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石墨烯场效应晶体管的X射线总剂量效应研究

物理学报 2023年

作者：李济芳郭红霞马武英宋宏甲钟向丽李洋帆白如雪卢小杰张凤祁湘潭大学材料科学与工程学院西北核技术研究所

本文针对不同结构、尺寸的石墨烯场效应晶体管(graphene field effect transistors：GFET)开展了基于10 keV-X射线的总剂量效应研究. 结果表明：随累积剂量的增加，不同结构GFET的狄拉克电压VDirac和载流子迁移率μ不断退化；相比于背栅... 详细信息

本文针对不同结构、尺寸的石墨烯场效应晶体管(graphene field effect transistors：GFET)开展了基于10 keV-X射线的总剂量效应研究. 结果表明：随累积剂量的增加，不同结构GFET的狄拉克电压VDirac和载流子迁移率μ不断退化；相比于背栅型GFET，顶栅型GFET的辐射损伤更加严重；尺寸对GFET器件的总剂量效应决定于器件结构；200μm×200μm尺寸的顶栅型GFET损伤最严重，而背栅型GFET是50μm×50μm尺寸的器件损伤最严重. 研究表明：对于顶栅型GFET，辐照过程中在栅氧层中形成的氧化物陷阱电荷的积累是VDirac和μ降低的主要原因. 对于背栅型GFET不仅受到辐射在栅氧化层中产生的陷阱电荷的影响，还受到石墨烯表面的氧吸附的影响. 在此基础上，结合TCAD仿真工具实现了顶栅器件氧化层中辐射产生的氧化物陷阱电荷对器件辐射响应规律的仿真.相关研究结果对于石墨烯器件的抗辐照加固研究具有重大意义.

关键词：石墨烯场效应晶体管 X射线辐照总剂量效应

石墨烯场效应晶体管生物传感器无标记检测脓毒症

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分析试验室 2024年

作者：刘雨双王明轩陈福荣张颖内蒙古纳米碳材料重点实验室内蒙古民族大学化学与材料学院

开发了一种基于降钙素原抗体功能化的石墨烯场效应晶体管（GFET）生物传感器，用于脓毒症标志物降钙素原的检测。实验结果表明，GFET生物传感器在6 ag/mL ～100 pg/mL范围内均有良好的线性响应，检测限为2.47 ag/mL。GFET 传感器实现了... 详细信息

开发了一种基于降钙素原抗体功能化的石墨烯场效应晶体管（GFET）生物传感器，用于脓毒症标志物降钙素原的检测。实验结果表明，GFET生物传感器在6 ag/mL ～100 pg/mL范围内均有良好的线性响应，检测限为2.47 ag/mL。GFET 传感器实现了对血清样本中降钙素原的检测，意味着GFET检测平台在临床应用的潜能。

关键词：脓毒症石墨烯场效应晶体管降钙素原

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石墨烯场效应晶体管的输运特性

科学通报 2017年第14期62卷 1520-1526页

作者：石晓东王伟金慧娇尹强任利鹏河北工业大学电子信息工程学院天津市电子材料与器件重点实验室天津300401

石墨烯场效应晶体管的研究对于摩尔定律的延续具有非常重要的意义.近年来,大面积、高质量石墨烯薄膜制备技术的快速发展,进一步推动了基于石墨烯材料的新型电子器件的研究,引起了集成电路领域研究人员的广泛关注.本文所制备的石墨烯场... 详细信息

石墨烯场效应晶体管的研究对于摩尔定律的延续具有非常重要的意义.近年来,大面积、高质量石墨烯薄膜制备技术的快速发展,进一步推动了基于石墨烯材料的新型电子器件的研究,引起了集成电路领域研究人员的广泛关注.本文所制备的石墨烯场效应晶体管以ITO为栅电极,Ta_2O_5为栅绝缘层,石墨烯为有源层,Ti/Au双层金属为源漏电极.电学特性测试与分析结果表明,石墨烯与源漏电极形成了良好的欧姆接触.室温下,石墨烯场效应晶体管展示了其特有的双极性特征,空穴迁移率约为2272 cm2/(V s),电流开关比约为6.2.转移特性曲线中出现了明显的滞回现象,且随着栅压扫描范围的增大而越发显著.同时研究了温度对石墨烯场效应晶体管性能的影响,随着温度的升高,狄拉克点电压逐渐向零点方向偏移,滞回现象愈加明显.当温度为75℃时,空穴迁移率与电流开关达到最佳.

关键词：石墨烯场效应晶体管迁移率电流开关比滞回现象温度

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基于石墨烯场效应晶体管的病毒核酸检测技术

中华实验和临床病毒学杂志 2022年第3期36卷 252-257页

作者：吴云根刘云圻魏大程复旦大学材料科学系分子材料与器件实验室上海200433 复旦大学高分子科学系聚合物分子工程国家重点实验室上海200433

目的本研究旨在开发一种高灵敏且简便的检测方法,实现对病毒核酸的快速检测。方法建立了一种基于石墨烯场效应晶体管的新型核酸检测方法。通过在石墨烯传感界面锚定化学小分子,然后修饰上DNA四面体探针,实现了对病毒核酸的检测。通过测... 详细信息

目的本研究旨在开发一种高灵敏且简便的检测方法,实现对病毒核酸的快速检测。方法建立了一种基于石墨烯场效应晶体管的新型核酸检测方法。通过在石墨烯传感界面锚定化学小分子,然后修饰上DNA四面体探针,实现了对病毒核酸的检测。通过测试传感器件的转移特性曲线,可将探针与目标物杂交结合的生物信号转化为器件的电学信号,并通过晶体管器件的信号放大作用,实现了对目标分子的高灵敏检测。结果靶向新型冠状病毒(2019 novel coronavirus,2019-nCoV)RNA的ORF1ab序列的DNA四面体探针与目标RNA通过碱基互补配对原则进行杂交结合。测试了唾液中不同浓度条件的2019-nCoV的核酸模拟样本,观察到随着目标核酸的浓度增加,晶体管传感器件的狄拉克点产生规律性的向左偏移。在100μl的待测液,传感器件的最低检测浓度可达0.05拷贝/μl,且响应时间低至5 min。结论本研究开发了一种基于石墨烯场效应晶体管检测方法,极大地提高了对病毒核酸的检测灵敏度并缩短了检测时间。

关键词：病毒核酸石墨烯场效应晶体管灵敏度

基于石墨烯场效应晶体管的新型冠状病毒抗原检测技术

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中华实验和临床病毒学杂志 2022年第6期36卷 654-658页

作者：杨悦彤戴长昊魏大程复旦大学高分子科学系聚合物分子工程国家重点实验室上海200433 复旦大学分子材料与器件实验室上海200433

目的建立一种简易、灵敏且快速的新型冠状病毒(2019 novel coronavirus,2019-nCoV)抗原检测方法。方法构建石墨烯场效应晶体管器件,并对传感器沟道材料进行探针分子修饰。在不同浓度2019-nCoV刺突蛋白溶液中进行电学信号的测试,从而将... 详细信息

目的建立一种简易、灵敏且快速的新型冠状病毒(2019 novel coronavirus,2019-nCoV)抗原检测方法。方法构建石墨烯场效应晶体管器件,并对传感器沟道材料进行探针分子修饰。在不同浓度2019-nCoV刺突蛋白溶液中进行电学信号的测试,从而将抗原抗体特异性识别的生物信号转化为电学信号。结果抗体探针通过连接分子成功固定在石墨烯表面,特异性靶向目标待测物,从而确保传感器件的检测准确性。测试不同目标物浓度条件下石墨烯场效应晶体管的转移曲线得到相应的狄拉克点偏移,最低检测浓度达到3.6×10^(-17) g/ml,器件响应时间低至3 min。结论本研究初步建立了利用石墨烯场效应晶体管进行灵敏、高效且简便的2019-nCoV抗原检测方法。

关键词：新型冠状病毒石墨烯场效应晶体管抗原

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石墨烯场效应晶体管的光响应特性研究

北京大学学报（自然科学版） 2014年第4期50卷 704-708页

作者：魏子钧王志刚李晨郭剑任黎明张朝晖傅云义黄如北京大学微电子学研究院北京100871 北京大学物理学院人工微结构与介观物理国家重点实验室北京100871

采用电子束曝光和剥离工艺制备石墨烯场效应晶体管,并研究其光电响应特性。结果表明,当激光光斑(波长为633 nm)照射在金属电极边缘的石墨烯沟道时,可测得明显的光电流。背栅电压能够有效调制光电响应,可以改变光电流的大小和方向。在背... 详细信息

采用电子束曝光和剥离工艺制备石墨烯场效应晶体管,并研究其光电响应特性。结果表明,当激光光斑(波长为633 nm)照射在金属电极边缘的石墨烯沟道时,可测得明显的光电流。背栅电压能够有效调制光电响应,可以改变光电流的大小和方向。在背栅调控下,光电流出现饱和现象,石墨烯晶体管的光响应度最大达到46.5μA/W,可用于构建基于石墨烯的新型光探测器。

关键词：石墨烯场效应晶体管光电响应背栅调制

镧基高k栅介质在石墨烯场效应晶体管中的应用性研究

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镧基高k栅介质在石墨烯场效应晶体管中的应用性研究

作者：谭欣月电子科技大学

学位级别：硕士

二维材料石墨烯自被发现起就一直备受关注,独特的化学结构使它拥有超高的载流子迁移率,加上天然的厚度优势,为纳米电子器件的研究带来了新的机遇和挑战。随着芯片集成度的持续提高,石墨烯场效应晶体管(Graphene Field Effect Transistor... 详细信息

二维材料石墨烯自被发现起就一直备受关注,独特的化学结构使它拥有超高的载流子迁移率,加上天然的厚度优势,为纳米电子器件的研究带来了新的机遇和挑战。随着芯片集成度的持续提高,石墨烯场效应晶体管(Graphene Field Effect Transistor,GFET)也将面临器件尺寸等比缩小带来的泄漏电流增大、器件可靠性降低等问题。因此,制备工艺兼容、性能优越的高k栅介质以替代传统二氧化硅栅介质对于GFET的长远发展尤为重要。目前石墨烯的研究热点主要集中在石墨烯的生长和转移、石墨烯带隙的打开、石墨烯相关器件工艺的优化等方面,关于高k栅介质在GFET中的应用的研究工作较少。基于此,本文采用射频磁控溅射技术沉积Hf掺入的镧基二元氧化物(HfLaO)薄膜,并在此基础上制备全背栅GFET,探究镧基高k栅介质薄膜性质对石墨烯场效应晶体管的性能影响。具体研究内容及成果如下:基于射频磁控溅射技术,采用Hf/La合金单靶,在室温下沉积了HfLaO薄膜,系统地探究了溅射功率和溅射氧分压对薄膜生长的影响,通过沉积后退火对薄膜性能进行了优化。实验结果显示:当溅射功率为120 W,溅射氧气流量为6 sccm时,经过400℃氮气环境下退火10 min的HfLaO薄膜性能最佳,k值为33,EOT约为6 nm。为后续GFET的制备打下了良好的基础。基于铜箔CVD生长的单层石墨烯,采用PMMA辅助转移、光刻、等离子体刻蚀等多种技术手段制备了沟道尺寸为微米级别的GFET。电学测试结果显示,用HfLaO栅介质的石墨烯场效应管晶体管,相较于300 nm SiO底栅石墨烯场效应管,迁移率提高了4倍,电流开关比最高可达到12.6,器件的狄拉克点最低可达1.6 V。为进一步探究HfLaO栅介质性质对GFET性能的影响,制备了不同厚度、不同La/Hf元素比例的HfLaO薄膜,并在此基础上制备了GFET。实验结果表明,30 nm的HfLaO具有更好的栅控能力,石墨烯场效应晶体管的狄拉克电压随La元素比例增加而降低。本文通过磁控溅射制备了高性能HfLaO薄膜,并在此基础上构建了HfLaO底栅结构的GFET,验证了镧基高k材料与GFET是兼容的,并且展现了一些独特的调控效果,为GFET的研究提供了新的栅介质材料选择,为制备高性能GFET奠定了基础。

关键词：高k栅介质磁控溅射 HfLaOx 石墨烯场效应晶体管

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石墨烯场效应晶体管太赫兹光电特性研究

石墨烯场效应晶体管太赫兹光电特性研究

作者：甘凯仙东华大学

学位级别：硕士

太赫兹波是介于红外与微波或毫米波之间的频谱范围,太赫兹科学技术在物理成像、环境监测、生物医学、军事等方面具有广泛的应用前景。近年来,基于双层石墨烯异质结构的共振隧穿机制以及等离子体振荡在太赫兹方面的应用引起了人们的兴趣... 详细信息

太赫兹波是介于红外与微波或毫米波之间的频谱范围,太赫兹科学技术在物理成像、环境监测、生物医学、军事等方面具有广泛的应用前景。近年来,基于双层石墨烯异质结构的共振隧穿机制以及等离子体振荡在太赫兹方面的应用引起了人们的兴趣。本文运用隧穿理论中的巴丁传输哈密顿方法、流体动力学方程与泊松方程的耦合模型,利用具有高电子迁移率和栅极调控沟道的二维电子/空穴等离子体的双层石墨烯晶体管对称异质结构,激发等离子体波振荡,实现太赫兹波段的调制和探测是我们研究的目的。论文主要的研究内容和结论包括:第一,我们利用电荷守恒结合石墨烯量子电容,以及两层石墨烯狄拉克点在同一水平线的条件,推导出石墨烯准费米能级与栅电压的关系式。研究石墨烯-势垒-石墨烯三明治结构非线性电流电压特性,特别是对双层石墨烯产生共振隧穿电流及其附近的电流分布进行讨论,讨论了稳恒直流下产生的等离子体波速以及共振等离子体特征频率的关系,并加入了小信号模型,推导双层石墨烯共振隧穿结构下的动态负微分电导关系。第二,设计了双层石墨烯晶体管结构,通过计算分析,确定了势垒层近似两个原子层的厚度0.5 nm,这一结果同时也得到相关理论研究的支持。以高介电常数材料作为栅氧化层,以六方氮化硼作为势垒层。在直流共振隧穿机制下,器件的电流开关比ion/ioff可以达到106以上。其次,重点研究了在特定的结构参数和小信号模式下,器件产生的动态负微分电导分布。计算结果表明,当载流子碰撞频率达到特定频率时,可以获得比较明显的负微分电导峰值。通过调节栅电压准费米能级的位置,准费米能级越小,在确定的结构下获得负微分电导峰值越高,但相应的共振等离子体特征频率较小。同时改变载流子碰撞频率以及准费米能级的位置,可以改善负微分电导的分布,在较高的石墨烯碰撞频率以及准费米能级中获得更明显的负微分电导峰值。改变石墨烯相干长度的大小,可以在较短的长度下获得尖锐的负电导峰值,同时还可以提高等离子体波产生的太赫兹频率。负微分电导的产生可以激发沟道的等离子体波,增强等离子体振荡,减小朗道衰减,实现对太赫兹频率探测放大以及辐射放大。第三,采用天线结构将电磁波信号频率作为器件源漏两端入射频率,使得器件两端感生交流信号激发等离子体波,并使得石墨烯沟道内产生的等离子体波与外来电磁辐射的入射频率产生共振效应,增强等离子体振荡,最终达到探测的目的。计算结果表明,对于固定的结构参数,在足够小的沟道载流子碰撞频率下,可以获得尖锐的响应率最大峰值,响应率甚至可以超过直流共振隧穿下的特征响应率,响应率最高可以达到107v/w。在不同石墨烯相干长度下探测器响应率随信号频率的变化情况,表明了在一定范围内增加长度,其峰值减小幅度不大。适当增加栅极电压,可以获得对外来信号探测更为明显的响应率。总的来说,通过我们设计的结构参数,计算在入射频率下的太赫兹探测响应率可以达到105 V/W以上,说明了双层石墨烯隧穿异质结在太赫兹探测方面有着潜在的发展前景。此外,基于石墨烯等离子体与光子的耦合形成表面等离子体激元,我们还研究了在太赫兹电磁波辐射下,仿真器件对光波的吸收透过率。仿真结果可以适当地提高光的吸收率,表明了该三明治结构式器件在光探测以及调制方面的潜在应用。

关键词：石墨烯场效应晶体管等离子体振荡负微分电导太赫兹探测器太赫兹辐射

石墨烯场效应晶体管的构筑及其传感性能的研究

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石墨烯场效应晶体管的构筑及其传感性能的研究

作者：孙铭远济南大学

学位级别：硕士

场效应晶体管(FET)是集成电路、传感器、有源矩阵显示器、电子纸、智能卡等多种电子设备的核心元件之一。FET不仅具有信号转化与放大功能并且其尺寸小、价格低廉、易于制造,能大量的集成在同一个微小芯片上,因此引起了人们的广泛关注,... 详细信息

场效应晶体管(FET)是集成电路、传感器、有源矩阵显示器、电子纸、智能卡等多种电子设备的核心元件之一。FET不仅具有信号转化与放大功能并且其尺寸小、价格低廉、易于制造,能大量的集成在同一个微小芯片上,因此引起了人们的广泛关注,被认为是制备生物化学传感器的良好载体。近年来,石墨烯作为“明星”材料出现在人们的视野中,其具有优异的光、电、力学性能,因而成为最有前途的电子器件的基元材料之一。基于此,研究人员构筑了多种石墨烯FET器件并广泛用作生物化学传感器。然而,目前构建的FET器件的源/漏电极以及半导体层多以非共价键连接,这使得器件在受到外力作用时极易从基底上脱落从而造成器件电学信号的波动并损坏器件的物理结构,导致器件使用寿命缩短;这同样使得FET器件的电学信号非常容易受到物理、化学等各种外界因素的干扰,致使其传感信号输出不稳定。这些缺陷极大的阻碍了FET器件在传感领域的实际应用,尤其是需要在溶液中实现实时监测的医疗保健和环境监测等领域。因此,研究和构筑高性能的且同时具有抗溶剂性和电学稳定性的FET生物化学传感器,实现其对生物、化学分子的高灵敏度检测,在医疗健康和环境监测等领域具有重要的意义,并是一个亟待解决的重要命题和挑战。本文深入研究了高电学及溶剂稳定性的石墨烯FET器件的构筑,并基于此类器件制备了生物化学传感器,其主要内容如下:1、引入3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)作为偶联剂,利用氧化石墨烯(GO)表面的含氧官能团和APTMS之间的共价反应,采用共价层层(LBL)自组装的方法,设计并制造了复杂的全石墨烯基场效应晶体管(AG-FET)。这种共价构筑方式使得FET具有良好的溶剂稳定性和电学稳定性。此外,基于AG-FET固有的电学特性以及GO的荧光猝灭作用,该器件可用作高灵敏、高稳定的双信号生物传感器用于检测肺癌标志物mi RNA-141,其可通过电信号和荧光信号同时快速、定量和灵敏地检测mi RNA,而无需使用任何扩增方法。此外,由于电学信号与光学信号的互补性使得该生物传感器具有良好的可靠性和准确性,并可以实现模拟血清中mi RNA的检测。2、为进一步简化构造方法,提高器件性能,在第一个工作的基础之上,引入了5,10,15,20-四(4-氨苯基)-21H,23H-卟啉偶联剂(TAPP),并利用3-氨丙基三甲氧基硅烷和5,10,15,20-四(4-氨苯基)-21H,23H-卟啉两种偶联剂之间结构差异引起的电荷传输性能的差异,在Si/Si O衬底上组装了两种共价键合的不同电学性能的氧化石墨烯薄膜,并通过一步还原法将两种薄膜同时还原并分别用作半导体层和源/漏电极,以制造高稳定性、共价组装的全石墨烯FET(CAAG-FET)。通过这种简单方法获得的CAAG-FET具有较高的电学性能,其空穴、电子迁移率以及寿命分别达到3.79 cm/(V·s),3.78 cm/(V·s),以及18个月。此外,良好的材料稳定性和出色的器件结构使该器件同样具有出色的电稳定性和耐溶剂性,从而改善了其在溶液相传感/检测中的应用前景。在此基础上,利用ss DNA胸腺嘧啶与汞离子(Hg)的配位反应,在CAAG-FET的半导体层上实现了Hg的特异性识别,从而使该器件成为精确检测Hg的理想传感平台。该平台对Hg的检测极限低至16 p M,在模拟污水中的检测误差小于17%,并且可以实现市政供水管道中汞离子监测的模拟。

关键词：石墨烯场效应晶体管共价键 miRNA检测 Hg2+检测