CN1375891A - 电连接结构及其产生方法和电布线方法 - Google Patents

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Abstract

一种能够把布线电连接到生物聚合物的电连接结构,一种电连接结构的产生方法,和一种能够执行纳米级布线的电布线方法。本发明的产生方法的第一方面使用了一个碳纳米管作为电极,并使碳纳米管接触生物聚合物。产生方法的第二方面把电流施加到第一方面的电极和生物聚合物之间。本发明的电连接结构包括至少一个由碳纳米管形成的电极和生物聚合物,其中电极与生物聚合物接触。在本发明的电布线方法中,碳纳米管形成的电极接触生物聚合物以完成电连接。

Description

电连接结构及其产生方法和电布线方法
技术领域
本发明涉及一种电连接结构，及其产生方法，和一种电布线方法。更具体地讲，本发明涉及一种使用诸如脱氧核糖核酸(DNA)，核糖核酸(RNA)或蛋白质之类的生物聚合物的电连接结构，一种电连接结构的产生方法，和一种电布线方法。
发明背景
迄今为止，对于将DNA，RNA和蛋白质之类的生物聚合物绝缘材料用作电子元件的期望一直不高。
但是，由于制造纳米级器件的技术的发展，已经开始研究用这种生物聚合物作为制造电子器件的电子材料。此外，也期望在把电极连接到生物聚合物以测量它们的电特性的测试和检查中使用这些生物聚合物。在这种情况下最大的问题是生物聚合物与电极之间的电连接。在一种产生硅器件和类似器件中使用电极的方法中，一般是通过光曝光法或电子束曝光法在光刻胶上形成一个图形，然后在图形上沉积金属、半导体之类的材料而敷设(电连接)它们的。此外，还有一种方法，在这种方法中特意地把硫羟基(thiol group)(SH基)加入到一个分子中，并且把带有硫羟基的分子任选地粘贴到一个金电极上。
但是，在使用光刻胶的方法中，抗蚀显影中使用的有机溶剂或类似物会化学损害DNA，RNA或蛋白质之类的生物聚合物。即使是把生物聚合物简单地粘结到一个金属电极上，导电性将随生物聚合物的粘结状态变化。在使用硫羟基的方法中，材料受到限制，大多数生物聚合物不能使用。
此外，当把DNA，RNA或蛋白质之类的生物聚合物简单地放置在一个金属(例如金或铂)电极上时，由于金属表面上氧化膜的作用，金属电极与生物聚合物之间的接触电阻是不稳定的。因此，不能期待有稳定的电连接，并且接触电阻值偏离10％左右，或更多。
另外，DNA，RNA和蛋白质之类的许多生物聚合物是具有5MΩ·cm或更大的电阻值的绝缘材料。当把这些生物聚合物用作电子元件时，需要形成和设置纳米级的电极，以便靠近生物聚合物。但是，由于金属布线的尺寸相对于生物聚合物的尺寸太大(太厚)，因而一直难于形成微小的电布线。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种能够以有效的方式形成电连接到DNA，RNA或蛋白质之类的生物聚合物的电布线的电连接结构，和一种电连接结构的产生方法。本发明的另一个目的是要提供一种允许纳米级布线的电布线方法。
上述目的是通过以下措施实现的。
根据本发明的电连接结构的产生方法的第一方面是一种包含以下步骤的方法：提供一个碳纳米管作为电极；且使电极与生物聚合物接触。
根据本发明的电连接结构的产生方法的第二方面是一种包括在提供碳纳米管作为电极且使电极与生物聚合物接触的步骤之后，在电极和生物聚合物之间施加电流的步骤的方法。
根据本发明的电连接结构的产生方法的第三方面是第二方面的方法，其中施加电流期间的电压是1至20V。
根据本发明的电连接结构的产生方法的第四方面是第一方面的方法，其中生物聚合物是DNA和RNA中的一个。
根据本发明的电连接结构的产生方法的第五方面是第一方面的方法，其中生物聚合物具有一个极性基团，并且使该极性基团和电极相互接触。
根据本发明的电连接结构的产生方法的第六方面是第一方面的方法，其中电极在其一个端部具有一个极性基团，并且使该极性基团与生物聚合物相互接触。
根据本发明的电连接结构的产生方法的第七方面是第五方面的方法，其中极性基团是从羧基、羰基、羟基、胺基和酰胺基中选择的至少一个。
根据本发明的电连接结构的第一方面是一种包括至少一个由碳纳米管形成的电极，和一种生物聚合物的电连接结构，其中电极与生物聚合物接触。
根据本发明的电连接结构的第二方面是第一方面的电连接结构，其中生物聚合物是DNA和RNA中的一个，并且电极与生物聚合物DNA和RNA中的一个表面扩散了Na+离子的部分接触。
根据本发明的电连接结构的第三方面是第一方面的电连接结构，其中电极在其一个端部具有一个极性基团，且生物聚合物在其一个部位具有一个极性基团，各自的极性基团相互排斥，并且电极的端部与生物聚合物中不存在极性基团的部位接触。
根据本发明的电连接结构的第四方面是一种电连接结构包括至少一个由碳纳米管构成的电极，和一种生物聚合物，其中电极经过一个极性基团与生物聚合物接触。
根据本发明的电连接结构的第五方面是第四方面的电连接结构，其中极性基团存在于生物聚合物的表面，且该生物聚合物是一种蛋白质。
根据本发明的电连接结构的第六方面是第四方面的电连接结构，其中极性基团存在于电极的一个端部。
根据本发明的电布线方法的第一方面是一种包括通过使电极与生物聚合物接触而把碳纳米管形成的电极电连接到生物聚合物的步骤的方法。
根据本发明的电布线方法的第二方面是第一方面的方法，其中在利用一种将生物聚合物电连接到电极的电连接结构的电特性之前，将电流施加到该电连接结构以便稳定生物聚合物与电极之间的电连接。
根据本发明的电布线方法的第三方面是第一方面的方法，其中电极在其一个端部具有一个极性基团，极性基团产生对生物聚合物的吸引力。
附图说明
图1是正在与碳纳米管接触的DNA的概念图。标号1和2每个代表一个碳纳米管；
图2是一个多探针原子力显微镜的概念图。标号30a，30b和30c中的每一个代表一个碳纳米管探针，标号32代表一个压电激励器(piezoactuator)，标号34a和34b每个代表一个探针支座，标号42代表一个基底，标号44代表一个样品；
图3是显示粘附度测量原理的说明图；
图4是显示探针引起的粘附度变化的曲线图；
图5示出了示例3的电流/电压特性。
具体实施方式
根据本发明的第一方面的一种电连接结构的产生方法是一种将碳纳米管用作电极并且使电极与一种生物聚合物接触的方法。
此外，根据本发明的第二方面的一种电连接结构的产生方法是一种在使电极与生物聚合物接触之后把电流施加(将电接通)到电极和生物聚合物之间的方法。
根据本发明的电连接结构的上述产生方法，能够以稳定的方式将碳纳米管连接到生物聚合物。
这里描述的生物聚合物是指存在于活性体(living body)中的聚合物，例如，DNA，RNA，或蛋白质。近年，DNA和蛋白质的人工合成已经成为可能。因此，人造生物聚合物也可以适用于本发明。此外，生物聚合物可以是由多种类型的生物聚合物的组合形成的。
此外，碳纳米管(此后有时称为“纳米管”)没有特别的限制，只要能够经过碳纳米管将电流施加到生物聚合物。可以使用具有单壁或多壁的或变化的碳纳米管(比如：纳米角(nano horn)，纳米珠(nano beads)，纳米线圈(nano coil))，并且优选使用具有0.5nm至50nm直径的碳纳米管。另外，也可以使用碳纳米管束，只要它们是导电的。
根据本发明的一种电连接结构的产生方法，通过简单地使碳纳米管接触生物聚合物，以获得稳定的接触状态；或通过使它们相互接触之后进一步将电流施加到碳纳米管和生物聚合物，以获得更稳定的连接。获得这种接触状态的原理尚不清楚，但认为是由于以下的作用。
碳纳米管是由片状石墨结构构成的，并且具有一端封闭的中空圆柱体结构。在碳纳米管的表面上产生强范德瓦尔斯力。因此，当存在一个化学极性基团(例如一个OH基或一个COOH基)或离子时，会产生强吸引力。此外，由于碳纳米管的石墨结构是稳定的，不同于金属，它的表面不容易氧化，并且表面上的原子排列也是稳定的。
在DNA或RNA之类的生物聚合物中，通过对Na原子的离子键使DNA或RNA的表面稳定化。当在水或类似液体中由于化学平衡使Na从表面离解时，表面带有强负极性。蛋白质表面上存在三种类型的非共价键。即，起源于形成多肽骨架的氨基酸的离子键和氢键(例如，羧基与胺基之间的离子键，和羰基与酰胺基之间的氢键)，和蛋白质的折叠结构产生的范德瓦尔斯力。
因此，大量的极性支链存在于形成蛋白质的多肽的表面。极性支链存在于普通蛋白质分子的表面上，从而产生强氢键。
当把碳纳米管用作电极并且使其接触(或连接到)DNA或RNA分子时，或是使其接触分子然后对其施加电流时，DNA或RNA分子表面上的Na+离子扩散。结果，可以实现DNA或RNA分子与碳纳米管之间的稳定接触。
以下参考图1给出更详细的说明。随碳纳米管1趋近DNA的表面，由于碳纳米管的范德瓦尔斯力的作用，DNA表面与Na+离子之间的离子键变弱，这使得Na+离子容易从DNA离解。然后，通过把电压和电流施加到碳纳米管1和DNA，使Na+离子扩散到DNA和碳纳米管的内部，因而，可以通过碳纳米管2看到，使得碳纳米管接触DNA。这种接触是由作用在碳纳米管和DNA的清洁表面之间的静电引力造成的，因此是十分稳定的。这种接触是通过碳纳米管与DNA表面之间的强相互作用实现的。
在使用普通金属的情况下，由于金属表面存在着氧化膜，这种接触是不可能的。
即使在仅使DNA或RNA接触碳纳米管时，粘附性也比在把DNA或RNA连接到金属时获得的粘附性大。因此，也可以使用仅使DNA或RNA与碳纳米管接触的电连接结构。在这种情况下，当把电流施加到碳纳米管以便利用生物聚合物的电特性时，生物聚合物与碳纳米管之间的连接进一步稳定化。作为替代，实现在生物聚合物的电特性之前向碳纳米管施加电流，可以形成电连接结构中生物聚合物和碳纳米管之间更稳定的电连接，并且此后可以把这种电连接结构使用到实际应用。
此外，当纳米管和生物聚合物相互接触之后将电流施加到(或把电接通到)碳纳米管和生物聚合物时，它们之间的电相互作用变得更大，并且可以获得更稳定的接触状态。施加的电流优选是0.1至100nA，更好是5至50nA。
当使蛋白质与碳纳米管相互接触时，在蛋白质分子表面上的极性基团与碳纳米管之间产生强吸引力。因此，如上所述，通过仅使蛋白质与碳纳米管接触就可以实现稳定的电连接。
此外，当通过把碳纳米管的一个敞开端(端部)用一种酸(例如，硝酸、硫酸、或它们的混合物)进行化学处理而将引起对诸如蛋白质、DNA或RAN之类的生物聚合物的吸引力的极性基团，例如，羧基，加到碳纳米管时，仅在端部产生强极性，并且使得对生物聚合物的选择性电连接成为可能。也就是说，为了把碳纳米管连接到形成生物聚合物的分子的一个预定部位，只要把产生对形成该部位的高分子的吸引力的极性基团链接到碳纳米管的端部就可以了。相反，当不希望碳纳米管的端部连接到生物聚合物的一个预定部位时，通过把一个排斥形成预定部位的分子的基团链接到碳纳米管的端部，可以防止预定部位连接到碳纳米管的端部，并且可以在预定部位的旁边部位连接到纳米管。
这里所说的端部是指具有长度L的纳米管的从末端延伸到0.1×L(优选是0.01×L)的区域。
如上所述，由于碳纳米管和生物聚合物稳定地相互连接，进而可以获得稳定的接触电阻。
由于把碳纳米管作为电极并且电极接触生物聚合物使得电连接结构简单和微小，因而可以实现纳米级电布线。例如，即使使用一种具有5MΩ·cm或更高电阻值的绝缘体的生物聚合物，该生物聚合物也可以用作电元件，并且可以利用该生物聚合物的电特性。电元件的特定例子包括整流器，晶体管，开关元件，集成电路，太阳能电池，光学传感器，化学物质功能传感器，等等。
此外，如果利用上述电连接结构的原理进行电布线，即，如果使用了通过使电极与生物聚合物接触实施电连接的电布线方法，使得对诸如DNA，RNA或蛋白质之类的生物聚合物的稳定电布线成为可能，并且能够在半导体器件或类似器件的电子工业中广泛地使用。
以下通过优选实施例的方式说明根据本发明的电连接结构的产生方法。
当使用天然DNA或RNA作为生物聚合物时，由于DNA和RNA含有蛋白质之类的杂质，因而需要对其进行提纯。
例如，DNA的提纯可以如下进行。首先，使用甲醇和乙醇之类的醇类，或甲醚和乙醚之类的醚类除去杂质蛋白质。然后，用一种缓冲溶液(含有300mM的氯化钠，10mM的碳酸钠，和5nM的乙二胺四乙酸(EDTA))洗涤DNA两到三次，以除去杂质。当希望获得高纯度的DNA时，最好是使用电泳分离DNA。在用缓冲溶液洗涤之后，过滤DNA并把它分散到，例如，一种乙醇和水的混合溶液(乙醇：20％，水：80％)中，以便除去盐类。优选是使用蒸馏后用一个具有0.1μm孔直径的过滤器过滤的乙醇，和超纯水(具有1018Ω或更高电阻值的水)。盐类的去除用乙醇和水的混合溶液进行两到三次，以把DNA或RNA的浓度调节到0.01至0.1％质量。在除去杂质的处理过程中，DNA(或RNA)分子会凝聚到一起，形成一个球形体。因此，将DNA保持在乙醇和水的混合溶液中一到十天，以分离分子。处理过程中的温度优选是2至10℃。当在7℃把DNA保持在混合溶液中时，一般要七天的时间使DNA分子分离成纤维形。
也可以用类似的方式提纯RNA。
另一方面，蛋白质具有各种不同形状和大小的分子。因此，一般优选用色谱法分离和提纯蛋白质。在本实施例中，优选利用离子交换色谱法，凝胶过滤色谱法，和亲合色谱法的原理，或其组合形成一个色谱柱，并根据目的分离蛋白质。随后，通过用一维聚丙烯酰胺凝胶电泳分离蛋白质，可以根据目的确定蛋白质的纯度。此外，优选使用二维聚丙烯酰胺凝胶电泳进行蛋白质的分离和提纯。
用作电极材料的碳纳米管是用电弧放电法或激光消融法制造的。主要采用两种类型的碳纳米管：具有单壁的碳纳米管，和具有多壁的碳纳米管。具有单壁的碳纳米管的直径为0.5nm至3nm，而具有多壁的碳纳米管具有5nm至20nm的直径。
接下来，说明一种使DNA或RNA与碳纳米管相互接触的方法。
首先，制备一个绝缘基底(例如，氧化硅，兰宝石，或云母)，基底具有比诸如DNA，RNA或蛋白质(此后称为“样品”)之类的生物聚合物更高的电阻值，并且把已经在混合溶液中分离的样品的一个分子固定在基底上。随后，用任意方法将用作电极的两个或更多的碳纳米管放置到样品的分子上。样品分子上用作电极的碳纳米管之间的距离优选是1nm至50nm，而每个碳纳米管保持电独立状态。接下来，在碳纳米管之间施加电压，并且固定样品分子和用作电极的碳纳米管，从而使它们能够相互电连接。此时，施加到用作电极的碳纳米管之间的电压优选是1V至20V。施加到用作电极的碳纳米管和样品之间的电流优选是0.1nA至100nA。
一个操作碳纳米管从而使它们连接到样品分子的任意部位的方法的示例是一种使用原子力显微镜(此后称为“AFM”)的方法。AFM是一种测量设备，这个测量设备在一个安装到悬臂的尖锐探针扫描样品的表面时，利用光学杠杆方法测量悬臂的偏转量，得到的偏转量对应于样品表面的不规则度，从而获得样品的不规则度的图形。但是，由于一个普通AFM只有一个探针，因而优选使用具有三个或更多探针的多探针AFM。
图2中示出了一个能够操作碳纳米管并且把电流施加到碳纳米管的多探针AFM的示例。
在多探针AFM中使用了三个探针。此外，三个探针中的一个，即，碳纳米管探针30a被用作原子力显微镜(AFM)。碳纳米管探针30a固定到一个形成为锥形并且由一个探针支座34a支撑的扫描部分36的顶端。此外，另外两个碳纳米管探针30b和30c固定到一个探针支座34b的一端，以便形成一个实际上倒“V”形，并且相互电独立。探针支座34b结合到一个压电激励器32，并且构造成能够三维自由运动。将样品44放置在基底42上。
为了利用多探针AFM使碳纳米管接触DNA之类的生物聚合物，优选按照以下过程进行操作。
首先，用多探针AFM观察和确定DNA目标分子的位置。接下来，使一个用作电极的碳纳米管在用多探针AFM移动的同时横向接触DNA分子。用同样的方式处理另一个碳纳米管，从而使其与一个碳纳米管间隔一个预定的距离，并且使其横向接触DNA分子。如果需要，重复进行相同的操作。
此外，将用作电极的碳纳米管放置到一种0.01％重量浓度的硝酸和硫酸(硝酸(68％溶液)∶硫酸(96％溶液)＝3∶1)的混合溶液中，并且超声振动两个小时。结果，羧基连接到碳纳米管的两端。当把这个碳纳米管用作电极时，根据样品的极性，碳纳米管可以有选择地在碳纳米管的端部连接到样品。
示例
以下说明本发明的示例。但是，本发明不限于这些示例。
示例1
使用从野生鲑鱼的精液分离的DNA。
为了除去蛋白质之类的杂质，将10mg的DNA分散在100ml的乙醇(99.9％)中。在室温下搅拌分散液30分钟，并且用一个具有1μm孔径的聚四氟乙烯(PTFE)过滤器过滤。这一过程反复进行三次。接下来，将除去了蛋白质的DNA分散在100ml的缓冲溶液(含有300mM的氯化钠，10mM的碳酸钠，和5mM的EDTA)中。把超纯水(具有18MΩ或更高的电阻值)用作溶液的水。在室温下搅拌分散液30分钟，并且用具有1μm孔径的PTFE过滤器过滤，以除去杂质。最后，为了除去盐类，将DNA分散在乙醇和水的混合溶液(乙醇：20％，水80％)中。在溶液中使用蒸馏后用具有0.1μm孔径的过滤器过滤的乙醇和(具有18MΩ或更高电阻值并且用紫外线消毒的)超纯水。
在分散后，将产生的分散液摇动10分钟，然后用离心分离法(转速：300rpm，旋转时间：一小时)分离。将这个过程进行三次，并且最终将DNA的浓度调节到0.02％。
此后，把DNA分子放置到氧化硅制造的基底上，并且通过一个多探针AFM使两个用作电极的碳纳米管接触DNA分子。两个碳纳米管之间的间隔是20nm。
使用由电弧放电获得的每个具有单壁的碳纳米管作为上述碳纳米管。
在上述状态下，观察DNA分子与碳纳米管之间的粘附度的差别。图3中示出了粘附度测量的原理。粘附度是指在AFM的悬臂接触样品然后向上提起时的作用力。
也就是说，图3中指定的“跳出(JUMP-OUT)”量代表粘附度。因此，通过利用金和碳纳米管作为探针，并且比较它们各自的对DNA的粘附度量，可以测量电极的动态连接。
通过利用DNA作为样品和使用金和碳纳米管作为探针，对每个探针进行四次粘附度量变化测量。结果如图4所示。当探针是金时(即横坐标为A时)，粘附度是10nN至15nN。但是，当探针是碳纳米管时(即横坐标为B时)，粘附度是20nN至30nN。此外，当把15V电压施加到碳纳米管探针时(即横坐标为C时)，碳纳米管与DNA之间的粘附度提高到65nN至80nN的范围。
从上述结果证实了碳纳米管与DNA分子之间的动态连接强于DNA分子与金之类的金属间的动态连接，且碳纳米管是一种对DNA分子电布线的优选材料。
示例2
象示例1那样把两个碳纳米管连接到DNA，并且用示例1相同的方式测量施加电压前后的粘附度变化和电阻值变化。当一个单一DNA分子上的碳纳米管的电极宽度是30nm时，测量施加15V电压前后电阻值的变化。偏压是0.2V。在施加15V电压之前，电流是15pA至30pA。但是，在施加了15V的电压之后，电流是80pA。此外，在施加15V的电压之前，电流具有10pA至15pA的起伏。但是，在施加了15V的电压之后，电流起伏减小到5pA或更小。此外，由于基底上的电流泄漏是3pA至4pA，在施加了15V的电压之后，碳纳米管与DNA分子相互接触位置的电流值的起伏被确定为1pA或更小。
从上述结果可以证实，使碳纳米管与DNA分子相互接触对于电布线是有效的。
示例3
如示例1那样将两个碳纳米管(每个具有多壁)连接到DNA，并且比较施加电压前后的电流/电压特性。为了比较电流/电压特性，将两个碳纳米管用作一个源极和一个漏极，并且把一个具有单壁的碳纳米管用作栅极。源极和漏极的宽度是8nm，栅极的宽度是1.5nm。此外，使用了由氧化硅形成的基底。
在实践中，在一个单一DNA分子上的碳纳米管的电极宽度是20nm时，测量施加15V电压前后的电流/电压特性。图5中给出了结果，其中，电极是纳米管，样品为DNA，曲线1是在施加15V电压之前的电流/电压特性，曲线2是在施加15V电压之后的电流/电压特性。在施加了电压之后，电流/电压特性变得稳定。从这一事实证实了在对DNA电布线中使用的碳纳米管可以用于晶体管之类的电子器件。
示例4
把用作电极的一个碳纳米管放到0.01％重量的浓度的硝酸和硫酸的混合溶液(硝酸(68％溶液)∶硫酸(96％溶液)＝3∶1)中，并且使混合溶液经受超声振动两个小时。结果，羧基连接到碳纳米管的两端。(碳纳米管具有120nm的长度，且端部区域是从边缘到离开该边缘1nm。)将这样形成的碳纳米管用作电极，并且使之与一个蛋白质(球蛋白)分子接触。然后，测量蛋白质分子与连接了和没有连接羧基的碳纳米管之间的粘附度的差别。
当没有羧基连接到碳纳米管的两端时，粘附度是38nN至45nN。但是，当使用具有连接有羧基的碳纳米管时，粘附度提高到80nN至120nN的范围。
当使一个金属电极和球蛋白相互接触时，几乎没有粘附性：它们仅仅是相互接触。
因此，证实了通过把羧基连接到碳纳米管两端，有选择地增强了动态连接，并且证实了具有连接有羧基的碳纳米管是一种可以优选用于对蛋白质电布线的材料。
如上所述，根据本发明，能够提供一种有效地把电布线连接到DNA，RNA或蛋白质之类的生物聚合物的电连接结构，一种电连接结构的产生方法，和一种允许纳米级布线的电布线方法。

Claims (16)

1、一种电连接结构的产生方法，该方法包括以下步骤：
提供一个碳纳米管作为电极；和
使电极与一种生物聚合物接触。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括，在提供碳纳米管作为电极和使电极与生物聚合物接触步骤之后，将电流施加到电极与生物聚合物之间的步骤。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中施加电流期间的电压是1至20V。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中生物聚合物是DNA和RNA中的一个。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中生物聚合物具有一个极性基团，且使极性基团与电极相互接触。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中电极在其一端具有一个极性基团，且使极性基团与生物聚合物相互接触。
7、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，其中极性基团选自羧基、羰基、羟基、胺基、和酰胺基中的至少一个。
8、一种包括至少一个由碳纳米管形成的电极和一种生物聚合物的电连接结构，其中电极与生物聚合物接触。
9、根据权利要求8所述的电连接结构，其特征在于，其中生物聚合物是DNA和RNA中的一个，并且电极与生物聚合物DNA和RNA中的一个表面上已经扩散了Na+离子的一个部位接触。
10、根据权利要求8所述的电连接结构，其特征在于，其中电极在其一个端部具有一个极性基团和生物聚合物在其一个部位具有一个极性基团，各自的极性基团彼此排斥，并且电极的端部与生物聚合物中不存在极性基团的部位接触。
11、一种电连接结构，包括至少一个由碳纳米管形成的电极，和一种生物聚合物，其中电极经过一个极性基团与生物聚合物接触。
12、根据权利要求11所述的电连接结构，其特征在于，其中极性基团存在于生物聚合物的表面，且该生物聚合物是一种蛋白质。
13、根据权利要求11所述的电连接结构，其特征在于，其中极性基团存在于电极的一个端部。
14、一种电布线方法，包括通过使电极接触生物聚合物把一个由碳纳米管形成的电极电连接到一种生物聚合物的步骤。
15、根据权利要求14所述的布线方法，其特征在于，其中在利用一种将生物聚合物电连接到电极的电连接结构的电特性之前，对电连接结构施加电流，以便稳定生物聚合物与电极之间的电连接。
16、根据权利要求14所述的布线方法，其特征在于，其中电极在其一个端部具有一个极性基团，极性基团产生对生物聚合物的吸引力。
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Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3578098B2 (ja) * 2001-03-16 2004-10-20 富士ゼロックス株式会社 電気接続体の製造方法、電気接続体および電気配線方法
US7406859B2 (en) * 2005-04-06 2008-08-05 Board Of Trustees Operating Michigan State University Adaptable end effector for atomic force microscopy based nano robotic manipulators
US20100071100A1 (en) * 2005-04-07 2010-03-18 Faris Sadeg M Probes, Methods of Making Probes, and Applications using Probes
US7114378B1 (en) * 2005-04-14 2006-10-03 Agilent Technologies, Inc. Planar resonant tunneling sensor and method of fabricating and using the same
US7790242B1 (en) * 2007-10-09 2010-09-07 University Of Louisville Research Foundation, Inc. Method for electrostatic deposition of graphene on a substrate
FI122511B (fi) * 2009-02-26 2012-02-29 Valtion Teknillinen Grafeenia sisältävät hiutaleet ja menetelmä grafeenin eksfoliaatiota varten
US7887888B1 (en) * 2009-06-23 2011-02-15 University Of Louisville Research Foundation, Inc. Methods and systems for fabrication of graphene nanoribbons
WO2011066535A1 (en) * 2009-11-30 2011-06-03 Pinkerton Joseph F Piezoelectric energy conversion assemblies
CN102211755B (zh) * 2010-04-02 2014-02-12 中国科学院沈阳自动化研究所 基于afm的纳米级电极加工方法
CN101846648A (zh) * 2010-04-20 2010-09-29 上海大学 石墨烯量子点修饰的电化学生物传感器及其制备方法
US9153764B2 (en) * 2011-03-08 2015-10-06 Nokia Technologies Oy Apparatus for transducing a surface acoustic wave
CN103187391B (zh) * 2011-12-31 2016-01-06 中芯国际集成电路制造(北京)有限公司 半导体器件及其制造方法
CN102527334B (zh) * 2011-12-31 2013-11-06 汕头大学 功能化多壁碳纳米管基质的固相萃取柱及其制备方法
KR101878747B1 (ko) 2012-11-05 2018-07-16 삼성전자주식회사 나노갭 소자 및 이로부터의 신호를 처리하는 방법
KR101541084B1 (ko) 2014-02-24 2015-08-03 한국과학기술연구원 Dna 코팅을 통한 그래핀 내 pn 접합 형성 방법 및 이에 의해 형성된 pn 접합 구조체
US10477366B2 (en) * 2014-07-08 2019-11-12 Nokia Solutions And Networks Oy Apparatuses and methods to introduce flexible support for services
TWI621843B (zh) 2016-04-15 2018-04-21 財團法人工業技術研究院 檢測材料表面抗污能力的方法以及檢測材料表面抗污能力的檢測裝置

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5496938A (en) * 1990-06-11 1996-03-05 Nexstar Pharmaceuticals, Inc. Nucleic acid ligands to HIV-RT and HIV-1 rev
US5866434A (en) * 1994-12-08 1999-02-02 Meso Scale Technology Graphitic nanotubes in luminescence assays
EP0927331B1 (en) 1996-08-08 2004-03-31 William Marsh Rice University Macroscopically manipulable nanoscale devices made from nanotube assemblies
US5866343A (en) * 1997-04-15 1999-02-02 Universite De Montreal Energetically favorable binding site determination between two molecules
DE69908016T2 (de) * 1998-04-09 2004-08-19 Enterprise Ireland Zusammensetzung enthaltend Nanoröhren und eine organische Verbindung
US6159742A (en) 1998-06-05 2000-12-12 President And Fellows Of Harvard College Nanometer-scale microscopy probes
US7138254B2 (en) * 1999-08-02 2006-11-21 Ge Healthcare (Sv) Corp. Methods and apparatus for performing submicroliter reactions with nucleic acids or proteins
KR100991573B1 (ko) * 2000-12-11 2010-11-04 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하버드 칼리지 나노센서
WO2002079514A1 (en) * 2001-01-10 2002-10-10 The Trustees Of Boston College Dna-bridged carbon nanotube arrays
FR2821575B1 (fr) * 2001-03-02 2003-10-24 Commissariat Energie Atomique Procede de greffage organique localise sans masque sur des protions conductrices ou semiconductrices de surfaces composites
JP3578098B2 (ja) * 2001-03-16 2004-10-20 富士ゼロックス株式会社 電気接続体の製造方法、電気接続体および電気配線方法

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