半导体超微电极:电化学芯片系统新灵感

在电化学的研究和应用中,由于传质扩散方式的不同,特征尺寸在微米甚至纳米级的超微电极相比于常规尺寸电极具有更快的扩散传质速率、更高的信噪比和更短的响应时间。自上世纪70年代起,超微电极电化学作为一门新兴前沿学科得到了快速的发展。超微电极被广泛应用于微量痕量检测、电极反应过程动力学研究、生物模拟与分析等领域,借助电化学方法对微观世界的探索研究也越来越受到人们的关注。基于超微电极发展高集成度,高灵敏性,高选择性的电化学传感器,甚至制备能够完成较为复杂功能的电化学芯片系统(On-Chip System),具有非常重要的理论和应用意义。

另一方面,以半导体材料电极进行电化学研究是一个高度学科交叉的领域,它既涉及物理学中的能带理论、电荷传输机制,又包括电极学、光化学、表面化学、催化等化学概念。与常规金属电极相比,半导体电极特殊的能带结构和灵活可控的电荷密度使其在光电化学领域得到广泛应用;而在不加光的条件下对其电化学行为的研究有助于获得诸如半导体能带结构、载流子浓度、平带电压等很多有用信息。如何将超微电极高传质速率的优势与半导体的电学特性相结合,是一个全新的研究课题;而制备形貌尺寸可控的半导体超微电极,尤其是纳米尺度的电极,是其中的难点。

最近,中国科学院化学研究所的胡文平研究组与国家纳米科学中心的技术人员合作,发展了一种原位制备片上半导体超微电极及其阵列的方法。研究人员利用聚焦离子束刻蚀技术(Focused ion beam lithography,FIB),实现了在Si/SiO2基片上一步获得形貌尺寸精确可控的嵌入式n-Si超微电极阵列。这种新型的电极模型由于半导体材料特殊的电学性质(n型半导体更易给出电子,发生还原反应)以及超微电极高传质速率(三维扩散模式)的特点,表现出特殊的电化学行为,包括不对称的还原和氧化反应过程,电流密度的电极尺寸效应,稳定而高信噪比的电分析信号等等。此外,研究人员还细致研究了阵列中个体电极的尺寸及间距对电化学行为的影响,强调了保持个体电极扩散场独立的必要性。上述实验结果不仅有助于扩展超微电极电化学理论体系,而且可以结合目前电化学芯片技术(如微流控技术),对发展新型高信噪比和选择性的片上电化学分析系统提供指导意义。