基于二维MoS2/h-BN的双栅柔性离子敏场效应晶体管传感器研究

Real-time ion detection technology shows great potential in the field of point-of-care, food detection, industry, etc. Considering the conventional ion detection equipment has many disadvantages such as low sensitivity, slow response, large volume and high cost, this project develops one kind of ion sensitive field effect transistor (ISFET) sensor based on two dimensional (2D) MoS2/h-BN, which has the following key characteristics: (1) High sensitivity: improving the sensitivity of the MoS2 transistor by designing dual gates configuration; (2) High stability: introducing h-BN as the dielectric to optimize the interface properties of MoS2 channel; (3) Good flexibility: utilizing flexible substrates to realize good device flexibility of 2D MoS2/h-BN ISFET. Comprehensively analyze the sensitivity modulation by dual gate dielectric capacitor coupling and functionalize the h-BN surface to develop ISFET sensors for H+, K+ and Ca2+ detection, respectively. Meanwhile, combining the device direct current performance, ion response characteristics and low frequency noise, this project will systematically investigate the carrier fluctuation mechanisms in 2D MoS2/h-BN ISFET and address the key technology for flexible 2D MoS2/h-BN ISFET sensor with high sensitivity and good stability. This project provides strong theoretical and technical support for future highly sensitive, stable and portable ISFET sensors.

即时离子检测技术在医疗健康、食品检测及工业等领域具有重要的应用潜力。针对目前离子检测仪存在着灵敏度低、响应慢、体积大、成本昂贵等缺点，本项目拟研究一种基于二维MoS2/h-BN的离子敏场效应晶体管传感器，使之具备如下关键特性：（1）高灵敏度：设计双栅结构以提高MoS2离子传感器的灵敏度；（2）高稳定性：引入h-BN介质层以改善MoS2沟道界面性能；（3）良好弯曲性：将二维MoS2/h-BN器件制备于柔性衬底上以实现其可弯曲性。系统探究双栅电容耦合对于传感器灵敏度的调控机制；研究h-BN的表面功能化方案，开发氢、钾、钙离子传感器。同时，结合器件的直流特性、离子响应特性以及低频噪声特性，系统研究MoS2/h-BN离子敏场效应晶体管的载流子涨落机理，探索灵敏度高、稳定性好的柔性二维MoS2/h-BN离子传感器的关键技术。本项目为未来高精度、高稳定、便携式离子敏传感器提供强有力的理论及技术支撑。

即时离子检测技术在医疗健康、食品检测及工业等领域具有重要的应用潜力。针对目前离子检测仪存在着灵敏度低、响应慢、体积大、成本昂贵等缺点，本项目围绕二维MoS2/h-BN的离子敏场效应晶体管传感器开展研究，以提高传感器件的灵敏度、稳定性、多功能等性能。同时，结合器件的直流特性、离子响应特性以及低频噪声特性，系统研究MoS2/h-BN离子敏晶体管的载流子涨落机理，探索灵敏度高、稳定性好的二维MoS2/h-BN离子传感器的关键技术。通过本项目的实施，我们（1）基于h-BN作为传感层，并引入基于2D二硫化钼（MoS2）的扩展栅ISFET器件中，制备实现了稳定的高性能REFET器件，获得了低至5 mV/pH的pH灵敏度以及低的电压漂移（0.5 mV/h），证明二维h-BN在稳定高性能的REFET应用潜力巨大；（2）实现了多种低维金属氧化物基离子敏感场效应晶体管的pH传感器并研究其稳定性；（3）系统研究了h-BN界面层对于离子液体栅控二维半导体场效应晶体管电学及低频噪声的影响；（4）研究了高质量少层BN的制备方法，及BN复合材料的高温介电性能及热管理应用。项目的执行期间，培养研究生5名，已在国际国内重要期刊发表SCI论文16篇，包括IEEE Electron Device Letters，Nano-Micro Letters, Advanced Science等，另外发表EI论文3篇。