二维材料在生物传感器中的应用

自石墨烯发现以来,大量二维层状材料被相继发现.二维材料中载流子被限制在界面1 nm空间内,使其对化学掺杂非常敏感,有望引起生物传感领域的技术变革.生物传感过程无论基于何种传感机制,都包含了检测物识别和信号转化过程.检测物识别通常依靠传感界面的生物探针来完成,信号转换依靠二维材料来实现信号输出.在传感界面处对生物探针和二维材料进行原子级精准构筑,则可精确调控传感过程中的物理化学过程,优化器件的各项指标.本文综述了二维生物传感界面构筑领域的研究进展,重点介绍了目前几种常见的二维生物传感器的传感机制和不同类型的生物探针精准构筑方法,探讨了未来生物传感界面研究的发展方向.     

石墨烯/二氧化钛异质结场效应探测器光电特性

利用二氧化钛薄膜光吸收及表面钝化特性,在硅晶圆基底表面制备石墨烯/二氧化钛异质结场效应管光电探测器,并研究其光电响应特性.结果表明,二氧化钛钝化后的探测器可以有效抑制沟道表面的气体小分子吸附,降低器件的暗电流漂移;同时,探测器利用石墨烯的电荷敏感和复合薄膜的光谱吸收特性,显著提高了石墨烯场效应管的响应度.紫外波段,顶层二氧化钛吸光产生的光生电子将注入到石墨烯沟道中,对石墨烯沟道产生n型掺杂,器件最大响应度可达3.5×10~5A/W.在可见光波段,因为二氧化钛层与石墨烯薄膜间存在杂质能级,界面间的电荷转移使沟道载流子寿命显著提高.相对于传统的二氧化钛阵列探测器,该探测器在响应波段与响应度性能上都具有明显优势.     

石墨烯覆盖铝纳米光栅表面等离激元共振光谱及传感特性

表面等离激元共振技术具有无需标记、灵敏度高、实时检测等优点,已广泛应用于生物医疗、环境监测及食品安全等领域。相对于传统贵金属材料表面等离激元共振传感器而言,铝表面等离激元共振传感器具有价格低廉、共振光谱带宽小等优点,已逐渐成为了该领域的研究热点。针对铝材料存在与生物分子兼容性差、易氧化等缺点,利用石墨烯化学稳定性好、比表面积大、抗氧化能力强、生物兼容性好等独特优势,将其作为与被测分子直接接触的传感层,提出了一种石墨烯覆盖铝纳米光栅的表面等离激元共振传感器。首先,基于多物理场有限元仿真软件建立了该传感器的物理模型,分别分析了石墨烯层数和铝光栅结构参数(占空比、高度、周期)对传感器共振光谱的影响。结果表明,石墨烯与铝光栅的复合有效增强了入射光波与传感器的相互作用,采用单层石墨烯与铝光栅复合时,共振峰具有最窄的光谱带宽。当铝纳米光栅结构Λ=600 nm,H=40 nm,η=70%时,光谱反射率为零。进一步分析了结构优化后的传感器的传感特性。结果表明,单层石墨烯覆盖铝纳米光栅传感器具有最高的品质因数24.5 RIU-1,其灵敏度高达626 nm·RIU-1。该传感器具有探测精度高、分子兼容性好等优点,能为生化分析、环境监测和食品安全等领域提供一个新的绿色传感平台。     

石墨烯/CdTe肖特基结薄膜太阳能电池制备及光电性能研究

采用气相输运沉积技术(VTD)制备了晶体形状规则、晶粒度较大的p型CdTe半导体吸光层薄膜;通过"直接贴附"转移法,将双层石墨烯(GR)转移到CdTe薄膜表面,制备出了新型的GR/CdTe肖特基结太阳能电池.实验结果表明:"直接贴附"转移法获得的石墨烯透光率高、导电性好,制备得到的GR/CdTe肖特基结太阳能电池的转换效率约为1;,是传统"丙酮湿法"转移法的3倍.     

Simulation on effect of metal/graphene hybrid transparent electrode on characteristics of GaN light emitting diodes

In order to decrease the Schottky barrier height and sheet resistance between graphene(Gr) and the p-GaN layers in GaN-based light-emitting diodes(LEDs), some transparent thin films with good conductivity and large work function are essential to insert into Gr and p-GaN layers. In this work, the ultra-thin films of four metals(silver(Ag), golden(Au), nickel(Ni), platinum(Pt)) are explored to introduce as a bridge layer into Gr and p-GaN, respectively. The effect of a different combination of Gr/metal transparent conductive layers(TCLs) on the electrical, optical, and thermal characteristics of LED was investigated by the finite element methods. It is found that both the TCLs transmittance and the surface temperature of the LED chip reduces with the increase of the metal thickness, and the transmittance decreases to about 80% with the metal thickness increasing to 2 nm. The surface temperature distribution, operation voltage, and optical output power of the LED chips with different metal/Gr combination were calculated and analyzed. Based on the electrical, optical, and thermal performance of LEDs, it is found that 1.5-nm Ag or Ni or Pt, but 1-nm Au combined with 3 layered(L) Gr is the optimal Gr/metal hybrid transparent and current spreading electrode for ultra-violet(UV) or near-UV LEDs.