研究背景
在当今生物医学领域，对于高灵敏度的生物磁标记检测技术的需求日益增长，特别是在无标记诊断早期疾病方面。微米级石墨烯霍尔传感器（μGHSs）因其在生理溶液中具有高灵敏度和无需标记的特性，展现出巨大的潜力。然而，这些设备的性能提升受到了闪烁噪声（1/f噪声）的限制，这种噪声主要来源于石墨烯通道内的载流子迁移率波动和石墨烯-金属接触界面的电流拥挤效应（CCE）。为了降低检测限制（LOD），优化频率依赖的闪烁噪声至关重要，但降低接触电阻仍然是一个巨大的挑战。
成果简介
本研究中，研究团队提出了一种表面改性策略，使用持久性碳烯修饰的金电极来降低接触电阻，从而显著减少了μGHS的闪烁噪声。通过这种方法，接触电阻率降低了25倍，闪烁噪声降低了1000倍，达到了3.13 × 10^-14 V²/Hz。同时，磁场的LOD SB 1/2降低到了1440 nT/Hz^1/2（在1 kHz下，100 μA偏置电流）。这一改进是迄今为止通过晶圆级光刻技术制造的可扩展μGHSs中报告的最低SB 1/2。研究还发现，通过将微线圈集成到μGHS中，实现了超顺磁性纳米颗粒（SNPs）的实时检测，检测限（LOD）达到了约528 μg/L，这对于无需标记的磁生物标志物检测，如铁过载相关疾病的早期诊断，具有重要意义。
图文导读
图1 展示了通过光刻技术制造的μGHS的CCE和接触电阻。图中说明了石墨烯-金接触的示意图，以及电流注入过程中的CCE现象。
图2 展示了通过不同浓度的IPr（1,3-Bis (2,6-diisopropylphenyl) imidazol2-ylidene）处理μGHSs后，接触电阻率和噪声功率谱密度（PSD）的变化。图中显示了IPr处理对μGHS性能的显著影响。
图3 展示了使用微线圈测量μGHS信噪比（SNR）的实验设置和结果。图中对比了有无IPr处理的μGHS在不同磁场下的霍尔电压信号波动。
图4 展示了IPr处理对接触电阻率和闪烁噪声降低机制的影响。图中通过KPFM分析，展示了金电极工作函数（WF）的变化。
图5 展示了使用μGHS实时检测SNPs水溶液分散体的实验设置和结果。图中显示了不同浓度SNPs的霍尔电压信号和检测限的确定。
小结
本研究成功开发了一种通过持久性碳烯修饰金电极的可扩展μGHS，显著降低了接触电阻和闪烁噪声，实现了更低的磁场LOD。这一成果为无需标记的磁生物标志物检测提供了新的途径，尤其是在早期诊断铁过载相关疾病方面具有重要的应用潜力。研究还展示了通过集成微线圈和微流体通道，μGHS能够实现对SNPs的实时检测，进一步证明了其在生物医学检测领域的应用前景。这项工作为开发低噪声、可扩展的微型霍尔探测器铺平了道路，为医学诊断等领域的应用开辟了新的可能性。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.4c05451
Minimizing Contact Resistance and Flicker Noise in Micro Graphene Hall Sensors Using Persistent Carbene Modified Gold Electrodes
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