前言

由于生物传感器能够提供连续和实时信息的潜力，所以其是医疗领域的优选设备，并在引起法医工业、国家安全和生态监测等其他领域极大的兴趣。具体而言，基于电化学场效应晶体管(场效应晶体管)的生物传感器已被认为是有前途的候选之一，因为它们与电子器件兼容，功耗低，特定生物分子的无标记检测，以及低成本大规模生产。在基于场效应晶体管的生物传感器中，带电的生物分子产生静电效应，并带来沟道电导率的变化，这可以很容易地通过晶体管特性如源极到漏极电流来测量。为了从带电的生物分子中获得更好的静电效应，已经使用了许多半导体材料。在各种材料中，二维(2D)半导体材料由于其可调带隙、高表面与体积比(提供更高的检测灵敏度)而备受关注。过渡金属二硫化物(TMDs)，如MoS 2由于其直接带隙、生物相容性和高迁移率而在场效应晶体管生物传感器领域获得了广泛关注。尽管有这些优点，这种原子层晶体的性能和一致性很容易受到支撑衬底相互作用的影响。支撑衬底与MoS2原子层的相互作用通过散射降低了传输特性，这意味着界面控制对于生物传感器器件的性能和可靠性至关重要。因此，在二氧化硅或任何其他绝缘衬底上转移另一层二氧化硅不能明显有助于载流子的传输，从而导致每个器件的输出不可靠。近年来，已经进行了许多努力来提高衬底的质量，例如通过使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚合物电解质的活性层界面。这些层避开了化学键合或表面粗糙度，并改善了载流子传输特性，但由于制造和再现性问题，它们不能用于生物传感器应用。另一种方法是在电极之间形成原子层的悬浮液，以增强载流子传输，并通过湿法蚀刻单层MoS2下面的二氧化硅层来消除散射效应。

研究内容

鉴于场效应管生物传感器的可靠性和灵敏度的重要性，韦恩州立大学的研究人员采用新颖的干法压印方法，在自组装光刻图案化纳米间隙上转移化学气相沉积生长的二氧化钼，实现悬浮。制作的纳米间隙电极具有70至90纳米的间距，这为MoS2单层提供了机械强度。HfO 2被认为是一种介电材料，它很容易被 APTES、戊二醛和大肠杆菌抗体功能化，通过靶向带电的大肠杆菌给悬浮的2D MoS2带来变化。悬浮场效应晶体管结构通过终止散射现象和提高酸碱度和大肠杆菌检测的灵敏度，将亚阈值摆幅降至70毫伏/秒。2D沟道材料即二氧化钼的独立特性保留了其固有特性，并在每个器件中提供了可靠性和一致性。

实验方法

化学气相沉积法生长二氧化钼的实验步骤如下: 石英舟皿由三氧化钼粉末组成，二氧化硅/硅块(粉末顶部)位于炉的中部，而硫舟位于低温区的上游。在化学气相沉积法生长二氧化钼的典型工艺流程中，氩气以250 sccm的速度通过20分钟，以洗去所有环境气体，然后在15分钟内升温至750℃。之后，温度保持在750℃20分钟。在这种情况下，硫开始蒸发并还原三氧化钼，转化为金属二氧化钼。二氧化钼的进一步硫化导致二氧化硅/硅片上形成三角形的二氧化钼。

悬浮金属氧化物半导体场效应晶体管的制备过程

悬浮二硫化钼场效应晶体管的电学特性

悬浮二硫化钼场效应晶体管的酸碱度检测

悬浮二硫化钼场效应晶体管检测大肠杆菌

结论

研究人员提供了一种基于悬浮二硫化钼场效应晶体管的高灵敏度和高可靠性生物传感器的综合研究方法，用于检测酸碱度和大肠杆菌。这种结构可以检测低浓度的生物分子，因为原子层作为通道材料，由于涉及光学光刻、干法压印和化学气相沉积技术而具有可扩展性，并且由于消除了支撑衬底而具有可靠性和可再现性。悬浮式二硫化钼场效应晶体管生物传感器的这些优点使其成为有前途的下一代传感器件，用于生物分子的现场检测，如新冠肺炎病毒和生物电子学应用。

https://doi.org/10.1016/j.bios.2020.112724。