Artigo de método

Fabricação de um transistor de peça única à base de óxido de índio-estanho dependente de solução que permite biossensoriamento sensível

DOI:

10.3791/68755

⸱

29 de agosto de 2025

 , 
1Department of Materials Engineering, School of Engineering, The University of Tokyo

Neste artigo

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este protocolo descreve a fabricação de um transistor de efeito de campo sensível a íons (ISFET) baseado em óxido de índio-estanho (ITO) de peça única, que pode ser construído como um sensor FET dependente de solução (por exemplo, sensor de pH) usando um processo curto e simples (aproximadamente meio dia). Este ITO-ISFET de peça única também pode ser aplicado a biossensores.

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Um método simples e rápido para fabricar um transistor de efeito de campo sensível a íons (ISFET) (ITO) baseado em óxido de índio (ITO) de uma peça dependente de solução para biossensoriamento é apresentado neste relatório. Embora o ITO seja um óxido condutor, ele exibe propriedades semicondutoras em uma espessura de camada de depleção de aproximadamente 20 nm ou menos, tornando-o adequado como canal de um ISFET dependente de solução sensível ao pH. Especificamente, gravando a parte central de um único filme fino ITO condutor com uma solução ácida para torná-lo ultrafino, um ITO-ISFET de peça única com um canal semicondutor pode ser fabricado. A fonte, os eletrodos de drenagem e o canal são totalmente integrados sem interfaces. A superfície do canal ITO é então embebida em soluções de amostra com um eletrodo de referência, permitindo que funcione como um ISFET dependente de solução. Assim, o ITO-ISFET de peça única pode ser fabricado de forma simples e rápida usando apenas pulverização catódica seguida de gravação por meio de uma técnica de fotolitografia, com a solução da amostra servindo convenientemente como portão.

Introdução

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Um transistor de efeito de campo sensível a íons (ISFET) controlado por solução foi proposto para detectar íons em ambientes biológicos1. Neste dispositivo, uma solução eletrolítica induz o potencial interfacial entre a solução e o isolador da porta em vez de uma porta metálica em um transistor semicondutor de óxido metálico (MOS), embora seja essencial usar um eletrodo de referência na solução. Um isolador de porta é composto principalmente de membranas de óxido ou nitreto, como Ta2O5, Al2O3, SiO2 e Si3N4; portanto, os grupos hidroxila na superfície de óxido ou nitreto em uma solução atingem o estado de equilíbrio com íons de hidrogênio por protonação (−OH + H+figure-introduction-1−OH2+) e desprotonação (−OH figure-introduction-2−O- + H+) porque a mudança no pH é detectada a partir da mudança na carga superficial com base no princípio do efeito de campo 2,3 (Figura suplementar 1). É por isso que o sensor ISFET original ainda é utilizado como um sensor de pH. Esses sensores ISFET têm principalmente um substrato de silício, mas vários materiais semicondutores foram recentemente aplicados a sensores ISFET sensíveis ao pH, que exigem que o isolador da porta ou a superfície do canal em contato com a solução eletrolítica seja coberta por grupos funcionais, como grupos hidroxi, grupos carboxi e grupos amino 4,5,6,7,8,9.

Tal ISFET dependente de solução, cujo isolador de porta ou superfície de canal é modificado com receptores biologicamente ou quimicamente ativos, tem sido aplicado a biossensores portáteis, que podem ser incorporados em alguns dispositivos eletrônicos 10,11,12. Este FET de porta (canal) biologicamente acoplado, muitas vezes chamado de bio-FET, deve realizar biossensoriamento quantitativo e seletivo detectando cargas de biomoléculas ou íons incluídos nos fluidos corporais. Além disso, vários materiais de baixa dimensão foram recentemente utilizados para aumentar a sensibilidade dos bio-FETs, como MoS2, WSe213,14, grafeno15,16 e nanofios de Si17,18. No entanto, a complexidade associada à estrutura e aos processos de fabricação tem dificultado o uso generalizado de bio-FETs de baixa dimensão, uma vez que geralmente requerem materiais díspares para o canal, eletrodos de fonte/drenagem e filme isolante de porta.

Nosso trabalho anterior revelou que uma folha de uma peça de óxido de índio e estanho (ITO) pode funcionar como um bio-FET bidimensional (2D) com base no fato de que o ITO, que é um óxido condutor, torna-se semicondutor quando sua espessura é tão pequena quanto ~ 20 nm 19,20,21,22. Ao gravar a parte central de um único filme fino de ITO condutor com uma solução ácida para torná-lo ultrafino, o que permite a fabricação do ITO de peça única com um canal semicondutor, os eletrodos de fonte e drenagem e o canal sem interfaces podem ser totalmente integrados21,22. Em seguida, a superfície do canal ITO é embebida em soluções de amostra com um eletrodo de referência, funcionalizando assim como um ITO-ISFET dependente de solução. O ITO-ISFET de peça única dependente de solução mostra uma inclinação subliminar (SS) mais acentuada, que é atribuída principalmente ao contato direto da superfície do canal ITO com uma solução de amostra, em comparação com um ISFET convencional baseado em silício dependente de solução (Figura Suplementar 1B). Isso significa que uma capacitância elétrica de camada dupla relativamente grande na interface canal/solução ITO atua como um fator dominante que determina SS 19,20,21,22. Além disso, o ITO-ISFET de peça única dependente de solução mostra responsividade de pH de acordo com uma relação termodinâmica química (ou seja, equação de Nernst)4,19,21. A superfície do canal ITO, que está em contato com uma solução aquosa, possui convenientemente grupos hidroxi que mantêm um estado de equilíbrio com íons de hidrogênio com cargas positivas, dependendo do pH, da mesma maneira que outras membranas de óxido ou nitreto 2,3. Além disso, ao funcionalizar o ITO-ISFET de peça única dependente de solução, foi possível detectar biomoléculas como vírus e moléculas de DNA20,22.

Este artigo descreve uma maneira simples e rápida de fabricar um ITO-ISFET de peça única com dependência de solução para biossensoriamento. Em particular, os processos de fotolitografia e gravação para a fabricação são simplesmente usados e, em seguida, uma solução eletrolítica é adicionada à superfície do canal ITO com um eletrodo de referência; ou seja, uma solução de amostra serve como um eletrodo de porta de solução. Portanto, o ITO-ISFET de peça única dependente de solução funciona como um sensor de pH obtido pelo processo de fabricação que leva apenas meio dia.

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Protocolo

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Os reagentes e os equipamentos utilizados neste estudo estão listados na Tabela de Materiais.

1. Fabricação de ITO-ISFET de peça única (Figura 1A)

  1. Padronização do OFPR-800
    1. Lave o substrato de vidro (12 mm × 24 mm) por sonicação em acetona, metanol e água por 5 min cada. Em seguida, seque o substrato com um soprador de gás N2 e, em seguida, coze-o a 110 °C numa placa quente durante mais de 5 minutos para secar completamente o substrato.
    2. Gire o substrato de vidro com uma camada OFPR-800 a 500 rpm por 5 s e 3000 rpm por 30 s. Verifique a uniformidade do revestimento.
    3. Pré-asse o substrato a 110 °C em uma placa quente por 5 min. Em seguida, resfrie o substrato à temperatura ambiente.
    4. Coloque o filme fotofacial no lado revestido com fotorresistente do substrato e fixe-o com fita adesiva (Figura Suplementar 2A).
    5. Exponha o substrato aos raios UV (200 W) durante 40 s numa máquina de fotolitografia.
      NOTA: O tempo de exposição depende do equipamento utilizado e é baseado na dose necessária de fotorresistente.
    6. Retire o substrato da máquina de fotolitografia e remova a fotomáscara.
    7. Desenvolva o fotorresistente em NMD-3 por 1 min e certifique-se de que o fotorresistente forme um padrão nítido. Em seguida, lave o substrato mergulhando-o em água.
    8. Seque o substrato soprando gás N2 . Em seguida, pós-cozedura do substrato numa placa de aquecimento a 110 °C durante 5 min.
  2. Deposição de ITO
    1. Fixe o substrato em um suporte de substrato com fita adesiva e introduza-o na câmara de vácuo de uma máquina de pulverização catódica.
    2. Bombeie a câmara de pulverização abaixo de 10-3 Pa.
    3. Deposite ITO (em2O3 90% em peso e SnO2 10% em peso) a uma espessura de ~ 100 nm por pulverização catódica de radiofrequência a 4 nm / min sob gás Ar (0,2 Pa) sem aquecimento.
  3. Padronização do SU-8 (Figura 1B)
    1. Levante o fotorresistente por sonicação em acetona, metanol e água por 5 min cada. Certifique-se de que nenhum pequeno fragmento de ITO permaneça nos substratos. Se a contaminação parecer grave, limpe com um limpador limpo e, em seguida, limpe o substrato por sonicação novamente.
    2. Sopre o substrato com um soprador de gás N2 . Em seguida, coza o substrato a 110 °C numa chapa quente para secar completamente o substrato.
    3. Gire o substrato de vidro com uma camada SU-8 3005 a 500 rpm por 5 s e 6000 rpm por 30 s. Verifique a uniformidade do revestimento.
    4. Pré-asse o substrato a 95 °C em uma placa quente por 5 min e, em seguida, resfrie o substrato à temperatura ambiente.
    5. Coloque o filme fotofacial no substrato revestido com fotorresistente e fixe-o com fita adesiva (Figura Suplementar 2B).
    6. Exponha o substrato aos raios UV (200 W) durante 7 s. Em seguida, retire o substrato da máquina de fotolitografia e remova a fotomáscara.
    7. Asse o substrato a 65 °C por 2 min e 95 °C por 5 min.
    8. Desenvolva o fotorresistente no revelador SU-8 por 3 min sob forte agitação. Em seguida, lave o substrato em 2-propanol por 1 min. Certifique-se de que o fotorresistente esteja totalmente desenvolvido.
    9. Seque o substrato soprando gás N2 .
  4. Formação de canal ITO semicondutor por condicionamento (Figura 1C)
    1. Prepare ácido clorídrico (HCl) 0,1 M.
    2. Conecte os eletrodos de fonte e drenagem, conforme mostrado na Figura 1B, a um analisador de parâmetros semicondutores.
    3. Selecione a guia Teste Clássico e, em seguida, selecione Amostragem I/V-t.
    4. Defina um intervalo de amostragem para 0,5 s.
    5. Aplique uma tensão de 1 V entre a fonte e os eletrodos de drenagem e determine a corrente inicial (IDS0).
    6. Coloque uma gota da solução preparada de HCl (30 μL) na área exposta do canal ITO. Certifique-se de que a gota cubra totalmente a área do canal.
    7. Monitore a mudança na condutividade monitorando a corrente entre a fonte e os eletrodos de drenagem. Continue a gravação até que a corrente diminua para 10% do IDS0 inicial.
    8. Enxágue imediatamente o canal ITO com água deionizada para interromper a corrosão assim que a taxa de corrente de corrosão atingir 10% do IDS0 inicial para controlar a espessura do canal ITO (~ 10-20 nm). Este é considerado um transistor de peça única sem interfaces entre a fonte, o canal e os eletrodos de drenagem.
    9. Sopre suavemente o gás N2 para secar o transistor de peça única usando um soprador de gás N2 .
    10. Armazene os dispositivos em um dessecador a vácuo até a medição.

2. Medições elétricas de ITO-ISFET de peça única

  1. Configuração do sistema de medição elétrica
    1. Conecte os eletrodos de fonte e drenagem do transistor de peça única ao analisador de parâmetros de semicondutores por meio de um dispositivo de teste.
    2. Coloque um O-ring de silicone ao redor da superfície do canal ITO como um poço no qual uma amostra é colocada.
    3. Adicione 30 μL de tampão fosfato (PB, pH 7,41) ou outras soluções tampão de pH padrão (pHs 4,01, 6,86, 7,41 e 9,18) cuidadosamente no O-ring de silicone para garantir o contato direto entre a solução e a superfície do canal ITO. Esta solução serve como eletrólito de porta.
    4. Insira um eletrodo de referência Ag / AgCl em uma solução saturada de KCl, que é conectada ao eletrólito da porta por uma ponte salina.
    5. Conecte o eletrodo de referência Ag/AgCl ao analisador de parâmetros semicondutores, que funciona como eletrodo de porta.
    6. Ligue o B1500A e inicie o software EasyEXPART e abra o Workspace.
  2. Características de transferência IDS-V GS
    1. Selecione a guia Teste Clássico e, em seguida, selecione Varredura I/V.
    2. Conecte o eletrodo de origem ao terra.
    3. Defina o parâmetro para aplicar uma tensão de drenagem constante (VDS) de 1 V.
      NOTA: O potencial de cada eletrodo deve ser de -1 V - 1 V para evitar a eletrólise da água.
    4. Defina a faixa de varredura das tensões de porta (VGS) para -0,8 V - +0,8 V e a taxa de varredura para aproximadamente 50 mV/s.
      NOTA: A taxa de varredura pode ser controlada definindo o "número de passos" para 141 e o "atraso" para 10 ms, e o "conversor A/D" para HR ADC no modo PLC (Fator: 2).
    5. Defina o número de iterações como 10 ciclos e use os dados obtidos do último ciclo para análise. Simultaneamente, a corrente de fuga entre a fonte e os eletrodos da porta (IGS) é obtida.
    6. Inicie a medição.
      NOTA: Todos os dados de medição são salvos automaticamente na guia "Resultados".
  3. Características de transferência IDS-V DS
    1. Selecione a categoria CMOS na guia Teste de aplicativo e, em seguida, selecione o modo Id-Vd
    2. Defina VGS para mudar sequencialmente de 0 V a 0,8 V em intervalos de 0,1 V.
    3. Defina VDS para cada VGS para varrer de 0 V a 1 V em intervalos de 0,01 V.
    4. Inicie a medição.
  4. Etapas de acompanhamento
    1. Remova o O-ring e enxágue a superfície do canal com água deionizada. Em seguida, seque o dispositivo ITO de uma peça soprando gás N2 .
    2. Armazene o dispositivo em um dessecador a vácuo.

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Resultados

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A Figura 2A mostra a mudança na corrente (IDS0) medida durante a gravação. IDS0 permaneceu quase constante em torno de 800 s após o início da gravação. Com mais gravuras, IDS0 começou a diminuir rapidamente. Isso indica que a espessura do filme ITO diminuiu, o que estava se aproximando da espessura da camada de depleção no filme ITO19; Assim, os elétrons como portadores começaram a ser afetados no canal pelo ...

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Discussão

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De acordo com o protocolo acima, o ITO-ISFET de peça única pode ser fabricado como um sensor FET dependente de solução (por exemplo, sensor de pH) por meio de um processo curto e simples (aproximadamente meio dia). O ITO exibe propriedades semicondutoras em uma espessura de camada de depleção de aproximadamente 20 nm ou menos, tornando-o adequado como o canal de um ISFET dependente de solução sensível ao pH.

Ao gravar a parte central de um único filme fino ITO...

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Divulgações

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Os autores não têm conflitos de interesse a declarar.

Agradecimentos

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Esta pesquisa foi apoiada pelo MERIT, Programa WINGS e pela Universidade de Tóquio.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
1M HClFUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.083-01095
2-propanolFUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.166-04831
AcetonaFUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.019-00353
Fio AgA Nilaco Corp.AG-401385
ÁgarFUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.010-15815
Padrão de solução tampão (solução equimolal padrão de pH de fosfato) pH6,86 (25 graus C)FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.025-03195
Padrão de solução tampão (solução padrão de pH de ftalato) pH4,01 (25 graus C)FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.028-03185
Padrão de solução tampão (solução padrão de pH tetraborato) pH9,18 (25 graus C)FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.028-03205
Fita de carbonoNisshin-EM7321
Analisador eletroquímicoInstrumento BAS618 E
Máscara de filmeFornecedor:UnnoGiken Co., Ltd.sob medida
Placa quenteComo uma corporação.ND-1
MetanolFUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.137-01823
Micro vidro de coberturaMatsunami Vidro Ind., Ltd12 vezes; 24 No.5para substrato de vidro
MicropipetaEppendorf SE3123000055
NMD-3Fornecedor:Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.NMD-3
OFPR-800Fornecedor:Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.OFPR-800
Solução-padrão de pH fosfatoFUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.166-17445
Máquina de fotolitografiaNeutronix QuintelPhL Q-2001CT
Pottasium ChrolideFUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.163-03545
Analisador de parâmetros de dispositivos semicondutoresVisão de chaveB1500AVersão softwere: rev 5 e 6
Analisador de parâmetros de dispositivos semicondutores Unidades de medida de origemVisão de chaveB1517Apara fonte, dreno e portão   
Dispositivo semicondutor Dispositivo Analisador de Parâmetros Dispositivo Acessório de TesteVisão de chaveB1500A Opt A5F
Siliconce O-ringMasuokaTokyo Co., Ltd.Pág. 5
Revestidor giratórioMIKASA Co., LtdMS-A100
Máquina de pulverização catódicaULVAC Inc.sob medida
SU-8 3005Fornecedor:Nippon Kayaku Co., Ltd.SU8-3005
Desenvolvedor SU-8Fornecedor:Nippon Kayaku Co., Ltd.Desenvolvedor SU-8
Banho ultrassônicoFornecedor:SND Co., Ltd.US-102
Interferômetro de luz brancaCorporação KEYENCE.VK-X3000

Referências

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  1. Sakata, T. Biologically coupled gate field-effect transistors meet in vitro diagnostics. ACS Omega. 4 (7), 11852-11862 (2019).
  2. Matsuo, T., Wise, K. D. An integrated field-effect electrode for biopotential recording. IEEE Trans Biomed Eng. BME-21 (6), 485-487 (1974).
  3. Esashi, M., Matsuo, T. Integrated micro-multi-ion sensor using field effect of semiconductor. IEEE Trans Biomed Eng. BME-25 (2), 184-192 (1978).
  4. Zaifuddin, N. M., et al. pH sensor based on chemical-vapor-deposition-synthesized graphene transistor array. Jpn J Appl Phys. 52, 06GK04(2013).
  5. Gou, P., et al. Carbon nanotube chemiresistor for wireless pH sensing. Sci Rep. 4, 4468(2015).
  6. Kajisa, T., Yanagimoto, Y., Saito, A., Sakata, T. Biocompatible poly(catecholamine)-film electrode for potentiometric cell sensing. ACS Sens. 3 (2), 476-483 (2018).
  7. Sakata, T., et al. Ion-sensitive transparent-gate transistor for visible cell sensing. Anal Chem. 89 (7), 3901-3908 (2017).
  8. Satake, H., Sakata, T. Electropolymerized poly(toluidine blue O) film electrode for potentiometric biosensing. Sens Mater. 30 (10), 2333-2341 (2018).
  9. Minamiki, T., Sekine, T., Aiko, M., Su, S., Minami, T. An organic FET with an aluminum oxide extended gate for pH sensing. Sens Mater. 31 (1), 99-106 (2019).
  10. Nishida, H., et al. Self-oriented immobilization of DNA polymerase tagged by titanium-binding peptide motif. Langmuir. 31 (2), 732-740 (2015).
  11. Sakata, T., Nishitani, S., Kajisa, T. Molecularly imprinted polymer-based bioelectrical interfaces with intrinsic molecular charges. RSC Adv. 10, 16999-17013 (2020).
  12. Sakata, T. Signal transduction interfaces for field-effect transistor-based biosensors. Commun Chem. 7, 1-14 (2024).
  13. Sarkar, D., et al. MoS2 field-effect transistor for next-generation label-free biosensors. ACS Nano. 8 (4), 3992-4003 (2014).
  14. Nam, H., et al. Fabrication and comparison of MoS2 and WSe2 field-effect transistor biosensors. J Vac Sci Technol B. 33 (6), 06FG01(2015).
  15. Jafari, B. Highly sensitive label-free biosensor: Graphene/CaF2 multilayer for gas, cancer, virus, and diabetes detection with enhanced quality factor and figure of merit. Sci Rep. 13 (1), 16184(2023).
  16. Senguptaa, J., Hussain, C. M. Graphene-based field-effect transistor biosensors for the rapid detection and analysis of viruses: A perspective in view of COVID-19. Carbon Trends. 2, 100011(2021).
  17. Zhao, W. Si nanowire Bio-FET for electrical and label-free detection of cancer cell-derived exosomes. Microsyst Nanoeng. 8, 57(2022).
  18. Zhang, H., et al. Design and fabrication of silicon nanowire-based biosensors with integration of critical factors: Toward ultrasensitive specific detection of biomolecules. ACS Appl Mater Interfaces. 12 (46), 51808-51819 (2020).
  19. Sakata, T., Nishitani, S., Saito, A., Fukasawa, Y. Solution-gated ultrathin channel indium tin oxide-based field-effect transistor fabricated by a one-step procedure that enables high-performance ion sensing and biosensing. ACS Appl Mater Interfaces. 13 (32), 38569-38578 (2021).
  20. Katayama, R., Sakata, T. Effect of surface modification on the fundamental electrical characteristics of solution-gated indium tin oxide-based thin-film transistor fabricated by one-step sputtering. Langmuir. 39 (12), 4282-4290 (2023).
  21. Katayama, R., Sakata, T. Simple fabrication method for solution-gated one-piece transistors for biosensing applications. ECS Trans. 111 (3), 37-43 (2023).
  22. Katayama, R., Dong, X., Sakata, T. Steep subthreshold slope in solution-gated indium-tin-oxide-based one-piece thin-film transistor enables highly sensitive biosensing. ACS Appl Electron Mater. 7 (5), 1862-1870 (2025).
  23. Nishimura, A., Katayama, R., Sakata, T. Effects of surface oxygen vacancies and hydroxy groups on electrical characteristics in solution-gated one-piece indium-tin-oxide-based field-effect transistors. Langmuir. 41 (1), 607-613 (2025).

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