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基于石墨烯的新型传感器,具有低噪声、高灵敏度优点

石墨烯因具有良好的化学和生物分子检测能力而非常适合做传感器。但由于石墨烯是一种导体,且缺乏固有带隙,因此该材料很难做成可开关的晶体管。


为了将石墨烯制成传感器,需要将其制备成多层材料,这就将导致较高水平的电子噪声且会降低其有效性。

TIM截图20171110165617.jpg

图为原理示意图


中性点

来自荷兰莱顿大学的国际研究团队提出了一种基于石墨烯的半导体器件,当其电荷为中性(称为中性点)时,可以降低电子噪声。研究团队在不需要任何笨重的磁性设备的前提下实现了对该“中性点”的监测,并已将该方法普及到便携式传感器的应用当中。


在概念验证设备中,研究人员使用他们新的感测方案来检测皮摩尔浓度下与HIV相关的DNA杂交。


研究人员利用石墨烯制造了一种电荷检测器,可以检测到近表面的非常少量的电荷。该装置的感测原理依赖于通过场效应的电荷物质检测,其在传感器表面的带电分子吸附时导致石墨烯的电导率发生变化。


优势

荷兰莱顿大学博士后研究人员Wangyang Fu在接受IEEE Spectrum的电子邮件采访时解释说:“石墨烯是这种应用的完美选择,石墨烯在其他固态材料中是独一无二的,因为所有的碳原子都位于表面,使得石墨烯表面对检测环境变化高度敏感。”


然而,Fu指出,我们能够创建实用的电化学门控石墨烯基场效应晶体管来检测少量电荷,电子噪声的存在从根本上限制了传感器的分辨率。


Fu说:“我相信我们已经发现了一种简单的方法来提高下一代石墨烯电子生化传感器设备的灵敏度。我们的设备能够在低噪声中性点工作,而不需要使用其他方法复杂磁性设备。”


Fu补充说,该方法可以减少电子噪声而不影响检测响应,与传统操作的石墨烯晶体管相比,可以显着改善信噪比,从而测量电导。


利用石墨烯场效应晶体管的独特性质可以获得感测响应的噪声降低和保持:在中性点附近的双极(既是n型又是p型)行为。


这个中性点在石墨烯中表现为材料中电导的最低点,是石墨烯独特的电子能带结构的结果。在这个低传导点下,石墨烯传感器可以在较低的噪声水平下工作。不仅不会影响感测响应,还能降低设备的信噪比,从而导致感测响应的总体改善。


最新设备的另一个特点是使用所谓的原位“电化学清洗”来确保石墨烯表面的清洁,这是一种旨在使石墨烯电子生物传感器提供可靠性能的新技术。


下一步工作

在继续研究中,Fu和他的同事们打算将这种低噪声技术应用于其他单分子检测方法,并在放大时评估传感器的性能。

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