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【Adv.Funct.Mater.】TENG调节肖特基/欧姆接触可逆转变用于多功能高灵敏生物传感器
发表日期: 2019-12-05 文章来源:
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  随着人们对微型化器件的需求日益增长,基于纳米材料的功能性器件受到了广泛关注。一维半导体微纳米线场效应晶体管在各式高灵敏度传感系统中具有广泛应用。基于半导体纳米线的传感器性能受电极/半导体接触状态的影响很大,金属电极与半导体纳米线接触形式主要有两种:欧姆接触与肖特基接触。在过去的研究中,人们常使用欧姆接触器件放大“栅压效应”以此实现对带电/极性分子或生物电信号的高灵敏度检测,传感器的性能依赖于纳米线体电阻的改变。最近几年,研究人员发现肖特基接触传感器在检测紫外光,生物分子以及气体时具有显著增强的灵敏度。肖特基接触传感器的灵敏度主要依赖于肖特基势垒高度的变化。 

  现有研究表明:肖特基接触传感器更适合于检测低浓度生物分子,而欧姆接触传感器在检测神经电信号时具有更强的灵敏度。这两种生物信号的高灵敏检测对神经性疾病的临床诊断以及脑科学的研究具有重要意义。帕金森病是一种常见的神经系统变性疾病,患者体内的多巴胺浓度与神经电信号均会发生异常,目前利用同一传感器件对多巴胺及神经电信号实现高灵敏度检测依然是一项挑战,该研究对于多功能化及微型化传感器的制备具有重要意义。 

  近日,北京纳米能源与系统研究所王中林院士和李舟研究员团队与电子科技大学张岩教授合作,通过使用摩擦纳米发电机TENG)产生的高压电脉冲调节肖特基势垒高度,实现了单个器件在肖特基接触状态与欧姆状态之间的可逆转变(SOR生物传感器)。实验结果表明TENG高压电脉冲作用于氧化锌ZnO)纳米线器件的时候,ZnO纳米线传感器的肖特基势垒会降低,TENG处理达到一定次数,ZnO纳米线传感器可由肖特基接触器件转变为欧姆接触器件。当停止TENGZnO纳米线传感器的作用后,降低的肖特基势垒会随着时间的增加而逐渐恢复,欧姆接触器件可恢复为肖特基接触器件。这一可逆转变的机制可能是:TENG产生的高电压脉冲产生使ZnO内部的氧空位发生扩散,在金属半导体接触界面产生极化,使得肖特基势垒降低;当TENG停止作用后,氧空位向反方向扩散,肖特基势垒恢复。 

  在本工作中,通过调节肖特基势垒高度,SOR生物传感器可以在肖特基接触状态与欧姆接触状态发挥不同的检测优势。作者使用同一个SOR生物传感器在肖特基接触状态实现了对低浓度多巴胺分子的检测(0.5μmol/mL)。转变为欧姆接触状态之后,SOR生物传感器对神经电脉冲的灵敏度提高了16倍。 

  该工作提出了一种简单有效且不易损坏纳米器件的肖特基势垒调控方法,该方法拓宽了基于肖特基势垒的传感器应用范围,也为同一器件实现多功能化的高灵敏检测提供了新的技术方案。相关成果以“Reversible Conversion between Schottky and Ohmic Contacts for Highly Sensitive, Multifunctional Biosensors”为题发表在最新一期国际著名学术期刊Advanced Functional Materials上。 

  文章第一作者为赵璐明、李虎、孟建平和Aurelia Chi Wang,通讯作者为张岩、王中林和李舟。该项工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京市科技项目以及国家万人计划“青年拔尖”人才的经费支持。文章链接 https://doi.org/10.1002/adfm.201907999 

SOR生物传感器测量神经递质(DA)以及神经电冲动的概念图。

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