(A) Study on extended gate field-effect transistor for bio-chemical sensor applications
저자
발행사항
서울 : 성균관대학교 일반대학원, 2012
학위논문사항
학위논문(박사)-- 성균관대학교 일반대학원 : 신소재공학과 2012. 2
발행연도
2012
작성언어
한국어
주제어
DDC
620.11 판사항(22)
발행국(도시)
서울
형태사항
ix, 102 p. : 삽도, 챠트 ; 30 cm.
일반주기명
지도교수 : 이내응.
참고문헌 : p. 91-101.
DOI식별코드
소장기관
Recently, the research in the field of bio-chemical nano-sensors has a great attention due to the rapid development of nanomaterials, especially nanowires, carbon nanotube, and graphene. One of the important research in bio-chemical field is the investigation of ion sensing such as proton (H+), calcium (Ca2+), potassium (K+), sodium (Na+) ions to apply for cell-based sensor to detect cell metabolites. Bio-chemical nano-sensors are mostly based on optical methods such as surface plasmon resonance (SPR), fluorescence, bioluminescence, etc or electrical methods such as electrochemical sensing based on electroactivity on electrode and semiconductor device based on ion-sensitive field-effect transistor (ISFET). Although the optical methods have advantages of high sensitivity, high selectivity, and fast response, it has drawbacks of high-cost, difficulties in integration, and difficulties in handling. Otherwise, electrical methods can get high sensitivity, high selectivity, low-cost, easy integration, and easy handling. Therefore, electrical methods are still good candidates for investigating the bio-chemical nano-sensors. In the field of ion sensing, the traditional electrical method is based on the electrochemistry measurement. But, devices for these measurements have disadvantages of difficulties to be integrated in miniaturized system or lab-on-a chip device. Therefore, ISFET structure has been investigated as an alternative to make miniaturized devices. However, in some cases, the ISFET structure has issues of poor isolation between FET devices and chemical solutions that can affect the stability of devices, requirement of specific gate insulator for sensing purpose, and highly complex fabrication. To overcome these ISFET issues, the extended-gate field effect transistor (FET) structure concept was introduced for investigations the ion sensing applied to bio-chemical sensors.
In this work, an indium tin oxide (ITO)-extended gate field effect transistor was demonstrated for the ion sensing application. The ITO extended gate was used as bottom gate in thin film transistor as well as active layer for sensing proton ions in extended part. The field-effect transistors were developed based on semiconductor active layers reduced graphene oxide (rGO-FET) and organic pentacene (OFET). The both transducers based on reduced graphene oxide and pentacene show good stability if the FET devices have been protected by encapsulation layer of TTC (tetratetracontane), especially, the rGO-FET transducer shows a good stability and low noise for one month. For proton sensing application, the OFETs show the change in the threshold voltage caused by changes in the electrochemical potential at the surface of extended bottom-gate ITO electrode which is exposed to different buffer pH solution values. The sensitivity was high as 57 ? 59 mV/pH in the solution of 2-12 pH value range in the case of ITO as proton sensing layer. The selectivity of ITO sensing layer to proton ions was also investigated by measuring the interfering effect of Ca2+ and K+ ions in the buffer pH solutions. The results show the weakly interfering effects exerted by the K+ and Ca2+ ions. In the case of rGO-FET transducer, the multiple parameters such as Dirac point shifted voltage and voltage difference per pH in p-type branch or n-type branch can be extracted from the transfer characteristics for using as sensing parameters. In rGO-FET transducer, rGO was also adsorbed on extended ITO gate electrode for using as proton sensing layer. This rGO film was formed in the same process as rGO active channel for rGO-FET. The results show the sensitivity are 35 mV/pH for p-type branch, and 30 mV/pH n-type branch with rGO film as proton sensing layer.
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