检测病原体的基于二维材料的场效应晶体管及其制造方法

背景技术：

1、由病原体引起的新兴传染病是全球性威胁。例如，由严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，sars-cov-2)产生的新型冠状病毒(covid-19)迅速传播到大多数大陆，并于2020年3月被列为大流行。典型地，用于检测covid-19的唯一特异性诊断测试是实时逆转录聚合酶链反应(real-time reversetranscription polymerase chain reaction，rt-pcr)。已经生产并批准了几种类型的rt-pcr sars-cov-2试剂盒；然而rt-pcr测试非常耗时。

2、场效应晶体管(field-effect transistors，fet)已被研究为潜在的选择性生物传感器。例如，基于石墨烯的fet生物传感器已被用于识别sars-cov-2刺突蛋白。石墨烯具有高电子迁移率，但由于石墨烯的近零带隙，基于石墨烯的生物传感器中的关态电流泄漏可能会增加，从而导致假信号。

3、半导体二维(two-dimensional，2d)材料诸如2d过渡金属二硫族化物也已被研究用于潜在的生物传感应用。用于制造2d材料的典型技术，诸如化学气相沉积(chemicalvapor deposition，cvd)或分子束外延(molecular beam epitaxy，mbe)，可能与光刻技术不兼容。例如，cvd典型地在与光刻不兼容的相对高的温度下操作。

技术实现思路

1、根据一个方面，用于检测样品中的病原体的场效应晶体管生物传感器包括衬底和耦接到衬底的沟道。沟道包括用生物识别元件官能化的二维单层或多层金属硫族化合物。在一些实施例中，生物识别元件包含抗体。

2、在一些实施例中，生物传感器还包括探针链接器，其将生物识别元件附接到二维单层金属硫族化合物。在一些实施例中，探针链接器结合到金属硫族化合物的表面上的空位缺陷。

3、在一些实施例中，生物传感器还包括耦合到离子溶液的栅电极，其中离子溶液与二维单层金属硫族化合物接触。在一些实施例中，离子溶液与样品混合。

4、在一些实施例中，二维单层或多层金属硫族化合物包括过渡金属二硫族化合物。在一些实施例中，过渡金属二硫族化合物具有mx1.5-2的成分。在一些实施例中，过渡金属二硫族化合物包括二硒化钨。

5、在一些实施例中，二维单层或多层金属硫族化合物包括金属单硫族化合物。在一些实施例中，金属单硫族化合物具有mx0.75-1的成分。

6、在一些实施例中，生物传感器还包括源电极和漏电极。电极被耦接到沟道。在一些实施例中，源电极和漏电极中的每一个包括多个叉指。

7、根据另一个方面，用于制造检测样品中的病原体的场效应晶体管生物传感器的方法包括用脉冲激光烧蚀在衬底上沉积非晶二维材料；晶化非晶二维材料以生成耦接到衬底的二维单层或多层；以及在晶化非晶二维材料之后用生物识别元件激活二维材料的表面，用于病原体检测。

8、在一些实施例中，沉积非晶二维材料包括在环境温度下沉积非晶二维材料；以及晶化非晶二维材料包括用热烘箱晶化非晶二维材料。在一些实施例中，在环境温度下沉积非晶二维材料包括在低于150℃的操作温度下沉积非晶二维材料。

9、在一些实施例中，二维材料包括成分可调谐的过渡金属二硫族化合物。在一些实施例中，过渡金属二硫族化合物具有mx1.5-2的成分。

10、在一些实施例中，二维材料包括可调谐金属单硫族化合物。在一些实施例中，金属单硫族化合物具有mx0.75-1的成分。

11、在一些实施例中，用脉冲激光烧蚀在衬底上沉积非晶二维材料包括控制多个激光脉冲以确定非晶二维材料的厚度。

12、在一些实施例中，方法还包括将衬底图案化有器件特征以生成图案化的衬底。在一些实施例中，沉积非晶二维材料包括在图案化衬底之后在图案化的衬底上沉积非晶二维材料。在一些实施例中，图案化衬底包括在晶化非晶二维材料之后图案化衬底。

13、在一些实施例中，方法还包括在二维单层或多层上沉积源电极和漏电极。在一些实施例中，该方法进一步包括将源电极和漏电极施加到衬底，其中沉积非晶二维材料包括将非晶二维材料沉积在源电极或漏电极上。

14、在一些实施例中，用生物识别元件激活二维材料的表面包括将化学链接器附接到二维材料的表面；在将化学链接器附接到表面之后激活化学链接器；以及在激活化学链接器之后附接生物识别元件。在一些实施例中，化学链接器包含11-巯基十一烷酸。

技术特征：

1.一种检测样品中病原体的场效应晶体管生物传感器，所述生物传感器包括：

2.根据权利要求1所述的生物传感器，其中，所述生物识别元件包括抗体。

3.根据权利要求1所述的生物传感器，还包括探针链接器，其将所述生物识别元件附接到所述二维单层或多层金属硫族化合物上。

4.根据权利要求3所述的生物传感器，其中，所述探针链接器结合到所述金属硫族化合物的表面上的空位缺陷。

5.根据权利要求1所述的生物传感器，还包括耦合到离子溶液的栅电极，其中，所述离子溶液与所述二维单层或多层金属硫族化合物接触。

6.根据权利要求5所述的生物传感器，其中，所述离子溶液与所述样品混合。

7.根据权利要求1所述的生物传感器，其中，所述二维单层或多层金属硫族化合物包括过渡金属二硫族化合物。

8.根据权利要求7所述的生物传感器，其中，所述过渡金属二硫族化合物具有mx1.5-2的成分。

9.根据权利要求7所述的生物传感器，其中，所述过渡金属二硫族化合物包括二硒化钨。

10.根据权利要求1所述的生物传感器，其中，所述二维单层或多层金属硫族化合物包括金属单硫族化合物。

11.根据权利要求10所述的生物传感器，其中，所述金属单硫族化合物具有mx0.75-1的成分。

12.根据权利要求1所述的生物传感器，还包括源电极和漏电极，其中，所述电极被耦接到所述沟道。

13.根据权利要求12所述的生物传感器，其中，所述源电极和漏电极中的每一个包括多个叉指。

14.一种用于制造检测样品中的病原体的场效应晶体管生物传感器的方法，所述方法包括：

15.根据权利要求14所述的方法，其中：

16.根据权利要求15所述的方法，其中，在环境温度下沉积所述非晶二维材料包括在低于150℃的操作温度下沉积所述非晶二维材料。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述二维材料包括成分可调谐的过渡金属二硫族化合物，其中，所述过渡金属二硫族化合物具有mx1.5-2的成分。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述二维材料包括可调谐的金属单硫族化合物，其中，所述金属单硫族化合物具有mx0.75-1的成分。

19.根据权利要求14所述的方法，其中，用脉冲激光烧蚀在衬底上沉积所述非晶二维材料包括控制多个激光脉冲以确定所述非晶二维材料的厚度。

20.根据权利要求14所述的方法，还包括将所述衬底图案化有器件特征以生成图案化的衬底。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，沉积所述非晶二维材料包括在图案化所述衬底之后在所述图案化的衬底上沉积所述非晶二维材料。

22.根据权利要求20所述的方法，其中，图案化所述衬底包括在晶化所述非晶二维材料之后图案化所述衬底。

23.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述二维单层或多层上沉积源电极和漏电极。

24.根据权利要求14所述的方法，还包括将源电极和漏电极施加到所述衬底，其中，沉积所述非晶二维材料包括将所述非晶二维材料沉积在所述源电极或漏电极上。

25.根据权利要求14所述的方法，其中，用所述生物识别元件激活所述二维材料的表面包括：

技术总结在至少一个说明性实施例中，用于检测病原体的场效应晶体管生物传感器包括衬底和由用生物识别元件功能化的二维单层或多层金属硫族化合物(104)形成的沟道。生物识别元件可以是抗体，诸如针对SARS‑CoV‑2刺突蛋白的抗体。一种用于制造生物传感器的方法包括用脉冲激光烧蚀在衬底上沉积非晶二维材料，晶化非晶二维材料以生成耦接到衬底的二维单层，以及在晶化非晶二维材料后用生物识别元件激活二维材料的表面。二维材料的成分可以被调谐。衬底可以被光刻图案化。描述并要求保护其它实施例。技术研发人员：马苏德·马赫朱利萨马尼,迈克尔·C·汉密尔顿,马塞洛·库罗达,萨哈尔·哈西姆,帕尔文·法西哈夫谢亚尼受保护的技术使用者：奥本大学技术研发日：技术公布日：2024/1/15