Сквозные нанопористые структуры из оксида алюминия для информационных технологий мембранной биологии (150906)

Посмотреть архив целиком













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…10С в две стадии. Травление оксида, после первого анодирования, проводили при температуре 60С 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…10С 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)


Случайные файлы

Файл
19807-1.rtf
infa_labs_blank.doc
42585.rtf
16279-1.rtf
61942.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.