CN108431590A - 使用石墨烯沟道、量子点和电磁辐射感测分析物的装置和方法 - Google Patents
使用石墨烯沟道、量子点和电磁辐射感测分析物的装置和方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种装置和方法，其中所述装置包括：石墨烯场效应晶体管，其包括与石墨烯沟道(5)耦合的量子点(7)；其中，石墨烯场效应晶体管被配置为被电磁辐射脉冲(9)照射，并被配置为暴露在样本(11)中，以使得由石墨烯场效应晶体管响应于电磁辐射脉冲而提供的输出取决于样本内的至少一个分析物。
Description
技术领域
本公开的示例涉及用于感测的装置和方法。具体地，本公开的示例涉及用于感测样本内的化学分析物的装置和方法。
背景技术
用于感测的装置可被配置为感测样本内的分析物，并且产生指示分析物的输出。所述分析物例如可以是样本内存在的一个或一组化学物。可以布置电感测装置以产生指示分析物的电输出。
希望制造更好的感测装置。
发明内容
根据本公开的各种但不必全部的示例，可以提供一种装置，其包括：石墨烯场效应晶体管，其包括与石墨烯沟道耦合的量子点；其中，石墨烯场效应晶体管被配置为被电磁辐射脉冲照射，并被配置为暴露在样本中，以使得由石墨烯场效应晶体管响应于电磁辐射脉冲而提供的输出取决于样本内的至少一个分析物。
在一些示例中，石墨烯场效应晶体管的响应可以使样本内的至少一个分析物能够被分类。
在一些示例中，石墨烯场效应晶体管可以包括与量子点耦合的配体。
在一些示例中，所述装置可以包括多个石墨烯场效应晶体管。不同的石墨烯场效应晶体管可被配置为当所述装置暴露在样本中时提供对电磁辐射脉冲的不同的响应。不同的石墨烯场效应晶体管可以具有以下中的至少一项：不同类型的量子点、不同类型的配体、不同的厚度。
在一些示例中，所述装置可以包括发射器，其被配置为提供电磁辐射脉冲。发射器可被配置为使以下中的至少一项能够被控制：电磁辐射脉冲的波长、功率、持续时间、电磁辐射脉冲的脉冲重复频率。发射器可被配置为在第一时间提供第一电磁辐射脉冲以引发光化学反应，以及在第二时间提供第二电磁辐射脉冲以从石墨烯场效应晶体管获得响应。
在一些示例中，所述装置可以包括光电检测器，其与所述装置内的石墨烯场效应晶体管的栅电极耦合。
在一些示例中，所述装置可以包括电路，其用于监控石墨烯场效应晶体管的响应的参数，其中，所述参数包括以下中的至少一项：幅度、响应时间常数、恢复时间、恢复时间常数。
在一些示例中，所述装置可以包括至少一个温度传感器。
在一些示例中，所述装置可以包括至少一个压力传感器。
根据本公开的各种但不必全部的示例，提供一种感测设备，其包括如上所述的装置。
根据本公开的各种但不必全部的示例，提供一种方法，其包括：使石墨烯场效应晶体管暴露在样本中，其中，石墨烯场效应晶体管包括与石墨烯沟道耦合的量子点；通过电磁辐射脉冲照射石墨烯场效应晶体管，以使得由石墨烯场效应晶体管响应于电磁辐射脉冲而提供的输出取决于样本内的至少一个分析物。
在一些示例中，石墨烯场效应晶体管的响应可以使样本内的至少一个分析物能够被分类。
在一些示例中，石墨烯场效应晶体管可以包括与量子点耦合的配体。
在一些示例中，所述方法可以包括将多个石墨烯场效应晶体管放置在样本内。不同的石墨烯场效应晶体管可被配置为当所述装置暴露在样本中时提供对电磁辐射脉冲的不同的响应。不同的石墨烯场效应晶体管可以具有以下中的至少一项：不同类型的量子点、不同类型的配体、不同的厚度。
在一些示例中，所述方法可以包括控制以下中的至少一项：电磁辐射脉冲的波长、功率、持续时间、电磁辐射脉冲的脉冲重复频率。
在一些示例中，所述方法可以包括在第一时间提供第一电磁辐射脉冲以引发光化学反应；以及在第二时间提供第二电磁辐射脉冲以从石墨烯场效应晶体管获得响应。
在一些示例中，所述方法可以包括提供光电检测器，其与石墨烯场效应晶体管的栅电极耦合。
在一些示例中，所述方法可以包括监控石墨烯场效应晶体管的响应的参数，其中，所述参数包括以下中的至少一项：幅度、响应时间常数、恢复时间、恢复时间常数。
在一些示例中，所述方法可以包括监控样本的温度。
在一些示例中，所述方法可以包括监控样本内的压力。
附图说明
为了更好地理解有利于理解具体说明的各种示例，现在仅以示例的方式参照附图，其中：
图1示意性地示出一种装置；
图2示意性地示出一种装置；
图3示意性地示出一种装置；
图4示出一种方法；
图5A至图5C示出示例性电路和对应的电流图；
图6A至图6D示出另一个示例性电路和对应的电流图。
具体实施方式
附图示出了示例性方法和装置1。图1示意性地示出了根据本公开的示例的装置1。装置1包括：石墨烯场效应晶体管3，其包括与石墨烯沟道5耦合的量子点7；其中，石墨烯场效应晶体管3被配置为由电磁辐射9的脉冲照射，并被配置为暴露在样本11中，以使得由石墨烯场效应晶体管3响应于电磁辐射脉冲9而提供的输出取决于样本11内的至少一个分析物。
装置1和方法可用于感测。具体地，装置1和方法可用于感测分析物，诸如样本11内的化学分析物。装置1可以是电子装置，其可被配置为提供指示样本11内的分析物的电子输出。可以处理所述电子输出以使得能够识别样本内的化学分析物。在一些示例中，装置1或多个装置1可以设置在感测设备内。
图1示意性地示出了示例性装置1。示例性装置1包括石墨烯场效应晶体管3(GFET)。GFET 3被放置在装置1中，以使得GFET 3可被电磁辐射脉冲9照射。GFET 3被放置在装置1中，以使得当装置1暴露在样本11中时，样本内的化学物可以与GFET 3相互作用。
GFET 3包括石墨烯沟道5。石墨烯沟道5可以设置在源电极与漏电极之间。石墨烯沟道5内的石墨烯可以以薄层提供。在一些示例中，石墨烯可以具有纳米范围内的厚度。在一些示例中，石墨烯可以包括原子单层。
在图1的示例性装置1中，量子点7与石墨烯沟道5耦合。在图1的示例中，量子点7被设置为覆盖石墨烯沟道5。在其它示例中，量子点7可以设置在石墨烯沟道5内和/或与石墨烯沟道5相邻地设置。
量子点7可以包括纳米晶体，其中在所有三维中存在量子限制。量子点7可以包括任何适合的材料。用于量子点7的材料可以根据将要检测的分析物、电磁辐射脉冲9的参数或任何其它适合的因素来选择。在一些示例中，量子点7可以包括硫化铅、硫化镉、硒化镉、锗、硒化铅、碲化铅或任何其它适合的材料。
量子点7可被放置在装置1中，以使得电磁辐射脉冲9入射到量子点7上。量子点7可以将入射的电磁辐射脉冲9转换为电荷。量子点7内的电荷分布的变化可以由石墨烯沟道5检测，石墨烯沟道5产生可测量的电响应。
在一些示例中，量子点7可以响应于电磁辐射脉冲9而产生激子。激子可被分开成电子-空穴对，并且空穴或电子通过石墨烯沟道5去除。这在石墨烯沟道5中提供掺杂效应，以使得GFET 3的输出指示由量子点7产生的电荷。
在一些示例中，可以在GFET 3内提供配体。配体可以与量子点7耦合。配体可以设置在量子点7的表面上。配体可影响相应的量子点7之间和/或量子点7与石墨烯沟道5之间的电荷转移。在一些示例中，配体可以布置在量子点7内以保持量子点7之间的间距。不同的配体可用于提供量子点7之间的不同距离。
在一些示例中，配体可被配置为将量子点7彼此连接。在一些示例中，配体可被配置为将量子点7与石墨烯沟道5相连接。
配体可以包括任何适合的材料。用于配体的材料可以根据将要检测的分析物、电磁辐射脉冲9的参数、用于量子点7的材料或任何其它适合的因素来选择。在一些示例中，配体可以包括烷烃二硫基化物(alkanedithiol)，其中，烷烃包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷或任何其它适合的烷烃、烷硫醇、诸如丁胺的胺、吡啶或任何其它适合的材料。
装置1被配置为被电磁辐射脉冲9照射。电磁辐射脉冲9可以由发射器13提供。在一些示例中，发射器13可以是装置1的一部分。在其它示例中，发射器13可以与装置1分开提供。可以提供波导以将电磁辐射9引导至GFET 3。
电磁辐射脉冲9可以包括任何适合类型的电磁辐射。在一些示例中，电磁辐射脉冲9可以包括可见光、紫外(UV)和/或红外(IR)波长光或任何其它适合的波长。
在一些示例中，发射器13可被配置为使得能够控制电磁辐射脉冲9的参数。电磁辐射脉冲9的参数可以包括电磁辐射脉冲9的波长、功率、持续时间、电磁辐射9的脉冲重复频率或任何其它适合的参数。这可使得能够使用具有特定的特性参数的电磁辐射脉冲9来照射装置1。为参数选择的值可以取决于诸如量子点7内的材料、GFET中使用的配体、样本11内将要检测的分析物的因素或任何其它适合的因素。
在图1的示例中，装置1暴露在样本11中。装置1被配置为暴露在样本11中，以使得电磁辐射脉冲9在入射到装置1之前穿过样本11。在一些示例中，装置1可被放置在样本11内。在一些示例中，样本11可以在装置1上方流动。
应当理解，在本公开的其它示例中，也可以使用装置1和发射器13的其它布置。例如，在一些示例中，GFET 3可以设置在基底上，该基底可被布置为将电磁辐射脉冲9从发射器13引导到GFET 3上。基底可以包括玻璃或任何其它适合的材料。在这样的示例中，电磁辐射脉冲9将穿过石墨烯沟道5，然后入射到量子点7上。在这样的示例中，电磁辐射脉冲9在入射到量子点7之前不会穿过样本11。这样的布置可有利于与对于电磁辐射脉冲9不透明的样本11一起使用。
样本11可以包括诸如气体或液体的流体。样本11可以包括一个或多个化学分析物。样本11内的化学分析物可以与量子点7和/或GFET的配体相互作用。该相互作用可影响量子点7与石墨烯沟道5之间的电荷转移所需的时间。电荷转移所需的时间可根据所涉及的材料和分析物而增加或减少。
当用电磁辐射脉冲9照射装置1时，该脉冲引起量子点7内的电荷分布的变化，从而产生由GFET 3提供的响应。由GFET 3提供的响应的曲线(profile)取决于量子点7与石墨烯沟道5之间的电荷转移所需的时间。由GFET 3提供的响应的曲线可以包括幅度、响应时间常数、恢复时间、恢复时间常数或任何其它适合的参数。当装置1暴露在样本11中时，量子点7与石墨烯沟道5之间的电荷转移所需的时间取决于是否有任何分析物已经与量子点7和/或配体相互作用。因此，当分析物存在时由GFET 3提供的响应的曲线与当分析物不存在时提供的响应不同。这使得能够使用GFET 3的响应来提供分析物的存在的指示。
在一些示例中，配体可以设置在GFET 3内。配体可被配置为将量子点7彼此连接和/或将量子点7与石墨烯沟道5相连接。配体的存在还可以影响量子点7与石墨烯7之间的电荷转移。当电荷从量子点7转移到配体，然后从配体转移到石墨烯沟道5时，由GFET 3提供的响应取决于所使用的配体。在一些示例中，样本11内的分析物可以与量子点9和/或配体相互作用。该相互作用可以改变电荷在量子点7与石墨烯沟道5之间转移的速率，因此可以改变由GFET 3提供的输出的曲线。
应当理解，化学分析物与量子点7和/或配体的相互作用可以包括多种不同的效应中的任何一种或多种。例如，由量子点层7对化学物的吸收可改变介电环境，可能引起量子点7之间的间隔的变化，可能引起石墨烯的能带结构、量子点7结构或任何其它适合的器件的变化。应当理解，没有必要识别引起电荷转移的变化的机制，因为可以通过GFET 3的响应的曲线来识别分析物的存在。
因此，通过使用与分析物相互作用的量子点7和/或配体，装置1可被配置为感测分析物。当具有已知波长和持续时间的电磁辐射脉冲9入射到装置1上时，由GFET 3提供的响应将取决于样本11中是否存在分析物。可以处理由GFET 3提供的输出的曲线以确定样本11中是否存在分析物。
电磁辐射脉冲9的使用使得能够使用GFET 3的瞬态特性来表征样本11内的分析物。当电磁辐射脉冲9最初入射到装置1上时，石墨烯沟道5中的电流随时间增加。电流ΔIDS的增加可以由以下公式来描述：
ΔIDS＝ΔI1(1-exp(-t/τ1))+ΔI2(1-exp(-t/τ2))
电流ΔIDS的增加取决于两个弛豫时间。第一弛豫时间τ1与从量子点7到石墨烯沟道5的电荷转移相对应。例如，其可以与空穴从量子点7到石墨烯沟道5的转移相对应。第二弛豫时间τ2与量子点7之间的电荷转移相对应。第一弛豫时间可以比第二弛豫时间更短。
当电磁辐射脉冲9结束时，石墨烯沟道5中的电流随时间减小。电流的减小可以由以下公式来描述：
ΔIDS＝ΔI3exp(-t/τ3)+ΔI4exp(-t/τ4)
电流ΔIDS的减小也取决于两个弛豫时间。第三弛豫时间τ3与从量子点7到石墨烯沟道5的电荷转移相对应。这可以表示量子点7中的电子在转移到石墨烯沟道5之前的寿命。第四弛豫时间τ4与量子点7之间的电荷转移相对应。第三弛豫时间可以比第四弛豫时间更短。
这些不同的弛豫时间中的每一个都可以取决于用于量子点7和/或配体的材料。弛豫时间可受分析物的存在以及分析物是否与量子点1和/或配体相互作用的影响。由GFET 3提供的响应的曲线取决于这些弛豫时间，因此分析这些曲线可以使得能够识别分析物。
在一些示例中，装置1可用于检测样本11内的多个分析物。例如，样本11内的多个不同的分析物可以为输出ΔIDS贡献特征时间常数。在这样的示例中，由GFET 3提供的输出将是这些贡献的总和。存在于样本11中的一个或多个分析物的相对浓度可以通过针对与一个或多个分析物相关联的相应的特征时间常数而检查ΔIDS中的分量幅度来确定。
应当理解，由装置1提供的响应的这个示例可用于使得能够分析从装置1获得的数据。在其它示例性装置1中，可以使用其它模型。可用于使得能够分析数据的模型可取决于量子点7与石墨烯沟道5之间的电荷转移的机制和/或用于照射装置1的电磁辐射脉冲9的序列和/或任何其它适合的因素。
图2示意性地示出了另一个示例性装置1。示例性装置1包括石墨烯场效应晶体管3(GFET)，其可以是如上所述的石墨烯场效应晶体管。对应的参考标号用于对应的特征。GFET3也被放置在装置1中，以使得GFET 3可被电磁辐射脉冲9照射。
图2所示的示例中的GFET 3包括源电极21和漏电极23。石墨烯沟道5被设置在源电极21与漏电极23之间，以使得电流从源电极21通过石墨烯沟道5流到漏电极23。
源电极21和漏电极23可以包括任何适合的导电材料。在一些示例中，源电极21和漏电极23可以包括诸如银、铜的金属或任何其它适合的材料。
源电极21、漏电极23和石墨烯沟道5被设置在介电层25上。介电层25可以包括任何适合的电绝缘材料。
在图2的示例中，GFET被设置在玻璃基底27上。玻璃基底27可被布置为支撑源电极21、漏电极23和石墨烯沟道5。
在图2的示例中，量子点7在覆盖石墨烯沟道5的层中提供。量子点7可以在非常薄的层中提供。在一些示例中，量子点层的厚度可以为大约10nm至500nm。
量子点7被配置为通过控制电流通过石墨烯沟道5在源电极21与漏电极23之间的流动来执行GFET 3中的栅电极的功能。在图2的示例中，量子点7被配置为使得入射的电磁辐射脉冲9穿过样本11并入射到量子点7上。入射的电磁辐射脉冲9引起量子点7内的电荷分布的变化，由此对石墨烯沟道5进行门控。样本11的存在可以影响量子点7与石墨烯7之间的电荷转移，并且可以使得GFET 3产生响应，该响应使样本11内的一个或多个分析物能够被分类。
样本11内的一个或多个分析物的分类可以使得能够识别样本11或与样本相关联的实体的状况。例如，某些疾病会使呼吸中的多个化学指标升高。通过分析从患者的呼吸中获得的样本，可以由装置1识别指标的组合。
图3示意性地示出了另一个装置1。图3的示例性装置1包括多个GFET 3。在图3的示例中，提供了五个GFET。应当理解，在其它示例性装置1中，可以提供任意数量的GFET。
图3中的每个GFET 3都包括如关于图2所描述的源电极21、漏电极23、石墨烯沟道5和量子点层7。在图3的示例中，每个GFET 3都被设置在同一玻璃基底27和同一介电层25上。GFET 3可被设置为使得每个GFET 3都可以被单独寻址，并且可以从每个GFET 3获得单独的输出。
在图3的示例中，布置多个GFET 3，以使得它们全部暴露在同一样本11中。样本11包括多个不同的分析物31A、31B、31C。可以布置多个GFET 3，以使得装置内的不同的GFET 3提供对同一样本11的不同的响应。例如，装置1中的不同的GFET 3可以使得能够检测不同的分析物31A、31B、31C。不同的响应可被用于分析样本11。不同的响应可以使得能够识别分析物31A、31B、31C中的一个或多个。
为了使装置1中的不同的GFET 3能够提供不同的响应，可以用不同布置的量子点7和/或配体来配置不同的GFET 3。例如，在一些示例中，不同的GFET 3可以包括不同材料的量子点7或不同的材料的组合。在一些示例中，量子点层7可以具有不同的厚度。包括具有不同厚度的量子点层7的GFET 3可以包括用于量子点7的相同材料或不同的材料和/或材料的组合。在一些实例中，不同的GFET 3可以包括不同的配体或配体的组合。
在图3的具体示例中，每个GFET 3都被布置为响应于样本11而提供不同的响应曲线。在一些示例中，可以布置两个或更多个GFET 3以检测相同的分析物，但是可以具有对相同的分析物的不同的灵敏度。这可以使得能够定量分析样本11内的分析物的存在。
在图3的具体示例中，第一GFET 3A包括材料A的量子点7和包括材料X的配体。第二GFET 3B包括材料B的量子点7和包括材料X的配体，以使得第一和第二GFET 3A、3B包括不同类型的量子点7，但具有相同的配体。第三GFET 3C包括材料A的量子点7和包括材料Y的配体。第四GFET 3D包括材料A的量子点7和包括材料Z的配体。也即是说，第一、第三和第四GFET 3A、3C、3D包括相同类型的量子点7，但分别具有不同的配体。第五GFET 3D包括材料A的量子点7和包括材料X和材料Z的组合的配体，以使得第五GFET 3E具有与第一、第三和第四GFET 3A、3C和3D不同类型的配体。
应当理解，在本公开的其它示例中可以使用配体和/或量子点7的布置的其它变形。在一些示例中，可以在单个GFET 3中提供两个或更多个量子点层7。不同的量子点层可以具有相同或不同的配体。在这样的示例中，电荷必须在转移到石墨烯沟道5之前从第一量子点层转移到第二量子点层以及任何其它后续层。这使得GEFT 3的响应的曲线取决于量子点层7之间的电荷的转移的速率以及任何分析物的存在是否已经影响该电荷转移。
配体和/或量子点7的布置的变形可以使得能够由不同的GFET 3提供具有不同曲线的输出。不同的输出可以取决于样本11内的分析物。多个不同的输出可以使得能够获得指示样本11内的分析物的信息。
可以使用任何适合的方法来对样本11内的一个或多个分析物进行分类。在一些示例中，可以产生数据矢量。数据矢量可以包括多个不同的维度，其中，不同的维度与GFET 3的响应的不同参数相对应。在一些示例中，不同的参数可以包括不同的时间常数、响应的大小、响应中的时滞或任何其它适合的参数。然后可以处理所获得的数据矢量以使数据能够被分类。可以使用任何适合的技术来处理数据矢量。在一些示例中，使用诸如主成分分析、线性或二次判别分析的技术或任何其它适合的技术以将原始数据矢量投射到降维坐标系中来使得能够识别模式或相关性。
在图3的示例中，通过设置具有不同布置的配体和/或量子点7的GFET 3来获得不同的响应。在其它示例中，可以使用其它方法来获得不同的响应。例如，在一些示例中，可以用不同的电磁辐射脉冲9照射不同的GFET 3。电磁辐射脉冲9可以引起样本11与量子点7和/或配体的光化学反应，以使得通过改变电磁辐射脉冲9的参数来使得能够提供不同的响应。不同的电磁辐射脉冲9可以具有不同的波长、功率或持续时间。
可以校准装置1，以使得可以容易地识别分析物。在一些示例中，可以通过使用具有公知的化学分析物组分的一个或多个样本11来校准装置1以获得一个或多个标志(signature)响应。然后可以通过将通过测试样本11获得的输出与通过校准样本11获得的输出相比较来分析测试样本11的组分。
应当理解，在一些示例中，装置1可以包括未在图1至图3中示出的附加组件。例如，在一些示例中，装置1可以包括可使得能够监控GFET 3的响应的参数的电路。该电路可以使得能够监控诸如幅度、响应时间常数、恢复时间、恢复时间常数的参数或任何其它适合的参数。GFET 3的响应的监控可以使得能够识别样本11内的分析物。
在一些示例中，装置1可以包括附加的传感器，其可被布置为感测可影响GFET 3的输出的其它参数。附加的传感器的输出可被用于针对这些参数的变化而校正GFET 3的输出。在一些示例中，装置1可以包括温度传感器，其可被配置为确定样本11和/或装置1的温度。在一些示例中，可以提供多个温度传感器。多个温度传感器可被设置在装置1中的不同的位置。例如，第一温度传感器可被设置在进气系统中，第二温度传感器可被设置在GFET 3的阵列中，而第三温度传感器可被设置在排气口中。
在一些示例中，可以提供诸如气体压力传感器的压力传感器以监控样本11内的压力。在一些示例中，装置1可以包括应变传感器，其可被配置为检测装置1的任何变形。
在一些示例中，装置1可以包括一个或多个滤波器。滤波器可以包括可被配置为在样本被随附到GFET 3上之前准备样本11的任何装置。
在一些示例中，滤波器可以包括色谱分析矩阵或任何其它适合的滤波器。色谱分析矩阵可被配置为使得只有来自样本11的某些化学物质被随附到GFET 3上。
在一些示例中，一个或多个过滤器可被配置为从样本中去除可能阻挡电磁辐射脉冲9到达GFET 3的颗粒。例如，诸如PM10和PM25的颗粒通常存在于汽车排气中并且可能在物理上阻挡光到达GFET 3。
在一些示例中，装置1可以包括用于将样本分成两个或更多个不同组分的样本的装置。然后可以在不同的条件下分析不同组分的样本。例如，在一些示例中，分离器可被配置为将样本分成两个不同组分的样本。可以分析作为潮湿样本的第一组分样本。潮湿样本可以包括与样本相混合的水。第二组分样本可以通过以下方式进行干燥：通过冷凝去除水、或使第二组分样本穿过干燥剂或任何其它适合的方法。然后可以分析作为干燥样本的第二组分样本。这两种样本都可以在装置1被放置在相应的组分样本中时，通过提供电磁辐射脉冲9来进行分析。可以比较两个不同的结果以确定水对装置1的性能的影响。在一些示例中，可以通过控制装置1暴露在具有已知湿度的气体中以对改变样本1内的水的浓度的影响进行建模来开发数学校准系统。
图4示出了一种方法。该方法可用于使得能够分析样本11。该方法可用于使诸如图1至图3的示例性装置1的装置1能够用于分析样本。
该方法包括在框41，使石墨烯场效应晶体管3暴露在样本中，其中，石墨烯场效应晶体管3包括与石墨烯沟道5耦合的量子点7。该方法还包括在框43，通过电磁辐射脉冲9照射石墨烯场效应晶体管3，以使得由石墨烯场效应晶体管3响应于电磁辐射脉冲9而提供的输出取决于样本11内的至少一个分析物。
图5A示出了示例性装置1的电路。该电路使得能够同步GFET 3对电磁辐射脉冲9的响应，这使得能够测量GFET 3的响应的时间常数。
图5A的示例性电路包括具有量子点层7的GFET 3，其中，量子点7用作栅电极。GFET3与偏置电路53耦合。偏置电路可以包括被布置为设置GFET 3的背栅电压Vgs的任何装置。在图5A的示例中，偏置电路53包括两个阻抗元件。第一阻抗元件是电阻R1，而第二阻抗元件是光敏参考元件Zref。
光敏参考元件Zref可以包括使得背栅电压Vgs能够响应于入射的光脉冲或其它适合的电磁辐射脉冲9而被调制的任何装置。光敏参考元件Zref可被配置为提供漏电流中的偏移电平或峰值，其取决于入射的电磁辐射脉冲9。光敏参考元件Zref可被配置为具有比量子点7更快的对电磁辐射脉冲9的响应，从而光敏参考元件Zref使得能够精确同步GFET 3的响应的时间常数的测量。
在图5A的示例中，光敏参考元件Zref包括高速光电检测器51。高速光电检测器51可以包括任何适合的元件，诸如光电二极管。
偏置电路53被布置为使得通过石墨烯沟道5的电流由量子点7中的电荷分布以及由光敏参考元件Zref引起的背栅电压Vgs的调制两者来确定。
图5B是通过石墨烯沟道5的电流Ids相对背栅电压Vgs的曲线图。该曲线图示出根据背栅电压Vgs的调制的偏置点的变化。当背栅电压Vgs低于狄拉克(Dirac)点时，主电导为p型(空穴)，而当背栅电压Vgs高于狄拉克点时，主电导为n型(电子)。图5B的曲线图示出当GFET3被偏置以呈现n型掺杂时转换曲线中的变化。在其它示例中，可以提供P型掺杂。
图5C是通过石墨烯沟道5的电流相对电磁辐射脉冲9被开启和关闭的时间的曲线图。可以配置光敏参考元件Zref，以使得阻抗只有在光或其它入射的电磁辐射9的通量发生变化时才改变。
在图5C的示例中，当光被开启时，光敏参考元件Zref的电阻瞬时减小，并且在比GFET 3中的量子点7的时间常数短得多的时间内返回到基电平。类似地，当光被关闭时，光敏参考元件Zref的电阻瞬时增加。光敏参考元件Zref的这种调制引起背栅电压Vgs的变化。也即是说，当光被开启时，背栅电压Vgs瞬时下降，而当光被关闭时，背栅电压Vgs瞬时增加。瞬时增加持续一段时间，其比通过量子点7的电荷转移的时间常数更短。这引起通过石墨烯沟道5的电流的瞬时偏移。通过石墨烯沟道5的电流的这种瞬时偏移提供同步信号。
在图5A至图5C的示例中，当光被关闭时，电流增加，而当光被开启时，电流减小。应当理解，如果GFET 3被偏置到p掺杂区域而不是如图5B中所示的n掺杂区域，则当光被关闭时，电流会减小，而当光被开启时，电流会增加。
图6A示出了另一个示例性电路。图6A的电路与图5A的电路相类似，并且对应的参考标号用于对应的特征。在图6A中，光敏参考元件Zref包括光电二极管61。
图6B是背栅电压与通过石墨烯沟道5的电流的曲线图。该曲线图示出由于光电二极管61而根据背栅电压Vgs的调制的偏置点的变化。该曲线图示出光被开启时相较于光被关闭时的两个不同的操作点。
图6C是GFET 3的跨导gm相对背栅电压Vgs的曲线图。可以优化跨导gm，以使得电流的上升沿或下降沿呈现相同的增幅，或者以使得一个的增幅大于另一个。
图6D是通过石墨烯沟道5的电流相对电磁辐射脉冲9被开启和关闭的时间的曲线图。在图6A至图6D的示例中，光电二极管61在电磁辐射脉冲9的整个持续时间内引起背栅电压Vgs的偏移。
当光被关闭时，没有电磁辐射脉冲9入射到光电二极管61上。背栅电压Vgs将更高并且对应的偏移电流也将更高。然后当光被开启时，由量子点7对石墨烯沟道5的门控使得通过石墨烯沟道5的电流减小。
当光被打开时，电磁辐射脉冲9入射到光电二极管61上。背栅电压Vgs将更低并且对应的偏移电流也将更低。然后当光被关闭时，由量子点7对石墨烯沟道5的门控使得通过石墨烯沟道5的电流增加。
在图5A至图6D的示例中，偏置电路53与GFET 3的栅电极耦合。在图5A和图6A中仅示出一个GFET 3。然而应当理解，可以在包括多个GFET 3的装置1中提供偏置电路53。在一些示例中，多个GFET 3可以共享公共的栅电极，并且偏置电路53可以与共享电极耦合。在其它示例中，每个GFET 3可以具有单独控制的背栅电极，并且这些电极中的每一个都可以与不同的偏置电路53耦合。
在上述示例中，电磁辐射脉冲9激活从量子点7到石墨烯沟道的电荷转移，从而可以识别样本11的化学效应。在一些示例中，电磁辐射脉冲9可以引起样本11内的化学物的光化学反应。例如，发射器13可被配置为在第一时间提供第一电磁辐射脉冲9，而在第二时间提供第二电磁辐射脉冲9。第一电磁辐射脉冲9可以引发样本11内的光化学反应。第二电磁辐射脉冲9可被用于从GFET 3获得响应，其提供样本11的光化学反应的影响的指示。
所引发的光化学反应的性质取决于样本11的组分、电磁辐射脉冲9的波长、功率和持续时间以及用于量子点7和/或配体的材料。因此，由GFET 3提供的输出可取决于电磁辐射脉冲9是否引发光化学反应。这可以使得能够使用上述装置1和方法获得关于样本11的其它信息。
在一些示例中，装置1和发射器13可被配置为使得装置1中的所有GFET 3在已引发光化学反应之后测量响应。在其它示例中，装置1和发射器13可被布置为使得光化学激活的样本11只被随附到GFET 3的一部分上。这可以使得能够使用装置1来获得关于未激活的样本11的信息以及样本11中的光化学反应的结果。
在一些示例中，在将样本11提供到装置1中之前，可以将样本11暴露在电磁辐射9中。这可以使得能够识别光化学反应的最终产物。在一些示例中，可将反应物添加到样本11中，其中，已知的反应物与分析物发生光化学反应以产生与装置1的量子点7和/或配体相互作用的最终产物。
在一些示例中，装置1中的不同的GFET 3可以在不同的时间被照射。如果样本11在装置1上方流动，则由于样本11要移动到连续的GFET 3，所以可能增加样本11暴露在电磁辐射9中的时间。这可以使得能够在不同的暴露时间分析样本11。光化学反应的引发以及在不同的时间点获得的测量结果可以使得能够从样本11获得附加的信息。可通过光化学反应的使用而获得的信息可取决于样本11内的分析物、配体和/或量子点7的性质以及被分配用于测量样本11的时间或任何其它适合的因素。
在一些示例中，GFET 3可以首先用具有第一波长的第一电磁辐射脉冲9照射。第一波长可以不激活量子点7内的电荷转移，但激活样本11内的光化学反应。然后，GFET 3可以用具有第二波长的第二电磁辐射脉冲9照射。第二波长可以与第一波长不同，以使得第二电磁辐射脉冲9激活量子点7内的电荷转移，并且使得能够由GFET 3提供响应。这可以使得能够单独引发光化学反应以激活GFET 3。
装置1可被配置为使得装置1可以在使用之后进行清洁。这可以使得能够多次使用同一装置1。在一些示例中，装置1可被配置为通过使载气流过装置1以稀释样本11的剩余痕迹来进行清洁。在一些示例中，装置1可以通过以下方式进行清洁：以高强度操作发射器13，从而激发任何所吸附的物质来促使其解吸附。在一些示例中，可使用加热器来增加装置1的温度并且改进加热效率。
本公开的示例提供了可用于感测样本11内的分析物的装置1。装置1可用于获得足够的数据，以使化学物能够被分类，而无需化学采样。
在本说明书中，术语“耦合”意味着操作地耦合。可以在耦合的元件之间提供任意数量的组件，包括“零”个组件。
在本文中使用的术语“包括”具有包容而非排它的含义。也即是说，任何表述“X包括Y”表示X可以仅包括一个Y或者可以包括多于一个Y。如果意图使用具有排它含义的“包括”，则在上下文中将通过提及“仅包括一个···”或者使用“由···组成”来明确。
在本简要说明中，已经参考了各种示例。与示例相关的特征或功能的描述表示在该示例中存在这些特征或功能。在文本中使用的术语“示例”或“例如”或“可以”表示，无论是否被明确地陈述，这些特征或功能至少存在于所描述的示例中，无论是否被描述为示例，并且它们可以但不必存在于一些或所有其它示例中。因此，“示例”、“例如”或“可以”是指一类示例中的特定实例。该实例的特性可以仅是该实例的特性或该类的特性或该类的子类的特性，该子类包括该类中的一些但不是全部的实例。因此，隐含地公开了参考一个示例但没有参考另一个示例所描述的特征可用在该另一个示例中，但并非必须用在该另一个示例中。
虽然已经参照各种示例在前面的段落中描述了本公开的示例，但是应当理解，在不背离如所要求保护的本发明的范围的情况下，可对给定的示例进行修改。例如，在一些示例中，装置1可被配置为使得用户可以向量子点7添加配体或从量子点7中移除配体。这可使得用户能够改变装置1的响应度。这可使得用户能够改变由装置1检测的化学物和/或化学物的量。
在前面的说明中描述的特征可通过除了明确描述的组合之外的组合来使用。
虽然已经参照某些特征描述了功能，但是，这些功能可由其它特征执行，无论其是否被描述。
虽然已经参照某些示例描述了特征，但是，这些特征也可存在于其它实施例中，无论其是否被描述。
尽管在前述说明书中努力提请注意被认为是特别重要的本发明的这些特征，但应当理解，申请人要求保护上述涉及的和/或在附图中示出的任何可具专利性的特征或特征的组合，无论是否特别强调。
Claims (15)
1.一种装置，包括：
石墨烯场效应晶体管，其包括与石墨烯沟道耦合的量子点；
其中，所述石墨烯场效应晶体管被配置为被电磁辐射脉冲照射，并被配置为暴露在样本中，以使得由所述石墨烯场效应晶体管响应于所述电磁辐射脉冲而提供的输出取决于所述样本内的至少一个分析物。
2.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述石墨烯场效应晶体管的响应使所述样本内的至少一个分析物能够被分类。
3.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述石墨烯场效应晶体管包括与所述量子点耦合的配体。
4.根据任一前述权利要求所述的装置，包括多个石墨烯场效应晶体管。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，不同的石墨烯场效应晶体管被配置为当所述装置暴露在所述样本中时提供对电磁辐射脉冲的不同的响应。
6.根据权利要求4至5中任一项所述的装置，其中，不同的石墨烯场效应晶体管具有以下中的至少一项：不同类型的量子点、不同类型的配体、不同的厚度。
7.根据任一前述权利要求所述的装置，包括：
发射器，其被配置为提供电磁辐射脉冲。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述发射器被配置为使以下中的至少一项能够被控制：电磁辐射脉冲的波长、功率、持续时间、电磁辐射脉冲的脉冲重复频率。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的装置，其中，所述发射器被配置为在第一时间提供第一电磁辐射脉冲以引发光化学反应，以及在第二时间提供第二电磁辐射脉冲以从所述石墨烯场效应晶体管获得响应。
10.根据任一前述权利要求所述的装置，包括：
光电检测器，其与所述装置中的石墨烯场效应晶体管的栅电极耦合。
11.根据任一前述权利要求所述的装置，包括：
电路，其用于监控所述石墨烯场效应晶体管的所述响应的参数，其中，所述参数包括以下中的至少一项：幅度、响应时间常数、恢复时间、恢复时间常数。
12.根据任一前述权利要求所述的装置，包括至少一个温度传感器。
13.根据任一前述权利要求所述的装置，包括至少一个压力传感器。
14.一种感测设备，包括根据权利要求1至13中任一项所述的装置。
15.一种方法，包括：
使石墨烯场效应晶体管暴露在样本中，其中，所述石墨烯场效应晶体管包括与石墨烯沟道耦合的量子点；
通过电磁辐射脉冲照射所述石墨烯场效应晶体管，以使得由所述石墨烯场效应晶体管响应于所述电磁辐射脉冲而提供的输出取决于所述样本内的至少一个分析物。
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