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二硫化钼摩擦离子电子学晶体管可主动式操控,

时间:2019-09-26 15:24来源:信息科学
凤凰彩票在线计划 ,唐氏综合征是最常见、最高发的出生缺陷疾病,风险率达1/700;患儿因多了一条21号染色体而具有明显的智力和形体缺陷,给患儿及其家庭,乃至社会造成沉重负担

凤凰彩票在线计划,唐氏综合征是最常见、最高发的出生缺陷疾病,风险率达1/700;患儿因多了一条21号染色体而具有明显的智力和形体缺陷,给患儿及其家庭,乃至社会造成沉重负担。为了降低该病患儿出生率,我国要求对孕妇进行产前筛查,目前国内通用的方法为超声检查和孕妇血液标志物检测,存在准确率低、误诊率高的问题;而新兴的全基因测序的方法,不仅费用昂贵,且用时过长,难以在大范围推广,因此急需发展一种快速,低成本且准确率高的新型筛查方法。近日,北京大学信息科学技术学院电子学系、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇教授课题组利用基于二硫化钼场效应晶体管的生物传感器,对新型唐氏综合征筛查方案展开探索,并取得重要进展。

传统硅基半导体器件的小型化进程逐渐接近其物理极限,寻找新的材料、发展新的技术使器件尺寸进一步缩小仍是该领域的发展趋势。传统硅基场效应晶体管要求沟道厚度小于沟道长度的1/3,以有效避免短沟道效应。但受传统半导体材料限制,沟道厚度不能持续减小。近年来,利用二维半导体材料来构造短沟道晶体管器件已经成为一个前沿探索的热点课题。二维材料因其达到物理极限的厚度成为一种构造超短沟道晶体管的潜在材料,理论上可以有效降低短沟道效应。但构造一个真正的三端亚5纳米短沟道场效应晶体管器件来有效避免短沟道效应,还存在技术上的挑战。

两种不同材料接触分离可产生静电荷并引发一个摩擦静电场,该摩擦电场可以驱动自由电子在外部负载流通,得到脉冲输出信号。一方面,摩擦纳米发电机就是利用了这种脉冲信号实现了将外部环境机械能转换成电能,近期在许多领域实现了许多突破性进展,包括从多种机械运动获取能源、自驱动机械感应系统、高灵敏质谱分析以及常压下机械触发的等离子体等。另一方面,当TENG产生的静电场与电容性器件耦合时(例如,场效应晶体管),半导体沟道中载流子的传输特性可以被摩擦电势有效调制,也就是摩擦电子学晶体管(tribotronic transistor)。为了开发更高性能主动式摩擦电子学晶体管,针对TENG与半导体器件耦合的基础物性研究和相关工艺工程迫切地需要更深入的探索。利用双栅结构电容耦合,使二硫化钼摩擦电子学晶体管电流开关比超过六个数量级。平面设计以及利用直接接触模式,同样简化了石墨烯摩擦电子学机械传感器件。然而,鉴于之前复杂的加工工艺和较为普通的电学性能,摩擦电子学仍有巨大的研究空间。

课题组采用化学气相沉积生长的大面积、高质量、均一的单层MoS2薄膜做沟道材料,所制备的FET阵列电学性能优越;与此同时,在FET沟道区域修饰金纳米颗粒,以连接DNA探针,通过Au和HS-离子的化合反应,将适当密度的脱氧核糖核酸探针连接至金颗粒,该探针DNA就可以捕获溶液中的待测DNA,引起器件电流下降。在确认FET器件的时间稳定性良好后,进行以21号染色体标志性片段为待测物的DNA静态反应,并测试器件电学性质改变;结果表明,器件可实现0.1 fM/L的超高检测精度和240%的最大响应率,综合这两项指标,为迄今公开报道的FET DNA传感器的最佳结果。在DNA干扰物测试中,器件同样表现出高度特异性;实时测试表明,器件能够连续区分出1 fM/L~1 pM/L的待测DNA,反应时间仅为400 s。此外,运用相同的实验方案测试参考DNA片段,通过比较所测得21号染色体和13号染色体的浓度,即可判断是否存在21号染色体的过表达,从而推断胎儿21号染色体数目是否异常,最终实现唐氏综合征的无创产前检测。

针对如何利用二维半导体材料构筑短沟道晶体管的问题,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室N07组博士研究生谢立等在研究员张广宇、时东霞的指导下,针对器件结构中的沟道、电极、及栅介质等几种核心材料,设计了一种基于全二维材料构筑的新型短沟道晶体管器件。针对接触电极材料,在前期工作基础上,发展了基于晶界的刻蚀和展宽技术制备出石墨烯纳米间隙电极,间隙尺寸在3纳米以上可控。利用干法转移技术将作为沟道材料的单层二硫化钼,与作为栅介质材料的少层氮化硼依次进行叠层,构造出具有一系列不同沟道长度的单层二硫化钼场效应晶体管器件,最小沟道长度为~4纳米。利用石墨烯作为电极和二硫化钼接触具有两方面的优点,即极低的接触电阻和极弱的边缘效应,从而达到电场对沟道载流子的高效调控。器件的电学测试结果表明,当沟道长度大于9纳米时,其关态电流小于0.3pA/µm, 开关比大于107,迁移率可达30cm2V-1s-1,亚阈值摆幅~93mV·dec−1,漏致势垒降低<0.425V·V−1,短沟道效应可以忽略;当沟道长度低至4纳米时,短沟道效应开始出现但仍较弱。此外,这种短沟道器件可以承载超大电流密度大于500µA/µm,为目前报道的最高值。该研究利用全二维材料构筑超短沟道场效应晶体管器件,验证了单层二硫化钼对短沟道效应的超强免疫性及其在未来5纳米工艺节点电子器件中的应用优势。

近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所孙其君和王中林研究团队基于摩擦电子学的原理,制备了一种新型的二硫化钼摩擦离子电子学晶体管(triboiontronic transistor),该器件通过工作在接触分离模式下的TENG产生的摩擦电势与离子调控的二硫化钼晶体管耦合,连接了摩擦电势调制特性以及离子调控的半导体特性。摩擦电势在离子凝胶和二硫化钼半导体界面处可诱导形成超高的双电层电容,可高效率调制沟道中载流子传输性能。不需要额外栅压,二硫化钼摩擦离子电子学晶体管可主动式操控,器件表现低的阈值和陡峭的开关特性(20 um/dec)。通过预设耦合与晶体管的摩擦电势的初始值,摩擦离子电子学晶体管可以操作在两个工作模式下,增强模式和耗尽模式,实现更高的电流开关比以及超低的关态电流。文章展示了二硫化钼摩擦离子电子学反相器,反相器对应增益,并且具有较低的功耗以及优异的稳定性。这项工作展现了一个通过外部机械指令来高效率调制二维材料半导体器件以及逻辑电路的低功耗主动式以及普适的方法,在人机交互、电子皮肤、智能传感以及其他可穿戴器件等领域有巨大的应用前景。该研究成果以Triboiontronic Transistor of MoS 2为题发表于近期的《先进材料》(Adv.Mater.,DOI:10.1002/adma.201806905)上。

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