Сквозные нанопористые структуры из оксида алюминия для информационных технологий мембранной биологии (стр. 1 из 2)
Сквозные нанопористые структуры из оксида алюминия для информационных технологий мембранной биологии
(реферат)
Искусственно созданные плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ) представляют собой универсальную платформу как для изучения функций различных биологических мембран[1-4], так и для разработки биосенсоров [5]. Одним из перспективных направлений решения проблемы формирования плоских БЛМ является использование калиброванных отверстий в гидрофобных материалах типа фторопласта [4]. Однако данный метод достаточно трудоемок в выборе режимов и условий формирования мембран, требует определенной квалификации проведения исследований на сформированной мембране и во многих случаях ограничен временем жизни сформированных мембран. По этой причине в мире ведется интенсивный поиск методов, позволяющих повысить время жизни сформированной мембраны [7,8], которые откроют значительно более широкие функциональные возможности данной платформы в области изучения функций биологических мембран и при создании биосенсоров. Исследование упругих и неупругих характеристик неравновесных кристаллов с различным типом химической связи (ковалентных, металлических, ионных), показало наличие существенного температураного и амплитудного гистерезиса эффективного (динамического) модуля сдвига (Gef) и внутреннего трения (ВТ) [1,2]. Если кристаллы претерпевали полиморфные превращения или распад пересыщенных твердых растворов, были облученны высокоэнергетическими частицами или находились под воздействием внешних полей, способствующих структурным превращениям, то в спектрах поглощения упругой энергии, а также в поведении эффективных модулей упругости наблюдали существенное несовпадение исследуемых величин, измеряемых при нагревании и охлаждении материала. При этом обнаруживали гистерзисы разных типов: прямой и обратный, обратимый и необратимый, в зависимости от типа и характера структурных превращений, происходящих в кристалле. Для изучения природы обнаруженых гистерезисов мы использовали методику температурно-кинетических срезов ВТ и Gef, показавшую высокую чувствительность к изменениям в структуре на атомном уровне, что особенно важно при низких температурах, когда подвижность атомов вещества существенно ограничена. Анализ кинетических зависимостей проводили в рамках известных кинетических моделей Хема, Аврами, Курдюмова [3].
Результаты исследования вкратце можно свести к следующему:
·Изучение кинетики низкочастотного ВТ и Gef в монокристаллах кремния, выращенного по методу Чохральского, при различных температурах в интервале 100 – 400о С позволило установить, что процесс распада пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии протекает даже при таких низких для кремния температурах, причем до 270 оС новая фаза выделяется в виде пленок, а при повышении температуры выдержек до 400оС, выделения становятся дископодобными, о чем свидетельствует величина показателя степени n в модели Хема. (см. рис.1).
·Для подтверждения правильности подобных выводов, нами были проведены рентгедифракционные исследования состаренных кристаллов кремния.Изучали поведение кривых дифракционного отражения и анализировали полную интегральную отражающую способность (ПИОС) рентгеновских лучей на кристаллах состаренного монокристаллического Cz-кремния. Моделированне ПИОС в приближении трех доминирующих типов дефектов (дископодобных преципитатов, дислокационных петель и мелких сферических преципитатов кислорода, являющихся генетическими дефектами для Cz-Si) позволило нам получить неплохое (расходжение не превышало 1 %) совпадение расчетных и экспериментальных кривых.
·Анализ кинетических зависимостей позволил установить также, что рост кислородных преципитатов в кристаллах кремния при низких температурах приводит к инверсии температурного гистерезиса Gef – он из обратного, при котором кривые нагревания проходили ниже кривых охладжения, превращается в прямой гистерезис модуля, характерный для фазовых превращений первого рода. Этот экспериментальный факт позволяет предположить, что обратный гистерезис в монокристаллах кремния инициируется напряжениями, возникающими в решетке кремния за счет областей с повышенной концентрацией кислорода, генетически присущих этому материалу. Выпадение кислородных преципитатов приводит к понижению уровня напряжений в кристалле как за счет появления обособленных границ раздела, так и за счет образования дислокационных петель, что и приводит, по-видимому, к инверсии динамического модуля сдвига.
·
Рис.1 Кинетические зависимости ВТ (Q-1) состаренного Cz-Si, измеренные в течение 1 часа при 400 оС, в координатах Хема.
·Исследование кинетических зависимостей ВТ и Gef в конденсате Ве в интервале 20- 400оС позволило также установить, что необычный, обратимый гистерезис эффективного модуля сдвига в этом материале связан с протеканием в нем термоупругих мартенситных превращений. По кинетическим зависимостям Gef, проанализированным в рамках кинетической модели Курдюмова Г.В. и Максимовой П.А. [3], нам удалось оценить размеры кристаллов мартенситной фазы, возникающих в процессе превращения, которые неплохо согласуются с результатами металлографических исследований.
Таким образом, в работе показана высокая эффективность методики температурно-кинетических срезов низкочастотного ВТ и Gef для решения материаловедческих задач в неравновесных кристаллах.
В этом отношении нанопористый оксид алюминия и его электрофизические свойства представляют огромный интерес и открывают широкие перспективы при решении рассматриваемых проблем. Нанопористый оксид алюминия является достаточно хорошим диэлектриком, который по диэлектрическим свойствам сопоставим с немодифицированными бислойными мембранами. Сквозная нанопористая структура заданных размеров дает возможность создавать на ней плоские БЛМ с достаточно долгим временем жизни, что позволяет изучать механизмы переноса заряда через мембрану при различных условиях ее формирования и различных типах среды окружения. Кроме этого, открываются возможности формирования тонкопленочных моно-, би- и многослойных наноструктур для биосенсоров, привлекая для этого возможности ЛБ-технологий.
Целью данной работы является отработка технологии создания матричной платформы на основе сквозных нанопористых структур из оксида алюминия, которые предполагается использовать при изучении функций различных биологических мембран и при создании различного типа биосенсоров.
Материалы и методы исследования
При создании матричных платформ из ПАОА было использовано техническое оснащение и производственная база микроэлектроники. Пленки ПАОА толщиной от 500 нм были сформированы на алюминиевой фольге (99.99 %). Перед анодированием алюминиевая фольга прокатывалась и электрохимически полировалась в смеси этилового спирта и хлорной кислоты до зеркальной поверхности. Анодирование проводили в специальной ячейке в гальваностатическом и потенциостатическом режимах в растворах щавелевой кислоты при температуре 7…10°С в две стадии. Травление оксида, после первого анодирования, проводили при температуре 60°С в растворе, содержащем: 160 г. хромового ангидрида, 270 мл ортофосфорной кислоты и 1000 мл воды. Создание матричных платформ из ПАОА было выполнено на основе комбинациии двух технологий. Первая основана на локальном окислении и последующем травлении непрореагировавшего алюминия, вторая - на анизотропном травлении пористого оксида алюминия. При проведении процессов фотолитографии на ПАОА для исключения попадания фоторезиста в глубину пор, что влияет на получение ровного края при проявлении и последующее удаление фоторезиста, использовали молибденовую защитную маску, которую наносили методом вакуумного напыления. Пленки ПАОА отделяли от алюминиевой фольги в растворах на основе соляной кислоты с добавлением хлористой меди. Для получения сквозных мембран АОА растворение барьерного слоя проводилось ступенчатым понижением напряжения анодирования на 5-10% в электролите анодирования с зачисткой поверхности вакуумными методами с использованием аргона. Исследование структуры пленок ПАОА проводили на атомном силовом микроскопе фирмы Digital Instruments NanoScope. Исследование электрофизических свойств созданных матричных платформ осуществляли с помощью прибора Е7-12 с усовершенствованным входным модулем, в котором для измерения сквозной проводимости использовали жидкостные электроды на основе 0,15М раствора КСl.
Обсуждение результатов
Используя 0,3М раствор щавелевой кислоты, двухстадийный потенциостатический режим анодирования при температуре 7…10°С были получены экспериментальные образцы матричных платформ с упорядоченной структурой сквозной пористости, общий вид которых приведен на рисунке 1а, а АСМ - изображение поперечного сечения пористой структуры Аl2O3 в области сквозной пористости – на рисунке 1б.
Фронтальная поверхность и поверхность со стороны стравленного барьерного слоя сформированной матричной платформы в области сквозной пористости представлены на АСМ-изображении рисунка 2а.
а) б)
Рисунок 2 - Общий вид матричных платформ (а) и АСМ-изображение поперечного сечения пористой структуры Аl2O3 в области сквозной пористости(б)
На рисунке 2б показано трехмерное АСМ-изображение фронтальной поверхности сквозной области матричной платформы, полученное при более высоком разрешении. Были изучены электрофизические параметры созданных матричных структур на предмет получения необходимых метрологических характеристик, пригодных для использования в методах изучения функций биологических мембран и при создании различного типа биосенсоров. Результаты полученных исследований показывают, что при разомкнутых и замкнутых электродах измерительной системы исходные значения емкости и проводимости составляют С=4,9 пФ, G=4,1 μS и С=6,4пФ, G=33,9 μS соответственно. При контакте в области сквозной пористости матричной платформы данные параметры имеют значения С=6,46 пФ, G=33,2 μS, а в области не сквозной пористости данные параметры находятся в пределах С=5,09 пФ, G=3,9 μS.