[发明专利]极性流体门控场效应器件

说明书

本文公开了纳米级场效应晶体管(NFET)，例如基于石墨烯的场效应晶体管(GFET)，其不具有物理栅极。相反，它们由极性流体门控。还公开了使用这种晶体管的系统和方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年6月30日提交的名称为“DETECTION OFIONIC CONCENTRATIONIN FLUID USING NANOSCALEMATERIALS VIA A CAPACITIVE RESPONSE”的美国临时专利申请号为62/356,729，以及2016年6月30日提交的名称为“LACTATE-OXIDASE-FUNCTIONALIZEDGRAPHENE POLYMERCOMPOSITES FOR LABEL-FREE DETECTION OF LACTATE INSWEAT ANDOTHER BODILY FLUIDS”的美国临时专利申请号为62/356,742的优先权，其中的每个申请均通过引用整体并入本文。

技术领域

本文公开的发明总体上涉及由极性流体(polar fluid)门控的纳米级场效应晶体管(NFET)(特别是石墨烯场效应晶体管(GFET))的设计、制造和应用。本公开还总体上涉及使用场效应晶体管的化学和生物感测，更具体地涉及使用具有涉及石墨烯的生化敏感通道的场效应晶体管的生化感测。

背景技术

场效应晶体管(FET)是使用电场来控制器件的电气行为的晶体管。通常，FET具有三个端子(例如，源极、漏极和栅极)和有源通道。电荷载流子(电子或空穴)通过例如由半导体材料形成的有源通道，从源极流到漏极。

源极(S)是载流子进入通道的地方。漏极(D)是载流子离开通道的地方。漏-源电压为VDS，源-漏电流为IDS。栅极(G)通过施加栅极电压(VG)来调节通道电导率，以控制源极和漏极之间的电流。

诸如石墨烯场效应晶体管(GFET)的纳米级场效应晶体管(NFET)广泛用于许多应用中，例如生物探针、植入物等。

本领域需要的是更好的FET设计和使用它们的新方法。

发明内容

在一个方面，本文公开了一种场效应晶体管。该场效应晶体管包括：漏极电极；漏极电极；源极电极；电绝缘衬底；布置在衬底上的纳米级材料层，该纳米级材料层部分地限定导电且化学敏感的通道，该纳米级材料层和通道在漏极电极和源极电极之间延伸并且电连接到漏极电极和源极电极；极化流体感应的栅极端子由暴露于纳米级材料层的极性流体产生。在一些实施方式中，极性流体包括目标分析物。在进一步的实施方式中，极性流体具有足以感应极性流体栅极电压的电荷浓度，该极性流体栅极电压响应于目标分析物而根据(versus)场效应晶体管的通道电流特性来优化栅极电压。

在一些实施方式中，在源极电极和漏极电极之间施加由恒定电流源提供的恒定电流或恒定电压源提供的恒定电压。

在一些实施方式中，纳米级材料包括石墨烯、CNT、MoS₂、氮化硼、金属二硫化物、磷烯、纳米颗粒、量子点、富勒烯、2D纳米级材料、3D纳米级材料、0D纳米级材料、1D纳米级材料或其任何组合。

在一些实施方式中，其中极性流体包括具有极性分子的溶液、具有极性分子的气体、目标感测分析物或其组合。

在一些实施方式中，极性流体包括汗液、气息、唾液、耳垢、尿液、精液、血浆、生物流体、化学流体、空气样品、气体样品或其组合

在一些实施方式中，目标分析物包括电解质、葡萄糖、乳酸、IL6、细胞因子、HER2、皮质醇、ZAG、胆固醇、维生素、蛋白质、药物分子、代谢物、多肽、氨基酸、DNA、RNA、适体、酶、生物分子、化学分子、合成分子或其组合。

在一些实施方式中，场效应晶体管还包括：沉积在纳米级材料层上的受体层，其中受体层包括靶向目标分析物的受体。