石墨烯传感器在液体中表现出稳定性增强，灵敏度提升最高达20倍
石墨烯传感器在液体中表现出稳定性增强，灵敏度提升最高达20倍
（a） 双门GFET结构示意图，采用独立的顶栅和局部模式的背栅，并结合固态HfO₂介质，使双面均能实现电容调制。插图：制造装置的光学显微图像（比例尺：30微米）。（b） 传统全局背栅GFET与厚SiO₂介质的对比结构。图片来源：npj 二维材料与应用（2026年）。DOI：10.1038/s41699-026-00674-5
在医学诊断和环境监测中，准确检测微小的生物标志物或有害化学物质的浓度变化至关重要。当前，部分传感器在监控此类微量物质方面已取得进展，但仍面临诸多技术挑战。以场效应晶体管（FET）为例，这类器件虽可用于调控电流流动，但在液体环境中稳定性欠佳，影响其在生物传感中的实际应用。
为解决这一问题，宾夕法尼亚州立大学的研究团队开发了一种改进型场效应晶体管，显著提升了其在生物流体中的性能。该传感器在检测神经递质（如多巴胺）及水中有害化学物质时，灵敏度可达传统设计的20倍。相关成果已发表于《npj 二维材料与应用》。
石墨烯晶体管有效抑制信号漂移
该设备采用石墨烯作为核心材料，这种二维材料具有极薄的厚度、良好的导电性以及对外部环境的高度响应能力。尽管近年来越来越多的传感器开始采用石墨烯替代传统硅基材料，但其在液体中的稳定性问题依旧存在。电气工程副教授Aida Ebrahimi指出，当这类晶体管暴露在液体中时，常出现信号漂移现象，即在输入保持稳定的情况下，输出读数逐渐变化，从而影响测量精度。
上图展示了Ebrahimi与博士研究生Vinay Kammarchedu合作开发的新型晶体管结构。该设备能够支持高精度、高响应性的传感任务，尤其适合用于液体环境中。
Ebrahimi强调，此类晶体管还面临电泄漏和扫频引起的不稳定问题。扫频是常见的测量手段，但会显著影响长期使用的可靠性，限制了其在植入式生物接口设备中的应用。
“场效应晶体管就像水龙头一样工作，” Kammarchedu 说明道，“当打开时允许电流流动，关闭时则停止。但传统传感器需要频繁调节开关，导致系统不稳定并影响读数的准确性。”
双门结构与反馈机制提升整体稳定性
为改善这一问题，研究团队采用双门设计，使电流控制更加灵活可靠。“通过两个独立的栅极，我们能够更精确地调节电流，从而降低信号漂移的影响，” Kammarchedu 解释道。此外，他们还引入了反馈机制，以更准确地捕捉分子对传感器电压的影响。
反馈机制利用上下栅极之间的电容差异，其中上栅电容是下栅的10倍，对环境变化敏感，而下栅则作为稳定的参考。“这种结构显著放大了晶体管的输出信号，” Kammarchedu 补充道，“即使传感器表面发生微小的化学变化，也能被系统清晰捕捉，信号变化会被放大10倍。”
从纳米制造到可扩展电路集成
研究人员在宾夕法尼亚州立大学的纳米制造实验室中制作了该晶体管，采用硅晶圆作为基底，沉积超薄金属层、绝缘氧化物层，并覆盖单原子层的石墨烯薄膜。随后，他们将多个传感器集成至定制化电路板中，并测试其在不同生物和化学溶液中的响应能力。
“我们能够在同一块电路板上集成多达32个传感器，并实现无干扰的独立测量，” Kammarchedu 表示。通过将多个电路板堆叠，可进一步扩展系统规模，同时保持每个传感器的小型化。
实验结果显示，该传感器的灵敏度比传统单栅晶体管高20倍，信号漂移减少15倍。Ebrahimi指出，这些传感器能够广泛识别多种生物和化学靶标，包括神经递质如多巴胺、血清素，以及促炎因子IL-6，以及存在于污染水源中的PFAS等合成污染物。
推动从实验室到临床应用的转化
目前，研究团队正致力于进一步优化传感器，以用于检测与帕金森病相关的挥发性有机化合物，期望通过更早发现疾病标志物，推动早期干预策略的实施。同时，他们也在探索使用其他二维材料替代石墨烯，以进一步提升设备的性能。
“宾夕法尼亚州立大学在材料科学领域处于领先地位，我们期待继续探索不同二维材料的传感特性，并评估是否能进一步优化性能，” Ebrahimi 表示。该架构具备高度的微型化和可扩展性，支持大规模制造，并可直接嵌入传统印刷电路板及集成电路中。
Vinay Kammarchedu 等，《用于低噪声、漂移稳定和可调化学传感的主动双门石墨烯晶体管》，npj 二维材料与应用（2026）。DOI：10.1038/s41699-026-00674-5
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