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DE102011055115A1 - Carrier material useful e.g. for sorting polyelectrolyte materials, and as adhesive material for sorting e.g. cells, comprises semiconductor material, or ferro- or piezoelectric material, having optionally insulating covering layer - Google Patents

Carrier material useful e.g. for sorting polyelectrolyte materials, and as adhesive material for sorting e.g. cells, comprises semiconductor material, or ferro- or piezoelectric material, having optionally insulating covering layer Download PDF

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DE102011055115A1
DE102011055115A1 DE201110055115 DE102011055115A DE102011055115A1 DE 102011055115 A1 DE102011055115 A1 DE 102011055115A1 DE 201110055115 DE201110055115 DE 201110055115 DE 102011055115 A DE102011055115 A DE 102011055115A DE 102011055115 A1 DE102011055115 A1 DE 102011055115A1
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    • C12M47/00Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
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Abstract

Carrier material for sorting or manipulating polyelectrolyte materials, comprises a semiconductor material, or a ferro- or piezoelectric material, exhibiting an optionally insulating covering layer, where the source of the sorting or manipulating is chemically isolated from the environment. An independent claim is also included for manipulating polyelectrolyte materials and their binding using the carrier material, comprising resorting the carrier material, where the near-surface electrostatic forces of the carrier material acting on the polyelectrolyte materials, are specifically influenced.

Description

Die Erfindung betrifft Trägermaterialien (Carrier) für strukturierte, einkomponentige Polyelektrolytschichten, mehrkomponentige Polyelektrolytmultischichten oder Schichten vorgebildeter Polyelektrolytkomplexe, die Herstellung bzw. die Ausführungsvarianten dieser (unmodifizierten und) polyelektrolytmodifizierten Trägermaterialien und Beispiele für die Verwendung dieser Trägermaterialien. The invention relates to support materials (carriers) for structured, one-component polyelectrolyte layers, multicomponent polyelectrolyte multilayers or layers of preformed polyelectrolyte complexes, the production or the variants of these (unmodified and) polyelectrolyte-modified support materials and examples of the use of these support materials.

Stand der Technik State of the art

Die Polyelektrolytmaterialien besitzen lokale elektrische Dipole, siehe 1a) (oder anders ausgedrückt) wahlweise positiv oder negativ geladene funktionelle Gruppen und können durch attraktive elektrostatische Kräften an Trägermaterialien gebunden werden (Physisorption, Adsorption).The polyelectrolyte materials have local electric dipoles, see 1a) (or in other words) optionally positively or negatively charged functional groups and can be bound by attractive electrostatic forces to support materials (physisorption, adsorption).

Die Polyelektrolytmaterialien (PEL) [ Schmidt, M. (Herausgeber): Polyelectrolytes with Defined Molecular Architecture I. Springer Berlin Heidelberg, 1. Auflage, 2004 ] umfassen einkomponentige Polyelektrolytsysteme (PEE), deren Ladungen nur ein Vorzeichen besitzen oder welche nur einen Polyelektrolyttypen (z.B. negativ geladene Polyacrylsäure) enthalten, sowie Polyelektrolyt-Mischsysteme, wie z. B. Polyelektrolytmultischichten (PEM) oder vorgebildete Polyelektrolytkomplexpartikel (PEC). Die verschiedenen Polyelektrolytmaterialien sind in 1a) skizziert.The polyelectrolyte materials (PEL) [ Schmidt, M. (Editor): Polyelectrolytes with Defined Molecular Architecture I. Springer Berlin Heidelberg, 1st edition, 2004 ] include one-component polyelectrolyte (PEE) systems whose charges have only a sign or which contain only one type of polyelectrolyte (eg negatively charged polyacrylic acid), as well as polyelectrolyte mixing systems such. B. Polyelektrolytmultischichten (PEM) or preformed Polyelektrolytkomplexpartikel (PEC). The various polyelectrolyte materials are in 1a) outlined.

Einkomponentige PEL-Systeme (PEE) werden durch einfache Adsorption aus Lösungen des jeweiligen PEL an den Trägermaterialien in geeigneter Konzentration gebildet. Bei herkömmlichen Substraten (geringere Oberflächenladungsdichte als die hier beschriebenen) bilden sich hierbei meist nur inhomogene PEL-Schichten (Inseln) aufgrund der elektrostatischen Selbstrepulsion zwischen Oberflächenregionen mit bereits adsorbierten PEL-Schichten und restlichen PEL in LösungOne-component PEL systems (PEE) are formed by simple adsorption from solutions of the respective PEL on the support materials in a suitable concentration. In conventional substrates (lower surface charge density than those described here), only inhomogeneous PEL layers (islands) form in this case due to the electrostatic self-repulsion between surface regions with already adsorbed PEL layers and residual PEL in solution

PEM werden dagegen durch konsekutive Adsorption von Polykationen (PEL mit positiv geladenen funktionellen Gruppen oder Monomereinheiten) mit Polyanionen (PEL mit negativ geladenen Gruppen oder Monomereinheiten) an ein Substrat hergestellt, wobei das Trägermaterial beispielsweise ein Siliziumträger ist, dessen Oberfläche chemisch und/oder physikalisch behandelt wird [ WO 2010066432 A2 ]. In diesem Fall ist die Ursache für die Adsorption und Desorption chemisch und physikalisch nicht von der Umgebung isoliert. By contrast, PEMs are prepared by consecutive adsorption of polycations (PELs having positively charged functional groups or monomer units) with polyanions (PELs having negatively charged groups or monomer units) to a substrate, wherein the support material is, for example, a silicon support whose surface chemically and / or physically processes becomes [ WO 2010066432 A2 ]. In this case, the cause of adsorption and desorption is not chemically and physically isolated from the environment.

1a) zeigt auf der linken Seite den Aufbau der Polyelektrolytmaterialien (PEL) mit einer positiven Überschussladung und auf der rechten Seite den Aufbau der PEL mit einer negativen Überschussladung. Diese werden in den weiteren Abbildungen durch ein Oval mit einem „+“ bzw. „–“ entsprechend ihrer Überschussladung dargestellt. 1a) shows on the left side the structure of the polyelectrolyte materials (PEL) with a positive excess charge and on the right side the structure of the PEL with a negative excess charge. These are represented in the further figures by an oval with a "+" or "-" according to their excess charge.

Polyelektrolytkomplexpartikel (PEC) werden zunächst direkt durch Mischen einer Polykation- und Polyanionlösung im nichtstöchiometrischen Verhältnis in der Volumenphase gebildet [ US 20080058229 A1 ]. Die sich dabei je nach Mischungsverhältnis bildenden Partikel mit neutralem Kern und positiv oder negativ geladener Schale können ähnlich den PEL durch Physisorption an das geladene Trägermaterial binden. Polyelectrolyte complex particles (PEC) are first formed directly by mixing a polycation and polyanion solution in the nonstoichiometric ratio in the bulk phase [ US 20080058229 A1 ]. Depending on the mixing ratio, the particles which form a neutral core and have a positively or negatively charged shell can bind to the charged carrier material by physisorption, similar to the PEL.

PEM-Filme können durch Verwendung kettensteifer PEL an z.B. unidirektional texturierten Trägern orientierte Nanostrukturen bilden [ Müller, M.: Orientation of α-helical Poly(L-lysine) in Consecutively Adsorbed Polyelectrolyte Multilayers on Texturized Silicon Substrates. Biomacromolecules. 2(1), 262–269 (2001) ].PEM films can form nanostructures oriented on eg unidirectionally textured supports by using chain-rigid PELs [ Müller, M .: Orientation of α-helical poly (L-lysines) in Consecutively Adsorbed Polyelectrolyte Multilayers on Texturized Silicon Substrates. Biomacromolecules. 2 (1), 262-269 (2001) ].

Ebenso können durch Verwendung kettensteifer PEL [ Müller, M. u. a.: Needle like and spherical polyelectrolyte complex nanoparticles of poly(L-lysine) and copolymers of maleic acid. Langmuir. 21(1), 465–469 (2005) ] stäbchenförmige PEC-Partikel gebildet werden, welche an unidirektional texturierten Trägern auch orientierte Nanostrukturen erzeugen können. Likewise, by using chain-rigid PELs Müller, M. et al.: Needle like and spherical polyelectrolyte complex nanoparticles of poly (L-lysine) and copolymer of maleic acid. Langmuir. 21 (1), 465-469 (2005) ] rod-shaped PEC particles are formed, which can also produce oriented nanostructures on unidirectionally textured supports.

Orientierte PEM-Filme oder PEC-Filme können das Zellwachstum beeinflussen und zu einem Ersatz von plasmamodifizierten Trägermaterialien führen, welche nur mit wesentlich höherem Aufwand hergestellt werden können.Oriented PEM films or PEC films can influence cell growth and result in the replacement of plasma-modified support materials, which can only be produced with considerably more effort.

Als einkomponentige PEL-Materialien oder in PEM oder in PEC können auch leitfähige PEL und Polymere wie z.B. Polyanilin, Polypyrrol, Polythiophen oder Polyethylendioxythiophen (PEDOT) einbezogen und inkorporiert werden und als leitende Haftvermittler zwischen Indiumzinnoxid(ITO)- und aktiven Farbstoffschichten für organische lichtemittierende Dioden (OLEDs) verwendet werden.As one-component PEL materials or in PEM or in PEC also conductive PEL and polymers such as e.g. Polyaniline, polypyrrole, polythiophene or polyethylenedioxythiophene (PEDOT) and used as conductive adhesion promoters between indium tin oxide (ITO) and active dye layers for organic light emitting diodes (OLEDs).

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist, ein strukturiertes Trägermaterial für die lokal steuerbare Adsorption und Desorption von Polyelektrolytmaterialien anzugeben. Das Polyelektrolytmaterial kann aus einkomponentigen Polyelektrolytsystemen, aus mehrkomponentigen Polyelektrolytmultischichten oder aus vorgebildeten Polyelektrolytkomplexpartikeln bestehen. Die Herstellung und die möglichen Ausführungsvarianten des Trägermaterials werden beschrieben.The object of the invention is to specify a structured carrier material for the locally controllable adsorption and desorption of polyelectrolyte materials. The polyelectrolyte material may consist of one-component polyelectrolyte systems, multicomponent polyelectrolyte multilayers or preformed polyelectrolyte complex particles. The preparation and possible embodiments of the carrier material will be described.

Grundzüge des Lösungsweges Main features of the solution

Ausgangspunkt für das Trägermaterial ist ein lokal dotiertes Halbleitermaterial mit optionaler isolierender Deckschicht auf der Oberfläche, siehe 1b), oder ein piezo- oder ferroelektrisches Material mit optionaler isolierender Deckschicht auf der Oberfläche, siehe 1c). The starting point for the carrier material is a locally doped semiconductor material with an optional insulating covering layer on the surface, see 1b) , or a piezo or ferroelectric material with optional surface insulating layer, see 1c) ,

Das Trägermaterial stellt eine Quelle für lokal steuerbare, oberflächennahe elektrostatische Kräfte dar. Im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik ist die Ursache diese Kräfte chemisch von der Umgebung isoliert. The support material provides a source of locally controllable, near-surface electrostatic forces. In contrast to the prior art, the cause of these forces is chemically isolated from the environment.

Die Polyelektrolytmaterialien (einkomponentig, PEM, PEC, s.o.) bestehen aus lokalen elektrischen Dipolen (oder anders ausgedrückt) wahlweise positiv oder negativ geladene funktionelle Gruppen und können durch attraktive elektrostatische Wechselwirkung mit den entgegengesetzt wirkenden elektrostatischen Kräften oder Ladungszentren der Trägermaterialien an diese gebunden werden (Physisorption, Adsorption). The polyelectrolyte materials (one-component, PEM, PEC, etc.) consist of local electric dipoles (or in other words) optionally positively or negatively charged functional groups and can be bound to them by attractive electrostatic interaction with the oppositely acting electrostatic forces or charge centers of the support materials (physisorption , Adsorption).

Im Spezialfall können sich auch kettensteife Polyelektrolyte durch unterschiedlich starke oberflächennahe, elektrostatische Kräfte an oder bis zu wenige Nanometern über einer Oberfläche oder an anderen Elektrolytmaterialien ausrichten. In the special case, even chain-rigid polyelectrolytes can align themselves by varying degrees of near-surface, electrostatic forces on or up to a few nanometers above a surface or on other electrolyte materials.

Die hohe Oberflächenladungsdichte der Trägermaterialien führt generell zu einer höheren adsorbierten Menge der einkomponentigen PEL-Materialien im Vergleich zu sonstigen Substraten (z.B. Silizium-Wafer). Ähnliche die Adsorption verstärkende Effekte werden auch für PEM- und PEC-Systeme erwartet. The high surface charge density of the substrates generally results in a higher adsorbed amount of one-part PEL materials compared to other substrates (e.g., silicon wafers). Similar adsorption-enhancing effects are also expected for PEM and PEC systems.

Durch die Wahl der Spezies (Elektronen oder Löcher) und/oder der Konzentration der Majoritätsladungsträger im lokal dotierten Halbleiter oder durch die Bildung von Domänen im piezo- oder ferroelektrischen Material wird die Richtung und Stärke der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte an der Oberfläche des Trägermaterials variiert. Durch Dotierung werden Volumenladungsdichten von 1015 bis 1021 e/cm3 und Flächenladungsdichten von 1010 bis 1014 e/cm2 im Halbleiter erreicht. Die Flächenladungsdichte in piezo- und ferroelektrischen Materialien beträgt 1013 bis 1015 e/cm2.The choice of species (electrons or holes) and / or the concentration of the majority charge carriers in the locally doped semiconductor or the formation of domains in the piezo or ferroelectric material varies the direction and strength of the near-surface electrostatic forces on the surface of the support material. Doping achieves volume charge densities of 10 15 to 10 21 e / cm 3 and surface charge densities of 10 10 to 10 14 e / cm 2 in the semiconductor. The surface charge density in piezo and ferroelectric materials is 10 13 to 10 15 e / cm 2 .

Die Dicke der isolierenden Deckschicht und/oder die lokalen Ladungen in der isolierenden Deckschicht bestimmen die Stärke der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte. Die Reichweite der elektrostatischen Kräfte beträgt bis zu 100 nm oberhalb der Oberfläche des Trägermaterials. Damit kann über die Dicke dieser Deckschicht die adsorbierte Menge der PEL-Materialien kontrolliert eingestellt werden.The thickness of the insulating cover layer and / or the local charges in the insulating cover layer determine the strength of the near-surface, electrostatic forces. The range of the electrostatic forces is up to 100 nm above the surface of the substrate. Thus, the adsorbed amount of the PEL materials can be controlled via the thickness of this cover layer.

Die Strukturierung der isolierenden Deckschicht und/oder des darunterliegenden Halbleiters bzw. piezo- oder ferroelektrischen Materials bestimmt die Richtung und das Ausmaß der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte. Damit können PEL-Materialien strukturiert oder lokal kontrolliert abgeschieden werden.The structuring of the insulating cover layer and / or the underlying semiconductor or piezoelectric or ferroelectric material determines the direction and the extent of the near-surface, electrostatic forces. This allows PEL materials to be structured or deposited locally.

Strukturierte einkomponentige und PEL-, mehrkomponentige PEM- und PEC-Schichten werden durch Änderung der Richtung und Stärke oberflächennaher, elektrostatischer Kräfte durch Anlegen einer Spannung an der Rückseitenelektrode des Trägermaterials manipuliert, das heißt adsorbiert oder desorbiert. Structured one-part and PEL, multi-component PEM and PEC layers are manipulated, ie adsorbed or desorbed, by changing the direction and strength of near-surface electrostatic forces by applying a voltage to the backside electrode of the substrate.

Übergangsbereiche mit jeweils umgekehrter Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte können im Trägermaterial gezielt ausgebildet werden und durch Anlegen einer Spannung an eine oder mehrere Rückseitenelektroden des Trägermaterials zum unterschiedlichen Manipulieren der strukturierten einkomponentigen PEL- und mehrkomponentigen PEM- und PEC-Schichten verwendet werden.Transition regions each having a reverse direction of the near-surface, electrostatic forces may be selectively formed in the substrate and used by applying a voltage to one or more backside electrodes of the substrate for differently manipulating the patterned one-component PEL and multi-component PEM and PEC layers.

Durch Nutzung der Ausbildung intrinsischer elektrischer Felder in den Raumladungszonen (Übergangsbereiche im Halbleiter) von lokalen Dotierprofilen kann durch Anlegen einer Spannung an die Rückseitenelektrode ein verschiedenartiges Manipulieren der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte erfolgen. Damit kann auch die Adsorption der PEL-Materialien gesteuert werden. By using the formation of intrinsic electric fields in the space charge zones (transition regions in the semiconductor) of local doping profiles, a different kind of manipulation of the near-surface, electrostatic forces can take place by applying a voltage to the backside electrode. Thus, the adsorption of the PEL materials can be controlled.

Die Erzeugung von Domänen mit umgekehrter Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte im piezo- oder ferroelektrischen Material (mit dazwischenliegenden Übergangsbereichen) erfolgt durch lokale Strukturierung des piezo- oder ferroelektrischen Materials. The generation of reverse-direction domains of near-surface electrostatic forces in the piezo or ferroelectric material (with intermediate transition regions) is accomplished by local structuring of the piezo or ferroelectric material.

Als isolierende Schicht, als Halbleitermaterial oder als piezo- oder ferroelektrisches Material kann ein optisch aktives Material und/oder als geladene Störstelle im Trägermaterial kann ein magnetisierbares Material zur spezifischen lokalen Adsorption von Polyelektrolytmaterialien verwendet werden. As an insulating layer, as a semiconductor material or as a piezoelectric or ferroelectric material, an optically active material and / or as a charged impurity in the carrier material, a magnetizable material for the specific local adsorption of polyelectrolyte materials may be used.

Durch Strukturierung der Rückseitenelektrode sowie der implantierten Bereiche kann eine Crossbar-Struktur zum lokalen Sortieren und Manipulieren von strukturierten Polyelektrolytmaterialien erreicht werden. By structuring the backside electrode as well as the implanted regions, a crossbar structure for local sorting and manipulation of structured polyelectrolyte materials can be achieved.

Erzeugte Vorteile oder Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik Generated benefits or improvements over the prior art

Ein Hauptvorteil ist die Kompatibilität des Trägermaterials mit der Mikroelektronik und die optionale Verwendung einer chemisch-resistenten und biokompatiblen isolierenden Deckschicht. Dadurch ist der Bereich des Trägermaterials, von dem die oberflächennahen elektrostatischen Kräfte aufgrund der Umverteilung von Ladungen im oberflächennahen Bereich des Trägermaterials ausgehen, ist räumlich und chemisch vollständig vom adsorbierten PEL-Material getrennt. Das heißt, es wirken nur die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte; und es gibt aber keinen direkten Kontakt zu den Ladungen im oberflächennahen Bereich des Trägermaterials. A major advantage is the compatibility of the substrate with microelectronics and the optional use of a chemically resistant and biocompatible insulating cover layer. As a result, the region of the carrier material from which the near-surface electrostatic forces emanate due to the redistribution of charges in the near-surface region of the carrier material is spatially and chemically completely separated from the adsorbed PEL material. That is, only the near-surface, electrostatic forces act; and there is no direct contact with the charges in the near-surface region of the carrier material.

Die erfindungsgemäßen Trägermaterialien besitzen wesentlich höhere Oberflächenladungsdichte. Dadurch können einkomponentige PEL-Schichten mit wesentlich höherem, über eine Monolage hinausgehendem Belegungsgrad entstehen oder zu adsorbierten PEL-Mengen führen, die deutlich von denen abweichen, die bisher experimentell an hochgeladenen Substraten gemessen wurden. The support materials according to the invention have significantly higher surface charge density. As a result, one-component PEL layers with significantly higher, beyond a monolayer going on occupancy level or lead to adsorbed PEL levels that differ significantly from those that were previously measured experimentally on highly charged substrates.

Ein weiterer Vorteil ist die Verfügbarkeit der PEL-Materialien und die Anwendung einfacher nasschemischer Prozesse mit Wasser als Lösungsmittel. Andere Lösungsmittel können auch verwendet werden. Another advantage is the availability of PEL materials and the use of simple wet-chemical processes with water as a solvent. Other solvents can also be used.

Ein weiterer Vorteil ist die stufenlos regelbare Oberflächenladungsdichte, wenn Trägermaterial ein Halbleiter ist, und die stufenweise regelbare Oberflächenladungsdichte, wenn das Trägermaterial ein piezo- oder ferroelektrisches Material ist. Da die Adsorption von PEL-Materialien direkt von der Ladungsdichte abhängig ist, kann damit eine kontrollierte Abscheidung von PEL-Materialien erzielt werden. Another advantage is the infinitely variable surface charge density when substrate is a semiconductor, and the stepwise controllable surface charge density when the substrate is a piezo or ferroelectric material. Since the adsorption of PEL materials is directly dependent on the charge density, a controlled deposition of PEL materials can be achieved.

Ein weiterer Vorteil ist die zeitlich und/oder räumlich veränderliche Adsorption und Desorption, d. h. man kann mit dem durch die einkomponentigen PEL-, und mehrkomponentigen PEM- und PEC-Schichten modifizierten Trägermaterialien Komponenten aus Flüssigkeiten oder Gemischen filtern durch gezielte Anziehung (Adsorption) an das Trägermaterial und spätere Abstoßung (Desorption) vom Trägermaterial. Another advantage is the temporally and / or spatially variable adsorption and desorption, d. H. With the carrier materials modified by the single-component PEL and multicomponent PEM and PEC layers, it is possible to filter components from liquids or mixtures by targeted attraction (adsorption) to the carrier material and subsequent repulsion (desorption) from the carrier material.

Ein weiterer Vorteil ist die ausschließliche Strukturierbarkeit (Kontrolle und Definition) der oberflächennahen elektrostatischen Kräfte durch Oberflächenladung hinsichtlich deren Vorzeichen und Amplitude, ohne dass andere Oberflächeneigenschaften wie Rauhigkeit, Morphologie, Benetzung, Konzentration und Zusammensetzung funktioneller Gruppen geändert werden. Auf das PEL-Material wirken die kurzreichweitigen van der Waals-Kräfte der isolierenden Deckschicht und die langreichweitigen, oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte der Oberflächenladung Das hat Vorteile, da bei der mengenmäßig und lokal kontrollierten Abscheidung von PEL-Materialien nur ein Parameter, die Oberflächenladung des Trägermaterials, berücksichtigt werden muss.Another advantage is the exclusive structuring (control and definition) of the near-surface electrostatic forces by surface charge in terms of their sign and amplitude, without changing other surface properties such as roughness, morphology, wetting, concentration and composition of functional groups. The short-range van der Waals forces of the insulating covering layer and the long-range, near-surface, electrostatic forces of the surface charge have an effect on the PEL material. There is only one parameter in the quantitative and locally controlled deposition of PEL materials: the surface charge of the carrier material , must be considered.

Im Besonderen können über die Trägermaterialien unidirektional orientierte Ladungsmuster erzeugt werden und diese als Template für die selektive Adsorption und Ausrichtung von PEL-Materialien aus kettensteifen PEL verwendet werden. Vorteile gegenüber mechanischen oder auf mechanischer Streckung beruhender Texturierungsverfahren werden erwartet.In particular, unidirectionally oriented charge patterns can be generated via the support materials and used as templates for the selective adsorption and alignment of PEL materials from rigid PEL. Advantages over mechanical or mechanical stretching based texturing techniques are expected.

Solche nach [0033] gezielt unidirektional und nach [0032] gezielt musterkontrolliert mit PEL-Material modifizierte und strukturierte Oberflächen der Trägermaterialien können zu einer unidirektional gerichteten oder selektiven Wechselwirkung oder einem ebensolchen Wachstum von Zellen führen. Such targeted unidirectional and after [0032] pattern controlled PEL material modified and structured surfaces of the support materials can lead to a unidirectionally directed or selective interaction or a similar growth of cells.

Auf Grund der chemischen Isolierung der Ursache der elektrostatischen Kräfte von der Umgebung werden eventuelle chemische Reaktionen und damit die Beeinflussung der elektrostatischen Kräfte vermieden. Due to the chemical isolation of the cause of the electrostatic forces from the environment, any chemical reactions and thus the influence of the electrostatic forces are avoided.

Polyelektrolytmaterialien können aufgrund ihrer strukturellen Verwandtschaft oder auch Identität zu Biomaterialien (Proteine, Polysaccharide, Polynucleotide) wiederum als Haftmaterial für andere Materialien, z.B. Biomoleküle und Biomaterialien, dienen. Dabei können kontrolliert inerte Passivierungsschichten (PEL-1) oder aktiv bindende Schichten (PEL-2) oder auch biozide Schichten (z.B. Bakterien) (PEL-3) für Biomaterialien, Biofluide oder Zellen entstehen.Polyelectrolyte materials can, due to their structural similarity or identity to biomaterials (proteins, polysaccharides, polynucleotides), in turn, be used as adhesive material for other materials, e.g. Biomolecules and biomaterials, serve. Controlled inert passivation layers (PEL-1) or actively binding layers (PEL-2) or even biocidal layers (for example bacteria) (PEL-3) for biomaterials, biofluids or cells can be formed.

Eine aktuelle Fragestellung ist die Bestimmung der Geschwindigkeit, der Stärke und/oder der Spezifität der Bindung, sowie die Bestimmung der Konzentration von aktiven Biomolekülen und Partikeln sowie die Identifizierung von neuen Wechselwirkungspartnern („Ligandenfishing“) an Polyelektrolytmaterialien. Biomoleküle können hydrophob oder hydrophil sein. Hydrophobe Biomoleküle sind unpolar. Hydrophile Biomoleküle sind polar und können im Kontakt zum Lösungsmittel entweder positiv geladene (basische), negativ geladene (saure) Ladungszentren (funktionelle Gruppen) besitzen oder elektrostatisch neutral sein. Einige niedrigmolekulare Biomoleküle wie Aminosäuren, Monosaccharide und Nukleotide stellen reaktive Monomere für die Polymerisation zu hochmolekularen Biomolekülen, den Biopolymeren wie Proteinen (z.B. Kollagen, Serumalbumin, Insulin), Polysacchariden (z.B. Glykogen, Stärke, Cellulose, Dextrane, Chitin) und Polynukleotiden (z.B. DNA, RNA) dar.A current research question is the determination of the rate, the strength and / or the specificity of the binding, as well as the determination of the concentration of active biomolecules and particles as well as the identification of new interaction partners ("ligand-fishing") on polyelectrolyte materials. Biomolecules may be hydrophobic or hydrophilic. Hydrophobic biomolecules are nonpolar. Hydrophilic biomolecules are polar and, when in contact with the solvent, may have either positively charged (base), negatively charged (acidic) charge centers (functional groups), or be electrostatically neutral. Some low molecular weight biomolecules such as amino acids, monosaccharides, and nucleotides provide reactive monomers for polymerization into high molecular weight biomolecules, biopolymers such as proteins (eg, collagen, serum albumin, insulin), polysaccharides (eg, glycogen, starch, cellulose, dextrans, chitin) and polynucleotides (eg, DNA , RNA).

Detaillierte Beschreibung der AusführungsbeispieleDetailed description of the embodiments

1b) zeigt die Verwendung des erfindungsgemäßen Trägermaterials als halbleitenden, lokal dotierten p-type Halbleiters p und/oder n-type Halbleiters n mit vorzugsweise lokal unterschiedlicher Akzeptorkonzentration NA im p-Halbleiter p und mit vorzugsweise lokal unterschiedlicher Donatorkonzentration ND im n-type Halbleiter n, wobei der Halbleiter auch undotiert sein kann. Auf der Halbleiteroberfläche befindet sich vorzugsweise eine isolierende Deckschicht 1. Es bilden sich unterschiedlich besetzte Grenzflächenzustände der Zahl G zwischen der isolierenden Deckschicht 1 und dem n-type Halbleiter n bzw. dem p-type Halbleiter p aus. Des Weiteren sind im oberflächennahen Bereich des p-type Halbleiters G Akzeptoren unabgeschirmt 10 und ionisiert (–) bzw. im n-type Halbleiter G Donatoren unabgeschirmt 10 und ionisiert (+). Die besetzten Grenzflächenzustände und die unabgeschirmten Akzeptoren bzw. Donatoren bilden einen asymmetrischen elektrostatischen Dipol 3. Der Richtungssinn der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 vom asymmetrischen elektrostatischen Dipol 3 über einem p-type Halbleiter p und über einem n-type Halbleiter n ist entgegengesetzt. Die Stärke der oberflächennahen, elektrostatischen Kraft 4 über dem p-type Halbleiter p steigt mit abnehmender Akzeptorkonzentration NA und über dem n-Halbleiter n steigt mit abnehmender Donatorkonzentration ND. 1b) shows the use of the carrier material according to the invention as semiconducting, locally doped p-type semiconductor p and / or n-type semiconductor n preferably having locally different acceptor concentration N A in the p-type semiconductor p and preferably with locally different donor concentration N D in the n-type semiconductor n, wherein the semiconductor may also be undoped. On the semiconductor surface is preferably an insulating cover layer 1 , There are different occupied boundary states of the number G between the insulating cover layer 1 and the n-type semiconductor n and the p-type semiconductor p, respectively. Furthermore, in the near-surface region of the p-type semiconductor, G acceptors are unshielded and ionized (-) or, in the n-type semiconductor, G donors are unshielded and ionized (+). The occupied interface states and the unshielded acceptors or donors form an asymmetric electrostatic dipole 3 , The sense of direction of the near-surface, electrostatic forces 4 from the asymmetric electrostatic dipole 3 over a p-type semiconductor p and over an n-type semiconductor n is opposite. The strength of the near-surface, electrostatic force 4 above the p-type semiconductor p increases with decreasing acceptor concentration N A and above n-type semiconductor n increases with decreasing donor concentration N D.

Die Eigenschaften der Grenzfläche zwischen dem Halbleitermaterial und der isolierenden Deckschicht bezüglich der Zustandsdichte und Zeitkonstante der Grenzflächenzustände können durch physikalische, chemische oder thermische Vorbehandlung der Halbleiteroberfläche vor dem Aufbringen der isolierenden Deckschicht gezielt eingestellt werden. 1c) zeigt die Verwendung des erfindungsgemäßen Trägermaterials als piezo- oder ferroelektrisches Material mit der Polarisationsladung 9 an der Ober- und Unterseite des piezo- oder ferroelektrischen Materials. Auf der Oberfläche des piezo- oder ferroelektrischen Materials befindet sich vorzugsweise eine isolierende Deckschicht 1. Der Richtungssinn der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 ist durch das Vorzeichen der Polarisationsladung 9 an der Ober- und Unterseite des piezo- oder ferroelektrischen Materials bestimmt. Die Stärke der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 steigt mit der Zahl Polarisationsladungen 9 pro Flächeneinheit bis zu einem materialabhängigen Sättigungswert an. Die Stärke der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 steigt mit zunehmendem Abstand der Polarisationsladungen 9 zwischen der Ober- und Unterseite des piezo- und ferroelektrischen Materials bis zu einem materialabhängigen Sättigungswert an. The properties of the interface between the semiconductor material and the insulating cover layer with respect to the state density and time constant of the interface states can be adjusted in a targeted manner by physical, chemical or thermal pretreatment of the semiconductor surface prior to the application of the insulating cover layer. 1c) shows the use of the carrier material according to the invention as a piezoelectric or ferroelectric material with the polarization charge 9 at the top and bottom of the piezo or ferroelectric material. On the surface of the piezoelectric or ferroelectric material is preferably an insulating cover layer 1 , The sense of direction of the near-surface, electrostatic forces 4 is by the sign of the polarization charge 9 determined at the top and bottom of the piezo or ferroelectric material. The strength of near-surface, electrostatic forces 4 increases with the number of polarization charges 9 per unit area up to a material-dependent saturation value. The strength of near-surface, electrostatic forces 4 increases with increasing distance of the polarization charges 9 between the top and bottom of the piezoelectric and ferroelectric material to a material-dependent saturation value.

Für die Sortierung der in sich strukturierten Polyelektrolytmaterialien können die elektrostatischen Kräfte neben der Wahl der Spezies (p oder n) und der Konzentration der Majoritätsladungsträger (NA oder ND) durch lokale Variation der Dicke di der isolierenden Deckschicht 1 lokal variiert werden, siehe 2a). Die elektrostatischen Kräfte 4 nehmen mit abnehmender Dicke di der isolierenden Deckschicht 1 zu. Die lokale Modifizierung der Dicke di der isolierenden Deckschicht 1 kann mittels Photolithographie erfolgen.For the sorting of intrinsically structured polyelectrolyte materials, the electrostatic forces, in addition to the choice of species (p or n) and the concentration of the majority charge carriers (N A or N D ) by local variation of the thickness d i of the insulating cover layer 1 be varied locally, see 2a) , The electrostatic forces 4 take with decreasing thickness d i of the insulating cover layer 1 to. The local modification of the thickness d i of the insulating cover layer 1 can be done by photolithography.

Für die Sortierung der in sich strukturierten Polyelektrolytmaterialien können die elektrostatischen Kräfte oberhalb eines Trägermaterials mit piezo- oder ferroelektrischem Material durch lokale Variation der Dicke di der isolierenden Deckschicht 1 lokal variiert werden, siehe 2b). Die elektrostatischen Kräfte 4 nehmen mit abnehmender Dicke di der isolierenden Deckschicht 1 zu. Die lokale Modifizierung der Dicke di der isolierenden Deckschicht 1 kann mittels Photolithographie erfolgen.For the sorting of the intrinsically structured polyelectrolyte materials, the electrostatic forces above a carrier material with piezoelectric or ferroelectric material can be determined by local variation of the thickness d i of the insulating covering layer 1 be varied locally, see 2 B) , The electrostatic forces 4 take with decreasing thickness d i of the insulating cover layer 1 to. The local modification of the thickness d i of the insulating cover layer 1 can be done by photolithography.

3a) und 3b) zeigt die Verwendung von geladene Störstellen Q+ oder Q in der isolierenden Deckschicht 1 zur Abschwächung oder Verstärkung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte und damit zur gezielten Manipulation der auf die Elektrolytpartikel wirkenden Anziehungs- und Abstoßungskräfte. 3a) and 3b) shows the use of charged impurity or Q + Q - in the insulating covering layer 1 to attenuate or reinforce the near-surface, electrostatic forces and thus for the targeted manipulation of the forces acting on the electrolyte particles attracting and repelling forces.

Die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 von dem asymmetrischen elektrostatischen Oberflächendipol 3 können durch positive (+) Ladungen Q+ und/oder negative (–) Ladungen Q, durch sogenannte Oxidladungen in der isolierenden Deckschicht 1 abgeschwächt oder verstärkt werden, siehe 3a). So werden z.B. beim Einbringen von negativen Ladungen Q in der isolierenden Deckschicht 1 über einen p-type Halbleiter p die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 abgeschwächt, wohingegen positive Ladungen Q+ in der isolierenden Deckschicht 1 über einen p-type Halbleiter p die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 verstärken. Andererseits werden beim Einbringen von negativen Ladungen Q in der isolierenden Deckschicht 1 über einen n-type Halbleiter n die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 verstärkt, wohingegen positive Ladungen Q+ in der isolierenden Deckschicht 1 über einen n-type Halbleiter n die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 abschwächen. The near-surface, electrostatic forces 4 from the asymmetric electrostatic surface dipole 3 can by positive (+) charges Q + and / or negative (-) charges Q - , by so-called oxide charges in the insulating cover layer 1 weakened or strengthened, see 3a) , Thus, for example, when introducing negative charges Q - in the insulating cover layer 1 via a p-type semiconductor p, the near-surface, electrostatic forces 4 toned down, whereas positive charges Q + in the insulating cover layer 1 via a p-type semiconductor p, the near-surface, electrostatic forces 4 strengthen. On the other hand, when negative charges are introduced Q - in the insulating cover layer 1 via an n-type semiconductor n, the near-surface, electrostatic forces 4 while positive charges Q + in the insulating overcoat 1 via an n-type semiconductor n, the near-surface, electrostatic forces 4 weaken.

Die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 der Polarisationsladung 9 an der Ober- und Unterseite des piezo- oder ferroelektrischen Materials können durch positive (+) Ladungen Q+ und/oder negative (–) Ladungen Q, durch sogenannte geladene Störstellen im Trägermaterial, vorzugsweise in der isolierenden Deckschicht abgeschwächt oder verstärkt werden, siehe 3b). So werden z. B. beim Einbringen von negativen Ladungen Q in der isolierenden Deckschicht 1 über einem piezo- oder ferroelektrischen Material mit positiver Polarisationsladung 9 an der Oberseite des piezo- oder ferroelektrischen Materials die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 abgeschwächt, wohingegen positive Ladungen Q+ in der isolierenden Deckschicht 1 über einem piezo- oder ferroelektrischen Material mit positiver Polarisationsladung 9 an der Oberseite des piezo- oder ferroelektrischen Materials die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 verstärken. Die verwendeten geladenen Störstellen Q+ und Q können optional zusätzlich oder nur im Halbleitermaterial oder im piezo- oder ferroelektrischen Material eingebracht werden. The near-surface, electrostatic forces 4 the polarization charge 9 On the top and bottom of the piezoelectric or ferroelectric material, positive (+) charges Q + and / or negative (-) charges Q - can be attenuated or amplified by so-called charged impurities in the carrier material, preferably in the insulating cover layer 3b) , So z. B. in the introduction of negative charges Q - in the insulating cover layer 1 over a piezoelectric or ferroelectric material with positive polarization charge 9 at the top of the piezo or ferroelectric material, the near-surface, electrostatic forces 4 attenuated, whereas positive charges Q + in the insulating cover layer 1 over a piezoelectric or ferroelectric material with positive polarization charge 9 at the top of the piezo or ferroelectric material, the near-surface, electrostatic forces 4 strengthen. The charged impurity used Q + and Q - can be introduced in addition to or optionally only in the semiconductor material or piezoelectric or ferroelectric material.

Die verwendeten geladenen Störstellen Q+ und Q können zusätzlich magnetisierbar sein und damit durch ein von außen angelegtes Magnetfeld aktiviert werden. The charged impurities Q + and Q - used can additionally be magnetized and thus activated by an external magnetic field.

Die Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 kann durch Strukturierung der Oberfläche des n-type Halbleiters n und/oder des p-type Halbleiters p, z.B. mittels Photo-, Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahllithographie, vorzugweise vor dem Aufbringen der isolierenden Deckschicht 1 modifiziert werden, siehe 4a). Bei einer Halbleiteroberfläche ist die oberflächennahe, elektrostatische Kraft 4 normal zur Oberfläche ausgerichtet. Bei einer strukturierten Oberfläche liegen die elektrostatischen Kräfte 4 nicht notwendigerweise parallel zueinander. Die durch die Strukturierung lokal definierte Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 bestimmt die Ausrichtung der Elektrolytmaterialien an der Oberfläche.The direction of the near-surface, electrostatic forces 4 can by structuring the surface of the n-type semiconductor n and / or the p-type semiconductor p, for example by means of photo, electron beam and / or ion beam lithography, preferably before the application of the insulating cover layer 1 be modified, see 4a) , For a semiconductor surface, the near-surface, electrostatic force 4 aligned normal to the surface. In a structured surface are the electrostatic forces 4 not necessarily parallel to each other. The direction of the near-surface, electrostatic forces defined locally by the structuring 4 determines the orientation of the electrolyte materials on the surface.

Die Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 kann durch Strukturierung der Oberfläche des piezo- oder ferroelektrischen Materials, z.B. mittels Photo-, Elektronenstrahl- und/oder Ionenstrahllithographie, vorzugweise vor dem Aufbringen der isolierenden Deckschicht 1 modifiziert werden, siehe 4b). Bei einer Oberfläche des piezo- oder ferroelektrischen Materials sind die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 normal zur Oberfläche ausgerichtet. Bei einer strukturierten Oberfläche liegen die elektrostatischen Kräfte 4 nicht notwendigerweise parallel zueinander. Die durch die Strukturierung lokal definierte Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 bestimmt die Ausrichtung der Elektrolytmaterialien an der Oberfläche.The direction of the near-surface, electrostatic forces 4 can by structuring the surface of the piezoelectric or ferroelectric material, for example by means of photo-, electron beam and / or ion beam lithography, preferably before the application of the insulating cover layer 1 be modified, see 4b) , In a surface of the piezoelectric or ferroelectric material are the near-surface, electrostatic forces 4 aligned normal to the surface. In a structured surface are the electrostatic forces 4 not necessarily parallel to each other. The direction of the near-surface, electrostatic forces defined locally by the structuring 4 determines the orientation of the electrolyte materials on the surface.

Für die Manipulation der PEL (1a) an der Oberfläche wird an der Rückseite des dotierten Halbleiters eine metallisch leitende Rückseitenelektrode 5 aufgebracht, siehe 5. An die Rückseitenelektrode 5 wird eine Gleichspannung UK angelegt. Wichtig ist, dass die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 durch das Anlegen einer geeigneten Gleichspannung UK minimiert bzw. nullifiziert werden. Beispielsweise entspricht im Halbleitermaterial Silizium die geeignete Gleichspannung UK dem Energieabstand zwischen der von der Donatorkonzentration ND abhängigen Lage des Ferminiveaus und der Leitungsbandkante EC im n-type Halbleiter n sowie dem Energieabstand zwischen der von der Akzeptorkonzentration NA abhängigen Lage des Ferminiveaus und der Valenzbandkante EV im p-type Halbleiter p. Vorzugsweise ist die Rückseitenelektrode 5 großflächig aufgebracht. Mit dieser Anordnung können die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte ausgelöscht werden. For the manipulation of PEL ( 1a ) on the back surface of the doped semiconductor becomes a metallically conductive backside electrode 5 upset, see 5 , To the backside electrode 5 a DC voltage U K is applied. Importantly, the near-surface, electrostatic forces 4 be minimized or nullified by the application of a suitable DC voltage U K. For example, in the semiconductor material silicon, the suitable DC voltage U K corresponds to the energy gap between the position of the Fermi level dependent on the donor concentration N D and the conduction band edge E C in the n-type semiconductor n and the energy gap between the position of the Fermi level dependent on the acceptor concentration N A Valence band edge E V in p-type semiconductor p. Preferably, the backside electrode 5 applied over a large area. With this arrangement, the near-surface, electrostatic forces can be extinguished.

Der Halbleiter wird derart dotiert, siehe 6a), dass unterschiedlich dotierte Bereiche des Halbleiters an Grenzflächen 7 zusammentreffen. An solchen Grenzflächen 7 bildet sich ein Bereich (Raumladungszone) aus, welcher keine freien Ladungsträger (nur unabgeschirmte Dotieratome 10) enthält. Senkrecht zur Grenzfläche 7 bildet sich ein elektrisches Feld aus, dessen Maximum in der Grenzfläche 7 liegt und welches am Rand der Raumladungszone Null ist. Für eine zeitabhängige Manipulation, siehe 6a), der Elektrolytmoleküle an der Oberfläche wird an der Rückseite des dotierten Halbleiters eine metallisch leitende Rückseitenelektrode 5 aufgebracht. An die Rückseitenelektrode 5 wird eine Spannung U angelegt. Die Spannung U ist eine Überlagerung aus einer Wechselspannung und einer Gleichspannung. Die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 werden durch das Anlegen der Spannung U zeitlich abhängig minimiert und maximiert. Vorzugsweise ist die Rückseitenelektrode 5 großflächig aufgebracht. Die elektrischen Felder senkrecht zu Grenzfläche 7 verlaufen nicht zwingend parallel/antiparallel zum elektrischen Feld, welches durch das Anlegen der Spannung U an der Rückseitenelektrode 5 zwischen der Rückseitenelektrode 5 und der Oberfläche des Halbleiters ausgebildet wird. Wichtig ist, dass eine gesonderte zeitabhängige Manipulation der Elektrolytmaterialien nahe von Grenzflächen 7 aufgrund der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte im Übergangsbereich 6 möglich ist, da die Verschiebung von freien Ladungsträgern durch intrinsische elektrische Felder beeinflusst wird.The semiconductor is doped in this way, see 6a) in that differently doped regions of the semiconductor are at interfaces 7 meet. At such interfaces 7 an area (space charge zone) is formed which does not have any free charge carriers (only unshielded doping atoms) 10 ) contains. Perpendicular to the interface 7 an electric field forms, its maximum in the interface 7 is located and which is zero at the edge of the space charge zone. For a time-dependent manipulation, see 6a) , the electrolytic molecules at the surface becomes a metallically conductive backside electrode at the backside of the doped semiconductor 5 applied. To the backside electrode 5 a voltage U is applied. The voltage U is a superposition of an AC voltage and a DC voltage. The near-surface, electrostatic forces 4 are minimized and maximized by applying the voltage U time dependent. Preferably, the backside electrode 5 applied over a large area. The electric fields perpendicular to interface 7 do not necessarily run parallel / antiparallel to the electric field, which by applying the voltage U at the back electrode 5 between the backside electrode 5 and the surface of the semiconductor is formed. Importantly, a separate time-dependent manipulation of the electrolyte materials near interfaces 7 due to the near-surface, electrostatic forces in the transition region 6 is possible because the shift of free charge carriers is influenced by intrinsic electric fields.

Das piezo- oder ferroelektrische Material wird derart strukturiert, siehe 6b), dass unterschiedliche Bereiche des piezo- oder ferroelektrischen Materials mit unterschiedlicher Polarisationsladung 9 (Domäne) an der Ober- und Unterseite des piezo- oder ferroelektrischen Materials an Grenzfläche 8 zusammentreffen. Die Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte oberhalb-links und oberhalb-rechts der solcher Grenzflächen 8 ist entgegengesetzt. Die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte oberhalb solcher Grenzflächen 8 verlaufen nicht zwingend normal zur Oberfläche des Trägermaterials, vielmehr gehen sie kontinuierlich ineinander über. The piezoelectric or ferroelectric material is structured in this way, see 6b) in that different regions of the piezoelectric or ferroelectric material with different polarization charge 9 (Domain) at the top and bottom of the piezo or ferroelectric material at interface 8th meet. The direction of the near-surface, electrostatic forces above-left and above-right of such interfaces 8th is opposite. The near-surface, electrostatic forces above such interfaces 8th do not necessarily run normal to the surface of the substrate, but they go continuously into each other.

Für eine stark zeitabhängige Manipulation, siehe 7a), der Elektrolytmoleküle an der Oberfläche wird an der Rückseite des dotierten Halbleiters eine metallisch leitende Rückseitenelektrode 5 aufgebracht. An die Rückseitenelektrode 5 wird eine Spannung U angelegt. Die Spannung U ist eine Überlagerung aus einer Wechselspannung und einer Gleichspannung. Durch das Anlegen der Spannung U an der Rückseitenelektrode 5 wird die Polarisationsladung 9 an der Ober- und Unterseite des piezo- oder ferroelektrischen Materials in den einzelnen Domänen geschaltet. Wichtig ist, dass eine gesonderte zeitabhängige Manipulation der Elektrolytmaterialien nahe von Grenzflächen 8 aufgrund der kontinuierlich ineinander übergehenden oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte möglich ist. Für eine stark zeitabhängige Manipulation, vgl. 7a), der Polyelektrolytmaterialien an der Oberfläche wird an der Rückseite des dotierten Halbleiters eine strukturierte metallisch leitende Rückseitenelektrode 5 aufgebracht. An die strukturierte Rückseitenelektrode 5 wird eine Spannungen Ui mit i = 1, ..., m, wobei m die Anzahl der Rückseitenelektroden 5 angibt, angelegt. Die Spannung Ui ist eine Überlagerung aus einer Wechselspannung und einer Gleichspannung. Die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 werden durch das Anlegen der Spannungen Ui in den verschiedenen Bereichen unabhängig voneinander kontrolliert. For a highly time-dependent manipulation, see 7a) , the electrolytic molecules at the surface becomes a metallically conductive backside electrode at the backside of the doped semiconductor 5 applied. To the backside electrode 5 a voltage U is applied. The voltage U is a superposition of an AC voltage and a DC voltage. By applying the voltage U to the backside electrode 5 becomes the polarization charge 9 connected at the top and bottom of the piezo or ferroelectric material in the individual domains. Importantly, a separate time-dependent manipulation of the electrolyte materials near interfaces 8th due to the continuous merging into the near-surface, electrostatic forces is possible. For a strongly time-dependent manipulation, cf. 7a) , the surface polyelectrolyte material becomes a structured metallic back side electrode at the backside of the doped semiconductor 5 applied. To the structured backside electrode 5 is a voltage U i with i = 1, ..., m, where m is the number of backside electrodes 5 indicates, created. The voltage U i is a superposition of an AC voltage and a DC voltage. The near-surface, electrostatic forces 4 are controlled independently by applying the voltages U i in the different areas.

Die Ausbildung von lokalen, oberflächennahen, elektrostatischen Kräften 4 kann durch strukturierte Implantation des Halbleiters erfolgen, z.B. durch eine um 90° gegeneinander gedrehte Ausrichtung (Crossbar-Array) von streifenförmig implantierten Halbleiterbereichen und von streifenförmig strukturierten Rückseitenelektrodenbereichen 5. The formation of local, near-surface, electrostatic forces 4 can be done by structured implantation of the semiconductor, for example by a 90 ° to each other rotated alignment (crossbar array) of stripe-shaped implanted semiconductor regions and strip-shaped structured back electrode regions 5 ,

Für eine stark zeitabhängige Manipulation, siehe 7b), der Elektrolytmoleküle an der Oberfläche wird an der Rückseite des piezo- oder ferroelektrischen Materials eine strukturierte metallisch leitende Rückseitenelektrode 5 aufgebracht. An die strukturierte Rückseitenelektrode 5 wird eine Spannungen Ui angelegt. Die Spannung Ui ist eine Überlagerung aus einer Wechselspannung und einer Gleichspannung. Die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 werden durch das Anlegen der Spannungen Ui in den verschiedenen Bereichen unabhängig voneinander kontrolliert. For a highly time-dependent manipulation, see 7b) , the electrolytic molecules on the surface become a structured metallic-conducting backside electrode on the backside of the piezoelectric or ferroelectric material 5 applied. To the structured backside electrode 5 a voltage U i is applied. The voltage U i is a superposition of an AC voltage and a DC voltage. The near-surface, electrostatic forces 4 are controlled independently by applying the voltages U i in the different areas.

Die Manipulation der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte ist im Übergangsbereich oberhalb der Grenzfläche 8 besonders stark, siehe 7b). Das Trägermaterial, bevorzugt mit einer isolierenden Deckschicht 1, kann lokal oder ganzflächig derart gestaltet sein, dass es lokal oder ganzflächig optisch aktiv ist, z.B. durch Verwendung von ZnO und TiO2 als Material für die isolierende Deckschicht 1. Bei sehr starker optischer Aktivierung des Trägermaterials und die dadurch erzeugte Wärmeenergie kann das Polyelektrolytmaterial und gegebenenfalls daran absorbierte Biomaterialien und Biomolekül (z. B. Viren oder Bakterien) auch zerstört werden. Wichtig für die optische Aktivierung ist, dass die Photonen- oder Lichtenergie größer als die Bandlücke des Halbleitermaterials, des ferro- oder piezoelektrischen Materials oder des Materials der isolierenden Deckschicht des Trägermaterials ist. The manipulation of the near-surface, electrostatic forces is in the transition region above the interface 8th especially strong, see 7b) , The carrier material, preferably with an insulating cover layer 1 , may be locally or over the entire surface designed such that it is optically active locally or over the entire surface, for example by using ZnO and TiO 2 as the material for the insulating cover layer 1 , With very strong optical activation of the support material and the heat energy generated thereby, the polyelectrolyte material and any biomaterials and biomolecules (eg viruses or bacteria) absorbed thereon may also be destroyed. Important for the optical activation is that the photon or light energy is greater than the band gap of the semiconductor material, the ferroelectric or piezoelectric material or the material of the insulating cover layer of the carrier material.

Analog kann die Aktivierung der magnetisierbaren geladenen Störstellen im Trägermaterial durch ein äußeres statisches oder zeitlich veränderliches Magnetfeld erfolgen und die damit erzeugte Wärmeenergie an das Elektrolytmaterial weitergegeben werden. Analogously, the activation of the magnetizable charged impurities in the carrier material can be effected by an external static or time-varying magnetic field and the heat energy thus generated can be passed on to the electrolyte material.

Auf die isolierende Deckschicht 1 auf einem Halbleitermaterial kann bei Verwendung der optischen Aktivierung des Trägermaterials oder die Aktivierung der magnetisierbaren geladenen Störstellen im Trägermaterial oder bei Verwendung unter vakuumähnlichen Bedingungen verzichtet werden. In allen anderen Fällen wird empfohlen, auf dem Halbleitermaterial eine isolierende Deckschicht 1 aufzubringen. On the insulating cover layer 1 On a semiconductor material can be dispensed by using the optical activation of the support material or the activation of the magnetizable charged impurities in the substrate or when used under vacuum-like conditions. In all other cases it is recommended to use an insulating covering layer on the semiconductor material 1 applied.

Bei ferro- oder piezoelektrischen Material empfiehlt es sich eine isolierende Deckschicht 1 aufzubringen, um störende Einflüsse aus der Umgebung zu minimieren. For ferroelectric or piezoelectric material, it is recommended to use an insulating cover layer 1 apply to minimize disturbing influences from the environment.

Mit den erfindungsgemäßen Trägermaterialien können möglicherweise weitere Erkenntnisse zur Theorie der Polyelektrolytadsorption an festen Oberflächen gewonnen werden oder die Theorie kann besser in Einklang mit experimentellen Befunden zur Abhängigkeit der adsorbierten PEL-Menge von der Oberflächenladungsdichte gebracht werden.With the support materials according to the invention it is possible that further insights into the theory of polyelectrolyte adsorption on solid surfaces can be gained or the theory can be brought into better agreement with experimental findings on the dependence of the adsorbed PEL amount on the surface charge density.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

p, p+ p, p +
Halbleiter mit Löchern als Majoritätsladungsträgern, Loch-Konzentration p+ > pSemiconductors with holes as majority charge carriers, hole concentration p + > p
n, n+ n, n +
Halbleiter mit Elektronen als Majoritätsladungsträgern, Elektronen-Konzentration n+ > nSemiconductors with electrons as majority charge carriers, electron concentration n + > n
NA N A
Akzeptorkonzentration im p-type Halbleiter Acceptor concentration in p-type semiconductor
ND N D
Donatorkonzentration im n-type Halbleiter Donor concentration in n-type semiconductor
PEEPEE
Einkomponentige Polyelektrolytsysteme One-component polyelectrolyte systems
PEMPEM
Polyelektrolytmultischicht polyelectrolyte multilayer
PECPEC
Polyelektrolytkomplexartikel  Polyelektrolytkomplexartikel
PEL PEL
Polyelektrolytmaterialpolyelectrolyte
PEL-1PEL 1
kontrolliert inerte Passivierungsschicht für Biomaterialien, -fluide oder Zellen controls inert passivation layer for biomaterials, fluids or cells
PEL-2PEL-2
aktiv bindende Schicht für Biomaterialien, -fluide oder Zellen active binding layer for biomaterials, fluids or cells
PEL-3 PEL-3
biozide Schicht für Biomaterialien, Biofluide oder Zellen biocidal layer for biomaterials, biofluids or cells
11
isolierende Deckschicht insulating cover layer
22
Grenzflächenladung  Interfacial charge
3 3
asymmetrischer elektrostatischer Oberflächendipolasymmetric electrostatic surface dipole
4 4
elektrostatische Kraftelectrostatic force
55
metallisch leitende Rückseitenelektrode metallically conductive backside electrode
66
Oberflächennahe, elektrostatische Kraft im Übergangsbereich Near-surface, electrostatic force in the transition region
77
Grenze zwischen p-type Halbleiter p und n-type Halbleiter n Border between p-type semiconductor p and n-type semiconductor n
88th
Grenze zwischen Domänen mit verschiedener Polarisationsladung Border between domains with different polarization charge
99
Polarisationsladung polarization charge
di d i
Dicke der isolierenden Deckschicht i, i = 1, 2, ... Thickness of the insulating cover layer i, i = 1, 2, ...
EF E F
Fermienergie Fermi
EC E C
Leitungsbandkante Conduction band edge
EV E V
Valenzbandkante valence
UK U K
Gleichspannung (Kelvin-Spannung) DC voltage (Kelvin voltage)
U, U1, U2, Ui U, U 1 , U 2 , U i
Überlagerte Gleichspannung und Wechselspannung Superimposed DC voltage and AC voltage
TM TM
Trägermaterialsupport material
10 10
unabgeschirmte Dotanden im Halbleiterunshielded dopants in the semiconductor
Q+, Q Q + , Q -
geladene Störstellen im Trägermaterial, auch magnetisierbar  charged impurities in the carrier material, also magnetizable

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 20080058229 A1 [0007] US 20080058229 A1 [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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  • Müller, M.: Orientation of α-helical Poly(L-lysine) in Consecutively Adsorbed Polyelectrolyte Multilayers on Texturized Silicon Substrates. Biomacromolecules. 2(1), 262–269 (2001) [0008] Müller, M .: Orientation of α-helical poly (L-lysines) in Consecutively Adsorbed Polyelectrolyte Multilayers on Texturized Silicon Substrates. Biomacromolecules. 2 (1), 262-269 (2001) [0008]
  • Müller, M. u. a.: Needle like and spherical polyelectrolyte complex nanoparticles of poly(L-lysine) and copolymers of maleic acid. Langmuir. 21(1), 465–469 (2005) [0009] Müller, M. et al.: Needle like and spherical polyelectrolyte complex nanoparticles of poly (L-lysine) and copolymer of maleic acid. Langmuir. 21 (1), 465-469 (2005) [0009]

Claims (19)

Trägermaterial zur Sortierung oder Manipulation von Polyelektrolytmaterialien, umfassend ein Halbleitermaterial oder ein ferro- oder piezoelektrisches Material, jeweils mit optionaler isolierender Deckschicht 1, wobei die Ursache für die Sortierung oder Manipulation chemisch von der Umgebung isoliert ist.A carrier material for sorting or manipulating polyelectrolyte materials, comprising a semiconductor material or a ferroelectric or piezoelectric material, each with an optional insulating cover layer 1 in which the cause of the sorting or manipulation is chemically isolated from the environment. Trägermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Deckschicht 1 kleiner als 20 nm, bevorzugt kleiner als 5 nm, besonders bevorzugt zwischen 2 und 3 nm dick ist. Support material according to claim 1, characterized in that the insulating cover layer 1 less than 20 nm, preferably less than 5 nm, more preferably between 2 and 3 nm thick. Trägermaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallisch leitende Rückseitenelektrode 5 am Trägermaterial angebracht ist und diese zusätzlich optional lokal strukturiert ausgeführt ist. Support material according to claim 1 or 2, characterized in that a metallically conductive backside electrode 5 is attached to the carrier material and this is additionally optionally made locally structured. Trägermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Trägermaterials strukturiert ausgeführt ist.Support material according to one of claims 1 to 3, characterized in that the surface of the carrier material is structured. Trägermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial ein Halbleitermaterial umfasst und dass das Halbleitermaterial lokal undotiert und/oder dotiert ist, und/oder einzelne oder mehrere abschirmende Ladungstraps lokal in den Halbleiter und/oder lokal in der isolierenden Deckschicht eingebracht sind, um die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte zu beeinflussen. Carrier material according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier material comprises a semiconductor material and that the semiconductor material is locally undoped and / or doped, and / or individual or multiple shielding charge traps are introduced locally into the semiconductor and / or locally in the insulating cover layer to influence the near-surface, electrostatic forces. Trägermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsdichte und Zeitkonstante der Grenzflächenzustände der Grenzschicht zwischen isolierender Deckschicht 1 und Halbleitermaterial besonders groß ist, weil die Grenzflächenzustände die Dynamik der Manipulation bestimmen.Support material according to one of the preceding claims, characterized in that the state density and time constant of the interface states of the boundary layer between the insulating cover layer 1 and semiconductor material is particularly large because the interface states determine the dynamics of the manipulation. Trägermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial ein ferro- oder piezoelektrisches Material umfasst und dass optional lokal abschirmende Ladungstraps in das ferro- oder piezoelektrische Material und/oder in die Deckschicht eingebracht sind. The carrier material according to claim 1, characterized in that the carrier material comprises a ferroelectric or piezoelectric material and that optionally locally shielding charge traps are introduced into the ferroelectric or piezoelectric material and / or into the cover layer. Trägermaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass andere Oberflächeneigenschaften wie Rauhigkeit, Morphologie, Benetzung, Konzentration und Zusammensetzung funktioneller Gruppen für die Strukturierung nicht geändert werden.Support material according to claim 4, characterized in that other surface properties such as roughness, morphology, wetting, concentration and composition of functional groups are not changed for structuring. Trägermaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass unidirektional orientierte Ladungsmuster erzeugt werden, wobei diese als Template für die selektive Adsorption und Ausrichtung von PEL-Materialien aus kettensteifen PEL verwendet werden können. Support material according to claim 4, characterized in that unidirectionally oriented charge patterns are generated, which can be used as a template for the selective adsorption and alignment of PEL materials of chain-rigid PEL. Manipulation von Polyelektrolytmaterialien und deren Bindung mit Hilfe eines Trägermaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein Halbleitermaterial mit optionaler isolierender Deckschicht oder ein ferro- oder piezoelektrisches Material mit optionaler isolierender Deckschicht, wobei im Trägermaterial Ladungsträger umsortiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Polyelektrolytmaterialien wirkenden oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte des Trägermaterials gezielt beeinflusst werden.Manipulation of polyelectrolyte materials and their bonding by means of a carrier material according to one of the preceding claims, comprising a semiconductor material with optional insulating cover layer or a ferroelectric or piezoelectric material with optional insulating cover layer, wherein charge carriers are rearranged in the carrier material, characterized in that the on the polyelectrolyte materials acting near-surface, electrostatic forces of the carrier material can be influenced. Manipulation von Polyelektrolytmaterialien und deren Bindung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial ein ferro- oder piezoelektrisches Material umfasst und dass optional lokal abschirmende Ladungstraps in das ferro- oder piezoelektrische Material und/oder in die Deckschicht eingebracht sind, um die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte zu beeinflussen. Manipulation of polyelectrolyte materials and their bonding according to claim 10, characterized in that the carrier material comprises a ferro- or piezoelectric material and that optionally locally shielding charge traps are introduced into the ferro- or piezoelectric material and / or in the cover layer to the near-surface, electrostatic To influence forces. Manipulation von Polyelektrolytmaterialien und deren Bindung mit Hilfe eines Trägermaterials nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Deckschicht, die Stärke der Anziehung und Abstoßung der Polyelektrolytmaterialien bestimmt. Manipulation of polyelectrolyte materials and their bonding by means of a carrier material according to claim 10, characterized in that the thickness of the cover layer determines the strength of the attraction and repulsion of the polyelectrolyte materials. Manipulation nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein Übergangsbereich zwischen zwei Gebieten mit jeweils umgekehrter Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte im Trägermaterial ausbildet, um die Manipulation und die Bindung von Polyelektrolytmaterial zeitlich und räumlich veränderlich zu gestalten. Manipulation according to claim 8, characterized in that at least one transitional region between two regions, each with a reverse direction of the near-surface, electrostatic forces in the carrier material is formed in order to make the manipulation and the binding of polyelectrolyte material temporally and spatially variable. Manipulation nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine konstante oder zeitlich veränderliche Spannung am Rückkontakt des Trägermaterials angelegt wird und damit die Anziehung und Abstoßung der Polyelektrolytmaterialien und ein Umschalten von Anziehung und Abstoßung konstant und/oder zeitlich veränderlich gesteuert werden kann. Manipulation according to claim 10, characterized in that a constant or time-varying voltage at the back contact of the carrier material is applied and thus the attraction and repulsion of the polyelectrolyte materials and a switching of attraction and repulsion can be controlled constantly and / or temporally variable. Manipulation nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine konstante oder zeitlich veränderliche Beleuchtung des Trägermaterials mit einer Photoenergie die größer als die Bandlücke des Halbleitermaterials, des ferro- oder piezoelektrischen Materials oder des Materials der isolierenden Deckschicht zur Umverteilung der freien Ladungsträger im Halbleitermaterial oder der Polarisationsladungen im ferro- oder piezoelektrischen Material führt und damit die Stärke der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte manipuliert wird. Manipulation according to claim 10, characterized in that a constant or temporally variable illumination of the substrate with a photo energy greater than the band gap of the semiconductor material, the ferroelectric or piezoelectric material or the material of the insulating cover layer for redistributing the free charge carriers in the semiconductor material or the polarization charges in the ferro- or piezoelectric material leads and thus the strength of the near-surface, electrostatic forces is manipulated. Manipulation nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Aktivierung des Trägermaterials und/oder eine magnetische Aktivierung der magnetisierbaren Störstellen im Trägermaterial zur lokalen Wärmeentwicklung führt und zur Zerstörung der in sich strukturierten Polyelektrolytmaterialien genutzt werden kann. Manipulation according to claim 10, characterized in that an optical activation of the carrier material and / or a magnetic activation of the magnetizable impurities in the carrier material leads to local heat development and can be used to destroy the intrinsically structured polyelectrolyte materials. Verwendung des Trägermaterials mit Polyelektrolytmaterial als Haftmaterial zur Manipulation oder Sortierung von Biomolekülen, Biomaterialien, Biofluiden oder Zellen. Use of the support material with polyelectrolyte material as adhesive material for the manipulation or sorting of biomolecules, biomaterials, biofluids or cells. Verwendung nach Anspruch 17, wobei das Polyelektrolytmaterial als Haftmaterial eine kontrolliert inerte Passivierungsschicht (PEL-1) oder eine aktiv bindende Schicht (PEL-2) oder eine biozide Schicht bildet.Use according to claim 17, wherein the polyelectrolyte material as adhesive material forms a controlled inert passivation layer (PEL-1) or an actively binding layer (PEL-2) or a biocidal layer. Verwendung des nach Anspruch 8 oder Anspruch 9 strukturierten Trägermaterials, um gezielt und musterkontrolliert unidirektional gerichtete oder selektive Wechselwirkung oder ebensolches Wachstum von Zellen hervorzurufen. Use of the carrier material structured according to Claim 8 or Claim 9 in order to produce targeted and pattern-controlled unidirectionally directed or selective interaction or the same growth of cells.
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