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何苗研究员课题组在用于环境污染物检测的石墨烯场效应管集成生物传感器研究中取得进展

上传时间:2016-10-17 13:48:22      作者:      浏览:76

      何苗研究员课题组在新型石墨烯场效应管(Graphene field-effect transistor, GFET)纳米传感器件研究中取得进展。研究通过开发一种基于可集成平面固态栅极(High-κ solid-gate)新结构的GFET传感器件,实现对水中新型污染物抗生素的免标记定量检测。相关成果“High-κ solid-gate transistor configured graphene biosensor with fully integrated structure and enhanced sensitivity”(《使用高介电常数固态栅极结构的集成型高灵敏度石墨烯场效应管生物传感器》)在线发表于纳米电子学和材料学领域顶级学术期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。

      石墨烯因其极高的载流子迁移率被视为最有前途的敏感材料,免标记亲和型石墨烯场效应管传感器是生物传感领域的前沿热点。但是,目前广泛使用的液栅和背栅GFET结构分别存在结构稳定性低(需外置栅电极)和安全性弱(栅压较高)的问题,在器件集成化和实用性方面受到制约。本研究报道的High-κ solid-gate GFET新器件(图1)使用标准MEMS光刻工艺和原子层蒸镀沉积(Atomic layer deposition, ALD)技术制了成高介电常数平面固态栅极。实验结果和理论分析显示,新器件可以在基本保持石墨烯高迁移率的基础上,通过提高固态栅极电容,使GFET器件的跨导参数显著提高,实现高灵敏度检测。

图1 平面固态栅极石墨烯场效应管集成传感器件

      经实验验证,本研究报道的High-κ solid-gate GFET新器件(图1)同时具备液栅GFET器件的低操作电压和背栅GFET器件的易于集成的优点。通过对石墨烯新器件进行功能化修饰,本研究实现了基于DNA适体竞争机制的新型环境污染物卡那霉素检测。此外,通过对水溶液-石墨烯敏感界面上带电生物分子分布进行的电子学理论分析,本研究提出了描述生物分子间亲和作用形成GFET器件电信号输出模型(图2)。该模型对GFET亲和型生物传感器的设计与优化具有重要的参考价值。


图2 生物传感响应机制

      清华大学分室博士后王程为论文第一作者和通讯作者,何苗研究员为共同通讯作者。周小红副教授、博士生李奕君,美国哥伦比亚大学Qiao Lin教授、博士生祝毅博参与了研究工作。

 

论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201602960/full



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