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

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
1.相关申请的交叉引用
2.本技术根据35u.s.c.
§
119(e)要求于2020年11月10日提交的美国临时申请序列号63/111,892和于2021年9月17日提交的美国临时申请序列号63/245,444的优先权，其每一个的全部公开内容在此通过引用被并入。


背景技术：

3.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 reverse transcription 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。
4.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。
5.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(chemical vapor 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。


技术实现要素：

6.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。
7.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。
8.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。
9.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mx
1.5-2
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。
10.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mx
0.75-1
的成分。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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mx
1.5-2
的成分。
15.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mx
0.75-1
的成分。
16.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。
17.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。
18.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。
19.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。
附图说明
20.在本公开中描述的概念在附图中以示例的方式而不是以限制的方式进行说明。为了说明的简单和清楚，图中图示的元件不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可能相对于其它元件被夸大。此外，在认为合适的情况下，已经在图中重复参考标签以指示对应的或类似的元件。详细描述特别参考附图，其中：
21.图1是使用二维材料的生物传感器器件的简化平面图；
22.图2是图1的生物传感器器件的简化正视图；
23.图3是图1-图2的生物传感器器件的二维材料单层的简化截面细节图；
24.图4是图1-图3的生物传感器器件的官能化的二维材料单层的简化截面细节图；
25.图5是示出可以通过图1-图4的器件实现的测试结果的曲线图；
26.图6是图1-图4的器件的至少一个实施例的详细视图；
27.图7是图1-图4的器件的至少一个其它实施例的详细视图；
28.图8是示出用于制造图1-图4和图7的生物传感器器件的方法的简化示意图；以及
29.图9是图8的制造方法的一个说明性实施例的简化流程图。
具体实施方式
30.尽管本公开的概念容易受到各种修改和替代形式的影响，但是其特定示例性实施例已经在附图中以示例的方式示出并且将在本文中详细描述。然而应理解，并不旨在将本公开的概念限制于所公开的特定形式，而是相反，旨在覆盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替代方案。
31.说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例不一定包括该特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不一定是指同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，认为无论是否明确描述，在本领域技术人员的知识范围内都可以将这些特征、结构或特性与其它实施例结合。
32.现在参考图1和图2，示出了生物传感器器件100的一个说明性实施例的简化示意图。生物传感器100是包括生物识别元件的场效应晶体管(fet)，该生物识别元件与病原体(诸如负责covid-19的sars-cov-2冠状病毒)结合。如图2所示，生物传感器器件100包括衬底102，其可以体现为半导体，诸如在表面上具有二氧化硅(sio2)层的体硅。官能化的金属硫族化合物2d材料104被定位在衬底102上。2d材料104可以体现为2d材料的单层或晶化的材料的多层(即，2d材料的多层)。因此，2d材料104可以只有几个原子厚(例如，3个原子、6个原子、2个原子、4个原子、或另一个相对少量的原子厚)。2d材料104说明性地是过渡金属二硫族化合物并且更具体地是硒化钨(wse2)的单层。在其它实施例中，2d材料104可以是不同的过渡金属二硫族化合物(mx2)、金属单硫族化合物(mx)、或其它2d金属硫族化合物。附加地，并且如下文进一步描述的，2d材料104可以具有调谐的化学成分。2d材料104通过添加生物识别元件而被官能化，下面进一步描述。
33.再次参考图1和图2，生物传感器器件100还包括形成在2d材料104上的一对叉指电极106、108。电极106、108中的每一个可以体现为金、钛、铜、铝或另一金属材料。说明性地，电极106包括接触焊盘110和远离接触焊盘110延伸的迹线112。多个指状物114远离迹线朝向电极108延伸。类似地，电极108包括接触焊盘116和远离接触焊盘116延伸的迹线118。多个指状物120远离迹线118朝向电极106延伸。如上所述，相应电极106、108的指状物114、120跨生物传感器器件100指状交叉并彼此交替。说明性地，电极106、108的指状物114、120中的每一个都可以由大约30μm的沟道宽度分隔开。如下文进一步描述的，此沟道宽度可由2d材料104的一个或多个晶体桥接，形成基于fet的生物传感器器件100的沟道。源电极106和漏电极108的叉指布置可增加检测面积。当然，在其它实施例中可使用用于fet生物传感器的电极106、108的任何适当的几何形状。
34.如图所示，离子栅极溶液122可被定位在电极106、108上方并与2d材料104接触。离子栅极溶液122可以体现为离子溶液，诸如在去离子水中的0.01x磷酸盐缓冲盐水(phosphate-buffered saline，pbs)。可将潜在地包括病原体的样品直接添加到离子栅极溶液122以执行暴露和检测过程。
35.在使用中，电极106、108中的每一个可以充当用于基于fet的生物传感器器件100的源电极或漏电极。说明性地，电极106被称为源电极106，并且电极108被称为漏电极108；然而，在其它实施例中电极106、108的作用可以颠倒。定位在电极106、108之间的2d材料104可以充当用于基于fet的生物传感器器件100的沟道。离子栅极溶液122可以充当栅极。特别
地，可以向电极106、108施加电压，并且栅电极(未示出)可以向离子栅极溶液122施加电压，以便激活生物传感器器件100。传感器器件100的电传输特性(例如在电极106、108之间通过的电流)的变化可被用于检测栅极溶液122中病原体的存在。特别地，病原体颗粒与2d材料104的官能化的表面的相互作用可以改变2d材料104的电传输特性并因此产生通过基于fet的生物传感器器件100的沟道的电流的变化。
36.如上所述，2d材料104被官能化以检测特定病原体。现在参考图3，示出了在官能化之前晶化的2d材料单层124的截面图。说明性的2d材料单层124是过渡金属二硫族化合物(transition metal dichalcogenide，tmdc)，并且更特别地是二硒化钨(wse2)的单层。附加地或可替选地，虽然在图3-4中示出为单层124，应当理解在一些实施例中2d材料104可以体现为wse2或其它tmdc的多层。如图3所示，2d材料单层124是被吸附到衬底102表面的晶化的单层。晶化的单层124说明性地在其外表面上包括多个空位126。每个空位126表示晶格中的一个位置，其中从规则晶体结构中缺失一个原子(例如硒原子)。这些空位126可导致晶化的单层124呈现p型半导体属性。存在于晶化的单层124中的空位126的数量可以通过调谐用于制造晶化的单层124的2d材料的成分来控制，如下文结合图8-图9进一步描述的。
37.现在参考图4，示出了已被官能化的2d材料104的截面图。晶化的2d材料单层124通过将链接器化学品128附接到2d单层124的表面而被官能化。说明性地，链接器化学品128是11-巯基十一烷酸(11-mercaptoundecanoic acid，mua)。如图所示，链接器128可通过化学吸附过程附接到2d单层124中的空位126。特别地，在mua分子的sh封端处的硫离子可以键合到wse2晶体中的硒空位。链接器128还可以通过物理吸附附接到2d材料单层124的表面，其中mua分子被与其它分子和2d材料单层124表面的范德华相互作用吸引。mua链接器128因此在晶化的材料单层124上形成自组装单层。mua链接器128和2d单层124可在衬底102上方具有约2.8nm的平均高度，表明mua链接器128自组装成如图4所示的垂直取向。接下来，链接器128的自由端被附接到生物识别元件130，其在说明性实施例中是抗体130。更特别地，抗体130是针对sars-cov-2刺突蛋白的单克隆抗体。在检测过程期间，抗体130可与病原体颗粒132(诸如sars-cov-2刺突蛋白或全病毒颗粒)结合。尽管图示为sars-cov-2抗体130，但应当理解生物识别元件130可体现为任何其它抗体、配体或其它生物识别元件。
38.在使用中，生物传感器器件100可用于检测样品中sars-cov-2刺突蛋白的存在。现在参考图5，曲线图500示出了可以由器件100实现的样本结果。通过在漏电极108和源电极106之间施加1v的电压示例性地操作器件100。当离子栅极溶液122存在时，在离子栅极溶液122和源电极106之间施加-0.5v的电压。从栅极溶液122施加到源电极106的正电压可以关断器件100并因此不用于检测。
39.为表征器件100，在器件100上滴落一系列纯离子液体(0.01x pbs中的每个8μl)的液滴并测量源电极106和漏电极108之间的电流。曲线图500的曲线502示出了对于纯离子栅极溶液122的测得的电流。峰506、508、510对应于向器件102添加纯离子栅极溶液122的液滴。如图所示，峰506、508、510中的每一个对于曲线502来说相对较低并且衰退回零。
40.通过以增加的浓度滴落包括sars-cov-2刺突蛋白的离子溶液的一系列液滴(每个8μl)并测量源电极106和漏电极108之间的电流来测试检测。曲线图500的曲线504示出了对于具有sars-cov-2刺突蛋白的离子溶液的测得的电流。峰506、508、510分别对应于添加包括浓度为25fg/μl、200fg/μl和1.66pg/μl的sars-cov-2刺突蛋白的液滴。如图所示，曲线
504的峰506、508、510相对较高并且显示出电流的明显逐步增加。此外，对于更高浓度的刺突蛋白(未显示)，电流继续增加。据信，mua分子到wse2晶体的硒空位126上的化学吸附可以通过降低p型半导体行为而降低电导率。在添加sars-cov-2抗体和刺突蛋白后，电导率会增加，这可能是由于电荷转移过程。
41.因此，图500示出了通过生物传感器器件100在0.01x pbs中以低至25fg/μl的浓度成功检测sars-cov-2刺突蛋白。附加的测试证明了生物传感器器件100对sars-cov-2的选择性响应。例如，与包括sars-cov-2刺突蛋白的样品的响应相比，包括牛血清白蛋白(bovine serum albumin，bsa)的样品的当前响应可忽略不计，这表明了sars-cov-2的选择性检测。因此，生物传感器器件100能够检测样品中的sars-cov-2刺突蛋白并因此可以在体外提供对sars-cov-2的快速、灵敏和选择性检测。另外，生物传感器器件100可以与不同的生物识别元件118(例如，不同的抗体)一起使用，以靶向不同的病原体、细胞因子、蛋白质或其它生物标志物。
42.现在参考图6，示出了生物传感器器件600的一个潜在实施例的详细视图。生物传感器器件600是生物传感器器件100的说明性实施例，其中使用化学气相沉积(cvd)工艺将2d材料104生长为衬底102上的晶体。如图所示，2d材料104在衬底102的表面上形成三角形wse2晶体。晶体随机分布在衬底102上，并且每个晶体具有大约20到40μm的宽度。接触源电极106的指状物114和漏电极108的指状物120两者的每个2d材料104晶体都可以充当用于生物传感器器件600的沟道。因此，因为2d材料104晶体的分布在单独的生物传感器器件600之间变化，所以每个生物传感器器件600的沟道配置和电子特性也变化。因此，每个生物传感器器件600可以在分析样品之前使用纯离子化液体作为离子栅极溶液122进行校准，如上面结合图5所述。
43.现在参考图7，示出了生物传感器器件700的另一个潜在实施例的详细视图。生物传感器器件700是使用脉冲激光沉积工艺制造的生物传感器器件100的说明性实施例。下面结合图8和图9描述用于制造器件700的方法的一个潜在实施例。说明性生物传感器器件700包括覆盖电极106、108之间的整个衬底102的2d材料104。2d材料104可以是例如覆盖整个衬底102的单个wse2晶体。如上所述，2d材料104可以包括单层wse2晶体或多层wse2晶体。因此，在图7中所示的实施例中，电极106、108的指状物114、120之间的整个2d材料104可以充当用于生物传感器器件700的沟道。因此，每个单独的生物传感器器件700可以具有类似的电子特性，并且单个的、预定的校准可被用于所有单独的生物传感器器件700。附加地，由于可充当沟道的2d材料104的更大的相对表面积，器件700可比如图6所示的对应器件600更灵敏。
44.现在参考图8，图800示出了可被用于制造生物传感器器件100的脉冲激光烧蚀(pulsed laser ablation，pla)/脉冲激光沉积(pulsed laser deposition，pld)工艺。准备好的衬底102被放置在真空室802内侧。衬底102在被放置在真空室802中之前可以被光刻图案化有一个或多个器件特征(例如，源极、漏极、沟道等)。二维材料靶804被放置在真空室802中的靶转盘806上。二维材料靶804包括将形成2d材料104的元素，例如钨和硒或其它金属和硫族化合物原子。靶804的成分是可调谐的。例如，对于过渡金属二硫族化合物，靶804的成分可在mx
1.5
至mx2之间变化。
45.激光器808通过真空室802中的窗口810瞄准靶804。激光器808示例性地是准分子激光器(krf 248nm，20ns脉宽，和2j/cm2的通量)。在使用中，激光器808执行烧蚀靶804的多
个激光脉冲。这种烧蚀导致二维材料的非晶前体812被沉积在衬底102上。非晶前体812包括精确量的化学计量的非晶2d材料，其可以如下文进一步描述的那样被形成到晶化的单层或多层104中。非晶前体812的厚度可通过控制由激光器808执行的脉冲的数量来控制。pld工艺可以在环境温度下或接近环境温度(例如，在低于约150℃的温度下)执行。因此，pld工艺可以在图案化的衬底102上执行并且在其它方面与光刻工艺兼容。
46.因此，图8中所示以及下面结合图9进一步描述的pld工艺可以允许形成化学计量的非晶材料作为固态前体，用于2d层状晶体和杂化结构的受控生长，并对其化学成分、物理尺寸和生长位置精确控制。因此，本文所述的工艺可提供与常规气相生长相对的2d材料和杂化结构的更确定性的、改进的生长。附加地，由于其与器件制造技术(诸如光刻工艺)的兼容性，本文所述的制造技术可以使2d量子材料能够集成到当前和相关的未来技术中。
47.现在参考图9，可被用于制造生物传感器器件100的方法900的一个说明性实施例被示出为简化流程图。方法900被示出为一系列块902-924，其中一些可以在一些实施例中可选地执行(并且因此以虚线示出)。本领域技术人员将意识到，方法900的一些实施例可以包括附加的或不同的过程和子过程，诸如各种预处理和后处理技术。
48.方法900可以从块902开始，其中用一个或多个器件特征光刻地图案化晶片衬底102。衬底102可以体现为具有二氧化硅涂层的硅晶片，例如4英寸晶片。晶片衬底102可以被图案化有器件特征，包括诸如源极、漏极、沟道或其它器件几何形状的晶体管特征。在一些实施例中，生物识别器件100的多个实例可被图案化在同一晶片衬底102上。在图案化之后，晶片衬底102可具有被定位在衬底102的表面上的限定器件特征的光致抗蚀剂或其它化学物质。在图案化之后，衬底102被定位在真空室802中，其中图案化的表面面向靶转盘806。
49.在块904中，包括前体2d材料的靶804被装载在靶转盘806中。例如，过渡金属二硫族化合物(诸如wse2)的1英寸靶可被放置在靶转盘上。在就位时，衬底102可位于例如靶804上方约13厘米处。在一些实施例中，在块906中，前体2d材料804的成分可被调谐。特别地，可以调整靶804中特定元素的比率，以便实现所制造的2d材料104的期望化学计量成分。例如，如上所讨论的，链接器化学品128可以键合到晶化的单层124中的表面空位126。因此，为了产生具有一定数量的空位126的晶化的单层124，硫族化合物原子与金属原子的比率可被降低。继续该示例对于诸如wse2的过渡金属二硫族化合物，靶804的成分可被调谐为对于每个过渡金属原子包括在1.5至2.0之间的硫族原子(即mx
1.5
至mx2的成分)。类似地，对于金属硫族化合物，靶804的成分可被调谐为对于每个金属原子包括在0.75至1.0之间的硫族原子(即mx
0.75
至mx1的成分)。
50.在块908中，真空室802向晶片衬底102和靶804施加真空。真空室802可泵降至例如约10-6
托。
51.在块910中，烧蚀激光器808将脉冲打在靶804上。激光脉冲器从靶804烧蚀2d前体材料812并导致非晶2d材料812沉积在晶片衬底102的表面上。在一些实施例中，沉积在衬底102上的非晶2d材料的厚度可以通过控制激光器808的脉冲数量来控制。
52.在块914中，可使用丙酮在衬底102上执行剥离工艺以除去过量材料。该剥离工艺可以去除例如光致抗蚀剂材料和过量的非晶2d材料。在执行剥离工艺之后，图案化的非晶2d材料保持被定位在衬底102上。
53.在块916中，非晶2d材料前体812在热烘箱中被晶化。例如，包括非晶2d材料前体
812的衬底102可以在氩气缓冲气体环境的受控气氛中在3区石英管热烘箱中退火。结晶温度可取决于正在生产的特定2d材料。例如，非晶mos2纳米片可以在450℃至700℃的温度下并且更特别地在约500℃的温度下转变为晶体结构。
54.在块918中，可使用光刻工艺将一个或多个电触点沉积在衬底102和/或晶化的2d材料104上。例如，可以在洁净室环境中使用正光刻法沉积一个或多个金电触点。说明性地，源电极106和漏电极108被沉积在晶化的2d材料104之上。诸如介电层、栅极触点和其它特征的附加特征也可以使用一个或多个光刻工艺来沉积。附加地或可替选地，尽管示出为发生在单层或多层104的沉积和晶化之后，但应当理解在一些实施例中一个或多个电触点或其它特征可在沉积2d材料104之前被沉积。
55.在块920中，用生物识别元件将晶化的2d材料104功能化。在说明性过程中，使用两步过程将2d材料104功能化，其中链接器化学品128被附接到2d材料104的表面并且然后生物识别元件130被附接到链接器化学品128。在块922中，用链接器化学品128修改晶化的单层或多层104的表面，该链接器化学品说明性地为11-巯基十一烷酸(mua)。如上所述，mua分子的sh封端与wse2晶体124的表面上的硫族原子和优选空位点126强烈相互作用并因此附接到其表面。在块924中，mua分子被激活，并且sars-cov-2抗体被附接到激活的mua上。特别地，mua分子的上端羧基通过mua组件在室温下暴露于n-羟基琥珀酰亚胺(n-hydroxysuccinimide，nhs)和碳二亚胺盐酸盐(carbodiimide hydrochloride，edc)溶液而被激活以形成n-羟基琥珀酰亚胺酯。可以使用100mm/400mm的nhs与edc的体积比和6小时的暴露时间。激活后，将器件浸入sars-cov-2溶液中。mua分子的活性酯易受亲核攻击，并且然后将与抗体提供的氨基反应，导致形成酰胺键。在使2d材料104功能化之后，完成生物传感器器件100。方法900循环回到块902，在其中可以制造额外的生物传感器器件100。
56.虽然某些说明性实施例已在附图和前述描述中详细描述，但这样的说明性和描述应被认为是示例性的而不是限制性的，但是应当理解，仅示出和描述了说明性实施例，并且期望保护在本公开的精神内的所有改变和修改。本公开的多个优点源于本文所述的装置、系统和方法的各种特征。将注意到，本公开的装置、系统和方法的替代实施例可以不包括所描述的所有特征但仍然受益于这样的特征的至少一些优点。本领域的普通技术人员可容易地设计其自己的装置、系统和方法的实施方式，其结合了本公开的一个或多个特征。

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：衬底；以及沟道，其耦接到所述衬底，其中所述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。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mx
1.5-2
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mx
0.75-1
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：用脉冲激光烧蚀在衬底上沉积非晶二维材料；晶化所述非晶二维材料以生成耦接到所述衬底的二维单层或多层；以及在晶化所述非晶二维材料之后，用生物识别元件激活所述二维材料的表面，以用于病原体检测。15.根据权利要求14所述的方法，其中：沉积所述非晶二维材料包括在环境温度下沉积所述非晶二维材料；以及晶化所述非晶二维材料包括用热烘箱晶化所述非晶二维材料。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mx
1.5-2
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mx
0.75-1
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：将化学链接器附接到所述二维材料的表面，其中所述化学链接器包含11-巯基十一烷酸；在将所述化学链接器附接到表面之后激活所述化学链接器；以及在激活所述化学链接器之后附接所述生物识别元件。

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。以被光刻图案化。描述并要求保护其它实施例。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
受保护的技术使用者：默塞尔大学
技术研发日：2021.11.09
技术公布日：2023/9/23