设为首页 | 收藏本站

研究进展|金刚石抗污的前沿应用

发表时间:2022-08-01 14:12作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

近期,中南大学魏秋平教授课题组在金刚石材料在抗污领域应用的研究进展:首先介绍了表面化学(即掺杂水平、表面端基和晶体取向)和表面形貌等因素对BDD防污性能的影响。讨论了BDD表面的电化学污染及恢复表面活性的清洗手段。其次,综述了金刚石材料在生物相关传感应用方面的最新进展和成就,包括BDD微电极、基于BDD的微流控器件以及非侵入式可穿戴BDD传感器。最后讨论了金刚石在防污领域的应用前景和挑战。

传统电极材料(如金属电极或金属氧化物、玻璃碳和碳纤维电极)在电化学测量过程中通常会发生严重的表面物质吸附(污染),特别是在测定有机物质 (如多巴胺、氨基酸、蛋白质、药物分子)时,其氧化产物和中间产物可能吸附在电极表面,导致电流响应信号的衰减。金刚石电极材料具有优异的电化学性能,不仅具有较宽的水稳定性电势窗口、较低的背景电流、优异的电化学稳定性,而且具有优异的防污性能。导电金刚石电极材料,特别是掺硼金刚石电极(BDD),具有优异的抑制表面被污染的特性,如其具有表面惰性,对污染物具有弱吸附性;在高电位下产生强氧化剂(如:羟基自由基),可通过自清洁抑制生物膜的形成。因此金刚石材料是极具潜力的抗污传感用材料。

下面是图文研究进展:

金刚石的防污性能与其表面化学性质和表面形貌密切相关。表面化学涉及掺杂原子的浓度(如硼或氮)、表面端基(如H端和O端BDD)和晶体取向,包括晶面类型(100)、(110)和(111)。

图1 BDD的表面端基对其理化性能和防污性能的影响

图2 晶面取向对金刚石抗污性能的影响


图3 表面形貌对金刚石抗污性能的影响

从电化学传感或生物传感的角度来看,电极浸泡在含有多种物质的复杂溶液时,特别是当氧化物(如多巴胺、多肽、蛋白质)不断在电极表面发生电化学反应氧化时,电极表面不可避免的被污染。

图4 金刚石电极上污染生物膜形成的研究与表征

图5 以多巴胺氧化为例,消除或避免BDD表面典型污垢的清洁策略

最新的具有代表性的金刚石传感器工作进展,包括金刚石或金刚石基微传感器、金刚石基微流控设备和微流控设备衍生的可穿戴传感器。

图6 基于BDD的(生物)传感器在生理环境下多巴胺传感器的防污应用

图7生物医学应用的非侵入式可穿戴BDD传感器

金刚石是一种极具前途的理想防污材料。令人兴奋的是,最近的研究工作已成功地将基于BDD材料的传感器应用于微流控设备,甚至是非侵入式可穿戴传感器设备。我们期待高抗污的BDD生物传感材料在临床应用中大展身手。

化合积电采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备高质量金刚石。现有核心产品晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石基氮化镓外延片、金刚石基氮化铝薄膜等。其生产的CVD金刚石生长面表面粗糙度Ra < 1 nm,金刚石热沉片热导率高达1000-2000W/m.k,其中金刚石热沉片已用于大功率LED、大功率激光器、新能源汽车、高铁、5G通讯等领域。


热门文章
>

2022

09-23

GaN 作为第三代半导体材料, 具有更高的自发极化系数及更大的压电系数, 能承受更高的功率密度,适用于高频、 高温大功率电子器件。但随着功率器件向小型化和大功率发展,芯片有源区的热积累效应使  GaN 器件的大功率性能优势远未得到充分发挥。当器件温度上升时, 器件特性如漏源电流、增益、输出功率和寿命等会出现退化, 甚至失效。研究表明,结温每升高10 ~ 12 ℃ ,器件的寿命及可靠性会降低5...
>

2022

09-22

随着GaN(氮化镓)在高功率和高频率领域广泛应用,氮化镓功率密度已接近极限值,要提升芯片功率,兼顾降低热阻,必须要有全新的散热方案,金刚石和氮化镓结合因此备受关注。当前金刚石和氮化镓有三种主流方式:将金刚石键合到 GaN 晶片或直接键合到 HEMT 器件;在单晶或多晶金刚石衬底上生长 GaN 外延;在 GaN 的正面或背面上生长纳米晶或多晶金刚石。化合积电一直潜心攻关金刚石和氮化镓结合的核心...
>

2022

09-21

应用环境实际要求显示器需以较高的显示亮度在高温环境下保持正常工作。在工作过程中,显示器产生的高热量加剧了其内部温升。高温会导致显示器组成材料的物理性能或尺寸发生改变,也会给温度敏感元器件带来失效的风险。同时,超高亮度显示器主要通过提高LED 光源能量的方式来实现,而 LED 光源能量的提升会导致显示器内部的热能急剧增大。热量的快速积聚不仅会导致 LED 光源输出光强度减弱,甚至会引起 LED...
>

2022

09-19

高频电子设备的急剧小型化导致单个组件的局部工作温度急剧升高。金刚石具有宽带隙、高热导率、高载流子迁移率、高击穿场、高载流子饱和速度和高位移能。这些特性使金刚石成为在高温、高压、高频和高辐射等极端环境中具有巨大应用价值的优秀候选材料。金刚石的各种电子器件已经广泛开展研究,包括MOSFET、散热器、探测器、核电池和电化学应用等。目前已经开发了几种高温金刚石器件,包括场效应晶体管(FET)和肖特基...
>

2022

09-16

氮空位(NV)中心是指在金刚石中由一个替位氮原子和一个空位构成的点缺陷。NV中心有望应用于固态量子比特、高灵敏度量子传感器等领域。在量子应用中,带负电荷的NV-中心必须处于稳定状态,因为NV器件的灵敏度等参数正比于NV-中心数量。同时,如果NV中心变成中性或带正电荷 (NV0或NV+),其自旋状态将无法操控。在硼掺杂金刚石中,NV中心为NV+状态,因此很少有人研究硼掺杂金刚石的NV中心。但是...
>

2022

09-15

根据IDTechEx的报告,5G基础架构的主要挑战之一是热管理。5G天线使用更高频率,需要增加增益才能达到可接受的性能范围。另外,5G毫米波频谱在透过墙壁或窗户等物体时的传播非常差,因此需要更多的单天线单元才能提供足够的覆盖范围。较高的频率还减小了天线元件之间的间距,从而导致电子组件阵列的密度更高,它们都必须及时消散热量。随着网络中天线安装数量的增加和密度的提高,主动热管理冷却方法(例如风扇...
联系我们


E-mail:sales@csmh-semi.com Telephone:0086-13859969306
厦门总部:福建省厦门市集美区灌口大道253号
韩国分公司:3516 ho,69,Hangang-daero,Yongsan-gu, Seoul, Korea
点击这里给我发消息