他叫胡奇涛，今年 27 岁，来自安徽省安庆市。本科毕业于中国科学技术大学物理系凝聚态物理方向，期间接触到半导体知识，并开始产生浓厚的兴趣。
图 | 胡奇涛（来源：胡奇涛）
本科毕业后，他来到瑞典乌普萨拉大学固态电子系章贞教授组读博，学习半导体器件的制备并探索它们在信号检测中的应用。2021 年 5 月，他在该校获得博士学位，并继续在乌普萨拉大学从事博后研究。
最近，他研发出一款可直接检测溶液中单个电荷的固态电子器件：亚 10nm 级的双电层栅控硅纳米线场效应晶体管（SiNWET，silicon nanowire field-effect transistor），具体来说它可直接检测到固液界面上单个氢离子的行为。
图 | 器件（来源：Science Advances）
亚 10nm 级双电层栅控 SiNWFET 的三维示意图如上图所示，它是用标准 CMOS 工艺技术在绝缘体上硅晶片上制备而来。
SiNWFET 的源极和漏极区域是图中黄色部分，这部分是重 n 型掺杂的，而硅纳米线通道由一个 150nm 长的轻掺杂 p 型区域即图中灰色部分组成。
它是一种采用互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）兼容工艺制造的器件，可灵敏地检测人体或生物体里的离子或者带电分子。
胡奇涛的最终目标是把不同功能的 SiNWFET 传感器，高密度地集成到单个芯片上，然后用它同时检测人体或生物体里成百上千种分子和离子。
一些疾病在早期并不会出现症状，但在人体中会存在特定的标记物质，这些物质的浓度极低，对它们的高灵敏的检测有利于疾病的早期诊断和治疗。
（来源：Science Advances）
研究中，他采用硅纳米线表面重构造的方法，来降低器件噪声。在硅纳米线表面，一个单独激活的硅悬空键，可以捕捉溶液中单个氢离子。单个氢离子和表面硅悬空键的相互作用通过调节局部库仑散射强度，产生离散的电流信号，进而被 SiNWFET 传感器直接检测到。
12 月 3 日，相关论文以《基于亚10nm级双电层栅控硅纳米线晶体管的单电荷分辨率的离子检测》（Ion sensing with single charge resolution using sub–10-nm electricaldouble layer–gated silicon nanowire transistors）为题，发表在 Science Advances 上。
图 | 相关论文（来源：Science Advances）
备受欢迎的单电荷级分辨率的离子检测用于生化物质检测的固态电子传感器，由于其具备无标签、实时和快速分析能力、以及可小型化等特性，引起了人们的极大兴趣。
其中，单电荷级分辨率的离子检测，是这类电子传感器分辨率的终极目标。
而纳米级场效应晶体管（FET，Field Effect Transistor）由于其优越的电荷灵敏度，是实现这一目标的理想候选器件。
有研究显示，基于自下而上制备的自组装纳米结构例如碳纳米管，可制成纳米级场效应晶体管传感器，对溶液中的单个 DNA 或蛋白质分子进行电学检测。
然而，这些研究并没有直接检测到溶液中的单个电荷。此外，这类基于自组装技术的晶体管与标准半导体工艺兼容度低, 因而大规模集成的难度大，这限制了它们的实际应用。
而本次研究同时攻克了上述两大难题。研究中，胡奇涛借助与 CMOS 工艺兼容的器件来做检测，并实现了溶液中单个电荷的检测。
另外，对于此前工作未能深究的问题，比如溶液中单个离子与固体表面的反应动力学，以及感应信号产生的机理，胡奇涛也做了深入探讨。
（来源：Science Advances）
采用自上而下制备法，搭载氢气退火工艺研究中，他使用自上而下的制备方法，设计和制备了亚 10nm 的 SiNWFET。并采用氢气退火工艺，来重构硅纳米线的光滑表面，从而显著降低了表面缺陷引起的器件固有噪声。
SiNWFET 使用了无氧化物栅介质层结构，并以溶液中电双层（EDL）作为栅极绝缘层，这种结构可让溶液中被检测物直接与硅纳米线表面接触，从而能提高检测灵敏度。
此外，在缓冲氟化氢（BHF）的化学处理过程中，硅纳米线表面大部分的硅悬空键被钝化，少数没有被钝化的悬空键通过栅电压调制单个激活后，能以可逆的方式捕捉和释放溶液中的单个氢离子，进而有效地局域调制沟道里的库仑散射强度，产生分立的电流波动信号。具体表现为纳米线电流在两个数值之间的来回切换。
为了检测单个氢离子，SiNWFET 的器件固有噪声必须低于单个电荷产生的信号。但是，器件的固有噪声严重依赖于硅纳米线表面的缺陷密度。
通过在氢气环境中对硅纳米线结构进行退火，胡奇涛解决了表面缺陷的问题。氢气退火促进了表面硅原子向低能位置的迁移，并在远低于硅熔点的温度下重构表面。
这种重构过程消除了制备过程引起的表面缺陷，使硅纳米线表面变得光滑起来。此外，由于硅纳米线表面的硅原子会向两端的源/漏极迁移，这使得总自由能得以降低，硅纳米线直径也得到进一步减少。
（来源：Science Advances）
简单来说，他先是设计了一个单电荷检测的器件，其中硅纳米线要设计得足够细，只有这样才能在理论上实现比较大的检测信号。
但是，这样一来器件噪声也会更大，进而会限制器件的信噪比。所以他必须找到另一种方式，以便在减少器件尺寸的同时还可降低噪声。基于此，胡奇涛选用了高温下氢气退火的方式。
在器件做好之后，要进行基本的电学测试，包括电流-电压测试和噪声测试等。测试结果表明，该器件具备理想的电流电压特性曲线，还具有一个比较低的器件噪声。
随后，要验证该器件是否可以检测溶液中的单个氢离子。就离子检测来说，传统方式是在硅纳米线表面沉积一层氧化物栅介质层，然后在氧化物表面修饰一些离子受体，用这些离子受体来捕获溶液中的离子，从而产生感应信号。
（来源：Science Advances）
但是，胡奇涛发现对于单个氢离子的检测，这种方法限制了器件的信号强度。氧化物栅介质层会隔离溶液中的被检测物和硅纳米线，因此该方式并不能得到高灵敏的响应。
为此，他直接去掉这层氧化物，然后使用裸露的硅纳米线来检测溶液中的单个氢离子。
最后，在检测到单个氢离子信号以后，他建立了一个量化模型，来分析单个氢离子在固液界面的动力学特征、以及产生信号的机理。
（来源：Science Advances）
在应用上，除了前文提到的早期疾病检测。该器件也可以用于研究单个生物分子自身形貌的变化。比如把单个生物分子修饰到硅纳米线表面，当该分子对外界环境变化作出形貌上的变化时，分子自身携带的电荷将重新分布，这时该器件即可读出相应的电学信号。
他表示：“这种 SiNWFET 传感器的优异性能，不仅为研究固液界面物理性质提供了新的途径，而且有望应用于高灵敏度的生物检测。”
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支持：张智
参考：
1、Hu, Q., Chen, S., Solomon, P., &Zhang, Z. (2021). Ion sensing with single charge resolution using sub–10-nmelectrical double layer–gated silicon nanowire transistors. Science advances,7(49), eabj6711.
