自组装三维石墨烯场效应管型生化传感器基础研究

With the rapid development of micro-nano machining technology and the springing up of novel sensitive materials, miniaturized biochemical sensors with ultrahigh sensitivity and label-free properties have become a new hotspot of sensor field. This project presents a novel micro biochemical sensor based on self-assembled three-dimensional (3D) graphene field effect transistors (FET). With the driving of an oppositely strained bilayer of silicon nitride (SiNx), planar (two-dimensional, 2D) graphene FETs, which are supported by the SiNx bilayer, are self-assembled into micro tube-like 3D architectures. Compared to the existing 2D graphene FET-based sensors, the footprint of the 3D sensors is dramatically decreased, while the active surface area for detection is significantly increased. Furthermore, the tube-like 3D architecture of the sensor offers a natural micro-fluidic channel, leading to ease of fabrication and low cost. In this project, the electronic models of the 3D graphene FET-based sensors in both gaseous and liquid analytes will be developed to analyze their response properties. Using traditional micromachining techniques such as lithography, deposition and lift-off, and the self-assembling technique, a prototype of the 3D GFET-based sensor will be fabricated. After designing and establishing proper detection circuits and experimental platforms, testing experiments for air pollutants such as CO and NO2, as well as biomolecules such as proteins and DNAs, will be performed. The research results of this project have promising applications in many important fields such as environmental inspection, medical and health services, military and anti-terrorism.

随着微纳加工技术的发展和新型敏感材料的涌现，高灵敏、无标记、微型化的生化传感器已经成为传感器领域的研究热点之一。本项目提出了一种自组装三维（3D）石墨烯场效应管（FET）型生化传感器，利用几乎透明的氮化硅应力层驱动平面二维（2D）石墨烯FET自组装为3D“微管”式结构，在减小芯片面积的同时增大了石墨烯与待测物质的反应面积，从而有望实现更高的检测灵敏度。此外，这种“微管”式3D结构提供了一个天然的微流道，降低了生化传感器的制造难度与成本。本项目拟建立这种自组装3D 石墨烯FET型生化传感器在气体和液体检测环境中的电子学理论模型，并分析其响应规律；利用光刻、淀积等传统微电子工艺和自组装技术试制传感器样机；设计和搭建检测电路与实验平台，开展 CO、NO2等有毒气体、溶液pH值以及DNA等生物分子检测实验。该项目的研究成果有望应用于环境检测、医疗卫生和军事反恐等诸多关乎国计民生的重要领域。

本项目面向环境检测、生物医学领域对高灵敏度、无标记、微型化传感器的需求，提出了一种自组装三维（3D）石墨烯场效应管（GFET）型传感器。主要开展了以下研究：第一，氮化硅应力层驱动石墨烯 FET 自组装技术研究；第二，自组装 3D 石墨烯 FET 型生化传感器工作机理研究；第三，自组装 3D 石墨烯 FET 型生化传感器性能研究；第四，3D GFET的光电性能研究。取得的主要研究结果如下所示。.（1）提出了一种基于SiNx拉/压双应力层的自组装3D石墨烯器件制备方法。利用这种方法实现了3D GFET器件的批量可控制备。相比于2D GFET，3D GFET芯片占用面积可减小10倍以上，同时保持石墨烯良好的双极性转移特性。这种方法还推广到了其他类石墨烯材料3D器件与系统的制作。.（2）利用3D GFET器件实现了溶液pH值的有效检测。3D GFET的管状结构提供了一个天然的微流道，利用毛细作用可将待测溶液吸入GFET。随着溶液pH值的增大，3D GFET的狄拉克点电压线性增大，响应度约为228 mV/pH，优于已经报道的液栅2D GFET型pH传感器的响应度。.（3）制备出了3D 银（Ag）纳米颗粒（NPs）修饰还原氧化石墨烯（rGO）FET器件，实现了NO2气体的有效检测。在室温条件下，该传感器对20 ppm NO2气体的响应度为4.92 %，响应时间为116 s。这种3D气体传感器极大地缩小了芯片占用面积，且有利于保护rGO免受外界杂质粒子的掺杂和污染，有望应用于大气环境监测。.（4）利用3D GFET器件实现了对紫外光、可见光、中红外光和太赫兹（THz）波的超高响应度、超快探测。由于3D GFET的多层微管式结构提供了一个天然的光学谐振腔，显著增强了石墨烯表面光场；同时使得石墨烯-光反应面积大为增加；从而可实现超高的响应度。这种3D GFET在紫外光、可见光的光电响应度达1 A/W以上，在3.11 THz处响应度达到了0.232 A/W，响应速度为265 ns。.综上，本项目取得了丰硕的研究成果，在Nano Letters、Nanoscale、Nanophotonics等本领域顶级/重要期刊发表SCI论文12篇，国际会议论文2篇；授权发明专利3项；有望应用于生化传感、光学探测等许多重要领域。