[发明专利]包含功能性N-杂环卡宾化合物的石墨烯晶体管，其制备方法和包含其的生物传感器

说明书

本发明涉及一种石墨烯晶体管，其包括：基板；设置在基板上的石墨烯沟道层；彼此间隔开并分别设置在石墨烯沟道层的相对端的一对金属；以及设置在石墨烯沟道层上且包括N‑杂环卡宾化合物的连接层，其制造方法，以及包括所述石墨烯晶体管的生物传感器。根据本发明的石墨烯晶体管，其中N‑杂环卡宾化合物的卡宾基团与石墨烯沟道层形成共价键以改性石墨烯沟道层的整个表面，作为晶体管具有优异的导电性，包括该晶体管的生物传感器的选择性和灵敏度得到改善。

技术领域

本发明涉及石墨烯晶体管及其制造方法和使用该石墨烯晶体管的生物传感器，该石墨烯晶体管包括具有官能化的末端区域的N-杂环卡宾(carbene)化合物的连接层。

背景技术

石墨烯是包括碳原子的碳同素异形体之一，并且具有碳原子sp²杂化的二维平面层状结构。

与现有的碳材料相比，石墨烯具有非常大的表面积，化学稳定性且显示出优异的机械稳定性和导热性(约5,000W/m·K)。另外，石墨烯具有优异的透明性，这是由于其对可见光的低吸收等，使得其对550nm波长的光的透射率达到97％。并且由于其电气—电子(electrical-electronic)性能保持完整而具有优异的柔韧性，即使在物理上拉长20％时也具有很强的弹性。

另外，已知石墨烯具有非常高的电导率(固有电子迁移率为20,000cm²/V·s)，这是因为它在电学方面具有半金属性质，并且石墨烯中的电荷还充当零有效质量粒子。

自2004年Novoselov和Game发现石墨烯以来，由于其出色的光学，物理和化学特性，石墨烯已成为最有前途的材料之一。近年来，已有讨论石墨烯在触摸面板、有机发光设备、超级电容器、氢产生/存储装置、光伏电池、光催化剂、生物传感器等方面中的适用性。

特别地，由于据报道当将石墨被机械剥离时具有场效应(field-effect)特性，具有六边形结构的二维石墨烯的碳原子被用于晶体管中。因此石墨烯已成为备受瞩目的焦点，并且可替代传统半导体材料，例如硅。

例如，当将石墨烯被制成具有10nm或更小的沟道宽度的纳米带的形式时，由于尺寸效应(size effect)，会形成带隙(band gap)。因此，石墨烯可以用于制造即使在室温下也显示出优异的操作特性的石墨烯晶体管。

这种石墨烯晶体管具有根据栅极电压线性增加导电性的特性。特别是，石墨烯晶体管由于弹道电子转移，电子的有效质量为0，因此显示出非常高的电荷迁移率，这使得石墨烯晶体管具有极好的优势。

然而，尽管如上所述具有优异的物理性能，但是由于在石墨烯各层之间的范德华力作用降低了均匀性和分散性，或者结构稳定性降低，因此可应用的技术实际上受到很大限制。

近年来，已经尝试了各种方法来解决上述问题。特别地，已经积极地进行了使用官能团对石墨烯的表面进行改性的研究。

特别地，需要对石墨烯的表面进行改性，因为改性的石墨烯表面会影响晶体管抵抗溶液中离子的稳定性或包括该晶体管的生物传感器的选择性和灵敏度。

为此目的，在相关技术中使用了共价官能化方法，在石墨烯的表面和端部，使有机物与亲水性官能团共价结合，例如在其上形成环氧基，羟基，羰基，羧酸基等氧官能团；使用非共价键(例如π-π键，氢键或电荷间相互作用)的非共价官能化方法等。

例如，通过以下方式赋予石墨烯特定功能：将石墨烯与功能性单体或聚合物共价键合来化学修饰石墨烯的表面，或通过用非共价键物理修饰石墨烯的表面，然后用还原剂(例如肼(N₂H₂)或硼氢化钠(NaBH₄))还原。

然而，当官能团在石墨烯的表面上形成共价键时，sp²键转化为sp³键，导致石墨烯的导电性降低。