王中林院士團隊Adv. Funct. Mater.：TENG調節肖特基/歐姆接觸可逆轉變用于多功能高靈敏生物傳感器

【引言】

隨著人們對微型化器件的需求日益增長，基于納米材料的功能性器件受到了廣泛關注。一維半導體微納米線（NMW）場效應晶體管在各式高靈敏度傳感系統中具有廣泛應用。基于NMW的傳感器性能受電極/半導體接觸狀態的影響很大，金屬電極與NMW接觸形式主要有兩種：歐姆接觸與肖特基接觸。在過去的研究中，人們常使用歐姆接觸器件放大“柵壓效應”以此實現對帶電/極性分子或生物電信號的高靈敏度檢測，傳感器的性能依賴于NMW體電阻的改變。最近幾年，研究人員發現肖特基接觸傳感器在檢測紫外光，生物分子以及氣體時具有顯著增強的靈敏度。肖特基接觸傳感器的靈敏度主要依賴于肖特基勢壘高度的變化。現有研究表明：肖特基接觸傳感器更適合于檢測低濃度生物分子，而歐姆接觸傳感器在檢測神經電信號時具有更強的靈敏度。這兩種生物信號的高靈敏檢測對神經性疾病的臨床診斷以及腦科學的研究具有重要意義。帕金森病是一種常見的神經系統變性疾病，患者體內的多巴胺濃度與神經電信號均會發生異常，目前利用同一傳感器件對多巴胺及神經電信號實現高靈敏度檢測依然是一項挑戰，該研究對于多功能化及微型化傳感器的制備具有重要意義。

【成果簡介】

近日，在中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士與李舟研究員團隊，以及電子科技大學張巖教授（共同通訊作者）帶領下，通過使用摩擦納米發電機（TENG）產生的高壓電脈沖調節肖特基勢壘高度，實現了單個器件在肖特基接觸狀態與歐姆狀態之間的可逆轉變，使同一生物傳感器實現了對神經遞質和神經電脈沖的高靈敏度檢測。實驗結果表明TENG高壓電脈沖作用于氧化鋅（ZnO）納米線器件的時候，ZnO納米線傳感器的肖特基勢壘會降低，TENG處理達到一定次數，ZnO納米線傳感器可由肖特基接觸器件轉變為歐姆接觸器件。當停止TENG對ZnO納米線傳感器的作用后，降低的肖特基勢壘會隨著時間的增加而逐漸恢復，歐姆接觸器件可恢復為肖特基接觸器件。這一可逆轉變的機制可能是：TENG產生的高電壓脈沖產生使ZnO內部的氧空位發生擴散，在金屬半導體接觸界面產生極化，使得肖特基勢壘降低；當TENG停止作用后，氧空位向反方向擴散，肖特基勢壘恢復。在本工作中，通過調節肖特基勢壘高度，SOR生物傳感器可以在肖特基接觸狀態與歐姆接觸狀態發揮不同的檢測優勢。作者使用同一個SOR生物傳感器在肖特基接觸狀態實現了對低濃度多巴胺分子的檢測（0.5μmol/mL）。轉變為歐姆接觸狀態之后，SOR生物傳感器對神經電脈沖的靈敏度提高了16倍。該工作提出了一種簡單有效且不易損壞納米器件的肖特基勢壘調控方法，該方法拓寬了基于肖特基勢壘的傳感器應用范圍，也為同一器件實現多功能化的高靈敏檢測提供了新的技術方案。相關成果以 “Reversible Conversion between Schottky and Ohmic Contacts for Highly Sensitive, Multifunctional Biosensors”?為題發表在了最新一期Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1肖特基/歐姆接觸可逆轉變多功能生物傳感器概念圖

肖特基/歐姆接觸可逆轉變生物傳感器（SOR生物傳感器）用于高靈敏度神經遞質和神經電脈沖檢測。

圖2?TENG處理SOR生物傳感器示意圖和基本現象

a）實驗裝置示意圖及其等效電路。

b–d）不同放大倍數下的SOR生物傳感器光學圖像。

e）SOR生物傳感器I-V曲線隨TENG電壓處理次數的變化圖。

f）漏極和源極SBHs隨TENG處理次數的變化圖。

g）SOR生物傳感器由肖特基接觸轉變為歐姆接觸對應的能帶變化圖。

h）SOR生物傳感器從歐姆接觸恢復到肖特基接觸時對應的I-V曲線變化圖。

i）漏極和源極SBHs隨恢復時間的變化趨勢圖。

j）SOR生物傳感器從歐姆接觸恢復到肖特基接觸對應的能帶變化圖。

圖3?極化模型和對應SBH變化示意圖

a）銀漿電極和n型ZnO NMW形成肖特基接觸。

b）TENG產生的高壓脈沖驅動氧空位在接觸界面處累積，使得肖特基接觸轉變為歐姆接觸。

c）撤消TENG產生的高壓脈沖后，氧空位向相反方向擴散，接觸界面處正電荷消失，肖特基勢壘升高。

圖4 和歐姆接觸相比，肖特基接觸傳感器在檢測低濃度多巴胺（DA）分子時靈敏度更高

a）生物傳感器檢測DA的示意圖。

b）肖特基接觸生物傳感器在不同濃度的鹽酸多巴胺中I–V曲線變化圖。

c）鹽酸多巴胺溶液中ZnO能帶變化圖。

d）肖特基接觸狀態下的生物傳感器在不同濃度鹽酸多巴胺中的I–t曲線圖。

e）歐姆接觸狀態下的生物傳感器在不同濃度的鹽酸多巴胺中的I–t曲線圖。

f）歐姆接觸狀態下的生物傳感器檢測鹽酸多巴胺前后的的I–V曲線變化圖。

g）（d）和（e）中肖特基接觸和歐姆接觸生物傳感器在不同濃度鹽酸多巴胺中的絕對和相對電流響應(ΔI/I₀)對比圖。

圖5?歐姆接觸狀態下的SOR器件在檢測神經電脈沖時具有更強的靈敏度

a）SOR器件檢測坐骨神經電信號的實驗裝置圖。

b）SOR器件轉變前后的I–V曲線變化圖（肖特基接觸：橙色，轉變后的歐姆接觸：紫色）。

c，d）在不同電壓（0.1~1 V）的脈沖刺激下，同一SOR器件在肖特基接觸狀態和歐姆接觸狀態下傳感器測得的牛蛙坐骨神經信號的響應曲線。

e）不同電壓（0.1~1 V）脈沖刺激下，同一SOR器件在肖特基接觸（橙色）和歐姆接觸（紫色）狀態下傳感器測得的牛蛙坐骨神經信號的電流響應幅度對比圖。

f）在不同的電刺激（0.6、0.8和1.0 V）下，SOR傳感器轉變為歐姆接觸前后測得牛蛙坐骨神經信號電流響應的增強倍數。

圖6?同一SOR生物傳感器在肖特基接觸時對神經遞質高靈敏度檢測， 轉變為歐姆接觸后對神經電脈沖高靈敏度檢測

a）同一SOR生物傳感器用于高靈敏DA分子和神經電脈沖檢測示意圖。

b，c）肖特基接觸SOR生物傳感器在不同鹽酸多巴胺濃度中的I–t曲線圖與絕對電流及相對電流響應(ΔI/I₀)變化圖。

d）SOR生物傳感器接觸狀態轉變前后的I-V曲線變化圖（肖特基接觸：橙色，轉變后的歐姆接觸：紫色）。

e）電刺激神經纖維的電壓脈沖（1 V，1 Hz，0.1 ms）波形圖。

f，g）用肖特基接觸和歐姆接觸傳感器測得的牛蛙坐骨神經信號的響應曲線。

h）為（f）和（g）中的平均電流響應幅值對比圖。

【小結】

該研究提出了一種簡單有效且不易損壞納米器件的肖特基勢壘動態調控方法，該研究實現了單個器件在肖特基接觸狀態與歐姆狀態之間的可逆轉變。TENG電壓脈沖可有效降低器件的SBH，停止TENG處理后SBH會隨著時間逐漸恢復。這一可逆轉變的機制可歸因于TENG產生的高電壓脈沖使ZnO內部的氧空位發生擴散。在本論文中，同一個SOR生物傳感器在肖特基接觸狀態實現了對低濃度多巴胺（0.5 μmol mL^-1）的高靈敏度檢測，經TENG處理轉變為歐姆接觸后，SOR生物傳感器對神經電脈沖的靈敏度提高了16倍。神經遞質濃度與神經電信號的高靈敏檢測對神經性疾病的臨床診斷以及腦科學的研究具有重要意義。該方法拓寬了基于肖特基勢壘的傳感器應用范圍，并有望用于改善傳感系統、整流器、光電探測器和其他相關電子器件的性能。

文章第一作者為趙璐明、李虎、孟建平和Aurelia Chi Wang，通訊作者為張巖、王中林和李舟。

文獻鏈接：Reversible Conversion between Schottky and Ohmic Contacts for Highly Sensitive, Multifunctional Biosensors（Adv. Funct. Mater.，?2019，DOI:10.1016/j.nanoen.2019.104325）

【團隊介紹】

李舟，博士，國家萬人計劃“青年拔尖”，獲得武漢大學臨床醫學學士學位和北京大學博士學位，曾留學于佐治亞理工學院，現任中科院北京納米能源與系統研究所研究員，納米能源與生物系統實驗室負責人。入選教育部“新世紀優秀人才”、北京市“高創計劃”青年拔尖人才和北京市“科技新星”。主要從事植入式和穿戴式電子醫療器件、生物傳感器、自驅動和可降解電子器件的研究，探索新型微納傳感技術與生物測量方法。在Science Advances（Science子刊），Nature?Communication（Nature子刊）, Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano, Nano Energy, Annual Review of Biomedical Engineering 等國際頂級學術期刊上共發表SCI文章80余篇，子刊和IF>10的第一作者或通信作者論文共38篇，引次數超過3000次。獲得2017年北京市科學技術二等獎（省部級，第一完成人）、國際醫學與生物工程聯合會青年科學家獎、中國發明協會金獎（排名第一）、教育部新世紀優秀人才、北京市高創計劃“青年拔尖”人才、北京市 “科技新星”和生物醫學工程大會青年論文競賽一等獎等獎勵和榮譽。現任中國生物醫學工程學會青年委員、中國生物工程學會青年委員。獲國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、北京市科技項目和教育部博士點基金等基金課題的經費支持。

實驗室主頁：www.nanobiolab.cn

獲獎和榮譽：

2017年：北京市科學技術獎，第一完成人

2017年：入選國家萬人計劃“青年拔尖”

2017年：中國生物醫學工程學會“青年論文競賽”一等獎

2016年：國際發明展覽會“發明創業獎·項目獎”金獎

2016年：研究成果入選北京市自然學科基金“十二五”期間優秀成果選編

2015年：北京市“高創計劃”青年拔尖人才

2012年：國際醫學物理學會與國際生物醫學工程學會（IFMBE）青年研究者獎（Young Investigators Award）

2012年: 教育部“新世紀優秀人才”

2012年：北京市“科技新星”

2010年: 論文被材料科學頂級學術期刊Advance Materials評選為 “Top Articles”

2010年: 北京航空航天大學“卓越百人”

2010年: 北京航空航天大學“藍天新秀”

研究方向：

• 植入式/穿戴式電子醫療器件
• 生物傳感器
• 細胞生物力學

代表性論文：

• Yang Zou, Puchuan Tan,Bojing Shi,?et al,?Yubo Fan*, Zhong Lin Wang* and?Zhou Li, *?A bionic stretchable nanogenerator for underwater sensing and energy harvesting,?Nature Communications.?2019, 10, 269,?DOI: 10.1038/s41467-019-10433-4.?IF 11.878
• Han Ouyang, Zhuo Liu, Ning Li, Bojing Shi,et al,?Zhong Lin Wang*, Hao Zhang* and Zhou Li,*?Symbiotic cardiac pacemaker,?Nature Communications.?2019, 10, 1821,?DOI: 10.1038/s41467-019-09851-1.?IF 11.878
• Guomin Wang, Hongqing Feng, et al,Zhou Li* and Paul K. Chu*, An antibacterial platform based on capacitive carbon-doped TiO2 nanotubes after direct or alternating current charging,?Nature Communications.?2018, 9, 2055, DOI: 10.1038/s41467-018-04317-2.?IF 11.878
• Kuan Hu, Yixiang Jiang, et al,Zhou Li, *?Xinwei Wang, * Zigang Li*，Tuning peptide self-assembly by an in-tether chiral center. Science Advances，2018;4: eaar5907.?IF 12.804
• Qiang Zheng, et al,Zhou Li*?and Zhong Lin Wang*,?Biodegradable triboelectric nanogenerator as a life-time designed implantable power source, Science Advances, 2016, 2, 3, e1501478, DOI: 10.1126/?1501478.?IF 12.804

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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