圖1平面固態柵極石墨烯場效應管集成傳感器件。
清華大學環境學院水環境保護所何苗課題組在新型石墨烯場效應管（Graphene field-effect transistor, GFET）納米傳感器件研究中取得進展。研究通過開發一種基於可集成平面固態柵極（High-κ solid-gate）新結構的GFET傳感器件，實現對水中新型污染物抗生素的免標記定量檢測。相關成果“使用高介電常數固態柵極結構的集成型高靈敏度石墨烯場效應管生物傳感器”（High-κ solid-gate transistor configured graphene biosensor with fully integrated structure and enhanced sensitivity）在線發表於納米電子學和材料學領域頂級學術期刊《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管傳感器是生物傳感領域的前沿熱點。但是，目前廣泛使用的液柵和背柵GFET結構分別存在結構穩定性低（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製約。本研究報導的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）技術制了成高介電常數平面固態柵極。實驗結果和理論分析顯示，新器件可以在基本保持石墨烯高遷移率的基礎上，通過提高固態柵極電容，使GFET器件的跨導參數顯著提高，實現高靈敏度檢測。
經實驗驗證，本研究報導的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器件的易於集成的優點。在此基礎上，通過對石墨烯新器件進行功能化修飾，本研究實現了基於DNA適體競爭機制的新型環境污染物卡那黴素檢測。此外，通過對水溶液-石墨烯敏感界面上帶電生物分子分佈進行的電子學理論分析，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計與優化具有重要的參考價值。
圖2 生物傳感響應機制。
清華大學環境學院博士後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。清華大學周小紅副教授、博士生李奕君，美國哥倫比亞大學喬林（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
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