SmartMat：不同功能偶联剂组装的全石墨烯FET器件——高灵敏度、高稳定性地检测废水中的汞离子

场效应晶体管（FET）因其典型的三端结构、工作原理和制备方法成为一种新型的多参数、高灵敏度、便携式生化检测平台。尽管，目前通过光刻技术构建的FET已经成熟地应用在各种电子器件中，但是大多数FET器件的电极与半导体层之间是通过物理沉积技术这种弱相互作用而连接的， 其结构在多步处理过程中容易破损，从而加剧了电信号输出的不稳定性。另一方面，传统FET的电极材料非常有限，大部分是贵金属，其带来的高价格也是一个亟待解决的问题。因此，如何在保持FET器件高稳定性的同时，使其易于制造且成本低廉，仍是一个艰巨的挑战。

近日，济南大学刘宏教授和张丛丛博士利用还原氧化石墨烯（RGO）易于化学改性以及在不同的组装方式下其电学性能不同的突出优点，引入了（3-氨基丙基）三甲氧基硅烷（APTMS）和5,10,15,20-四（4-氨苯基）-21H，23H-卟啉（TAPP）两种结构及电学性能不同的偶联剂，通过简单的溶液处理技术和一步还原法，制造了两种智能碳材料从而构筑了一种超稳定的全石墨烯FET（AG-FET）。通过共价构型和偶联剂的功能多样性，该方法获得的AG-FET具有较高的电学特性，其空穴迁移率、电子迁移率和保质期分别可达到3.79 cm²/（V·s）、3.78 cm²/（V·s）和18个月。此外，良好的材料稳定性和优异的器件结构赋予器件良好的电气及溶剂稳定性，提高了其在溶液相传感/检测中的应用前景。这些特征使其可以用来感知、传导和响应外界刺激，特别是监测溶液相重要的分析物，如Hg²⁺。我们相信，这种具有高稳定性的、价格低廉、易于制造的AG-FET也可在其他重要领域显示出广阔的应用前景。

图文导读

示意图1. 通过（A）APTMS和（B）TAPP偶联的GO薄膜的层间结构。

图1.（APTMS / GO）_N，（APTMS / RGO）_N，（APTMS / GO）/（TAPP / GO）_N，（APTMS / RGO）/（TAPP / RGO）_N薄膜以及AG-FET的表征。（A_i，B_i，C_i）（APTMS / GO）_N，（A_ii，B_ii，C_ii）（APTMS / RGO）_N（A_iii，B_iii，C_iii）（APTMS / GO）/（TAPP / GO）_N和（A_iv，B_iv，C_iv）（APTMS / RGO）/（TAPP / RGO）_N薄膜的（A）FT-IR，（B）拉曼光谱和（C）UV-vis光谱。（D）在（D_i）160℃和（D_ii）240℃下还原的（APTMS / RGO）_N薄膜的I–V曲线，在（D_iii）160℃和（D_iv）240℃下还原的（APTMS / RGO）/（TAPP / RGO）_N薄膜的I–V曲线。（E）在同一基板上（APTMS / GO）/（TAPP / GO）₄阵列和大面积（APTMS / GO）₅薄膜的AFM图像（F）（APTMS / RGO）/（TAPP / RGO）_N电极和（APTMS / RGO）_N导电通道之间的厚度差。

示意图2. AG-FET的构筑流程图。

图2.  AG-FET，ACR-FET和Au / RGO / Au FET的电学特性。（A）AG-FET的典型转移曲线和栅极漏电流（灰色曲线）。50个AG-FET的（B）空穴迁移率（上图），电子迁移率（下图）（C）开关比的分布。（D）ACR-FET和（E）Au / RGO / Au FET的转移曲线。（F）利用沟道长度转移法（TLM）获得AG-FET和Au / RGO / Au FET的电极与半导体层之间的接触电阻。

图3. AG-FET的溶剂稳定性及电学稳定性。（A）原始状态，（B）500分钟超声处理后以及（C）无保护环境条件下存放18个月后 AG-FET的典型光学显微镜图像。（D）在原始状态， 500分钟超声处理后以及在无保护条件下存放18个月后AG-FET器件的（APTMS / RGO）/（TAPP / RGO）N电极和（APTMS / RGO）N半导体层的紫外-可见光谱。（E）经过不同持续时间的超声处理后AG-FET的转移曲线。（F）在无保护条件下存放不同时间后AG-FET的转移曲线。

示意图3. 基于AG-FET的Hg²⁺传感器的传感机理。

图4. 基于AG-FET的Hg2+传感器的灵敏度，选择性及应用。（A）原始AG-FET，AuNPs修饰的AG-FET，ssDNA-AuNPs修饰的AG-FET以及ssDNA-AuNPs修饰的AG-FET与1 μM Hg2 +孵育的转移曲线。（B）ΔVCNP与不同浓度汞离子之间的校准曲线，蓝色虚线代表信噪比（S/N）。（C）Hg2+ 传感器对Hg2+，空白，K +，Co2+，Ca2+、Zn2+的响应。（D）Hg2+传感器对模拟污水中不同浓度的Hg2+的响应。

图5. 使用基于AG-FET的Hg²⁺传感器模拟管道中Hg²⁺的检测。模拟Hg²⁺传感器在管道中Hg²⁺检测的（A）示意图和（B）实验装置的光学图像。（C）模拟Hg²⁺传感器在管道中对H₂O，K⁺和Hg²⁺的响应。

作者简介

孙铭远于2018年在济南大学获得学士学位。目前在济南大学前沿交叉科学研究院的刘宏教授团队中攻读硕士学位，主要从事场效应晶体管的制备及其传感性能的研究。

张丛丛，济南大学前沿交叉科学研究院讲师。于2017年在天津大学理学院化学系获得博士学位。2017年加入济南大学前沿交叉科学研究院，主要从事分子电子学，先进功能性超分子材料的组装和基于FET的传感器的研究。

刘宏，山东大学晶体材料国家重点实验室教授，博士生导师。他于2001年在山东大学获得博士学位，目前主要从事与能源应用相关的纳米材料的化学处理，包括光催化，组织工程等，重点研究干细胞与生物材料的纳米结构以及非线性光学晶体之间的相互作用。

论文信息：

Ultrasensitive and stable all graphene field-effect transistor-based Hg²⁺ sensor constructed by using different covalently bonded RGO films assembled by different conjugate linking molecules

Mingyuan Sun, Congcong Zhang*, Duo Chen, Jian Wang, Yanchen Ji, Na Liang, Haoyang Gao, Shanshan Cheng, Hong Liu*

SmartMat

DOI: 10.1002/smm2.1030

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smm2.1030