$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Een oplossingsafhankelijke ionengevoelige veldeffecttransistor (ISFET) werd voorgesteld voor het detecteren van ionen in biologische omgevingen1. In dit apparaat induceert een elektrolytoplossing de grensvlakpotentiaal tussen de oplossing en de poortisolator in plaats van een metalen poort in een metaaloxide-halfgeleider (MOS) transistor, ook al is het essentieel om een referentie-elektrode in de oplossing te gebruiken. Een poortisolator bestaat meestal uit oxide- of nitridemembranen zoals Ta2O5, Al2O3, SiO2 en Si3N4; daarom bereiken hydroxylgroepen aan het oxide- of nitrideoppervlak in een oplossing de evenwichtstoestand met waterstofionen door protonering (−OH + H+
−OH2+) en deprotonering ("OH
−O- + H+) omdat de verandering in pH wordt gedetecteerd door de verandering in de oppervlaktelading op basis van het principe van het veldeffect 2,3 (aanvullende figuur 1). Dit is de reden waarom de originele ISFET-sensor nog steeds wordt gebruikt als pH-sensor. Dergelijke ISFET-sensoren hebben meestal een siliciumsubstraat, maar onlangs zijn verschillende halfgeleidende materialen aangebracht op pH-gevoelige ISFET-sensoren, waarbij de poortisolator of het kanaaloppervlak dat in contact komt met de elektrolytoplossing moet worden bedekt door functionele groepen zoals hydroxygroepen, carboxygroepen en aminogroepen 4,5,6,7,8,9.
Een dergelijke oplossingsafhankelijke ISFET, waarvan de poortisolator of het kanaaloppervlak is gemodificeerd met biologisch of chemisch actieve receptoren, is toegepast op draagbare biosensoren, die in sommige elektronische apparaten kunnen worden ingebouwd 10,11,12. Deze biologisch gekoppelde gate (kanaal) FET, vaak bio-FET genoemd, moet kwantitatieve en selectieve biosensing realiseren door ladingen van biomoleculen of ionen in lichaamsvloeistoffen te detecteren. Bovendien zijn onlangs verschillende laagdimensionale materialen gebruikt om de gevoeligheid van bio-FET's te verbeteren, zoals MoS2, WSe213,14, grafeen15,16 en Si-nanodraden17,18. De complexiteit die gepaard gaat met de structuur en fabricageprocessen heeft echter het wijdverbreide gebruik van laagdimensionale bio-FET's belemmerd, omdat ze meestal ongelijksoortige materialen vereisen voor het kanaal, de bron-/afvoerelektroden en de poortisolerende film.
Ons eerdere werk toonde aan dat een vel indiumtinoxide (ITO) uit één stuk kan werken als een tweedimensionale (2D)-achtige bio-FET op basis van het feit dat ITO, dat een geleidend oxide is, halfgeleidend wordt wanneer de dikte zo klein is als ~20 nm 19,20,21,22. Door het middelste deel van een geleidende ITO enkele dunne film te etsen met een zure oplossing om het ultradun te maken, wat de fabricage van de ITO uit één stuk met een halfgeleidend kanaal mogelijk maakt, kunnen de bron- en afvoerelektroden en het kanaal zonder interfaces volledig worden geïntegreerd21,22. Vervolgens wordt het ITO-kanaaloppervlak gedrenkt in monsteroplossingen met een referentie-elektrode, waardoor het wordt gefunctionaliseerd als een oplossingsafhankelijke ITO-ISFET. De oplossingsafhankelijke ITO-ISFET uit één stuk vertoont een steilere subdrempelhelling (SS), die voornamelijk wordt toegeschreven aan het directe contact van het ITO-kanaaloppervlak met een monsteroplossing, vergeleken met een conventionele oplossingsafhankelijke ISFET op basis van silicium (aanvullende figuur 1B). Dit betekent dat een relatief grote elektrische dubbellaagse capaciteit op de ITO-kanaal/oplossingsinterface fungeert als een dominante factor die SS 19,20,21,22 bepaalt. Bovendien vertoont de oplossingsafhankelijke ITO-ISFET uit één stuk pH-responsiviteit in overeenstemming met een chemische thermodynamische relatie (d.w.z. Nernst-vergelijking)4,19,21. Het ITO-kanaaloppervlak, dat in contact staat met een waterige oplossing, heeft handig hydroxygroepen die een evenwichtstoestand handhaven met waterstofionen met positieve ladingen, afhankelijk van de pH, op dezelfde manier als andere oxide- of nitridemembranen 2,3. Bovendien was het door het functionaliseren van de oplossingsafhankelijke ITO-ISFET uit één stuk mogelijk om biomoleculen zoals virussen en DNA-moleculen te detecteren20,22.
Dit artikel beschrijft een eenvoudige en snelle manier om een oplossingsafhankelijke ITO-ISFET uit één stuk te fabriceren voor biosensing. In het bijzonder worden fotolithografie en etsprocessen voor de fabricage eenvoudig gebruikt en vervolgens wordt een elektrolytoplossing met een referentie-elektrode aan het ITO-kanaaloppervlak toegevoegd; Dat wil zeggen, een monsteroplossing dient als een oplossingspoortelektrode. Daarom werkt de oplossingsafhankelijke ITO-ISFET uit één stuk als een pH-sensor die wordt verkregen door het fabricageproces dat slechts een halve dag duurt.