Nanostrukturen haben in den letzten Jahrzehnten durch konsequente Förderung wie der im Jahr 2000 gestarteten National Nanotechnology Initiative der USA oder des deutschen Pendants Aktionsplan Nanotechnologie erhebliches Aufsehen, nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch in der technischen und wirtschaftlichen Umsetzung erfahren. In Kombination mit biologischen Systemen, deren Funktionalität sich auf der Größenordnung von Nanometern abspielt, finden nanotechnologische Entwicklungen auf dem Gebiet der Medizin ein großes technisches Anwendungsgebiet.
Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung und technischen Entwicklung von Siliziumnanodrähten als Sensoren für zukünftige medizinische Anwendungen. Im Gegensatz zu Sensoren die auf dotierten Nanodrähten basieren, wurden hier undotierte Nanodrähte untersucht, die mit geringerem Produktionsaufwand auskommen und mittels Schottky-Barrieren als Feldeffekttransistoren nutzbar sind. Deren Eigenschaften wurden im Hinblick auf pH und Biosensorik theoretisch und experimentell untersucht, sowie technisch in ein lab-on-chip sowie ein kompaktes Multiplexer-Messgerät integriert. In einem zweiten, separaten Teil wurden die Eigenschaften undotierter Nanodrähte für die optische Spektroskopie theoretisch modelliert. Die Inhalte beider Teile werden im folgenden kurz zusammengefasst.
Um die elektrischen Sensoreigenschaften der Siliziumnanodrähte zu untersuchen, wurden zunächst Computermodelle der Drähte erstellt, mit deren Hilfe der Elektronentransport in flüssiger Umgebung quantenmechanisch modelliert wurde. Die dafür erstellten Modellvorstellungen waren für die sich daran anschließenden experimentellen Untersuchungen des Rauschverhaltens, der pH-Sensitivität sowie der Biosensoreigenschaften sehr vorteilhaft. Mit Hilfe einer neu entwickelten Messmethode konnte der optimale Arbeitspunkt der Sensoren ermittelt werden, sowie die hohe Sensorqualität mittels einer empirischen mathematischen Beschreibung des zu erwartenden Sensorsignals eingeordnet werden. Weiterhin wurden für die Medizintechnik relevante Messungen von Thrombin durchgeführt. Damit ist für den hier beschriebenen Sensortyp ein proof-of-concept für neuartige medizinische Messelemente gelungen. Um die kleinen Abmessungen der Sensoren darüber hinaus technisch nutzbar zu machen, wurden sie in ein lab-on-chip System integriert, in welchem sie als Sensoren für den pH-Wert sowie die ionische Konzentration in Nanoliter-Tropfen verwendet wurden. Desweiteren wurde in Kooperation mit dem Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik ein portables Messgerät entwickelt, welches die parallele Messung mehrerer Nanodrahtsensoren ermöglicht.
Im zweiten Teil der Arbeit wird eine theoretische Untersuchung zur Eignung von Silizium-Nanodrähten als Messsonden (Probes) für die optische Spektroskopie vorgestellt. Dazu wurde eine Methode entwickelt mittels derer es möglich ist, Raman und Infrarotspektren von Nanostrukturen mittels Molekulardynamik zu berechnen. Die Methode wurde auf undotierte Silizium-Nanodrähte augewendet und zeigt, dass die Oberflächenbeschaffenheit der Drähte die optischen Spektren entscheidend beeinflusst. Damit konnte die Relevanz von Halbeiter-Nanostrukturen auch für Anwendungen in der optischen Spektroskopie gezeigt werden.:I Introduction: Sensing with Nanostructures
1 Introduction
2 Field effect transistors as electronic sensor elements
3 Packaging: Connecting Nano and Macro
4 Nanostructures as transducers in optical spectroscopy
II Electronic sensing with Schottky Barrier silicon nanowires
5 Schottky-Barrier silicon nanowire field effect transistors
6 ISFET measurement principles
7 pH and Biosensing with silicon nanowires
8 Thrombin sensing
9 Silicon nanowire FETs in a Lab-on-a-Chip device
10 Multiplexer sensing platform
11 Experimental methods
III Simulating optical spectra of silicon nanowires
12 Theoretical fundamentals
13 Computational Methods
14 Results
15 Bibliography
16 AnhangNanostructures have attracted great attention not only in scientific research, but also in engineering applications during the last decades. Especially in combination with biological systems, whose complex function is controlled from nanoscale building blocks, nanotechnological developments find a huge field of applications in the medical sector.
This work is dedicated to the functional understanding and technical implementation of silicon nanowires for future medical sensor applications. In contrast to doped silicon nanowire based sensors, this work is focussed on pure, undoped silicon nanowires, which have lower demands on production techniques and use Schottky-barriers as electric field detectors. The pH and biosensing capabilities of such undoped silicon nanowire field effect transistors were investigated theoretically and experimentally and further integrated in a lab-on-a-chip device as well as a small-scale multiplexer measurement device. In a second separate part, the optical sensing properties of undoped silicon nanowires were theoretically modeled. The main contents of both parts are shortly described in the following paragraphs.
A multiscale model of silicon nanowire FETs to describe the charge transport in liquid surrounding in a quantum mechanical framework was developed to investigate the sensing properties of the nanowire sensors in general. The model set the basis for the understanding of the subsequent experimental investigations of noise characterization, pH sensitivity and biosensing properties. With the help of a novel gate sweeping measurement method the optimal working point of the sensors was determined and the high sensor quality could be quantified in terms of an empirical mathematical model. The sensor was then used for measurements of medically relevant concentrations of the Thrombin protein, providing a proof-of-concept for medical applications for our newly developed sensor. In order to exploit the small size of our sensors for technical applications we integrated the devices in lab-on-a-chip system with a microfluidic droplet generation module. There they were used to measure the pH and ionic concentration of droplets. Finally a portable multiplex measurement device for silicon nanowire sensors as well as other ion sensitive FETs was developed in cooperation with the IAVT at TU Dresden (Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik).
The second part of this thesis investigates the usability of silicon nanowires for optical sensor applications from a theoretical point of view. Therefore a method for the extraction of Raman and Infrared spectra from molecular dynamics simulations was developed. The method was applied to undoped silicon nanowires and shows that the surface properties of the nanowires has a significant effect on optical spectra. These results demonstrate the relevance of semiconductor nanostructures for applications in optical spectroscopy.:I Introduction: Sensing with Nanostructures
1 Introduction
2 Field effect transistors as electronic sensor elements
3 Packaging: Connecting Nano and Macro
4 Nanostructures as transducers in optical spectroscopy
II Electronic sensing with Schottky Barrier silicon nanowires
5 Schottky-Barrier silicon nanowire field effect transistors
6 ISFET measurement principles
7 pH and Biosensing with silicon nanowires
8 Thrombin sensing
9 Silicon nanowire FETs in a Lab-on-a-Chip device
10 Multiplexer sensing platform
11 Experimental methods
III Simulating optical spectra of silicon nanowires
12 Theoretical fundamentals
13 Computational Methods
14 Results
15 Bibliography
16 Anhan
