清華環(huán)境學(xué)院何苗課題組

在環(huán)境檢測石墨烯場效應(yīng)管集成生物傳感器研究中取得進展

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)境保護所何苗課題組在新型石墨烯場效應(yīng)管（Graphene field-effect transistor, GFET）納米傳感器件研究中取得進展。研究通過開發(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，實現(xiàn)對水中新型污染物抗生素的免標記定量檢測。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）在線發(fā)表于納米電子學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域頂級學(xué)術(shù)期刊《先進功能材料》（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，免標記親和型石墨烯場效應(yīng)管傳感器是生物傳感領(lǐng)域的前沿?zé)狳c。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）的問題，在器件集成化和實用性方面受到制約。本研究報道的High-κ solid-gate GFET新器件（圖1）使用標準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。實驗結(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，實現(xiàn)高靈敏度檢測。

圖1平面固態(tài)柵極石墨烯場效應(yīng)管集成傳感器件。

經(jīng)實驗驗證，本研究報道的High-κ solid-gate GFET新器件（圖1）同時具備液柵GFET器件的低操作電壓和背柵GFET器件的易于集成的優(yōu)點。在此基礎(chǔ)上，通過對石墨烯新器件進行功能化修飾，本研究實現(xiàn)了基于DNA適體競爭機制的新型環(huán)境污染物卡那霉素檢測。此外，通過對水溶液-石墨烯敏感界面上帶電生物分子分布進行的電子學(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器件電信號輸出模型（圖2）。該模型對GFET親和型生物傳感器的設(shè)計與優(yōu)化具有重要的參考價值。 

圖2 生物傳感響應(yīng)機制。

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