半导体材料在光、电、磁、热等各方面具有十分优异的特性，一直都是近年来材料科学研究中的热点。在生物蛋白基底上，进行半导体薄膜材料的生长，进行材料学、信息技术、生物生命科学等多学科交叉领域的创新性研究，具有重要意义。本文介绍了基于蛋白质基底的半导体薄膜材料生长研究的背景、意义及方法。

半导体材料与信息技术、生命科学的结合促进了生物医学传感器、植入式电子系统、电子皮肤、生物芯片等方向的快速发展。

随着社会经济科技的发展，大量生物电子元件的使用和遗弃，对河流、土壤和环境造成严重的污染，所以开发生物可降解、相容性良好的电子元件对人们的健康和环境保护具有非常重要的意义。目前，最先进的生物降解性、生物相容性电子系统大量工作主要集中于利用单晶硅纳米薄膜作为半导体，金属镁、铁、锌、钨或钼作为电极/连接点，氧化镁、氧化硅或氮化硅作为栅极/夹层电介质和封装层，丝蛋白、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、聚己内酯、聚乳酸作为基底或封装材料。但由于单晶硅的降解受到水或体液的pH、离子浓度等因素的影响较大。以ZnO、SiO2、Al2O3等为代表的半导体氧化物材料，由于所具有良好的生物相容性，以及在压电传感、气体传感、光电传感等方面出色的特性，成为生物医学应用领域研究的热点。利用氧化物半导体材料，将可以制备出生物信息获取功能导向型材料和器件，能够开启未来新型生物电子信息系统应用的大门。

但是，目前国内外针对氧化物半导体材料在生物电子领域的研究主要集中在非生物基底上，如：塑料衬底、不锈钢衬底、超薄玻璃衬底、纸质衬底、生物复合薄膜衬底等，衬底材料生物活性差，限制了其应用和发展。

因此，以生物蛋白为基底，在低温下制备生物可降解的、无毒无害、生物相容性好的氧化物半导体材料，研究材料生长机理，进行功能导向性材料设计及性能研究，将在生物医学、生物绿色电子元件等领域，如临时生物医学植入物、需降解环境监测器/传感器、一次性"绿色"电子元件等具有重大的开发潜力和应用前景。

在研究方法上，可采用如下实验研究方法：

一、薄膜材料生长方法

采用射频磁控溅射方法（RFsputtering），溅射是物理气相沉积（PVD）薄膜制备技术的一种，是利用带电粒子轰击靶材表面，发生表面原子或分子碰撞并导致能量和动量的转移，使靶材原子或分子获得动能而从表面逸出，并淀积在衬底材料上的过程。磁控溅射技术的工作原理如下：当系统达到高真空后，向真空室充入高纯气体，然后在阳极（衬底）与阴极（靶材）之间加上高压电场。以充入氩气为例，在高压电场作用下，Ar原子电离成为Ar+离子和电子，产生等离子辉光放电。由于在阴极靶材下面装有强力磁铁，电子受到电场的静电力和磁场的洛伦兹力的共同作用，旋转加速飞向衬底，期间不断与Ar原子发生再碰撞，电离出大量的Ar+离子，大大提高了镀膜效率和速度。Ar+离子在电场作用下，与阴极靶材撞击并释放出能量，导致靶材表面的原子吸收能量，呈中性的靶原子逸出靶材沉积在衬底上形成薄膜。

磁控溅射具有溅射率高、均匀性好、衬底的工作温度较低、膜层致密、附着力强等优点，而且生产成本低廉，适合于大面积生长；可使用的靶材的范围较广；设备性能稳定，操作控制方便等特点，是微电子薄膜、光学薄膜和材料的表面镀膜等领域的非常重要的设备。

二、薄膜材料特性表征方法

1.薄膜表面形貌测试。

①原子力显微镜（AFM）：使用原子力显微镜对样品的表面形貌和表面粗糙度进行测量；

场发射扫描电子显微镜（FESEM）：使用场发射扫描电子显微镜对样品的表面和断面进行观测；扫描电镜（SEM）是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。扫描电镜的优点是，①有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调；②有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；③试样制备简单。目前的扫描电镜都配有X射线能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织形貌的观察和微区成分分析，因此它是当今十分有用的科学研究仪器。

2.薄膜结构与成分测试。

X射线衍射（XRD）：使用X射线衍射仪对样品的结晶状况进行测试；X射线衍射法（XRD）可以对样品的结晶情况进行测试，是研究晶体结构的重要手段之一。X射线是一种波长非常短且频率很高的波，其波长范围在0.006～2nm之间，同时X射线也是不带电的粒子流。当X射线与物体相遇时，从能量转化而言，一是被吸收；二是穿透物体沿原方向继续传播；三是被散射，在散射波中有相干散射和非相干散射。X射线在晶体中产生的衍射现象是XRD研究晶体结构的基本原理。

文章来源：《电子元件与材料》 网址: http://www.dzyjyclzz.cn/qikandaodu/2021/0104/416.html