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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(通訊員嶽志鵬)近日,我校电子与通信工程学院青年教师王程指导的先进材料与器件交叉实验室研究团队在二维材料石墨烯晶体管电子学生物传感器领域取得创新性研究成果。该成果以“Fullysolid-state graphene transistors with striking homogeneity and sensitivity forthe practicalization of single-device electronic bioassays”为题在世界顶级物理电子学期刊NanoLetters(纳米快报)上在线发表研究论文(DOI:10.1021/acs.nanolett.9b03528)。NanoLetters是美国化学学会(ACS)顶级期刊,影响因子12.279,代表物理电子学及纳米电子学器件研究的最高学术水平。此项成果系我校首次作为第一完成单位和第一通讯单位登上该期刊。

石墨烯是已知具有最高载流子迁移率的半导体(半金属)材料,是开发高性能电子学传感器的绝佳选择。但石墨烯单层碳原子薄膜的二维结构不同于块体材料,所有组成原子都位于材料表面导致了其电子学性能受污染物吸附影响极不稳定。受此影响,传统石墨烯场效应管(graphenefield-effect transistor, GFET)结构传感器件由于石墨烯敏感沟道直接与水溶液接触,污染物吸附引起严重的电气性能不稳定。由此引起的器件间性能不一致问题导致了石墨烯电子学传感器无法实用化。为了克服这一问题,本课题研究者首次提出了一种全固态石墨烯场效应管(fullysolid-stategraphene field-effect transistor, FSS-GFET)器件结构,通过原子层蒸镀沉积技术加工二氧化铪(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,但這一結構無疑爲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,青年教師王程于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、天津師範大學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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