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【二維材料生長】澤攸科技PECVD設(shè)備助力開發(fā)新型石墨烯生物傳感器

澤攸科技 2025/07/04 | 閱讀：34

產(chǎn)品配置單：

方案詳情：

近日，松山湖材料實驗室許智團(tuán)隊與清華大學(xué)符汪洋合作在納米領(lǐng)域頭部期刊《Small》上發(fā)表了一項引人注目的研究成果，題為“Ultrasensitive biochemical sensing platform enabled by directly grown graphene on insulator”（硅晶圓上直接生長石墨烯實現(xiàn)高靈敏生化傳感平臺）。這項研究利用澤攸科技的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）設(shè)備，無需金屬催化劑，成功構(gòu)建了高產(chǎn)率（328/384）的石墨烯場效應(yīng)晶體管（GFET）生物傳感器芯片。電學(xué)測試表明這些GFET器件的電阻、載流子遷移率和傳輸特性曲線具有良好的一致性。

本文的通訊作者為許智研究員（松山湖材料實驗室）和符汪洋副教授（清華大學(xué)材料學(xué)院）。本研究得到了國家自然科學(xué)基金、清華-佳能醫(yī)療國際科技合作等項目支持。

圖1 直接在介質(zhì)基底上快速生長的無金屬催化劑石墨烯，實現(xiàn)了高產(chǎn)率的高性能生物傳感器芯片制作（4英寸晶圓，328/384）

石墨烯作為一種二維材料，以其出色的電學(xué)性能而備受矚目。但由于其所有原子暴露在外,對外界環(huán)境的變化極為敏感，利用這些特性，目前已成功開發(fā)石墨烯霍爾傳感器并應(yīng)用于航空航天、量子計算等高精尖領(lǐng)域。而具有進(jìn)行準(zhǔn)確即時診斷潛力的石墨烯生物傳感器尚處于研發(fā)階段，如課題組在2020年新冠疫情爆發(fā)初期，采用該技術(shù)實現(xiàn)了對SARS-CoV-2病毒表面刺突糖蛋白受體結(jié)合域的快速識別（arXiv:2003.12529）。

然而，目前常用的濕法轉(zhuǎn)移制備工藝與半導(dǎo)體工藝難以兼容，所用有機(jī)支撐層、金屬刻蝕劑等易造成化學(xué)雜質(zhì)殘留，限制了石墨烯生物傳感器器件產(chǎn)率和傳感性能。在絕緣或半導(dǎo)體等介質(zhì)基底上無金屬催化劑直接生長二維材料有望解決這一難題。

圖2 GFET傳感器檢測SARS-CoV-2病毒N蛋白抗原及噪聲頻譜測試。（a）和（b）加入10 aM至1 nM濃度N蛋白溶液時狄拉克點移動量△VCNP的變化；（c）液柵電壓從0 V至0.6 V時GFET的噪聲功率譜密度（PSD）；（d）轉(zhuǎn)移特性曲線（黑）, 歸一化噪聲強(qiáng)度A（紅）和推算理論檢測限（藍(lán)）

進(jìn)一步制備的生物傳感器在實驗室測試條件下表現(xiàn)出超靈敏的性能，能夠檢測稀釋到亞飛摩爾濃度的SARS-CoV-2病毒核衣殼蛋白（N蛋白）抗原，與基于濕法轉(zhuǎn)移的高質(zhì)量石墨烯生物傳感器檢測限（LOD）相當(dāng)。噪聲頻譜分析表明，通過器件結(jié)構(gòu)與面積的優(yōu)化，PECVD石墨烯具備足夠優(yōu)異的噪聲性能，而其LOD主要受制于傳感器漂移。長期以來，人們普遍認(rèn)為石墨烯在直接生長過程中形成的缺陷所造成的電學(xué)特性退化將導(dǎo)致非理想的傳感性能，該結(jié)果澄清了這一疑惑。

圖 3 GFET傳感器特異性及咽拭子樣本檢測。（a）將不同濃度的 ACE-2、S1、S1Ab 蛋白溶液加入N蛋白抗體功能化GFET傳感器時△VCNP的變化。（b）1 pM濃度ACE-2、S1、S1Ab和N蛋白溶液的△VCNP變化比較。（c） COVID-19患者樣本與健康人樣本（均稀釋至 0.01×）的實時|ΔIds/Ids|信號響應(yīng)。（d）COVID-19患者樣本與健康人樣本（均稀釋至 0.1×）的實時|ΔIds/Ids|信號響應(yīng)

本研究選取三種與SARS-CoV-2病毒相關(guān)的蛋白—人體血管緊張素-2（ACE-2）、S1刺突蛋白、S1刺突蛋白抗體（S1Ab）作為對照組進(jìn)行檢測，表明所制備的GFET傳感器具備較好的檢測特異性。為驗證所制備GFET傳感器的臨床應(yīng)用性能，該工作將COVID-19 患者的咽拭子樣本（稀釋前PCR測試中樣本ORF1ab基因和N基因的CT值分別為29.054和28.740）和用于對照的健康人樣本分別稀釋10倍（0.1×，pH=7.55）和100倍（0.01×，pH=7.24）加入GFET生物傳感器測試，在無需前期標(biāo)記或擴(kuò)增的條件下得到了足以分辨的信號。驗證了PECVD直接均勻生長在晶圓上的石墨烯用于高產(chǎn)率、高靈敏生物傳感器芯片的可行性。

這項研究成果的發(fā)表不僅在技術(shù)上解決了石墨烯生長過程中缺陷對電學(xué)特性的影響問題，也為生物傳感器領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展方向。未來，基于這一技術(shù)的石墨烯生物傳感器有望在醫(yī)學(xué)診斷、疫情監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。同時，這也展示了澤攸科技的PECVD技術(shù)在納米科技領(lǐng)域的先進(jìn)水平，為生物傳感器領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

澤攸科技自主研發(fā)的多功能電感耦合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)（PECVD）是用來制備高純、高性能固體薄膜的主要技術(shù)，主要借助微波或射頻的方法將目標(biāo)氣體進(jìn)行電離，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)在較低的溫度下進(jìn)行，從而在基片上沉積出所期望的薄膜。改設(shè)備可在多種襯底上（如金屬、氧化物、半導(dǎo)體表面）直接生長以石墨烯為代表的各類新型二維材料，用于新材料、新器件的研發(fā)。工藝簡單廉價，且具有傳統(tǒng)半導(dǎo)體生長工藝的兼容性。

澤攸科技自主研發(fā)的二維材料轉(zhuǎn)移臺是專為解決手動轉(zhuǎn)移過程中由手的抖動帶來的這一不良結(jié)果，并充分還原手動轉(zhuǎn)移過程中的手感與操作方式，給予更好的準(zhǔn)確度和掌控性。同時也是一款專為手套箱環(huán)境設(shè)計的二維材料轉(zhuǎn)移臺，用于解決水氧敏感材料的轉(zhuǎn)移痛點。并且還是一款專為轉(zhuǎn)移“魔角”樣品而設(shè)計的二維材料轉(zhuǎn)移臺。

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