南洋理工大学、魏茨曼科学研究所和新加坡国立大学–石墨烯-铁蛋白生物分子结上的温度相关相干隧穿

理解固态器件中跨生物分子的电荷传输(CT)机制对于以可预测的方式实现生物分子电子器件是必不可少的。尽管人们普遍认为生物分子电极之间的相互作用起着至关重要的作用，但这一点经常被忽视。本文揭示了石墨烯与铁储存蛋白的界面在穿过隧道结的网络CT中的突出作用。这里，铁蛋白(AfFtn-AA)通过拉曼光谱证实的非共价胺-石墨烯相互作用吸附在石墨烯上。与具有金属电极的结相反，石墨烯具有朝向其本征费米能级(“狄拉克点”)消失的状态密度，其远离费米能级而增加。因此，电荷载流子的量对温度和静电充电(感应掺杂)高度敏感，这可以从作为温度和铁负载的函数的CT的详细分析中推断出来。值得注意的是，由于热载流子的激发，温度依赖性可以在相干隧穿机制内得到充分解释。石墨烯不仅被证明是跨生物分子隧道结研究CT的替代平台，而且它还为利用界面静电学调节CT行为提供了丰富的可能性。

图1.Cu//graphene//AfFtnAA//GaO_x/EGaIn生物分子隧道结的示意图，其中“//”表示范德华接触，“/”表示GaOx和大块共晶金属合金之间的接触。我们在这项研究中使用了单层石墨烯和BLG。左侧显示了使用PyMol的AfFtn-AA的分子表示。AfFtn-AA表面的静电势图显示在右侧，其中显示了带负电(红色)、带正电(蓝色)和带中性电(白色)的氨基酸。AfFtn-AA上的负电荷(用红色表示)由Cu//石墨烯电极中的正电荷(用蓝色表示)补偿。

图2. (A)Cu//石墨烯的AFM图像(比例显示在右侧)，(B)Cu//石墨烯//(Fe3000)AfFtn-AA的单层，和(C)用于确定daff TN-AA的Cu//石墨烯//(Fe3000)AfFtn-AA的亚单层[(B，C)的比例显示在(C)的右侧]。(D)d_AfFtn-AA作为的分布是铁离子负载的函数，铁离子负载由原子力显微镜高度剖面数据确定。(E)Cu//石墨烯(红色)和Cu//石墨烯//(Fe3000)AfFtn-AA表面(黑色)的拉曼光谱。

图3.(A)< log | J | > Gvs V和(B)< log | J | > Gat 0.5V vs d_{aff TN-AA}的曲线图,其中虚线表示符合等式3。对于具有不同铁离子负载(C)和apo-AfFtn-AA (D)的代表性AfFtn-AA结，在V = 0.5V时J的Arrhenius图，对于(2400Fe)AfFtn-AA (E)和(4800Fe)AfFtn-AA (F)，以0 V左右的G表示。(C，D)中的线符合等式1，而(E，F)中的线符合等式2(红色)或等式4(黑色虚线)，产生由图中标签指定的每个值。G(∼0 V)是电流密度相对于0.02V(5个数据点)之间电压的斜率；符号是每个温度下6个重复电压回路的几何平均值，误差条代表logG(0V)的标准偏差。请注意，E和F的Y轴跨越了非常不同的范围。

图4. Fe负载对电导的影响，通过将G(0V，T)数据拟合到费米-狄拉克加宽模型(等式2)提取，显示(A)饱和电导G0K与单层厚度的关系，双指数衰减由黑线标记；活化能Ea；以及(C)指数前项G∞与显示指数趋势的相关性(虚线:lnG∞∝∞23 Ea)。误差线是提取的拟合参数的95%置信水平；(B)中的虚线是视觉引导。(D)室温电导是外加电压的函数。颜色代码标记所有面板上相同的Fe载荷。电导是电流对电压的一阶数值导数。请注意,( A C)指0电压下的温度效应，而图(D)显示恒定(室温)温度下的电压效应。

图5.BLG(蓝灰色双锥)和(A) apo-AfFtn-AA，(B)具有小氧化铁的AfFtn-AA，和(C)大氧化铁核之间的能量排列示意图。顶部偏置触点(紫色)显示为无外部偏置。垂直方向表示电子的能量，水平方向通常表示垂直于结的距离，除了BLG双锥表示其关于动量的能量分散。水平绿色箭头表示相干隧穿，垂直红色箭头表示能垒(ε₀)，它因界面充电(用“+”和“-”符号表示)而变化，从而改变石墨烯的费米能级(EF)。石墨烯的锥形能量分散意味着E_f的微小变化转化为可用载流子密度的指数变化。

图6.(A)具有3000Fe AfFtn-AA的双端GFET器件的示意图；器件尺寸为4.5 × 3.1微米和(B)真空下的GFET电阻，R与背栅电压的关系，以及具有(红色)和不具有(黑色)AfFtn-AA吸附的GFET器件的VBG曲线。

相关科研成果由南洋理工大学Sierin Lim、魏茨曼科学研究所Ayelet Vilan和新加坡国立大学Christian A. Nijhuis等人于2022年发表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.2c11263）上。原文：Temperature-Dependent Coherent Tunneling across Graphene–Ferritin Biomolecular Junctions。