壳聚糖双电层IGZO薄膜晶体管制备与封装及其葡萄糖检测

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生物化学传感器在国土安全、医学环境监测、生物科学研究以及食品安全领域具有重要应用。目前,场效应晶体管生物传感器具有易集成化、检测快捷、反馈信号易处理等优点,广泛的用于遗传物质、病毒、蛋白等方面的检测。铟镓锌氧化物(Indium Gallium Zinc Oxide,IGZO)薄膜晶体管为代表的多元氧化物薄膜晶体管制备成本低、灵敏度高、可靠性好、可大批量生产及优异的电学性能而得到广泛关注。但是,以传统栅介质材料制作的氧化物薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFTs)通常工作电压较高,能耗大,不利于在便携式产品上应用。本文以壳聚糖为栅介质,制备了壳聚糖多元IGZO薄膜晶体管。通过对晶体管沟道结构和封装工艺的研究,选定了最佳的晶体管沟道结构,并对比了不同封装工艺的效果。同时也研究了壳聚糖多元IGZO晶体管对葡萄糖的检测,制作了传感器流体通道。本论文的主要工作如下:(1)制备了表面平整的非晶IGZO复合结构薄膜,形成了电容较高且具有双电层特性的壳聚糖栅介质层,并研究了几何沟道结构对壳聚糖双电层IGZO TFTs性能的影响,同时建立侧向电容等效模型和沟道几何结构模型,解释了沟道几何结构对器件性能的影响规律。制备的壳聚糖双电层IGZO TFTs器件亚阈值摆幅0.24 V.dec-1,阈值电压0.20 V,开关电流比~106。(2)采用了Al2O3薄膜封装、PDMS封装和激光封装三种方法对TFTs进行封装,研究了封装对器件性能的影响。比较不同Al2O3厚度对封装器件的影响,发现随Al2O3薄膜叠加厚度的增加阈值电压和亚阈值摆幅增加,开关比降低,这可能是Al2O3沉积后产生的裂纹所导致。此外,对比PDMS封装和激光封装这两种封装工艺,采用PDMS封装的器件在空气环境下存储三个月后性能显著降低。与PDMS封装相比,激光封装的器件长期稳定性更好,适合大规模的工业生产。(3)通过对其双电层表面进行功能化处理,实现壳聚糖双电层IGZO晶体管对葡萄糖的特异性检测。该传感器可以实现0.5 m M到30 m M葡萄糖浓度的检测,覆盖了健康人体血液中的葡萄糖浓度范围(3.9~6.1 m M)。此外,具备对尿酸和抗坏血酸等物质的抗干扰能力,能够降低血液中干扰因素对葡萄糖检测效果的影响。最后,为了便于待测样品的检测,还成功制作了流体通道。
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