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Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenide Tunnel Field-Effect Transistors for Biosensing Applications

生物传感器 材料科学 纳米技术 隧道场效应晶体管 过渡金属 光电子学 场效应晶体管 晶体管 工程物理 电气工程 电压 工程类 生物化学 化学 催化作用
作者
Xian Wu,Haojie Zhao,Enze Zhou,Yixuan Zou,Shanpeng Xiao,Shuai Ma,Rui You,Peng Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (19): 23583-23592 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acsami.3c00257
摘要

Field-effect transistor (FET) biosensors based on two-dimensional (2D) materials have drawn significant attention due to their outstanding sensitivity. However, the Boltzmann distribution of electrons imposes a physical limit on the subthreshold swing (SS), and a 2D-material biosensor with sub-60 mV/dec SS has not been realized, which hinders further increase of the sensitivity of 2D-material FET biosensors. Here, we report tunnel FETs (TFETs) based on a SnSe2/WSe2 heterostructure and observe the tunneling effect of a 2D material in aqueous solution for the first time with an ultralow SS of 29 mV/dec. A bilayer dielectric (Al2O3/HfO2) and graphene contacts, which significantly reduce the leakage current in solution and contact resistance, respectively, are crucial to the realization of the tunneling effect in solution. Then, we propose a novel biosensing method by using tunneling current as the sensing signal. The TFETs show an extremely high pH sensitivity of 895/pH due to ultralow SS, surpassing the sensitivity of FET biosensors based on a single 2D material (WSe2) by 8-fold. Specific detection of glucose is realized, and the biosensors show a superb sensitivity (3158 A/A for 5 mM), wide sensing range (from 10-9 to 10-3 M), low detection limit (10-9 M), and rapid response rate (11 s). The sensors also exhibit the ability of monitoring glucose in complex biofluid (sweat). This work provides a platform for ultrasensitive biosensing. The discovery of the tunneling effect of 2D materials in aqueous solution may stimulate further fundamental research and potential applications.
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