【二维材料生长】泽攸科技PECVD设备助力开发新型石墨烯生物传感器
发布时间：
2023-12-29
这项研究利用泽攸科技的等离子体增强化学气相沉积（PECVD）设备，无需金属催化剂，成功构建了高产率（328/384）的石墨烯场效应晶体管（GFET）生物传感器芯片。电学测试表明这些GFET器件的电阻、载流子迁移率和传输特性曲线具有良好的一致性。
近日，松山湖材料实验室许智团队与清华大学符汪洋合作在纳米领域头部期刊《Small》上发表了一项引人注目的研究成果，题为“Ultrasensitive biochemical sensing platform enabled by directly grown graphene on insulator”（硅晶圆上直接生长石墨烯实现高灵敏生化传感平台）。这项研究利用泽攸科技的等离子体增强化学气相沉积（PECVD）设备，无需金属催化剂，成功构建了高产率（328/384）的石墨烯场效应晶体管（GFET）生物传感器芯片。电学测试表明这些GFET器件的电阻、载流子迁移率和传输特性曲线具有良好的一致性。
本文的通讯作者为许智研究员（松山湖材料实验室）和符汪洋副教授（清华大学材料学院）。本研究得到了国家自然科学基金、清华-佳能医疗国际科技合作等项目支持。
图1 直接在介质基底上快速生长的无金属催化剂石墨烯，实现了高产率的高性能生物传感器芯片制作（4英寸晶圆，328/384）
石墨烯作为一种二维材料，以其出色的电学性能而备受瞩目。但由于其所有原子暴露在外,对外界环境的变化极为敏感，利用这些特性，目前已成功开发石墨烯霍尔传感器并应用于航空航天、量子计算等高精尖领域。而具有进行准确即时诊断潜力的石墨烯生物传感器尚处于研发阶段，如课题组在2020年新冠疫情爆发初期，采用该技术实现了对SARS-CoV-2病毒表面刺突糖蛋白受体结合域的快速识别（arXiv:2003.12529）。
然而，目前常用的湿法转移制备工艺与半导体工艺难以兼容，所用有机支撑层、金属刻蚀剂等易造成化学杂质残留，限制了石墨烯生物传感器器件产率和传感性能。在绝缘或半导体等介质基底上无金属催化剂直接生长二维材料有望解决这一难题。
图2 GFET传感器检测SARS-CoV-2病毒N蛋白抗原及噪声频谱测试。（a）和（b）加入10 aM至1 nM浓度N蛋白溶液时狄拉克点移动量△VCNP的变化；（c）液栅电压从0 V至0.6 V时GFET的噪声功率谱密度（PSD）；（d）转移特性曲线（黑）, 归一化噪声强度A（红）和推算理论检测限（蓝）
进一步制备的生物传感器在实验室测试条件下表现出超灵敏的性能，能够检测稀释到亚飞摩尔浓度的SARS-CoV-2病毒核衣壳蛋白（N蛋白）抗原，与基于湿法转移的高质量石墨烯生物传感器检测限（LOD）相当。噪声频谱分析表明，通过器件结构与面积的优化，PECVD石墨烯具备足够优异的噪声性能，而其LOD主要受制于传感器漂移。长期以来，人们普遍认为石墨烯在直接生长过程中形成的缺陷所造成的电学特性退化将导致非理想的传感性能，该结果澄清了这一疑惑。
图 3 GFET传感器特异性及咽拭子样本检测。（a）将不同浓度的 ACE-2、S1、S1Ab 蛋白溶液加入N蛋白抗体功能化GFET传感器时△VCNP的变化。（b）1 pM浓度ACE-2、S1、S1Ab和N蛋白溶液的△VCNP变化比较。（c） COVID-19患者样本与健康人样本（均稀释至 0.01×）的实时|ΔIds/Ids|信号响应。（d）COVID-19患者样本与健康人样本（均稀释至 0.1×）的实时|ΔIds/Ids|信号响应
本研究选取三种与SARS-CoV-2病毒相关的蛋白—人体血管紧张素-2（ACE-2）、S1刺突蛋白、S1刺突蛋白抗体（S1Ab）作为对照组进行检测，表明所制备的GFET传感器具备较好的检测特异性。为验证所制备GFET传感器的临床应用性能，该工作将COVID-19 患者的咽拭子样本（稀释前PCR测试中样本ORF1ab基因和N基因的CT值分别为29.054和28.740）和用于对照的健康人样本分别稀释10倍（0.1×，pH=7.55）和100倍（0.01×，pH=7.24）加入GFET生物传感器测试，在无需前期标记或扩增的条件下得到了足以分辨的信号。验证了PECVD直接均匀生长在晶圆上的石墨烯用于高产率、高灵敏生物传感器芯片的可行性。
这项研究成果的发表不仅在技术上解决了石墨烯生长过程中缺陷对电学特性的影响问题，也为生物传感器领域带来了新的发展方向。未来，基于这一技术的石墨烯生物传感器有望在医学诊断、疫情监测等领域发挥重要作用。同时，这也展示了泽攸科技的PECVD技术在纳米科技领域的先进水平，为生物传感器领域的进一步研究和应用奠定了坚实基础。
泽攸科技自主研发的多功能电感耦合等离子体增强化学气相沉积系统（PECVD）是用来制备高纯、高性能固体薄膜的主要技术，主要借助微波或射频的方法将目标气体进行电离，促进化学反应在较低的温度下进行，从而在基片上沉积出所期望的薄膜。改设备可在多种衬底上（如金属、氧化物、半导体表面）直接生长以石墨烯为代表的各类新型二维材料，用于新材料、新器件的研发。工艺简单廉价，且具有传统半导体生长工艺的兼容性。
泽攸科技自主研发的二维材料转移台是专为解决手动转移过程中由手的抖动带来的这一不良结果，并充分还原手动转移过程中的手感与操作方式，给予更好的准确度和掌控性。同时也是一款专为手套箱环境设计的二维材料转移台，用于解决水氧敏感材料的转移痛点。并且还是一款专为转移“魔角”样品而设计的二维材料转移台。
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