复旦大学先进晶体管材料与器件实验室
暨 复旦大学魏大程课题组
Advanced Transistor Material and Device Laboratory & Wei's Group @ Fudan University

《Chemical Reviews》复旦魏大程团队综述二维场效应晶体管传感器领域进展

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2022412日,复旦大学魏大程团队在Chemical Reviews(影响因子60.622)上在线发表题为二维场效应晶体管传感器:通往商用化之路(Two-Dimensional Field-Effect Transistor Sensors: The Road toward Commercialization的综述论文,总结了二维场效应晶体管传感器的理论和实验进展,并评述了其在商业化进程中遇到的技术挑战及应对策略。复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室和高分子科学系为论文第一、第二单位,高分子科学系博士生戴长昊为第一作者,高分子科学系魏大程研究员和材料科学系刘云圻院士为通讯作者。


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复旦大学魏大程团队长期从事新型场效应晶体管(FET)材料、器件以及在光电、化学、生物传感领域的应用。FET传感技术是通过半导体沟道及界面附近外界刺激产生的电信号变化以实现检测应用,具有高灵敏度、免标记、响应快、低成本等优点。该传感当前FET传感器中采用的三维敏感材料比表面积低、探针分子负载量小,难以实现高效信号转化。相比之下,二维敏感材料展现出独特的低维特性如高比表面积、高信号传导效率,可以有效提升FET传感器的检测性能。本文评述了二维FET传感器的研究进展和发展方向:1.概述了二维材料的物化性质,总结了二维FET传感器的功能界面构建手段以及作用机制;2. 总结了二维FET传感器在物理、化学和生物检测领域的应用,并对核酸检测、病毒识别、光探测、离子识别等领域的应用进行了深入分析和总结;3. 针对二维FET传感器商业化过程中面临的问题,针对性地提出技术解决方案;4. 综述了基于二维FET传感器所制备的工程样机,并评述了它们在人工视觉、可穿戴设备、数字成像等领域的研究进展。


该论文有助于研究者深入理解二维FET传感界面设计、传感器工程样机与应用中面临的挑战和应对策略,有效促进二维FET传感器这一新兴技术在各个领域的探索和实际应用。


论文信息:

Two-Dimensional Field-Effect Transistor Sensors: The Road toward Commercialization

Changhao Dai, Yunqi Liu*, and Dacheng Wei*

Chem. Rev. 2022,DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00924


魏大程研究员简介


魏大程,复旦大学高分子科学系研究员,2009年于中国科学院化学研究所获博士学位(师从刘云圻院士、朱道本院士),2010 2011年于美国斯坦福大学从事博士后研究(师从美国国家科学院院士、中科院外籍院士戴宏杰教授),20092014任新加坡国立大学李光耀学者,2014年至今就职于复旦大学。


目前,发表学术论文100余篇,通讯作者论文发表在Nat. Biomed. Eng., Sci. Adv., Nat. Commun., Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed, ACS Nano, Nano Lett., Acc. Chem. Res., Adv. Funct. Mater.等期刊上。授权专利18项,合编专著2 部。多次被Nature Publishing Group, Springer 等出版社选为亮点报道,一项重要成果写入ITRS(国际半导体发展路线图)。他引6000 余次,1篇论文被评为历年来中国各领域SCI论文中引用最高的五十篇论文之一(截止201942日中国共发表7980595SCI论文)。复旦大学工作以来主要成果包括:


(1) 晶体管材料:提出了“临界等离子增强化学气相沉积技术”,实现高质量单晶石墨烯在介电表面生长的低温记录,与硅半导体工艺有很好的兼容性。团队将该技术发展成为一种通用的二维原子材料合成技术。为此,获得2021年中国化工学会科学技术奖一等奖。


(2) 晶体管材料:提出了“超临界溶剂热法”,将COFs单晶聚合时间由文献报道的15~80天的缩短到2-5分钟。单晶尺寸达到0.2 毫米,晶体生长速率约40微米每分钟,较现有COFs单晶生长方法提高了约十万倍,是目前文献报道的“最快单晶聚合速率”。


(3) 晶体管材料:提出了“表面自限制聚合法”,首次合成出二维聚噻吩、二维聚卟啉等新型的类石墨烯二维共轭高分子材料,尺度可以达到晶圆量级,载流子迁移率高于传统导电高分子,为新一代光电功能高分子材料的研发和设计提供理论指导和关键的合成技术。


(4) 晶体管器件:提出了“全光刻有机电子学”,研发了首款具有优异综合性能的半导体性光刻胶,有机晶体管集成度达到十万晶体管每平方厘米,是目前世界最高水平,使得全光刻有机电子学突破1微米工艺节点。


(5) 晶体管应用:发现了“有机晶体二维尺度下光电增强效应”、“巨光电栅压效应”、“光化学栅压效应”等新原理,开发了有机光晶体管,光响应度达到有机紫外晶体管光电传感器的最高值之一。德国科学院、工程院院士H Fuchs教授认为该工作“为高性能光电晶体管开辟了一条有价值的道路”。


(6) 晶体管应用:发展了“分子机电系统”、“双靶标核酸探针修饰技术”、“沟道多抗体联合修饰技术”、“晶体管栅极DNA纳米探针修饰技术”等技术,实现了晶体管对新冠病毒核酸、抗原、抗体的快速高灵敏传感,为应对新冠肺炎疫情提供了一种快速、精准、自动化的检测新技术。魏大程课题组获得复旦大学抗击新冠肺炎疫情先进集体。

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