清华大学刘锴&白净卫AFM综述：面向生物电子学的非石墨烯二维材料：从基础性质到器件应用- 大数跨境

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清华大学刘锴&白净卫AFM综述：面向生物电子学的非石墨烯二维材料：从基础性质到器件应用

科学材料站

2020-09-14

导读：该文系统总结了面向生物电子学应用的非石墨烯二维材料的物理化学性质、生物相容性和制备加工工艺，讨论了基于此类材料的生物传感器、人工神经突触、仿生驱动器、触觉传感器和可穿戴光电/气体传感器的工作机理和性

文章信息

面向生物电子学的非石墨烯二维材料：从基础性质到器件应用

第一作者：王博伦1，孙雨飞1，丁翰元1，赵譞1

通讯作者：刘锴*，白净卫*

单位：清华大学，西安交通大学

研究背景

生物电子学是生物与电子相融合的学科，广义上包含多种生物相关的信息处理系统、传感器、驱动器和可穿戴器件。在过去十余年间，具有原子层级厚度、高比表面积、柔性的二维材料的出现推动了生物电子器件的快速发展。

与零带隙的石墨烯相比，非石墨烯二维材料如过渡金属硫族化合物(TMDCs)、黑磷(BP)和MXene具有更为丰富物理化学性质和多样化的能带结构，因而成为生物电子学领域的研究热点。

文章简介

近日，清华大学材料学院刘锴课题组联合清华大学药学院白净卫课题组在国际顶级期刊Advanced Functional Materials (影响因子：16.836) 上发表题为“Bioelectronics-Related 2D Materials Beyond Graphene: Fundamentals, Properties, and Applications”的长篇综述论文.

该文系统总结了面向生物电子学应用的非石墨烯二维材料的物理化学性质、生物相容性和制备加工工艺，讨论了基于此类材料的生物传感器、人工神经突触、仿生驱动器、触觉传感器和可穿戴光电/气体传感器的工作机理和性能优化策略，并展望了生物电子学领域的机遇与挑战。

该文章共同第一作者为清华大学材料学院博士生王博伦、孙雨飞，清华大学材料学院访问学生、西安交通大学博士生丁翰元，清华大学药学院博士后赵譞。

刘锴副教授和白净卫研究员为本文共同通讯作者。

本文要点

要点一：非石墨烯二维材料的性质与生物电子学应用的相关性

图1. 非石墨烯二维材料具有原子层级厚度、多样化的能带结构、可调控的物理化学性质、良好的柔性、高比表面积等优势，使得其在生物传感器、人工神经突触、仿生驱动器、触觉传感器和可穿戴光电/气体传感器等领域展示出了重要的应用潜力。

要点二非石墨烯二维材料的物理化学性质与生物相容性

图2. 以h-BN, TMDCs, III–VI族化合物, BP和MXene为代表的非石墨烯二维材料的晶体结构图。

表1. 非石墨烯二维材料与石墨烯的杨氏模量、断裂强度、断裂应变的对比表

图3. 非石墨烯二维材料的带隙、迁移率对比图，以及厚度依赖的电学和光学性质。

表2. 非石墨烯二维材料的大气环境稳定性对比表，其稳定存在时间分布在几分钟到几个月。

图4. 利用表面修饰提高非石墨烯二维材料的生物相容性

要点三面向生物电子学应用的非石墨烯二维材料的制备与加工

图5. 非石墨烯二维材料的制备方法可以分为自上而下法（机械剥离、液相剥离等）和自下而上法（化学气相沉积法等）两大类。

图6. 利用剪纸策略可以增强非石墨烯二维材料的可拉伸性，从而满足可穿戴器件的需求。

要点四基于非石墨烯二维材料的生物传感器

图7. 电化学生物传感器的原理是通过检测电极上的电化学反应来实现生物分子检测，具有高比面积和丰富化学性质的非石墨烯二维材料通常可用作生物受体的载体。

图8. 晶体管型生物传感器的原理是通过检测生物分子对晶体管中二维半导体沟道电导的调控来实现生物分子检测。

图9. 纳米孔生物传感器的原理是在纳米孔两端施加电场，检测生物分子通过纳米孔时的电学信号的变化来实现生物传感。

要点五基于非石墨烯二维材料的人工神经突触

图10. 人工神经突触器件是实现低功耗类脑计算的基本单元，其电导在外部光/电信号的刺激下可以发生长时/短时的改变，从而模拟突触权重长时程/短时程的变化。该器件从结构上可以分为晶体管型和忆阻器型人工神经突触两大类。

图11. 在晶体管型人工神经突触中，栅极输入的光/电脉冲刺激可以调节二维半导体沟道的电导，从而改变突触权重。

图12. 在忆阻器型人工神经突触中，从忆阻器两极输入的电压脉冲刺激可以调节材料的电导，从而改变突触权重。

要点六基于非石墨烯二维材料的仿生驱动器

图13. 仿生驱动器可以对湿度、光/电等外部环境刺激作出机械运动响应，其功能类似生物体肌肉，所以也称为人工肌肉。

要点七基于非石墨烯二维材料的可穿戴器件

图14. 触觉传感器是电子皮肤的重要组成部分，它可以将应变、压力转化为电学信号。

图15. 可穿戴气体传感器可以用来帮助佩戴者检测有毒有害气体、诊断人体疾病。

图16. 可穿戴光电探测器可以将光信号转化为电信号。

图17. 可穿戴供能器件是可穿戴系统中不可或缺的组成部分。

结论与展望

生物电子学的研究可以追溯至18世纪科学家发现生物电的存在，而非石墨烯二维材料的应用研究才刚刚起步。尽管具有丰富性质的非石墨烯二维材料在生物传感、人工神经突触，仿生驱动器和可穿戴器件已经展示出了广阔的应用潜力，但它们的实际应用仍然面临着从单元器件研究向器件阵列研究转变的挑战，这对大面积、高度均一、缺陷密度可控的二维材料生长及其无损伤转移、加工提出了很高的要求。

另外，基于非石墨烯二维材料的生物电子器件的寿命仍需进一步提升，其在复杂液体环境的长期稳定性有待进深入研究。

文章链接

Bioelectronics‐Related 2D Materials Beyond Graphene: Fundamentals, Properties, and Applications

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003732

通讯作者介绍

刘锴，清华大学材料学院副教授，

致力于低维材料及其异质结构的界面性质研究，至今在Science、Adv. Mater.、Mater. Today、Nano Lett.等期刊上共发表学术论文90余篇，论文总计被引用4800余次。授权发明专利30余项。先后承担和参与国家青年高级人才项目、基金委面上项目、霍英东教育基金、科技部重点专项、基金委科学中心项目等科研项目。

担任中国材料研究学会青年委员会理事，Chinese Physics Letters、Chinese Physics B等期刊青年编委，Journal of Applied Physics客座编辑。荣获中国材料学会科学技术奖一等奖（第1完成人）、全国百篇优秀博士学位论文等奖励。在国内外重要学术会议上担任分会主席和做邀请报告20余次。

白净卫，清华大学药学院研究员、博士生导师，

2006年本科毕业于北京大学化学与分子工程学院，2011年毕业于美国加州大学洛杉矶分校获材料学博士学位。2011.6-2013.6，在IBM沃森实验室从事博士后研究。2013.8-2016.8，受聘于美国基因测序技术公司Illumina Inc.从事研发工作。

攻读博士期间结合前沿半导体工艺完成了石墨烯纳米筛结构和超高频石墨烯射频晶体管等原创性科研成果。博士后期间在IBM前沿半导体制成技术的基础上拓展纳米制备技术在单分子生物传感器方面的应用，领导了基于“Top down”技术路线制备固态纳米孔的研究工作。之后加入了基因测序技术领域处于世界领先地位的Illumina Inc.研发高通量二代测序技术和基于纳米孔构造的第三代基因测序技术。

截至目前为止已在Nature、Nature Nanotechnology，Nano Letters， PNAS等期刊上发表论文30余篇，授权专利8项。