，基于水平面内实现微柱阵列的取向的可控周期性分布方面相关的实验结果申请发明专利有1项（受理中），此专利为大面积芯片内微纳传感器的制造提供了知识产权保护；在检测试剂研制，河豚毒素及核酸检测方面作为发明人申请专利3项（受理中）；在光电探测器研制方面取得的成果：作为合作者在英国RSC advances期刊发表影响因子大于3.8的SCI论文1篇；. 总之，在项目执行情况方面，本研究按照项目计划书完成了相应的预期计划（申请书预期结果：1. 发表项目相关的SCI文章两篇，至少有一篇影响因子大于3；2.撰写并申报专利两项）。实际上，本项目发表了两篇SCI论文，影响因子都大于3；申请专利5项，其中一项发明专利获得授权。