石墨烯场效应晶体管神经探针的应用探究

石墨烯是近年来研究最热的二维材料之一，2004 年，Novoselov和Geim首次使用透明胶带从高定向热解石墨中剥离出单层碳原子的石墨烯，并将其转移至硅片基底，制备了石墨烯场效应晶体管，进而探究了石墨烯材料独特的电学特性[30]，宣告了石墨烯时代的到来。自此以后，石墨烯成为物理学家、化学家和材料学家竞相追逐的焦点材料。

石墨烯的全部碳原子以sp2杂化成键，形成蜂窝状二维平面晶体材料（图3-6），单原子层的石墨烯厚度仅为0.335nm。石墨烯的所有共价键均在一个平面上，夹角为120°，没有参与杂化的p轨道电子形成垂直于石墨烯平面的π键，电子可以在石墨烯平面内自由移动，使得石墨烯拥有良好的导电性。[31]

图3-6

（a）石墨烯原子排列结构示意图；（b）石墨烯扫描隧道显微镜图像[31，32]

石墨烯具有独特的能带结构，优异的电学、光学、机械和热学性能。大面积石墨烯薄膜的成功生长，大大易化了石墨烯作为透明电极在柔性显示器、太阳能电池、柔性电池、超级电容器、传感器方面的应用。[32，33]石墨烯集高生物相容性、导电性、柔性、低噪声、耐腐蚀、光学透明特性于一身，这使得石墨烯成为一种非常优秀的可应用于生物体的材料。[11]

除了硅、金属等传统的电极制造材料，近年来石墨烯的出现也为神经接口的发展提供了很好的材料基础。单层碳原子的石墨烯厚度只有纳米级别，极其柔软，具有优异的透明性和良好的生物相容性。并且，一些经范德瓦耳斯力层层叠加的石墨烯材料具有非常大的比表面积，这使得其电荷注入密度（Charge Injection Limit, CIL）很高，阻抗很低，加之其良好的电子迁移率，为制备柔性神经电极提供了理想选择。

如前文所述，石墨烯可作为场效应晶体管的沟道材料，用于制备各种各样的生物传感器。当沟道附近有细胞放电时，溶液中离子分布的变化施加到石墨烯场效应晶体管上形成液栅栅压，从而改变晶体管源漏电流，因此场效应晶体管可以作为神经探针，实现活体细胞电活动的检测。相比于已广泛应用于神经电生理的金属阵列电极，场效应晶体管的信噪比和空间分辨率可以更高，这是由于对金属阵列电极来说，尺寸的减小会造成电极与溶液界面的电化学阻抗增大，从而导致热噪声的增加和信噪比的降低，同时也限制了金属电极的最小尺寸和空间分辨率。[34]而基于场效应晶体管的神经探针，由于检测不受溶液界面阻抗的影响，因而可以采用更小的探针尺寸，从而达到更高的空间分辨率。

2010年，Cohen-Karni等使用微机械剥离法制备的单层石墨烯作为沟道材料，制备了石墨烯场效应晶体管神经探针，实现了心肌细胞的动作电位的胞外记录（图3-7）。心肌细胞的动作电位是场效应晶体管的门输入，它可以调节石墨烯的载流子浓度并在石墨烯晶体管的漏极电流中产生信号。记录到的电流尖峰与心肌细胞的自发搏动同步。除此之外，由于石墨烯独特的双极特性，当石墨烯从p型调谐到n型时，电流信号的极性发生翻转。该石墨烯场效应晶体管器件在自发搏动的心肌细胞上记录到的胞外信号的信噪比大于4，高于很多文献报道的数据。[35]

图3-7

（a）石墨烯和硅纳米线场效应晶体管示意图；（b）石墨烯和硅纳米线场效应晶体管与心肌细胞的相对大小示意图[35]

石墨烯场效应晶体管通常在氧化硅基底上制备。研究表明，氧化层中的电荷缺陷和光学声子强烈散射石墨烯的电荷载流子，这导致了较大的1／f噪声并严重降低了石墨烯场效应晶体管的电学性能。为了提高石墨烯传感器的信噪比，Cheng等通过原位刻蚀技术在水溶液中制备了悬浮的石墨烯场效应晶体管（图3-8）。结果表明，悬浮的石墨烯传感器的信噪比大大提高，相比于二氧化硅基底上的石墨烯场效应晶体管，当石墨烯悬浮在溶液中时，空穴和电子载流子的低频噪声分别是二氧化硅基底上石墨烯场效应晶体管的低频噪声的1／12和1／6。在溶液中的悬浮还导致了石墨烯载流子迁移率的增加和1／f噪声的降低。[36] (www.xing528.com)

图3-8

（a）悬浮石墨烯场效应晶体管示意图；（b）原位刻蚀石墨烯下方的SiO2（箭头表示在刻蚀过程中更换溶液的种类与时间）[36]

2013年，Cheng等系统地研究了生理环境下石墨烯场效应晶体管灵敏度对石墨烯尺寸的依赖性。他们发现，悬浮石墨烯场效应晶体管的灵敏度与石墨烯面积的平方根相关。此外，他们还发现悬浮的石墨烯场效应晶体管可以与细胞形成紧密的生物电子界面（图3-9）。相对于基底支撑的石墨烯场效应晶体管探针，悬浮石墨烯场效应晶体管电生理记录的信噪比得到显著提升。[37]

图3-9

（a）悬浮石墨烯场效应晶体管用于细胞电生理记录示意图；（b）通过石墨烯场效应晶体管传感器记录心脏的电流信号，上图为平面石墨烯场效应晶体管记录的信号，下图为悬浮石墨烯场效应晶体管记录的信号[37]

2012年，Park等将原本的金属引线用多层石墨烯进行替代，制备了全碳元素的石墨-石墨烯场效应晶体管[图3-10（a）]，其可用于实时pH检测，并且其良好的生物相容性使其在柔性电子学方面有巨大的应用潜力。[38]2013年，Heo等在PDMS和PI之间插入了图案化的石墨烯电极，该电极柔性高，具有良好的生物相容性，将其直接放置在小鼠大脑皮层上，并通过该石墨烯电极在特定的局部血管上施加电场。在体光学记录可直接观察到小鼠脑血管中的血容量的变化，脑血容量在受刺激区域的动脉中显著增加，但未观察到组织损伤和不必要的神经元激活，也没有观察到短暂的缺氧。该石墨烯电刺激器件提供了一种治疗局部脑血管血液循环不足的新方法，有望用于慢性脑缺血的治疗[图3-10（b）]。[39]基于柔性石墨烯场效应晶体管探针对心肌细胞动作电位和大鼠皮层癫痫信号的记录，[40]详见“石墨烯电化学传感器”一章所述。

图3-10

（a）全碳石墨-石墨烯场效应晶体管；（b）石墨烯电刺激器[38，39]