(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ流体電界効果トランジスタを生成する方法であって、
膜を使って貯留器を２つの部分に区分し、前記膜は前記２つの部分の間に配置され、また、前記膜は２枚の電気的絶縁層および前記２枚の電気的絶縁層の間に配置された導電ゲートの層とを含み、これらの層がイオン溶液と接触しているときに、前記導電ゲートが前記２枚の電気的絶縁層の少なくとも１枚とは異なる表面電荷極性を有する、ステップと、
前記膜を貫通して開口するナノチャネルを生成するステップと、
前記ナノチャネルの開口の中へ前記イオン溶液が注入されて表面電荷調整イオン・チャネルを生成し、前記イオン溶液は前記貯留器を充填し、前記表面電荷の調整は前記２枚の電気的絶縁層と前記導電ゲートとの間の相異なる表面特性に由来するものである、ステップと、
ソースおよびドレイン電極を設けるステップと、
前記ソースおよびドレイン電極間にバイアス電圧を印加し、さらに前記膜中の前記導電ゲートに電圧を印加して、イオン電流をターン・オンし、前記ナノチャネルを通るイオンの輸送をゲート制御するステップと、
を含む、前記方法。
【請求項２】
前記ナノチャネルを通るイオン電流を測定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記導電ゲートの、前記ナノチャネルに隣接する表面に絶縁塗膜を施すステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記貯留器を充填するステップは、マクロ・イオンを含む溶液で前記貯留器を充填するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
荷電生体分子の溶液で前記貯留器を充填するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ナノチャネルを生成するステップは、前記イオン溶液のデバイ長の２倍より小さい直径を有する前記ナノチャネルを生成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
２つの部分に区分された、絶縁材料を包んでなる貯留器と、
前記貯留器を前記２つの部分に区分する膜とを含み、前記膜は、２枚の電気的絶縁層および前記２枚の電気的絶縁層の間の配置された導電ゲートの層とを含み、これらの層がイオン溶液と接触しているとき、前記導電ゲートは、前記２枚の電気的絶縁層の少なくとも１枚とは異なる表面電荷極性を有し、
前記膜を貫通し、前記貯留器の前記２つの部分をつなぐナノチャネル中に導入されたイオン溶液とを含み、前記イオン溶液は、前記貯留器を充填し、前記膜を貫通する表面電荷調整イオン・チャネルを生成し、前記表面電荷の調整は前記２枚の電気的絶縁層と前記導電ゲートとの相異なる表面特性に由来するものであり、
ソースおよびドレイン電極と、
を含む、電界効果トランジスタ・デバイス。
【請求項８】
前記ソースおよびドレイン電極間に電圧が印加され、および前記膜中の前記導電ゲートの層に電圧が印加されて、前記イオン・チャネルを通るイオン電流がターン・オンされ、
前記導電ゲートに印加される前記電圧が、前記イオン・チャネルを通るイオンの輸送をゲート制御する、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記イオン溶液に含まれるイオンはマクロ・イオンである、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記マクロ・イオンは荷電生体分子である、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記マクロ・イオンはＤＮＡを含む、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記マクロ・イオンはたんぱく質を含む、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記ナノチャネルは前記イオン溶液のデバイ長の２倍よりは小さい直径を含む、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記ドレインおよびソース電極は、前記膜に積層される、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記膜の上側と下側とに最上部および底部ガード電極として配置された電極の対をさらに含む、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記イオン溶液のｐＨは、前記２枚の電気的絶縁層の少なくとも１枚が前記導電ゲートの極性とは異なる極性を持つことを可能にする値を有する、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１７】
ＳｉＯ２およびＳｉ３Ｎ４の一方が前記電気的絶縁層に使われ、他方が前記導電性層の前記ナノチャネル中の前記表面に対する塗膜に使われ、前記ｐＨ値が、４から６．４の間である、請求項１６に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記デバイスが化学センサとして用いられる、請求項７に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の発明は、概して電界効果トランジスタの分野に関し、さらに具体的にはナノ流体電界効果トランジスタに関する。また、本発明は、イオン溶液充填ナノチャネルを通るイオン／荷電分子の通過を制御することによって、溶液中の生体分子を操作する分野にも関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン電流を制御するための多くの方法が研究されてきた。最近、いくつかの実験証明によって、一様に表面が帯電されたイオン・チャネルを通るイオン電流を、該チャネルに印加するゲート電圧によって調節できることが示されている。しかしながら、チャネル内壁固有の表面電荷のため、設計上高いゲート電圧が必要で、完全にイオン電流を止めるのは非常に困難である。ナノチャネルの表面電荷を化学的に調整するある「バイポーラ」イオン・トランジスタでは、上記のイオン電流が完全にオフになったことが実証された。しかし、このバイポーラ・イオン・トランジスタは「受動」トランジスタであり、能動的なゲート制御を備えていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
電気ゲートにゲート電圧を印加することによってイオン電流をターン・オンできる、電気ゲートを備えた表面電荷調整イオン・チャネルが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
簡単にいえば、本発明の実施形態による電界効果トランジスタは、イオン溶液で満たされた表面電荷調整ナノ流体チャネルに基づいている。このナノ流体電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、電気的絶縁材料で形成され、膜によって２つの部分に分離された貯留器を含む。該膜は、２枚の電気的絶縁層とこれら２枚の電気的絶縁層の間に配置された１枚の導電ゲート層との３枚の層を含む。該ゲート層は、２枚の電気的絶縁層の少なくとも１枚の表面電荷の極性とは異なる極性の表面電荷を有する。該ナノ流体ＦＥＴは、該膜を貫通して設けられ、貯留器の２つの部分をつなぐナノチャネルをさらに含む。
【０００５】
貯留器を満たし、該ナノチャネル流通するイオン溶液を導入することによってイオン・チャネルが生成される。さらに、イオン電流を駆動するためのドレイン電極およびソース電極が含まれており、ゲート層に電圧バイアスがかかっていないときは、ナノチャネル内の表面電荷の転調に起因してイオン電流はゼロになる。次いで、電圧がゲートに印加されてイオン・チャネルを通るイオン電流がターン・オンされ、イオン・チャネルを通るイオンの輸送がゲート制御される。生成されるイオン電流は、ナノチャネルを介して容易に測定することができる。
【０００６】
本発明のある実施形態によれば、ナノ流体ＦＥＴを生成する方法は、膜を使って貯留器を２つの部分に区分するステップを含み、ここで膜は前記２つの部分の間に配置され、また、該膜は２枚の電気的絶縁層および該２枚の電気的絶縁層の間に配置された１枚の導電ゲート層の３枚の層からなり、；該膜を貫通して開口するナノチャネルを生成するステップと；相異なる表面群よりなるナノチャネル中にイオン溶液を注入して、表面電荷調整イオン・チャネルを生成し、該イオン溶液は貯留器を充填するステップと；ソースおよびドレイン電極を追設するステップと；該ソース電極とドレイン電極との間にバイアス電圧を印加するステップと；該膜中のゲート層にゲート電圧を印加するステップとを含む。ナノ流体ＦＥＴを生成する方法は、ナノチャネルを通るイオン電流を測定するステップをさらに含むことができる。
【０００７】
前述のおよび他の例示的目的、特徴、および利点を説明するため、以下に、図面を参照しながら、本発明の例示的実施形態について詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のある実施形態による、ナノ流体電界効果トランジスタの断面図である。
【図２】本発明のある実施形態による、ゼロ・ゲート電圧時のナノ流体電界効果トランジスタ中の電荷分布の概略図である。
【図３】既知の技術による、ｐ型基材を使ったＭＯＳＦＥＴの概略断面図である。
【図４】本発明のある実施形態による、ゼロ・ゲート電圧時の、荷電されていない保護層を有するナノ流体電界効果トランジスタ中の電荷分布の概略図である。
【図５】本発明のある実施形態による、あるゲート電圧におけるナノ流体電界効果トランジスタ中の電荷分布の概略図である。
【図６】本発明のある実施形態による、あるゲート電圧における、全ての対イオンが負に荷電したナノ流体電界効果トランジスタ中の電荷分布の概略図である。
【図７】膜中の最小限の必要部分を備えたナノ流体電界効果トランジスタの断面図である。
【図８】本発明のある実施形態による、ナノ流体電界効果トランジスタを生成する方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
請求対象の本発明内容は別の形態にも変更できるが、例示のため、その特定の実施形態を図で示し本明細書で詳細を説明する。しかしながら、これら図面およびその詳細説明は本発明を開示した特定の形態に限定することを意図したものでなく、それどころか、本発明は、本発明の範囲に含まれる全ての変更案、同等物、および代替案を網羅することが意図されていることを理解すべきである。
【００１０】
表面電荷調整イオン・チャネルに電気ゲートを追設した、イオン溶液充填ナノ流体チャネルをベースとした電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）による、表面電荷調整ナノ流体電界効果トランジスタの生成について説明する。ナノチャネル内の表面電荷の転調に起因して、ゲート電圧がオフになると該ナノチャネルを通るイオンの輸送は遮断される。電気ゲートにゲート電圧を印加することによって、該ナノチャネルを通るイオン電流をターン・オンすることができる。
【００１１】
キャリヤがイオンであり、イオンの移動度はイオン種と使用溶媒に依存するので、本発明は、（イオンおよび溶媒の双方に対する）化学センサとして使用することができる。イオン電流はイオンと溶媒との間の反応に依存するので、イオン電流およびターン・オンが起きるゲート電圧から、イオン種および同様に溶媒種を知ることができる。このようなやり方で、溶媒が分かっていればチャネルを通過するイオンを識別でき、またはイオンが既知の場合は溶媒を識別することができる。
【００１２】
これは、ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ））の「流体」代替素子となる。本発明の別の実施形態において、これらイオンは、荷電生体分子（ＤＮＡまたはたんぱく質）または荷電ポリマーなどのマクロ・イオンとすることができる。かかる実施形態において、ナノチャネルを通る生体分子の通過を制御することができる。ＳｉのＭＯＳＦＥＴがアナログ／デジタル論理回路中のユニットとして使用できるのと同様に、この流体のＭＯＳＦＥＴ代替素子もアナログ／デジタル論理回路のためのユニットとして使うことができる。
【００１３】
ＳｉのＭＯＳＦＥＴに代わる「低コスト」な代替素子としてこういったデバイスを作製するために、射出成形プラスチックなど非Ｓｉ基材を使うことができる。イオン・チャネルの直径は２ｎｍより小さくすることができ、イオン導電率の物理的性質は、連続媒質中のものとは大きく違ったものとなろう。すなわち、この「流体」ＭＯＳＦＥＴ代替素子の速度は、より大きな連続設計の外挿法で推定されるよりも速いことが見込まれる。ＳｉのＭＯＳＦＥＴと比べて、この「流体」ＭＯＳＦＥＴ代替素子は、該素子が、ナノ細孔／ナノチャネルを通る荷電イオンの通過の制御を可能にできる、という点に利がある。
【００１４】
ここで図を、具体的には図１を参照すると、本発明の実施形態によるナノ流体電界効果トランジスタの断面が示されている。膜１５０は、層群（電極および誘電体）１０１、１０２、１０３、１０４、および１０５から成り、貯留器１０６を２つの部分に区分化している。貯留器１０６は、望ましくは、非シリコン基材など任意の電気的絶縁材料で作製される。
【００１５】
膜１５０を貫通してナノメータ・サイズの細孔すなわちナノチャネル１０７が設けられる。ナノチャネル１０７は、収束電子ビーム穿孔法、収束イオン・ビーム穿孔法、反応性イオンエッチング法、あるいは、既知のまたは想定される他の任意の実施可能な方法によって生成することができる。次いで、貯留器１０６およびナノチャネル１０７は、水または他の溶媒などのイオン溶液またはイオン緩衝溶液１０８で充填される。
【００１６】
なお、図１には５枚の層を有する膜１５０が示されているが、膜１５０は、図１に示されたこれらの層に限定されるものではない。他の層群の組合せも可能であり、必須事項は（図７に示されるように）少なくとも３枚の層が存在しなければならないことである。該膜のこの３枚の必須の層は、導電ゲート層１０２と２枚の電気的絶縁層１０１および１０３とであり、導電ゲート層１０２が該２枚の電気的絶縁層１０１と１０３との間に挟まれていることである。導電ゲート層１０２が、２枚の電気的絶縁層の少なくとも１枚とは異なる表面電荷極性を有することが不可欠である。図１の例示的実施形態においては、図２に示すように、導電ゲート層１０２が負の表面電荷を有し、電気的絶縁層１０１が正の表面電荷を有し、電気的絶縁層１０３の表面が正電荷を有すると仮定されている（図４に示すように、電気的絶縁層１０３は保護層として荷電しないでおくことも可能である）。該実施形態の肝要な要素は、導電ゲート層１０２の表面特性を変化させる電気ゲート／ゲート電圧を使用し、特定のゲート電圧でイオン電流の流れを制御することである。重要になる表面電荷は、ナノチャネル１０７内にあってイオン溶液１０８と接触している電極／絶縁層の表面の電荷である。なお、図１において、電気的絶縁層１０３の表面も電気的絶縁層１０１の表面と同様に正に荷電していれば、デバイスのパフォーマンスはより向上する。
【００１７】
ナノ流体ＦＥＴの追加構成要素は、イオン電流に対するドレインおよびソース電極１０４および１０５である。イオン溶液１０８は良好な導体なので、これらの電極は、膜１５０から離れた、イオン溶液１０８中の任意の箇所に浸漬しておくことができる。このようにして、導電ゲート層１０２とソース電極１０５とに印加されるゲート電圧１１１によって、イオン電流１０９を調節することができる。
【００１８】
なお、この図に示された５枚の層に加え、外側にさらなる電極の対を追加し、外部の電解電位よるいろいろな影響を低減するための、上部および下部ガード電極として機能させることができる。
【００１９】
導電ゲート層１０２は、イオン溶液１０８と接触している表面を除き、導電性であることが必要であり（該表面は、導電性または非導電性のいずれともすることができる）、導電ゲート層１０２の、ナノチャネルに隣接している表面に絶縁塗膜を施すことも可能である。表面電荷は、表面材料およびイオン緩衝液のｐＨに依存する。電気的絶縁層１０１，１０３が導電ゲート層１０２と異なった材料で作製されている限りにおいて、電気的絶縁層１０１、１０３の表面電荷が、導電ゲート層１０２のものと異なった符号を有する特定のｐＨ範囲を見出すことができる。例えば、電気的絶縁層１０１および１０３をＳｉ３Ｎ４膜層とし、導電ゲート層１０２をドープ・アモルファスＳｉとし、その表面を熱酸化（ＳｉＯ２）することができる。
【００２０】
４から６．４の間のｐＨ値においては、ＳｉＯ２は負に表面荷電され、Ｓｉ３Ｎ４は正に表面荷電される。ドレインおよびソース電極１０４および１０５については、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極およびＰｔ電極など、電気化学電極用の任意の材料で作製することができる。
【００２１】
イオン溶液１０８は、ＫＣｌ（塩化カリウム）溶液など、（１）イオン濃度は、イオン溶液のデバイ長がナノチャネル１０７の直径と同程度になるのに十分な低さであること、（２）電気的絶縁層１０１および１０３の表面電荷が導電ゲート層１０２のものとは異なる極性を有するようなある特定のｐＨ値であること、のう２つの条件を満たす任意のイオン溶液とすることができる。
【００２２】
図２はゼロ・ゲート電圧時のナノ流体電界効果トランジスタ中の電荷分布の概略図を示す。層群２０１、２０２、２０３、２０４、２０５は、それぞれ、図１の層群１０１、１０２、１０３、１０４、１０５に対応している。電荷２０６、２０７、２０８は、それぞれ、層群２０１、２０２、２０３上の表面電荷である。電荷２０６および２０８は正電荷であり、２０７は負電荷である。電荷２０８および対イオン２１２は、電気的絶縁層２０３が正に荷電されている場合に対するものである。ナノチャネル２０９内にイオン溶液が存在するので、荷電した表面の近くに対イオン２１０、２１１、２１２が生じ、電気二重層を形成することになる。
【００２３】
電気的絶縁層２０３が正に荷電され、ナノチャネル２０９の直径が該電気二重層の厚さの２倍よりも小さいと仮定すると、ナノチャネル全体が正と負との対イオンでパターン化され（半導体用語で正味電荷または空間電荷）、図３に示されたＭＯＳＦＥＴ２１３と類似の構造を形成する。該ＭＯＳＦＥＴの２１４はｐ型基材であり、２１５および２１６はｎドープされたソースおよびドレイン域であり、２１７は酸化物であり、２１８は金属ゲートである。前述したように、図４に示す電気的絶縁層２０３を荷電しないでおくことも可能である。但し、図２に示したものほどにはパフォーマンスは良くない。
【００２４】
ナノチャネル２０９の直径は２ｎｍより小さくできるが、そこまで小さくする必要はない。該直径は望ましくはデバイ長の２倍よりは小さくし、イオン溶液のイオン強度に応じて、該直径を０．３ｎｍ（１Ｍのイオン溶液）から１０ｎｍ（０．００１Ｍイオン濃度）までの範囲とすることができよう。
【００２５】
本実施形態のゼロ・ゲート電圧において、ナノチャネル２０９を通る、ドレインおよびソース電極２０４と２０５との間のイオン電流はゼロかまたは極めて小さい。図２の構造は、図３のＭＯＳＦＥＴ２１３とは、該ナノ流体電界効果トランジスタがイオン溶液を通過するイオンの運動の制御に基づいているのに対し、ＭＯＳＦＥＴ２１３は、固体材料の格子を通過する電子または正孔の運動の制御に基づいている点で異なっている。前述したように、ナノ流体ＦＥＴにおけるイオンは、マクロ・イオン、またはＤＮＡ、ＲＮＡ、たんぱく質などといった荷電生体分子とすることもでき、ナノ細孔／ナノチャネルを通る荷電生体分子の通過を制御することが可能である。
【００２６】
図５は、ある特定のゲート電圧におけるナノ流体電界効果トランジスタ中の電荷分布の概略図である。層群３０１、３０２、３０３、３０４、３０５は、それぞれ、図１の層群１０１、１０２、１０３、１０４、１０５に対応している。電荷３０６、３０７、３０８は、それぞれ、層群３０１、３０２、３０３上の表面電荷である。電荷３０６および３０８は正電荷であり、３０７は負電荷である。ナノチャネル３０９の内部には、対イオン３１０、３１１、３１２がある。電荷３０８および対イオン３１２は、電気的絶縁層３０３の表面が正に荷電されている場合に対するものである。図２はこの場合を図示している。
【００２７】
導電ゲート層３０２に電圧が印加されると、関連対イオン３１１が再分布されることになる。この図で示す例では、正のゲート電圧が導電ゲート層３０２で囲まれた領域中により多くの負イオンを引き付け、一部の正の対イオン３１１を導電ゲート層３０２で囲まれた領域から駆逐することになる。これにより、正味電荷のない、または正味負イオンを有する「電荷反転」域３１３が形成されることになる。該域３１３が、ドレインおよびソース電極３０４と３０５との間のイオン電流をターン・オンすることになる。図６に示されるように、導電ゲート層３０２の電圧を変えて、表面電荷３０７の極性を負から正に変化させることも可能で、これによって、対イオン３１１は全て負に荷電されることになる。この場合も同様に、ドレインおよびソース電極３０４と３０５との間にイオン電流がターン・オンされことになる。
【００２８】
図７は、膜４５０中の３つの必須の部分を有するナノ流体電界効果トランジスタの概略図を示しており、該膜は、層群４０１、４０２、および４０３から成り、（貯留器４０６を２つの部分に区分化している）。この実施形態では、ドレインおよびソース電極４０４および４０５はイオン溶液４０８に浸漬される。ナノメータ・サイズの細孔すなわちナノチャネル４０７が、収束電子ビーム穿孔法、収束イオン・ビーム穿孔法、反応性イオンエッチング法、または他の方法によって、膜４５０を貫通して形成される。次いで、貯留器４０６およびナノチャネル４０７が水または別の溶媒などのイオン溶液４０８で満たされる。ドレインおよびゲート電極４０４および４０５は、電圧バイアス４１０がこれら電極に印加されたときに、ナノチャネル４０７を通るイオン電流４０９を測定するための電極となる。次に、導電ゲート層４０２と、ソース電極４０５との間に印加されるゲート電圧４１１によってナノチャネル４０７を通るイオン電流４０９を調節することができる。イオン電流をターン・オンする原理は、図２、図４、図５、および図６に示されたものと同様である。唯一の違いは、ドレインおよびソース電極４０４および４０５がイオン溶液に浸漬されていることである。
【００２９】
電気的絶縁層４０１および４０３は、任意の電気的絶縁材料で作製され、導電ゲート層４０２は、任意の導電性材料で作製される。導電ゲート層４０２に対し、そのナノチャネル４０７側の表面に絶縁塗膜を施すこともできる。電気的絶縁層４０１および４０３の少なくとも一つは、イオン溶液４０８に接している表面に、導電ゲート層４０２とは異なる極性の表面電荷を有する。
【００３０】
ドレインおよびソース電極４０４および４０５は、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極および白金電極など、電気化学電極用の任意の材料で作製することができよう。イオン溶液４０８については、ＫＣｌ（塩化カリウム）溶液など、（１）イオン濃度が、イオン溶液のデバイ長がナノチャネル４０７の直径と同程度になるのに十分な低さであること、（２）２枚の電気的絶縁層４０１、４０３の少なくとも一つの表面電荷が導電ゲート層４０２のものとは異なる極性を有するようなある特定のｐＨ値であること、の２つの条件を満たす任意のイオン溶液とすることができる。
【００３１】
図８を参照すると、上記で説明してきた、ナノ流体ＦＥＴを生成するためのステップの流れ図５００が示されている。まず、ステップ５１０において、貯留器を形成する絶縁材料から始まり、少なくとも３つの層から成る膜を使って貯留器が区分化される。これらの層の１枚は、２枚の電気的絶縁層の間に挟まれた導電性のゲートでなければならない。
【００３２】
転調効果を生成するため、該ゲート層は、該電気的絶縁層の少なくとも１枚の表面電荷とは異なる表面電荷を有していなければならない。例えば、該ゲートを、ドープ・アモルファス・シリコンで形成し、次いでその表面を熱酸化させて酸化ケイ素を生成することができ、該２枚の電気的絶縁層については窒化ケイ素で形成することができよう。これらの層を極性化することで望ましい効果は、連続する層に相異なる表面電荷極性を持たせるようなｐＨ範囲を達成できることである。
【００３３】
ステップ５２０において、膜を貫通して細孔が開口される。このナノ・サイズの細孔は、ステップ５３０において、これを通してイオン溶液が利用されるナノチャネルないしナノ細孔である。イオン溶液は水または塩化カリウムとすることができる。該イオン溶液はナノチャネルおよび貯留器を満たす。相異なる表面特性の膜の層群は、Ｈ＋およびＯＨ−など、溶液中のイオンと相互作用するとき、該ナノチャネルを表面電荷調整イオン・チャネルに変換する。該表面と、溶液中のＨ＋およびＯＨ−または他の類似イオンなどのイオンとの間の相互作用から表面電荷が生じる。従って、相異なる表面特性は相異なる表面電荷極性を生じさせることになり、イオン溶液のｐＨによってこれを調整することも可能である。
【００３４】
ステップ５４０において、ソースおよびドレイン電極が導入され、それらの間に電圧バイアスが印加される。これらの電極は、図７に示すようにイオン溶液中に浸漬することができ、あるいはこれに換えて、図１に示すような膜上の層とすることができる。ソースおよびドレイン電極は、銀／塩化銀または白金など、任意の電気化学用電極とすることができる。
【００３５】
ステップ５５０において、ゲートに電圧が印加され、イオン電流がターン・オンされる。イオン電流は、ソース電極とドレイン電極とに印加された電圧バイアスに由来する。ゲート電圧は、その発生開始を可能にするだけである。これにより、表面電荷調整ナノ細孔／ナノチャネルを通るイオンの輸送が可能になる。この点で、該ナノチャネルを通るイオン電流を測定することができる。イオン電流は、ソースおよびドレイン電極において通常の電流に変換されるので、該電流を通常の電流計を使って測定することができる。ゲート電圧をオフにすると、ナノ細孔／ナノチャネルを通るイオンの移動は停止する。
【００３６】
以上、現在、好適な実施形態と見られるものを説明してきたが、当業者は、本発明の精神内で、他の変更形態が作製可能なことを理解していよう。前述の実施形態の説明は、発明の範囲を全網羅したりまたは限定したりすることを意図したものではない。説明してきたこれらの実施形態は、本発明の原理を明らかにし、その実際的応用を示し、当業者が本発明をどのように作製し使用するかを理解できるようにするために選択されたものである。本発明は、前述した実施形態に限定されるものでないことを理解すべきであり、しかのみならず、添付の請求項の全体的な意図と範囲内とで解釈すべきである。
【符号の説明】
【００３７】
１０１    電気的絶縁層
１０２    導電ゲート層
１０３    電気的絶縁層
１０４    ドレイン電極
１０５    ソース電極
１０６    貯留器
１０７    ナノチャネル
１０８    イオン溶液
１０９    イオン電流
１１０    バイアス電圧
１１１    ゲート電圧
１５０    膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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