石墨烯晶体管在液体环境中表现优异，灵敏度提升20倍
在环境监测和生物医学检测中，对微小化学或生物信号的精准捕捉至关重要。这些信号的早期识别，有助于在问题对健康或生态系统造成实质性影响之前采取干预措施。尽管目前已有多种传感器可用于此类应用，但其在液体环境中的稳定性与响应能力仍存在一定局限。
场效应晶体管（FET）是用于检测微小化学变化的常用装置，但在液体环境下，如生物体液或污染水源中，其性能往往受到信号漂移的干扰。为解决这一难题，宾夕法尼亚州立大学的研究团队开发出一种新型双门石墨烯FET（GFET），显著提升了在液体环境中的稳定性与灵敏度。研究结果已发表于《npj 二维材料与应用》期刊。
石墨烯材料助力克服信号漂移挑战
石墨烯是一种二维材料，以其出色的导电性和环境敏感性而著称。近年来，科学家越来越多地将其应用于传感器开发，以替代传统的硅基场效应晶体管。然而，传统石墨烯FET在液体中容易出现信号漂移，即传感器读数会随时间发生变化，即使输入条件保持不变。
电气工程副教授Aida Ebrahimi指出，这种信号漂移不仅影响测量精度，还可能导致传感器在长期应用中失效。此外，这类晶体管还面临电泄漏和扫频引起的不稳定性问题，这些因素限制了其在生物医学接口，如植入式设备中的应用。
Aida Ebrahimi与博士生Vinay Kammarchedu共同开发了该新型晶体管设计。团队通过优化器件结构，有效提升了其在液体环境中的稳定性和灵敏度。
双门结构与反馈机制增强系统稳定性
“我们采用了双门设计，取代传统的单门结构，从而能够更精确地控制电流量，”Kammarchedu解释道。“两个门之间可以相互配合，使系统电流保持恒定，从而显著减少信号漂移问题。”
此外，团队还在其中一个门上引入了反馈系统，用于更准确地监测分子在传感器表面引起的电压变化。这种设计利用上下栅之间的电容差异：上栅对环境高度敏感，电容是下栅的十倍；而下栅则起到稳定系统的作用。这种结构增强了传感器的响应性。
Kammarchedu表示：“即使传感器表面发生微小的化学变化，反馈机制也能将信号放大10倍，从而更容易识别细微的分子变化。”
从实验室到实际应用的传感器系统
团队在宾夕法尼亚州立大学的纳米制造实验室中制造了这些石墨烯晶体管。设备构建在硅晶圆基底上，包含超薄金属层、绝缘氧化层和单原子厚的石墨烯层。随后，这些传感器被集成到定制电路板中，并通过电气连接形成完整的传感阵列。
在测试中，研究人员将含有多种生物和化学物质的液体引入系统，观察其对不同信号的响应。Kammarchedu指出：“我们可以集成多达32个传感器，并分别进行测量，而不会产生明显的电气干扰。通过堆叠多个电路板，系统的可扩展性得到了进一步提升。”
该传感器系统的灵敏度是传统单门场效应晶体管的20倍，同时信号漂移减少了15倍。Ebrahimi强调，这种设计能够有效检测多种生物和化学信号，例如神经递质多巴胺和血清素、炎症标志物IL-6，以及存在于污染水体中的有害化学物质PFAS。
推动诊断技术发展的未来方向
当前，研究团队正致力于优化传感器以识别与帕金森病相关的挥发性有机化合物（VOCs），旨在为临床早期诊断提供支持。Ebrahimi表示，通过检测这些分子标志物的早期变化，医生可以更及时地制定干预策略。
研究团队还在探索将其他二维材料应用于该架构，以进一步提升传感器的性能。Ebrahimi补充道：“宾夕法尼亚州立大学在材料科学领域具有领先优势，我们期待通过实验不同材料，寻找优化传感器表现的新路径。该系统已实现微型化，并具备大规模制造潜力，可直接集成到集成电路中。”
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