快速的现代化进程加快了人类的生活节奏,并且工作、生活压力的增大也日益损害着人们的健康。而相关生物信号的检测对疾病的监控和预防有着重要的指导作用。其中电信号广泛存在于生物体内,并参与调节细胞的各种行为,为此,从细胞层面出发,深入研究细胞内电信号的变化规律对于理解其作用于细胞及器官行为方式有着重大科学意义。而传统的用于细胞电信号检测的探针则固定于衬底材料表面且为阵列方式排布,检测时依赖于细胞的被动贴附,使细胞无法精确定位从而阻碍了其亚阈值事件的精确测量,并抑制了细胞正常的迁移。基于硅纳米线结构的三维扭结式场效应晶体管(FET)生物探针的出现为实现主动、精确的单细胞探测开辟了新的模式。然而,制备该结构纳米线工艺复杂,且效率低下,无法实现批量生产。为此,本文利用课题组首创的IPSLS自组装纳米线生长技术,通过对纳米线的形貌进行编程,首次实现所需探针形貌纳米线的批量生产。通过调控生长参数,实现纳米线沿预设沟道的稳定生长。并结合光刻、溅射以及超临界干燥等技术,实现在1cm2范围内14个生物探针的规模生产,且成功实现了生物器件的转移和悬空。另一方面,生物体内可植入式电刺激器件通过向机体发出电刺激信号来激励器官或组织响应以恢复正常的生理活动,成为改善生活质量和延长患者生命周期不可或缺的医疗工具。然而,由于此类器件内部供电电池的使用寿命有限,手术更换电池无法避免,增加了痛苦和发病率,甚至有潜在的死亡风险。由于近红外光线能够穿透人体皮肤,研究认为利用光电器件将透过皮肤的光转换为电能即可实现植入式电刺激器件的无电池工作。且小尺寸、无导线、能贴附于体内组织或器官表面直接激励的光电器件成为体内刺激应用的重要发展方向,即要求光电器件具有超柔性和导电性。而导电柔性衬底中的铝箔(AF)具有较高的光学反射率,是作为超柔性且导电的光电器件优异的衬底材料。为此,本文利用铝箔的优异性能,在等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)系统中,通过催化剂引导的气-液-固(VLS)生长方式,在超柔性导电铝箔表面生长基于硅纳米线的氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜径向结光电器件,探究其与电激励相关的性能,如开路电压和短路电流。结果显示,该器件在一个太阳光照强度下的电压-电流密度曲线表明该光电器件的开路电压(Voc)可达0.67 V,光电流密度(Jsc)为12.7mA/cm2,可满足不同的体内刺激需求。之后将其应用于实验动物(猪)的心脏表面,用于直接起搏心脏跳动。超柔性光电器件在心脏器官表面可形成良好的贴合,并可实现小尺寸的裁剪。光照射超柔性光电器件表面时,电子和空穴分离,使与p型硅纳米线(SiNWs)相连的导电铝箔带有正电,可直接刺激心脏表面,实现原位心脏起搏,而不需要使用导线传输电刺激。当刺激频率大于心脏自身的窦性心律时,即可获得新的起搏点,进而替代窦房结进行起搏控制。初期实验结果表明,相比窦性心律的101次/分钟,刺激后获得了 128次/分钟的起搏频率。本文通过对基于硅纳米线结构的生物探针和纳米光电心脏起搏器的制备、形貌和电学的表征,以及动物实验的深入研究,为扩展硅基纳米线材料在生物方面的应用提供主要的指导方向。本论文的创新点可以归结如下:(1)首次以平面引导方式规模化获得可定向的硅纳米线FET生物微探针;考察硅纳米线在预设引导沟道中的生长情况,并进行参数优化;深度开发纳米线微探针的稳定转移和悬空技术;克服现有细胞内探针技术无法实现定向且批量制备的缺陷;为可主动且精确的单细胞内电生理特性的检测提供基础。(2)首次在铝箔表面制备超柔性非晶硅径向结光电器件用于刺激心脏原位起搏,实现了光电器件在无电池、小尺寸、无导线且能贴附于体内器官表面等情况下的直接激励,拓展了非晶硅径向结太阳能光电器件的应用范围。