清華環(huán)境學(xué)院何苗課題組

在環(huán)境檢測(cè)石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管集成生物傳感器研究中取得進(jìn)展

清華新聞網(wǎng)10月12日電 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境保護(hù)所何苗課題組在新型石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管（Graphene field-effect transistor, GFET）納米傳感器件研究中取得進(jìn)展。研究通過(guò)開(kāi)發(fā)一種基于可集成平面固態(tài)柵極（High-κ solid-gate）新結(jié)構(gòu)的GFET傳感器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)水中新型污染物抗生素的免標(biāo)記定量檢測(cè)。相關(guān)成果“使用高介電常數(shù)固態(tài)柵極結(jié)構(gòu)的集成型高靈敏度石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管生物傳感器”（High-κ solid-gate transistor configured graphene biosensor with fully integrated structure and enhanced sensitivity）在線(xiàn)發(fā)表于納米電子學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。

 石墨烯因其極高的載流子遷移率被視為最有前途的敏感材料，免標(biāo)記親和型石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管傳感器是生物傳感領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)。但是，目前廣泛使用的液柵和背柵GFET結(jié)構(gòu)分別存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性低（需外置柵電極）和安全性弱（柵壓較高）的問(wèn)題，在器件集成化和實(shí)用性方面受到制約。本研究報(bào)道的High-κ solid-gate GFET新器件（圖1）使用標(biāo)準(zhǔn)MEMS光刻工藝和原子層蒸鍍沉積（Atomic layer deposition, ALD）技術(shù)制了成高介電常數(shù)平面固態(tài)柵極。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析顯示，新器件可以在基本保持石墨烯高遷移率的基礎(chǔ)上，通過(guò)提高固態(tài)柵極電容，使GFET器件的跨導(dǎo)參數(shù)顯著提高，實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測(cè)。

圖1平面固態(tài)柵極石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管集成傳感器件。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本研究報(bào)道的High-κ solid-gate GFET新器件（圖1）同時(shí)具備液柵GFET器件的低操作電壓和背柵GFET器件的易于集成的優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)石墨烯新器件進(jìn)行功能化修飾，本研究實(shí)現(xiàn)了基于DNA適體競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的新型環(huán)境污染物卡那霉素檢測(cè)。此外，通過(guò)對(duì)水溶液-石墨烯敏感界面上帶電生物分子分布進(jìn)行的電子學(xué)理論分析，本研究提出了描述生物分子間親和作用形成GFET器件電信號(hào)輸出模型（圖2）。該模型對(duì)GFET親和型生物傳感器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有重要的參考價(jià)值。 

圖2 生物傳感響應(yīng)機(jī)制。

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院博士后王程為論文第一作者和通訊作者，何苗研究員為共同通訊作者。清華大學(xué)周小紅副教授、博士生李奕君，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)林橋（Qiao Lin）教授、博士生祝毅博參與了研究工作。

論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201602960/full

供稿：環(huán)境學(xué)院 編輯：李華山