Promotionsvortrag von Yongqiang Zhang

In dieser Arbeit werden die wertvollen Signale an der Flüssigkeits-Festkörper-Grenzfläche in nanoskaligen Transistorbauelementen analysiert. Diese Signale spiegeln das Verhalten von Ladungsträgern wider und sind für viele nützliche und wichtige Biosensoranwendungen vielversprechend. Es wurden fortschrittliche Flüssigkeit-Gate-All- round (LGAA) Silizium- (Si) Nanodraht- (NW) Feldeffekttransistor- (FET)-Biosensoren hergestellt, um die Effekte an der Flüssigkeits-Festkörper-Grenzfläche in einer flüssigen Umgebung zu untersuchen. Hierbei wurden das Ladungsinversionsphänomen, der raumladungsbegrenzte Strom-Effekt (SCLC-Effekt) und das zufällige Telegraphensignal (RTS), das zu einzelnen Fallenphänomenen (STP) verknüpft mittels Transport- und Rauschcharakterisierungen untersucht.
Zur Untersuchung der Ladungsinversionsphänomene wurde die Rauschspektroskopie, einschließlich der Schätzung des dimensionslosen Hooge-Parameters (αH) und des äquivalenten Eingangsrauschens (SU), als wirksame Indikatoren für das Ionenverhalten auf der Oberfläche des Nanodrahtes analysiert. Die Messergebnisse zeigten zwei deutliche Wendepunkte bei MgCl2-Konzentrationen von 10-4 M und 10-1 M für die Spitzen und Täler von αH bzw. SU.
Diese beiden Wendepunkte zeigten effektiv den durch das Ionenverhalten in Lösungen mit unterschiedlichen MgCl2-Konzentrationen verursachten Transformationstrend. Interessanterweise haben wir bei der weiteren Untersuchung der LGAA-NW-FET in 1 mM PBS bei pH = 7.4 den SCLC-Effekt entdeckt. Die lineare Beziehung zwischen Drain- Strom, IDS, und Drain-Spannung, VDS, verwandelt sich mit steigender Spannung in ein superlineares Verhalten, was die Entstehung des SCLC-Effekts widerspiegelt. Darüber hinaus ergaben Zeitspurenmessungen ein zweistufiges RTS-Phänomen, das in dem Spannungsbereich auftritt, in dem der SCLC-Effekt in den I-U-Kennlinien beobachtet wurde.
Dieses RTS, das mit STP verknüpft ist, liefert wertvolle Erkenntnisse über den SCLC-Effekt in LGAA-NW-FET. Diese Entdeckungen sind von Bedeutung für die Weiterentwicklung von Nanotransistorstrukturen auf der Basis von Einzelfallen, insbesondere im Forschungsbereich der Biosensorik. Zur Untersuchung unserer Hypothese, die Empfindlichkeit des FET-Biosensors zu erhöhen, wurde eine goldene Bowtie-Antenne auf der Oberfläche der Nanodrähte hergestellt. Durch sorgfältiges Einstellen der Lichtintensität konnten wir die Anregung eines einzelnen Zentrums und das RTS-Phänomen induzieren, ohne die dielektrische Schicht zu zerstören. LGAA-FET mit dieser Antenne wurden unter 940 nm LED-Anregung in 1 mM PBS bei pH = 7.4 getestet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Lorentz-Peaks in den Rauschspektren dem Auftreten von RTS unter Beleuchtung entsprechen, wobei die Amplitude der RTS-Fluktuationen mit höherer Infrarot-Intensität zunimmt. Diese Ergebnisse unterstreichen das erhebliche Potenzial der Goldantenne für die Nutzung des plasmonischen Effekts und des RTS zur Steigerung der Empfindlichkeit von Biosensoren. Die untersuchten Signale an der Flüssigkeits-Festkörper-Grenzfläche in Verbindung mit der weiterentwickelten FET-Bauelement-Architektur stellen einen bedeutenden Durchbruch in der Biosensorik dar und bilden die Grundlage für hochempfindliche bioelektronische Sensoren der nächsten Generation.