Published March 18, 2022
| Version v1
Publication
Open
Solution processed low power organic field-effect transistor bio-chemical sensor of high transconductance efficiency
Creators
- 1. Shanghai Jiao Tong University
- 2. Hong Kong Polytechnic University
- 3. State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics
- 4. Chinese Academy of Sciences
- 5. Institute of Semiconductors
Description
Abstract Developing organic field-effect transistor (OFET) biosensors for customizable detection of biomarkers for many diseases would provide a low-cost and convenient tool for both biological studies and clinical diagnosis. In this work, design principles of the OFET transducer for biosensors were derived to relate the signal-to-noise ratio ( SNR ) to the device-performance parameters. Steep subthreshold swing ( SS ), proper threshold voltage ( V th ), good-enough bias-stress stability, and mechanical durability are shown to be the key prerequisites for realizing OFET bio-sensors of high transconductance efficiency ( g m / I D ) for large SNR . Combining a low trap-density channel and a high- k /low- k gate dielectric layer, low-temperature (<100 °C) solution-processed flexible OFETs can meet the performance requirements to maximize the g m / I D . An extended gate-structure OFET biosensor was further implemented for label-free detection of miR-21, achieving a detection limit below 10 pM with high selectivity at a low operation voltage (<1 V).
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
الملخص من شأن تطوير المستشعرات الحيوية ذات التأثير الميداني العضوي (OFET) للكشف القابل للتخصيص عن المؤشرات الحيوية للعديد من الأمراض أن يوفر أداة منخفضة التكلفة ومريحة لكل من الدراسات البيولوجية والتشخيص السريري. في هذا العمل، تم اشتقاق مبادئ تصميم محول OFET للمستشعرات الحيوية لربط نسبة الإشارة إلى الضوضاء ( SNR ) بمعلمات أداء الجهاز. تبين أن التأرجح الحاد تحت العتبة ( SS )، وجهد العتبة المناسب ( V th )، واستقرار الإجهاد التحيزي الجيد بما فيه الكفاية، والمتانة الميكانيكية هي المتطلبات الأساسية لتحقيق المستشعرات الحيوية لـ OFET ذات كفاءة النقل العالية ( g m / I D ) لـ SNR الكبيرة. من خلال الجمع بين قناة منخفضة الكثافة وطبقة عازلة للبوابة ذات درجة حرارة عالية/منخفضة، يمكن أن تفي درجات الحرارة المنخفضة (<100 درجة مئوية) التي تتم معالجتها بمحلول OFETs بمتطلبات الأداء لتحقيق أقصى قدر من الجرام م /د . تم تنفيذ مستشعر حيوي ممتد لـ OFET لهيكل البوابة للكشف الخالي من الملصقات عن miR -21، مما يحقق حد اكتشاف أقل من 10 جزء في المليون مع انتقائية عالية عند جهد تشغيل منخفض (<1 فولت).Translated Description (French)
Résumé Le développement de biocapteurs à transistor à effet de champ organique (OFET) pour la détection personnalisable de biomarqueurs pour de nombreuses maladies constituerait un outil pratique et peu coûteux pour les études biologiques et le diagnostic clinique. Dans ce travail, les principes de conception du transducteur OFET pour biocapteurs ont été dérivés pour relier le rapport signal sur bruit ( SNR ) aux paramètres de performance du dispositif. Une forte oscillation sous le seuil ( SS ), une tension de seuil appropriée ( V th ), une bonne stabilité de contrainte de polarisation et une durabilité mécanique sont les conditions préalables essentielles à la réalisation de biocapteurs OFET à haute efficacité de transconductance ( g m / I D ) pour un grand SNR . En combinant un canal à faible densité de piégeage et une couche diélectrique de grille à k /faible k élevé, les OFET flexibles traités en solution à basse température (<100 °C) peuvent répondre aux exigences de performance pour maximiser le g m / I D . Un biocapteur OFET à structure de grille étendue a également été mis en œuvre pour la détection sans étiquette de miR-21, atteignant une limite de détection inférieure à 10 pM avec une sélectivité élevée à une faible tension de fonctionnement (<1 V).Translated Description (Spanish)
Resumen El desarrollo de biosensores de transistores orgánicos de efecto de campo (OFET) para la detección personalizable de biomarcadores para muchas enfermedades proporcionaría una herramienta conveniente y de bajo costo tanto para estudios biológicos como para el diagnóstico clínico. En este trabajo, se derivaron los principios de diseño del transductor OFET para biosensores para relacionar la relación señal-ruido ( SNR ) con los parámetros de rendimiento del dispositivo. La oscilación subumbral pronunciada ( SS ), el voltaje umbral adecuado ( V th ), la estabilidad de tensión de polarización lo suficientemente buena y la durabilidad mecánica son los requisitos previos clave para realizar biosensores OFET de alta eficiencia de transconductancia ( g m / I D ) para una SNR grande. La combinación de un canal de baja densidad de trampa y una capa dieléctrica de puerta de alta k /baja k, OFET flexibles procesados en solución de baja temperatura (<100 °C) puede cumplir con los requisitos de rendimiento para maximizar la g m / I D . Además, se implementó un biosensor OFET de estructura de compuerta extendida para la detección sin etiqueta de miR-21, logrando un límite de detección inferior a 10 pM con alta selectividad a un voltaje de operación bajo (<1 V).Files
s41528-022-00149-9.pdf.pdf
Files
(1.7 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:9c713cf90250db66cce3ef34b580e91c
|
1.7 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- معالجة المحلول مستشعر كيميائي حيوي للتأثير الميداني العضوي منخفض الطاقة بكفاءة نقل عالية
- Translated title (French)
- Capteur biochimique à transistor à effet de champ organique de faible puissance traité en solution et à haute efficacité de transconductance
- Translated title (Spanish)
- Sensor bioquímico de transistor orgánico de efecto de campo de baja potencia procesado en solución de alta eficiencia de transconductancia
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4220968113
- DOI
- 10.1038/s41528-022-00149-9
References
- https://openalex.org/W1965804498
- https://openalex.org/W1973765618
- https://openalex.org/W1998933999
- https://openalex.org/W2013388602
- https://openalex.org/W2014705044
- https://openalex.org/W2093921349
- https://openalex.org/W2110517862
- https://openalex.org/W2116884961
- https://openalex.org/W2136518219
- https://openalex.org/W2149806886
- https://openalex.org/W2252458721
- https://openalex.org/W2270386444
- https://openalex.org/W2290134681
- https://openalex.org/W2342595512
- https://openalex.org/W2515382171
- https://openalex.org/W2603262868
- https://openalex.org/W2605640314
- https://openalex.org/W2676905612
- https://openalex.org/W2747767298
- https://openalex.org/W2749170445
- https://openalex.org/W2767774060
- https://openalex.org/W2768768629
- https://openalex.org/W2791995217
- https://openalex.org/W2800236464
- https://openalex.org/W2804118877
- https://openalex.org/W2806059448
- https://openalex.org/W2808441870
- https://openalex.org/W2887073134
- https://openalex.org/W2900206228
- https://openalex.org/W2960240790
- https://openalex.org/W2972052999
- https://openalex.org/W2984469800