Ultradünne Halbleiter-Nanodrähte und nanoskopische Metall-Halbleiter-Verbindungen mit Durchmessern von bis zu ~ 3 nm sind aufgrund ihres hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses als Wandlermaterialien für Gas-, Chemie- und Biosensoranwendungen interessant. Die Gruppe von Prof.Weber hat in enger Zusammenarbeit mit Biologen, Materialwissenschaftlern und Electronic-Packaging-Gruppen eine Technologieplattform für ionensensitive Nanodraht-Sensoren entwickelt, die es ermöglicht, Spezies mit sehr niedrigen Konzentrationen zu messen, ohne dass dafür teure Verstärkungsgeräte benötigt werden. Die Spezifität wird durch immobilisierte Rezeptoren auf der Oberfläche der Nanodrähte gewährleistet, die die molekularen Ziele selektiv binden. Die extrem hohe Messauflösung wird durch die Wahl von Nanodrähten ermöglicht, die im Gegensatz zu Bulk- und 2D-ISFET-Kanälen eine vollständige Kanalentleerung bei der Bindung einiger weniger oder sogar einzelner molekularer Targets erlauben. Um einen großen Detektionsbereich zu gewährleisten und einen großen Stromausgang für eine realistische tragbare Anwendung zu erhalten, wird ein Multinanodraht-Kanalwandler mit etwa 1.000 parallel ausgerichteten Nanodrähten verwendet. Die Geräte sind in der Lage, relativ hohe Ausgangsströme von bis zu 0,3 mA bei 1 V zu liefern, die sich aus der Summe der einzelnen nanoskopischen Kanäle ergeben (Abb. 1) [1-2].

Abbildung 1. Gedruckte parallele Nanodraht-Sensorplattform. a) Foto eines mechanisch flexiblen Vogelgrippe-H1N1-Nanodraht-Sensors. b) REM-Aufnahme des parallel gedruckten Nanodraht-pH- und Bio-Sensors mit einem Stromausgang von 0,3 mA bei 1 V Vorspannung. c) Gemessenes IV-Kennfeld

In Zusammenarbeit mit dem IFW (D. Makarov und O. Schmidt) und dem MBZ (L. Baraban und G. Cuniberti), beide in Dresden, Deutschland, konnten wir mechanisch flexible Sensoren für das Vogelgrippevirus H1N1 [3], humane α-Thrombin-Sensoren als Grundlage für die Point-of-Care-Blutproteinanalyse [4] sowie einen Glukose-Nachweis durch einen enzymatischen Test mit Glukoseoxidase (GOx) herstellen. Wir haben kürzlich das Signal-Rausch-Verhalten dieser Nanodraht-ISFET-Wandler in Abhängigkeit von der Kanalgeometrie unter trockenen und feuchten Bedingungen untersucht [5].
In einem anderen Sensorsystemansatz entwickelten wir eine funktionale Nanodraht-Sensorschicht auf einem vollständig prozessierten CMOS-Chip (Abb. 2, [6]). In diesem hybriden Bottom-up- und Top-down-Integrationsschema werden die hohe Empfindlichkeit und Spezifität der biobeschichteten Nanodrähte und Nanoübergänge mit einer speziellen rauscharmen CMOS-On-Chip-Verstärkerschaltung kombiniert. In Zusammenarbeit mit dem Bioengineering-Labor der ETH-Zürich und dem RIKEN in Kobe-Japan hat die Gruppe erfolgreich die hybride Integration von bottom-up synthetisierten Si-Nanodrähten auf einem voll prozessierten CMOS-Verstärker- und Steuerchip als 32x32 Array-Plattform für die chemische und biologische Sensorik mit räumlicher Auflösung und paralleler Auslesung durchgeführt. Dazu wurde ein Backend-kompatibler Integrationsprozess entwickelt, bei dem die Si-Nanodrähte mittels Dielektrophorese selektiv auf die gewünschten Elektroden übertragen und montiert wurden.

Abbildung 2. Hybrider, integrierter Bottom-up-Nanodraht-CMOS-Chip, der eine funktionelle Sensorplattform für die räumlich-zeitliche pH- und Biosensorik bietet. Der Chip besteht aus einer 32 x 32 Matrix individuell adressierbarer Sensorstellen mit Verstärkung vor Ort.

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Literatur:

• [1]    D.-Y. Jeon et al., “Scaling and Graphical Transport-Map Analysis of Ambipolar Schottky-Barrier Thin-Film Transistors Based on a Parallel Array of Si Nanowires,” Nano Lett., vol. 15, no. 7, pp. 4578–4584, Jul. 2015.

• [2]    S. Pregl et al., “Parallel arrays of Schottky barrier nanowire field effect transistors: Nanoscopic effects for macroscopic current output,” Nano Res., vol. 6, no. 6, pp. 381–388, Jun. 2013.

• [3]    D. Karnaushenko et al., “Light Weight and Flexible High-Performance Diagnostic Platform,” Adv. Healthc. Mater., vol. 4, no. 10, pp. 1517–1525, Jul. 2015.

• [4]    L. Romhildt et al., “Human α-thrombin detection platform using aptamers on a silicon nanowire field-effect transistor,” 2017, pp. 1–4.

• [5]    S. Pregl, L. Baraban, V. Sessi, T. Mikolajick, W. M. Weber, and G. Cuniberti, “Signal and Noise of Schottky-Junction Parallel Silicon Nanowire Transducers for Biochemical Sensing,” IEEE Sens. J., vol. 18, no. 3, pp. 967–975, Feb. 2018.

• [6]    V. Sessi et al., “A CMOS-based Silicon Nanowire Array for Biosensing Applications,” Nano-Bio-Sens. Conf. Proc, 2017.