讓石墨烯傳感器更容易為各行各業(yè)所用

長期以來，科學(xué)家和工程師一直吹捧 graphene 用于電子設(shè)備，因?yàn)樗哂谐錾膶?dǎo)電性、光學(xué)透明度、機(jī)械強(qiáng)度以及導(dǎo)熱和在高溫下保持穩(wěn)定的能力。然而，石墨烯在商業(yè)層面上用于電子產(chǎn)品中的應(yīng)用仍然有限。這在一定程度上是因?yàn)閯?chuàng)建和集成大多數(shù)（但不是全部）大規(guī)模電子產(chǎn)品所需的單層石墨烯要困難得多。此外，由于嚴(yán)格的監(jiān)管和認(rèn)證要求，石墨烯作為一種新材料，在投入使用之前必須經(jīng)過許多高科技應(yīng)用。也就是說，許多先進(jìn)技術(shù)市場，包括傳感器，開始更廣泛地使用這種材料。

世界各地的許多公司都開發(fā)了石墨烯傳感器，但其中許多傳感器純粹圍繞生物傳感展開，許多公司試圖在大流行期間開發(fā)先進(jìn)的 COVID 測試。但總部位于英國劍橋郡的 Paragraf 公司將目標(biāo)定得更高，而不僅僅是成為小規(guī)模的石墨烯傳感器生產(chǎn)商。相反，該公司的目標(biāo)是成為第一家為最終用戶提供“空白畫布”石墨烯場效應(yīng)晶體管 （gFET） 傳感元件的石墨烯代工廠，這些元件可以根據(jù)不同行業(yè)用戶的個人需求進(jìn)行定制。

Paragraf 相信這種方法將使公司更容易擴(kuò)大其制造能力。這種方法消除了監(jiān)管限制，使工程師能夠只專注于核心技術(shù)，而不必考慮可以使用傳感器以及需要專門定制的多種場景。

構(gòu)建空白畫布 gFET

可以說，Paragraf 的傳感器元件是一張空白的畫布。該公司正在通過在藍(lán)寶石襯底上生長石墨烯并添加兩個觸點(diǎn)，并在頂部添加一個柵極來構(gòu)建主要傳感表面——畫布。然后，由 Paragraf 的客戶根據(jù)他們需要的功能來最終確定傳感器：“我們不是在銷售成品傳感器，”Paragraf 的生物傳感器總監(jiān) Mark Davis 說，他補(bǔ)充說，用戶可以將許多不同種類的受體添加到傳感器中。

通過讓用戶控制傳感接收器，它將使 gFET 更容易滿足各自行業(yè)的監(jiān)管和認(rèn)證要求。Paragraf 面向許多應(yīng)用和行業(yè)，包括醫(yī)療保健診斷中的鉀離子傳感、農(nóng)業(yè)廢水徑流中的重金屬檢測、醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)和氫能行業(yè)的氣體傳感應(yīng)用、細(xì)胞和基因治療中的 pH 傳感、食品和飲料監(jiān)測以及化學(xué)加工應(yīng)用。

gFET 還具有很大的潛力，具有用于醫(yī)療保健診斷的多路復(fù)用功能，其中可以在同一芯片上測量許多不同的生物標(biāo)志物或感興趣的化學(xué)成分?！霸S多 gFET 僅包含 3 到 5 個通道，但 Paragraf FET 的尺寸意味著我們可以在一個芯片上安裝多達(dá) 100 個通道，”Davis 說，這使得所得芯片能夠檢測和區(qū)分給定樣品中的更多事物。

據(jù)該公司稱，由于 gFET 的高靈敏度，Paragraf gFET 的用戶開始使用這些空白畫布傳感器開發(fā)用于單離子和 pH 傳感應(yīng)用的醫(yī)療保健診斷平臺?！皩τ诖蠖鄶?shù)醫(yī)療保健應(yīng)用，我們正在考慮一次性傳感器，每個傳感器的成本為 1 美元，”Davis 說。“未來，只要我們每年能生產(chǎn)超過 100 萬個 [傳感器]，并將晶圓尺寸保持在 3 x 3 毫米以下，我們就能夠?qū)⒊杀窘档偷竭@個水平——在現(xiàn)實(shí)世界場景中擴(kuò)大石墨烯傳感器和石墨烯電子產(chǎn)品的潛力和能力?！?/p>

Paragraf 打算將其石墨烯場效應(yīng)晶體管變成一塊空白的畫布，供用戶在其上構(gòu)建。帕拉格拉夫

大規(guī)模開發(fā) gFET 傳感器組件

Paragraf 正在開發(fā)的 gFET 是一種電解質(zhì)門控 FET。FET 的工作原理是將用戶想要分析的電解液滴放置在傳感器表面。電解質(zhì)的導(dǎo)電性會產(chǎn)生電偏壓，從而改變傳感器石墨烯片中電子的行為方式。這也改變了石墨烯片上可檢測的電阻，并且由于石墨烯的電性能非常好，因此可以檢測到電解質(zhì)樣品中非常低濃度的離子（包括單離子）

Paragraf 正在批量制造傳感器，就像半導(dǎo)體行業(yè)制造裝滿芯片的晶圓一樣，通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積將石墨烯直接沉積到晶圓上，并在頂部連接金屬觸點(diǎn)。

許多化學(xué)氣相沉積技術(shù)在銅箔上生長石墨烯，但石墨烯需要轉(zhuǎn)移到終端器件，這可能會導(dǎo)致石墨烯中的結(jié)構(gòu)缺陷和銅污染，從而影響器件的傳感能力。通過直接在晶圓上生長石墨烯，Paragraf 避免了這種情況，從而提高了其設(shè)備的傳感性能。Davis 說，Paragraf 正在“制造半導(dǎo)體風(fēng)格的傳感器元件，這樣我們就可以使傳感器元件小型化，并在每個芯片上安裝更多的傳感器元件。Paragraf 的愿景是，我們是一家代工廠，是最終診斷解決方案的傳感器組件制造商。

Davis 說，Paragraf 目前可以在邊長 51 毫米的晶圓上安裝多達(dá) 32 個 gFET。該公司正在劍橋郡的亨廷頓建立一家大型制造工廠。Paragraf 最近還收購了位于圣地亞哥的另一家石墨烯傳感器公司 Cardea Bio。

Paragraf 還在開發(fā)具有寬動態(tài)范圍的石墨烯霍爾效應(yīng)傳感器，適用于低場和高場磁測量應(yīng)用，從繪制 CERN 的高磁場和測量電磁場，到精確定位電池中的電流泄漏和測量量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部是否存在超小磁場，但這些都是標(biāo)準(zhǔn)的傳感器元件架構(gòu)，不需要最終用戶提供任何進(jìn)一步的輸入待使用 - 它們已準(zhǔn)備就緒。最終，Paragraf 將賭注押在了空白板巖 gFET 上，這是它創(chuàng)建第一家石墨烯代工廠的希望所在。