面向生物電子學的非石墨烯二維材料：從基礎性質到器件應用

2020-09-15 石墨烯聯盟


面向生物電子學的非石墨烯二維材料：從基礎性質到器件應用

第一作者：王博倫1，孫雨飛1，丁翰元1，趙譞1

通訊作者：劉鍇*，白淨衛*

單位：清華大學，西安交通大學

生物電子學是生物與電子相融合的學科，廣義上包含多種生物相關的信息處理系統、傳感器、驅動器和可穿戴器件。在過去十餘年間，具有原子層級厚度、高比表面積、柔性的二維材料的出現推動了生物電子器件的快速發展。與零帶隙的石墨烯相比，非石墨烯二維材料如過渡金屬硫族化合物(TMDCs)、黑磷(BP)和MXene具有更為豐富物理化學性質和多樣化的能帶結構，因而成為生物電子學領域的研究熱點。

近日，清華大學材料學院劉鍇課題組聯合清華大學藥學院白淨衛課題組在國際頂級期刊Advanced Functional Materials (影響因子：16.836) 上發表題為「Bioelectronics-Related 2D Materials Beyond Graphene: Fundamentals, Properties, and Applications」的長篇綜述論文.

該文系統總結了面向生物電子學應用的非石墨烯二維材料的物理化學性質、生物相容性和製備加工工藝，討論了基於此類材料的生物傳感器、人工神經突觸、仿生驅動器、觸覺傳感器和可穿戴光電/氣體傳感器的工作機理和性能優化策略，並展望了生物電子學領域的機遇與挑戰。該文章共同第一作者為清華大學材料學院博士生王博倫、孫雨飛，清華大學材料學院訪問學生、西安交通大學博士生丁翰元，清華大學藥學院博士後趙譞。劉鍇副教授和白淨衛研究員為本文共同通訊作者。

要點一 ：非石墨烯二維材料的性質與生物電子學應用的相關性

圖1. 非石墨烯二維材料具有原子層級厚度、多樣化的能帶結構、可調控的物理化學性質、良好的柔性、高比表面積等優勢，使得其在生物傳感器、人工神經突觸、仿生驅動器、觸覺傳感器和可穿戴光電/氣體傳感器等領域展示出了重要的應用潛力。

要點二 非石墨烯二維材料的物理化學性質與生物相容性

圖2. 以h-BN, TMDCs, III–VI族化合物, BP和MXene為代表的非石墨烯二維材料的晶體結構圖。

表1. 非石墨烯二維材料與石墨烯的楊氏模量、斷裂強度、斷裂應變的對比表

圖3. 非石墨烯二維材料的帶隙、遷移率對比圖，以及厚度依賴的電學和光學性質。

表2. 非石墨烯二維材料的大氣環境穩定性對比表，其穩定存在時間分布在幾分鐘到幾個月。

圖4. 利用表面修飾提高非石墨烯二維材料的生物相容性

要點三 面向生物電子學應用的非石墨烯二維材料的製備與加工

圖5. 非石墨烯二維材料的製備方法可以分為自上而下法（機械剝離、液相剝離等）和自下而上法（化學氣相沉積法等）兩大類。

圖6. 利用剪紙策略可以增強非石墨烯二維材料的可拉伸性，從而滿足可穿戴器件的需求。

要點四 基於非石墨烯二維材料的生物傳感器

圖7. 電化學生物傳感器的原理是通過檢測電極上的電化學反應來實現生物分子檢測，具有高比面積和豐富化學性質的非石墨烯二維材料通常可用作生物受體的載體。

圖8. 電晶體型生物傳感器的原理是通過檢測生物分子對電晶體中二維半導體溝道電導的調控來實現生物分子檢測。

圖9. 納米孔生物傳感器的原理是在納米孔兩端施加電場，檢測生物分子通過納米孔時的電學信號的變化來實現生物傳感。

要點五 基於非石墨烯二維材料的人工神經突觸

圖10. 人工神經突觸器件是實現低功耗類腦計算的基本單元，其電導在外部光/電信號的刺激下可以發生長時/短時的改變，從而模擬突觸權重長時程/短時程的變化。該器件從結構上可以分為電晶體型和憶阻器型人工神經突觸兩大類。

圖11. 在電晶體型人工神經突觸中，柵極輸入的光/電脈衝刺激可以調節二維半導體溝道的電導，從而改變突觸權重。

圖12. 在憶阻器型人工神經突觸中，從憶阻器兩極輸入的電壓脈衝刺激可以調節材料的電導，從而改變突觸權重。

要點六 基於非石墨烯二維材料的仿生驅動器

圖13. 仿生驅動器可以對溼度、光/電等外部環境刺激作出機械運動響應，其功能類似生物體肌肉，所以也稱為人工肌肉。

要點七 基於非石墨烯二維材料的可穿戴器件

圖14. 觸覺傳感器是電子皮膚的重要組成部分，它可以將應變、壓力轉化為電學信號。

圖15. 可穿戴氣體傳感器可以用來幫助佩戴者檢測有毒有害氣體、診斷人體疾病。

圖16. 可穿戴光電探測器可以將光信號轉化為電信號。

圖17. 可穿戴供能器件是可穿戴系統中不可或缺的組成部分。

生物電子學的研究可以追溯至18世紀科學家發現生物電的存在，而非石墨烯二維材料的應用研究才剛剛起步。儘管具有豐富性質的非石墨烯二維材料在生物傳感、人工神經突觸，仿生驅動器和可穿戴器件已經展示出了廣闊的應用潛力，但它們的實際應用仍然面臨著從單元器件研究向器件陣列研究轉變的挑戰，這對大面積、高度均一、缺陷密度可控的二維材料生長及其無損傷轉移、加工提出了很高的要求。另外，基於非石墨烯二維材料的生物電子器件的壽命仍需進一步提升，其在複雜液體環境的長期穩定性有待進深入研究。

文章連結：

Bioelectronics‐Related 2D Materials Beyond Graphene: Fundamentals, Properties, and Applications

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003732

文章來源：科學材料站

相關焦點

  • 物理所石墨烯晶界輸運性質研究取得系列進展
    以石墨烯為代表的二維原子晶體材料的準粒子（如激子、狄拉克費米子等）由於量子限域效應，顯示出室溫量子霍爾效應等新奇量子特性，也促進了相關新型電子、光電子器件的應用等相關研究。獲得本徵的電學輸運特性、光電特性等物理性質乃至最終的器件應用的關鍵在於大面積、高質量樣品的生長。
  • 綜述:基於二維材料光電子學信息功能器件的新發展
    近日，電子科技大學姚佰承教授和深圳大學張晗教授團隊合作，在Advanced Science發表文章，綜述了基於二維材料光電子學信息功能器件的新發展。01二維材料的光電特性圖 1 二維材料從紫外到微波波段的超寬帶光響應石墨稀的發現打開了二維材料的大門，從那時起，石墨烯和其他二維材料的電學，光學，機械，熱和化學性質被廣泛的研究。
  • 首次實現可塑性可調的石墨烯類突觸器件
    微電子所任天令教授課題組在《納米快報》發文首次實現可塑性可調的石墨烯類突觸器件　　清華新聞網11月12日電 11月4日，清華大學微電子所任天令教授課題組在納米領域權威期刊《納米快報》（NanoLetters）上在線發表了題為《可塑性可調的石墨烯動態突觸》（「Graphene Dynamic Synapse
  • 二維材料外延生長的原子尺度機理:特性與共性
    二維材料在高性能器件的實際設計中得以應用的前提是了解和優化其基本物性，如電子結構、磁性、光學響應、激子效應和催化性質等。文章首先集中介紹石墨烯和其他新興二維層狀材料vdW外延生長中常見的主要原子尺度機理，然後通過幾個實例介紹二維材料的物性優化和功能化的一些進展。
  • 石墨烯與二維材料使電子器件超越「摩爾定律」!
    ，將成為新一代電子產品的基礎。（圖片來源：Talieh Ghiasi / Van Wees Lab / 格羅寧根大學）自旋電子學，是電子學與磁學在納米尺度的結合，並有望通向新一代高速電子器件。對於超越摩爾定律的納米電子器件來說，自旋電子器件是一種可行的選擇。
  • 走進石墨烯小世界之石墨烯氣凝膠
    石墨烯是一種新型二維蜂窩狀晶體結構的碳材料，具有特殊的柔性、二維、超薄的結構特性以及高電導率、高熱導率以及強機械性等物理化學化特性，是構建零維、一維和三維碳質材料的基本單元。但是，由於石墨烯片層間強的範德華力和π-π鍵作用力，使其容易發生不可逆堆疊和團聚，嚴重降低石墨烯本身的性質和有效面積，從而限制了其在某些方面的應用，而將石墨烯片作為基本的構築單元，通過鍵接連接在一起，構建三維宏觀體—石墨烯氣凝膠，是解決石墨烯片層堆疊問題的有效方法之一。
  • 超快雷射直寫二維材料製備多功能光子學器件綜述
    各種各樣的二維材料，如石墨烯、氮化硼、過渡金屬硫化物、黑磷和鈣鈦礦都已經被成功地分離出來。二維材料表現出奇異的物理化學性質，比如具有原子層厚度、強烈的非線性光學性質、磁性以及優異的機械性能。這些與其對應的塊體材料迥異的性能為二維材料應用於納米器件，尤其是在光子學中的應用創造了新的機遇。
  • 石墨烯氣體傳感器的作用機理
    通過石墨烯材料氣體的檢測主要是基於在感測物質的吸附其電導變化。氣態吸附物具有不同的組成和結構與石墨烯在不同的模式進行交互。惰性閉孔吸附像水不誘導石墨烯檢測局部畸變狀態，它們影響石墨烯的電導通過搖勻石墨烯片內或片石墨烯及其基板之間的電子。另一方面，開放細胞吸附物例如NO 2，鹼金屬和滷素有化學活性的；他們可以充當這有助於電子或空穴對石墨和改變其電子濃度為臨時摻雜劑。
  • 雙層石墨烯加電可調材料特性,二維材料進入2.0時代
    在外界看來，多年偏基礎物理科學的研究不免會有些枯燥，但對巨龍來說，興趣是最好的內心驅動力，他所領導的課題組目前也是聚焦於對二維材料的一些基本物理性質的研究。巨龍介紹，從 2005 年至今，科學界基本是一邊研究已發現的二維材料性質，另一方面，也在不斷尋找新的二維材料。
  • 進展|普適性機械解理技術製備大面積二維材料
    二維材料家族涵蓋了絕緣體、半導體、金屬和超導體，並展現出許多不同於三維材料的新奇物性，是近年來凝聚態物理和材料科學領域的研究熱點。製備高質量的二維材料，特別是原子層量級的超薄材料，是開展二維材料前沿探索的基礎。2004年，諾貝爾物理學獎得主Geim教授和Novoselov教授最早發展出了機械解理技術，並獲得了單層石墨烯，掀起了二維材料的研究熱潮。
  • 石墨烯帶隊二維錫烯緊隨 二維材料根本停不下來
    緊隨石墨烯的腳步，一大波新型二維平面材料正在來襲——然而它們最振奮人心的應用，卻來自於它們堆疊成的三維器件。　　二維材料， 何時飛入尋常百姓家　　物理學家稱他們成功生長出了錫烯——錫原子組成的二維層狀結構。這種材料生長在碲化鉍襯底上，呈現出蜂窩狀結構。從左到右依次為顯微圖像、俯視圖和剖面示意圖。
  • 【材料課堂】材料最前沿: 航空航天複合材料、石墨烯導電膠水、時間晶體、二維「奇蹟」材料、無損超材料……
    現在位於2D材料研究前沿的美國西北大學教授Mark Hersam領導研究人員，開展了一個重要實驗研究，不僅僅是表徵硼烯，而是已開始利用硼烯製造納米電子器件。在科學進展雜誌對本研究的描述中，Hersam的團隊首次將硼烯與另一種材料組合以創建異質結構，這是電子器件的基本結構單元。
  • Rev.綜述:自旋電子學材料第一性原理設計
    在自旋閥器件中，如同三明治一般，兩層鐵磁材料間是一層非磁性材料，當施加外部磁場時，兩層磁性物質間的磁化方向的異同會導致整個器件的電導率會有一個數量級的差別。將中間層換為非磁性的絕緣體後，電導率的差別會更大。這種巨磁電阻材料可以應用在磁場傳感器、磁阻隨機存儲器中。
  • 網絡講堂:導電原子力顯微鏡(C-AFM)在二維材料及納米電子器件中的...
    導電原子力顯微鏡（C-AFM）是一種非常有用的掃描探針顯微鏡（SPA）納米表徵技術，它不僅可以對樣品的形貌進行表徵，更重要的是可以探測許多介質材料和電子器件的局部電學性質，納米級電學性質表徵技術手段的應用和發展變得日益重要。
  • 二維金量子點:有望應用於量子計算和新一代電子器件!
    導讀據美國密西根理工大學官網近日報導，該校研究人員將金屬「金」轉化為半導體，並在氮化硼納米管上逐個原子地定製這種材料。這種新材料有望應用於量子計算和新一代電子器件。背景2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。
  • 石墨烯氣凝膠獲得*輕材料金氏世界紀錄
    在各種氣凝膠中，石墨烯氣凝膠是關注度最高的一種，因為它可以應用在電子部件的電池和觸媒中。     3D列印石墨烯氣凝膠的正方形樣品非常輕便，可以掛在麥芒上而不會彎曲。該材料被金氏世界紀錄公司宣布為世界上最輕的3D列印材料。     近日消息，3D列印的石墨烯氣凝膠材料被金氏世界紀錄公司宣布為世界上最輕的3D列印材料。該材料密度是如此之小，可以安全放在花瓣或棉花上。
  • 材料最前沿: 航空航天複合材料、石墨烯導電膠水、時間晶體、二維「奇蹟」材料、無損超材料……
    工程師說，這個發現解決了光子學領域最大的挑戰之一：儘量減少器件中稱為等離子體超材料的光學（光基）信號損失。等離子體超材料是納米級工程化的材料，以不尋常的方式控制光。它們可用於開發從隱形鬥篷到量子計算機等不同種類的器件。但是，超材料通常含有金屬，因此會將從光吸收能量轉化為熱。最終結果使一部分光信號被浪費，降低了器件效率。
  • 物理所石墨烯摩爾超晶格研究取得系列進展
    最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）納米物理與器件實驗室在《自然•材料》、《自然•納米技術》、《自然•物理》、《自然•通訊》刊登了系列研究成果。針對石墨烯/氮化硼異質結構，他們系統研究了氮化硼基底調製下的摩爾超晶格以及相關物理現象，為石墨烯能帶及電子學性質調控提供了新思路。
  • 段曦東:二維材料淘金者
    二維材料之所以備受關注，是因為在科學上，可以藉助它們觀察到新的物理現象，發現新的物理規律；在技術上，它們有可能成為下一代的電子學和光電子學材料，並可能在傳感、催化等領域獲得廣泛應用。要想充分實現二維材料在科學技術上的應用，第一個要做的就是發展更可控的製備方法，而這一點恰恰是最難的。
  • 石墨烯和其它二維材料的技術進展和商業前景
    經過十餘年的持續跟蹤和研究積累，IDTechEx近期發布了這份最新的「石墨烯市場和二維材料評估」主題報告。除了基礎研究，IDTechEx還在歐洲和美國組織了針對這一主題的展會和研討會。鑑於石墨烯晶圓明顯的潛力，最初的目標包括了電晶體和透明導電膜（TCF）等某些關鍵應用，然而，由於帶隙問題和高性能現有材料再加上製造方面的挑戰，一直限制著其實際應用。 不過，隨著製造方面的改進和技術的進一步發展，傳感器和光電領域的應用正逐步走向商業化。未來10年，對於某些關鍵的終端用戶市場來說是非常有希望的。 非石墨烯二維材料？