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                我校研究團隊在二維納米電子學傳感器件領域取得重要進展


                發布時間:2019-12-18

                電子與通信工程學院(通訊員嶽誌鵬)近日,我校電子與通信工程學院青年教師王程指導的先進材料與器件交叉實驗室研究團隊在二維材料石墨烯晶體管電子學生物傳感器領域取得創新性研究成果。該成果以“Fullysolid-state graphene transistors with striking homogeneity and sensitivity forthe practicalization of single-device electronic bioassays”為題在世界頂級物理電子學期刊NanoLetters(納米快報)上在線發表研究論文(DOI:10.1021/acs.nanolett.9b03528)。NanoLetters是美國化學學會(ACS)頂級期刊,影響因子12.279,代表物理電子學及納米電子學器件研究的最高學術水平。此項成果系我校首次作為第一完成單位和第一通訊單位登上該期刊。

                石墨烯是已知具有最高載流子遷移率的半導體(半金屬)材料,是開發高性能電子學傳感器的絕佳選擇。但石墨烯單層碳原子薄膜的二維結構不同於塊體材料,所有組成原子都位於材料表面導致了其電子學性能受汙染物吸附影響極不穩定。受此影響,傳統石墨烯場效應管(graphenefield-effect transistor, GFET)結構傳感器件由於石墨烯敏感溝道直接與水溶液接觸,汙染物吸附引起嚴重的電氣性能不穩定。由此引起的器件間性能不一致問題導致了石墨烯電子學傳感器無法實用化。為了克服這一問題,本課題研究者首次提出了一種全固態石墨烯場效應管(fullysolid-stategraphene field-effect transistor, FSS-GFET)器件結構,通過原子層蒸鍍沈積技術加工二氧化鉿(HfO2)固態上柵結█構對石墨烯敏感溝道進行完全封閉阻隔汙染,並在石墨烯垂直上方加工金屬浮柵結構承載溶液中帶電微粒的電場效應激勵。通過檢測水溶液中鉛離子濃度的實驗驗證,新器件實現了接近矽半導體IC器件的性能一致性,傳感器性能提升超過2個數量級。雖然本課題研究者並不想宣稱FSS-GFET結構是GFET傳感器件的終極形態,但這一結構無疑為未來石墨烯電子傳感器的實用化提供了一種可行的解決方案。

                電子與通信工程學院近年來銳意探索學生培養與學術研究的全新模式,實行接軌國際的獨立PI制度,大力支持青年教師獨立開展研究工作,並嘗試對優秀本科生進行課堂之外科研培養。依托天津市無線移動通信與能量傳輸重點實驗室,青年教師王程於2017年底被引進電通學院工作,組建先進材料與器件交叉實驗室,以期填補學院在微電子學與半導體納米器件研究領域的空白,應對“後摩爾時代”的科學技術挑戰。此項研究工作由王程聯合東南大學青年教師賈原、蘇州大學青年教師葉巍翔共同策劃並指導,大學生創新創業暨優秀生團隊吳晶晶、何亞碩、宋澤、石蘇蒙等優秀本科生共同完成。此後,實驗室將逐次推進二維材料範德瓦耳斯異質結等前沿研究課題。

                此項研究工作由國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、天津市自然科學基金、BG大游集团本科生創新創業訓練計劃等項目資助。

                圖片由電子與通信工程學院提供

                編輯:夏然



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