Tillverkning av grafenbaserade komponenter för bio- och kemiska sensortillämpningar på skivskala

Syfte och mål

Målet med projektet var att uppvisa högpresterande grafensensorer med transistorer på grafen på kiselkarbid (G-SiC) för att selektivt kunna detektera enskilda molekyler som begärts av slutanvändaren. Arbetet har fokuserats på sensordesign, prestanda, utbyte (yield), kostnad och produktpotential.

Planerat genomförande
I den första fasen i projektet har vi visat förmågan att producera transistorstrukturer av god kvalitet i skivskala, vilket användes för att tillverka glukossensorer med hög känslighet (nM ~ μM).

Tack vare det goda resultatet från första fasen av SIO Grafen-projektet har man lyckats fånga intresset från svensk industri. Viktigast är att Pamitus, ett svenskt SMF, och Nationellt Forensiskt Centrum (NFC) har gått med som partners i konsortiet. Pamitus kommer att bidra med elektronik och gränssnitt till sensorer och slutanvändaren. NFC kommer att bidra med specifikation, krav och realtidsverifiering av sensorerna tillverkade genom projektet.

Den gemensamma ansträngningen och komplementerande kompetens inom konsortiet, kommer att möjliggöra att ta grafensensorer från labbet till marknaden. Med ett fortsatt stöd av Vinnova är planen att utöka och verifiera sensorer för fler tillämpningar såsom bio- eller kemo-sensorer för forensik, jordbruk och medicin. Vi får då möjlighet att utveckla produkter för fler behov och en betydligt bredare marknad.

Effekter och resultat
Grafen på kiselkarbidskivor tillverkades och dessa gick sedan igenom olika processsteg för framtagning av chip enligt projektdeltagarnas önskemål. Processning av chip itererades för att få mer stabila sensormätningar. En modulär testuppställning utfördes för att kunna utvärdera sensorn tillsammans med elektronik och mikrofluidikssystem. En chip-hållare designades med kontakter till mikrofluidik och elektronik.

I uppställningen ingick även programvara för central- och automatiserad styrning av de olika systemen och för lagring av mätdata.

Projektet har tillverkat och utvärderat grafentransistorer på skivskala. Utbytet har varit högt i den använda processen. Produkten som helhet har konstruerats med kostnadseffektiv elektronik. Den drivande kostnaden i produkten som helhet blir grafenchipet, vilket blir kostnadseffektivt om det miniatyriseras. Tyvärr blev sensorprestandan lidande av att de tidigare undersökta strategierna för funktionalisering inte gav de önskade resultaten. Plattformen som sådan är användbar för framtida studier av kemo-/bio-chip, men andra strategier för funktionalisering bör användas.

Projektet har medfört en förståelse för olika funktionaliseringar av grafen på SiC (kiselkarbid) för sensortillämpningar samt för interaktionerna mellan molekyler och grafen. Detektion av klassade substanser (amfetamin och kokain) har påvisats, dels via antikroppar och dels i och med fotoaktivitet hos vissa molekyler. En slutsats är att det återstår mycket kvar att göra i funktionaliseringsarbetet med grafen.