科学网—山大韩琳&张宇等综述：柔性石墨烯场效应晶体管及其在柔性生物医学传感中的应用
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2024-11-15 11:29
| 系统分类: 论文交流
研究背景
柔性电子设备作为一种新兴的电子产品，正在改变我们的生活，使日常活动更加高效便捷。场效应晶体管(FET)因其高效的信号处理能力、纳米级制造工艺、低功耗、快速响应时间等优点在柔性电子产品中备受推崇。石墨烯以其卓越的机械性能、高电子迁移率和良好的生物相容性，是场效应晶体管通道和传感器的理想材料。石墨烯与FET的结合催生了柔性石墨烯场效应晶体管(FGFET)，推动了柔性电子技术的重大进展，并激发了人们对柔性生物医学传感器的浓厚兴趣。鉴于柔性GFET在 柔性电子学 领域的优势及公众对柔性传感器的广泛关注，结合该领域近期的进展，进行关于柔性石墨烯场效应晶体管及其在柔性生物医学传感中的应用的专题综述是十分必要的。这将为学术界和工业界提供有价值的参考，推动该领域的进一步发展。
Flexible graphene field-effect transistors and their application in flexible biomedical sensing
Mingyuan Sun, Shuai Wang, Yanbo Liang, Chao Wang, Yunhong Zhang, Hong Liu, Yu Zhang* & Lin Han*
Nano-Micro Letters (2025)17: 34
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01534-x
本文亮点
1. 阐述了柔性石墨烯场效应晶体管的 制备策略 ，重点讨论了 材料选择 和 图案化 技术，为构建高性能器件提供了指导策略。
2. 总结了开发基于柔性石墨烯场效应 晶体管 的可穿戴及植入式柔性生物医学传感器的 最新进展 ，深入剖析了实现高性能柔性生物传感器的 关键技术环节 。
内容简介
在这篇综述中， 山东大学韩琳/张宇教授等人 详细介绍了柔性石墨烯场效应晶体管(FGFET)的最新进展，涵盖了高性能FGFET的构建及其在柔性生物医学传感领域的应用。文章介绍了FGFET的基本结构、工作原理以及评估参数，重点探讨了FGFET的材料选择和器件图案化技术，为构建高性能器件提供了指导策略。聚焦FGFET在可穿戴和植入式生物传感中的应用，重点分析了实现高性能柔性生物传感器的关键技术环节。文章最后展望了该领域未来的发展趋势。本文重点在该领域的关键技术、发展机遇、趋势及挑战进行分析讨论。希望这些讨论能为未来在高性能 GFET 及其柔性生物医学传感应用方面的研究提供有益的参考。
图文导读
I 高性能FGFET的构建及其在柔性生物医学传感领域的应用
图1. 高性能FGFET的构建及其在柔性生物医学传感领域的应用。高性能FGFET的组成元件，包括石墨烯半导体、衬底、栅电介质和电极，以及高性能FGFET的图案化技术，如光刻、软光刻、喷墨打印和激光直写。FGFET在柔性生物传感中的应用，涵盖了基于FGFET的可穿戴生物医学传感器(用于生理信号监测和生化参数检测)和基于FGFET的可植入生物医学传感器。
I I FGFET 的简介
FGFET 的结构和运行机制
图2. 石墨烯场效应晶体管(GFET)的结构及运行机制示意图。(a) 背栅GFET，(b) 顶栅GFET，(c) 双栅GFET，(d) 固栅GFET，(e) 溶液栅GFET。(f) 固体栅控GFET和(g) 溶液栅控GFET的工作原理。
FGEET 的评估参数
图3. FGFET的评估参数。(a) 石墨烯费米能级和狄拉克点位置随掺杂剂变化的示意图。(b) 不同掺杂过程中器件转移曲线及狄拉克点电压(V Dirac )的变化。(c) 柔性石墨烯场效应晶体管在应变下的示意图。
I I I FGFET 的制备策略
FGFET 的元件
图4. FGFET的半导体材料。(a) 通过CVD和分阶段氧化/退火工艺合成的单晶石墨烯的光学显微镜图像 (b) 卷对卷石墨烯薄膜生产方法的示意图，包括在目标基底上粘附聚合物支撑物、铜蚀刻(漂洗)和干式转移印刷。(c) 石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯的化学结构示意图，以及还原氧化石墨烯的合成路线。(d) GO/ 己胺 超晶格的示意模型，以及GO/六胺超晶格的扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)图像(右上)。(e) 采用改良液体剥离法合成石墨烯墨水的步骤。(f) 三维石墨烯泡沫的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图5. FGFET的衬底材料。从右上角顺时针依次为：柳玻璃、PIonS、气球、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯亚胺(PEI)、纸和丝。
图6. FGFET的介电层材料。(a) 带有氧化钇介电层的柔性GFET示意图。以有机聚合物(b) Al₂O₃/PVP/Al₂O₃和(c) P(VDF-TrFE-CFE)作为介电层的柔性石墨烯GFET示意图。(d) 以离子凝胶膜为介电层的GFET器件阵列的光学图像。(e) 带有 PBS溶液 介电层的溶液栅控场效应晶体管示意图。
图7. FGFET的电极材料。带有金属电极的柔性石墨烯GFET示意图：(a) 金电极和(b) 液态金属电极。带有纳米导电材料电极的柔性石墨烯GFET示意图：(c) 聚苯乙烯磺酸盐导电聚合物、(d) 石墨烯封装铜纳米颗粒(MLG-CuNPs)金属纳米材料以及(e) 还原氧化石墨烯(rGO)。
FGFET 的图案化工艺
图8. 与 FGFET 元件图案化相关的光刻技术。使用光刻技术制备柔性透明 GFET 的流程图。
图9. 与FGFET元件图案化相关的软光刻技术。(a) 微转移模塑(μTM)方法的图案化示意图。(b) rGO场效应晶体管的制造示意图，其中石墨烯通道通过微毛细管中的微成型技术进行图案化。(c) 通过蒸发诱导自组装(EISA)法和(d) 微接触印刷(μCP)法进行石墨烯图案化的示意图。
图10. 与FGFET元件图案化相关的喷墨和气溶胶打印技术。(a) FGFET器件的制造过程示意图，其中电极通过喷墨打印技术进行图案化。(b) 在柔性塑料基底上制造离子凝胶门控石墨烯晶体管阵列的示意图，其中离子凝胶门控电介质是通过气溶胶喷射印刷技术进行图案化。
图11. 与 FGFET 元件图案化相关的激光直写技术。(a) 基于 FsLDW 生成全 RGO 场效应晶体管的实验过程示意图，其中金属和半导体 RGO 微图案可通过 FsLDW 实现。(b) 激光诱导石墨烯场效应晶体管的制造过程，其中源极/漏极以及半导体沟道是通过激光直接写入 PI 衬底。
应变对 FGFET 电气特性的影响
图12. 应变对柔性石墨烯FET电性能的影响。(a) 放置在非平面上的柔性纳米传感器在弯曲恢复(15分钟)后，石墨烯的电阻、狄拉克点和跨导的变化。(b) 柔性顶栅石墨烯场效应晶体管的电学测量装置图片。不同弯曲半径下石墨烯场效应晶体管的电荷转移特性。不同弯曲曲率和重复弯曲应力循环下的石墨烯场效应晶体管的归一化空穴和电子迁移率值。(c) 柔性PET衬底上GNM FET器件阵列的结构模型。在弯曲角度分别为30°、60°、90°和120°时的I d -V g 特性。透明和柔性GNM FET器件阵列在弯曲、卷曲和扭曲条件下的光学图像。(d) 器件阵列在拉伸和压缩应变下的照片。极小拉伸和压缩应变下归一化电流I DS /I DS₀ 的时间依赖性。
I V FGFET 在柔性生物医学传感器中的应用
基于 FGFET 的可穿戴生物医学传感器用于生理信号传感
图13. 基于FGFET的可穿戴生物医学传感器用于监测生物力学信号。(a) PRESSFET安装在眼镜的内侧，与面部太阳穴区域保持接触，以演示机器人设备的免提控制。(b) 基于单电极模式三电纳米发电机(S-TENG)与石墨烯场效应晶体管共面耦合的触摸传感器。该器件能够有效检测来自裸手指和戴手套手指的触摸刺激。(c) 通过在PDMS基底上制造的保形压电势门控GT应变传感器监测手部运动。(d) 使用SPE涂层的石墨烯场效应晶体管应变传感器检测关节运动。(e) 直接连接在志愿者人中和手腕上的压力传感器，分别用于呼吸检测和脉搏监测。
图14. 基于 FGFET 的可穿戴生物医学传感器用于体温监测。(a) R-GO/PU 温度传感器的传感机制示意图。温度传感器与压力传感器集成的电热和红外热成像技术可同时监测颈部皮肤温度和肌肉运动。(b) 柔性 MFGPNE-FET 多功能压力-温度传感器的传感机制和检测性能。
基于 FGFET 的可穿戴生物医学传感器用于生化分子传感
图15. 基于FGFET可穿戴生物医学传感器用于蛋白质检测。(a) rGO@SFP FET蛋白质生物传感器的传感机制及其传感性能。(b) 基于石墨烯的适配体纳米生物传感器的传感机理及其在不同变形后检测未稀释尿液中Hb的电性能。(c) 基于石墨烯场效应晶体管的隐形眼镜，用于远程监测和治疗慢性OSI。
图16. 基于FGFET的可穿戴生物医学传感器用于细胞因子检测。(a) 安装在人体手部和隐形眼镜上的柔性再生贴体场效应晶体管生物传感器。不同膨胀半径下GFET纳米传感器的传导率和载流子迁移率，以及不同充气周期后传感器的跨导率和载流子迁移率。不同充气半径下TNF-α蛋白浓度的测量结果。(b) 用于检测人体汗液中IFN-γ的柔性可再生贴体石墨烯-Nafion场效应晶体管生物传感器。(c) 用于细胞因子检测的柔性适配体DGTFET生物传感技术。这种完全集成的设备可以舒适地佩戴在身体的不同部位，如前额、胸部和手臂。它对人体汗液中不同浓度的细胞因子(包括IFN-γ、TNF-α和IL-6)反应良好。
图17. 基于FGFET的可穿戴生物医学传感器用于葡萄糖检测。(a) 基于FGFET的酶葡萄糖传感器的检测机制。(b) 贴在手腕上的丝基石墨烯FET葡萄糖生物传感器的示意图和光学图像。(c) PBA功能化石墨烯FET葡萄糖传感方法示意图。(d) 使用PBA功能化GFET纳米传感器进行葡萄糖检测的一致性表征，经过长时间储存和多次重复使用。(e) kirigami图案可拉伸传感器在中性状态和100%双轴拉伸状态下的照片。(f) 用于葡萄糖检测的柔性凝胶电解质石墨烯晶体管的灵敏度和稳定性。
图18. 基于FGFET的可穿戴生物医学传感器用于核酸和其他生物分子的检测。(a) miRNA传感器的结构示意图和灵敏度。(b) 使用智能隐形眼镜测量皮质醇水平的示意图。使用隐形眼镜传感器测量的皮质醇浓度是滴入眼内的皮质醇溶液浓度的函数。(c) 连接到人造眼睛上的超柔性透明GFET可穿戴纳米传感器的照片。平整、弯曲、折叠和收缩纳米传感器的ΔV Dirac 与L-半胱氨酸浓度的函数关系。纳米传感器的ΔVDirac与人工泪液中L-半胱氨酸浓度的函数关系。
图19. 基于FGFET的可穿戴生物医学传感器用于金属离子检测。(a) GISFET检测钾离子的传感机制和传感性能。(b) 采用ISM的rGO LGT横截面示意图和照片及其对人工汗液中K⁺和Na⁺浓度的灵敏度。
基于 FGFET 的植入式生物医学传感器
图20. 基于FGFET的植入式生物医学传感器用于生物电信号监测。(a)石墨烯晶体管的同步记录显示双谷氨酸诱导的大脑活动。(b) 用于绘制CSD皮层上和皮层内地图的gSGFET。(c) 使用基于石墨烯晶体管的神经探针进行双模态记录。
图21. 基于FGFET的植入式生物医学传感器用于神经化学物质检测。(a) 用于体内多巴胺检测的适配体-石墨烯微晶体管探针的传感机制和传感性能。(b) 将多重神经探针植入采集的小鼠脑组织，用于监测多巴胺和血清素。在注射多巴胺溶液和血清素溶液时，植入小鼠脑组织的多路复用神经探针的实时响应。
图22. 基于FGFET的植入式生物医学传感器的长期稳定性和生物相容性。(a) g-SGFET的长期稳定性。(b) gDNP的生物相容性。
V 讨论、结论和展望
该综述旨在为读者介绍高质量柔性GFET及其在柔性生物传感领域的最新进展。除了讨论制备高性能基于FGFET的柔性生物医学传感器的各种策略外，还从多个角度展望了FGFET在生物传感领域的广泛应用前景。这些角度包括高性能FGFET的开发、基于FGFET的自供电生物医学传感器、FGFET与数字化技术的结合以及多功能生物医学传感器的开发等。这些分析和展望为未来FGFET在生物传感领域的全面应用奠定了基础，同时为进一步提升其整体性能和应用质量提供了重要的参考和指导。
作者简介
韩琳
本文通讯作者
山东大学 教授
▍ 主要研究 领域
面向生命健康和海洋环境监测的新型生物传感芯片与系统研发，开发了10余种国际先进水平的生物芯片(DNA、miRNA、抗原、抗体、外泌体、单细胞等)。
▍ 个人简介
山东大学海洋研究院/集成电路学院教授，博士生导师，山东大学杰出中青年学者，齐鲁青年学者，山东省杰出青年基金获得者。近五年，以第一或通讯作者在 Chemical Society Review、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、 ACS Nano 、Advanced Healthcare Materials等国际知名期刊发表学术论文60余篇，申请专利60余项，授权发明专利28项，实现了千万级的技术成果转化，相关成果被中央人民广播电台特别报道。主持国家重点研发计划(课题2项，子课题1项)、国家自然基金青年/面上、山东省杰出青年基金、山东省重大创新工程项目课题等10余项，担任山东大学青年交叉科学群体项目首席。曾获青岛市拔尖人才、山东大学杰出中青年学者、山东大学十大高价值应用科技成果奖、中国济南新动能国际高层次人才创新创业大赛一等奖等荣誉。担任卓越期刊BMEMat和Interdisciplinary Medicine编委，担任山东省医学会类器官分会第一届委员会、生物标志物与人工智能应用山东省工程研究中心副主任和济南市微纳传感芯片与智能装备重点实验室主任。
▍ Email： hanlin@sdu.edu.cn
张宇
本文通讯作者
山东大学 教授
▍ 主要研究 领域
新型微纳传感材料、器件和系统，微流控技术，海洋环境检测技术的研究开发及其应用。
▍ 个人简介
耶鲁大学/山东大学联合培养工学博士，山东大学教授，博士生导师，承担和参与国家重点研发计划，山东省重点研发计划，国家自然基金，横向项目等10余项，发表SCI论文90余篇，申请专利60余项，科技成果转化多项。2022年和2023年分别获得山东大学优秀硕士学位论文指导奖。2024年获得山东省金桥奖一等奖。
▍ Email： yuzhang@sdu.edu.cn
撰稿 ：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
关于我们
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
Web: https://springer.com/4082
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