柔性石墨烯器件制备及生物传感器应用

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石墨烯是由sp2杂化的碳原子按六边形蜂巢状晶格结构组成的二维晶体,其厚度仅为一个碳原子。自从2004年被发现以来,石墨烯以其优异的物理性质,受到了科研人员的广泛关注。石墨烯具有超高的载流子迁移率、极大的比表面积,使得石墨烯场效应晶体管在化学/生物传感器方面有巨大的应用前景。传统的硅基底石墨烯器件已经被广泛研究,但其存在对生物组织伤害大、器件/组织界面耦合度低、无法植入体内等不足,限制了其在生物检测领域的应用。而柔性基底器件具有对生物组织伤害小,器件/组织界面耦合度高,可实现在细胞水平上检测特定部位的信号等优点,在生物检测领域具有良好的应用潜力。基于此问题,本论文开展了柔性石墨烯器件制备的研究,表征了其电学性能,发现柔性石墨烯器件同样具有良好的电学性能,并将其应用于生物检测。  本论文主要工作内容如下:  1.柔性基底上石墨烯场效应晶体管的制备及电学性能表征。  发明了一种以水溶性高分子聚乙烯醇薄膜作为牺牲层的方法制备柔性基底上的石墨烯场效应晶体管。首先在硅/聚乙烯醇基底上制备出石墨烯器件,然后通过溶解聚乙烯醇将石墨烯器件转移至柔性基底上。根据器件的转移特性曲线,计算得到了器件的电子和空穴迁移率分别为2600cm2/(V·s)和5400cm2/(V·s),这与刚性基底石墨烯器件的数值相当。该方法操作简单,无需特殊大型仪器,制备的石墨烯器件电学性能好。  2.柔性基底上石墨烯场效应晶体管阵列的制备及生物传感应用。  利用化学气相沉积法生长的石墨烯,通过多步紫外光刻制备了柔性基底石墨烯场效应晶体管阵列,并在不同弯曲程度下测量了器件的电学性能。结果表明,在弯曲角度≤40°的范围内,器件的转移特性曲线基本上不发生变化,为器件与生物组织的耦合接触提供了条件。利用制备的柔性基底石墨烯器件,记录了与小鼠离体心脏自发搏动频率同步的电流信号,得到的动作电位幅度与刚性基底石墨烯器件的类似,表明所制备的石墨烯器件阵列可以作为生物传感器来实时检测心脏等生物组织的电学信号。  3.其他半导体纳米器件阵列的制备及传感应用。  利用紫外光刻制备了Te纳米线场效应晶体管的阵列。制备的器件对光照和NO2气体都有稳定、快速的响应,可以用作光电探测器和气体传感器。
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