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

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.

Abstract in english

Wafer-scale fabrication of graphene-based devices for bio- and chemical sensing

The goal was to demonstrate high-performance graphene sensors with transistors on graphene on silicon carbide (SiC G) to selectively detect individual molecules as requested by the end user. The focus was on the sensor design, performance, yield, cost and product potential. In a prestudy in 2014, we have shown the ability to produce transistor structures of good quality on a wafer scale, used to make the glucose sensors with high sensitivity (nM ~ μM). The plan isnow to expand and verify the sensors for additional applications such as bio or chemo-sensors for forensics, agriculture and medicine. We will then be able to develop products for other needs and a much wider market.

Effects and results
Graphene on silicon carbide discs was manufactured and went through different process steps for chip creation. Processing of the chip was iterated to get more stable sensor measurements. A modular test setup was performed to evaluate the sensor together with electronics and microfluidics systems. A chip holder was designed with connectors for microfluidics and electronics. The setup also included software for central and automated control of the various systems and for storing measurement data.

The project has manufactured and evaluated graphene transistors on a disc scale. The exchange has been high in the process used. The product as a whole has been designed with cost-effective electronics. The driving cost of the product as a whole will be the graphene chip, which will become cost effective if it is miniaturized. Unfortunately, the sensor performance suffered from the fact that the previously investigated functionalization strategies did not yield the desired results. The platform as such is useful for future studies of chemo- / bio-chip, but other strategies for functionalization should be used.

The project has given an understanding of different functionalizations of graphene on SiC (silicon carbide) for sensor applications, as well as for the interactions between molecules and graphene. Detection of classified substances (amphetamine and cocaine) has been detected, partly by antibodies, and partly with photoactivity of certain molecules. One conclusion is that much remains to be done in the functionalization work with graphene.

Utlysning:
Förstudieprojekt och Forsknings- och Innovationsprojekt våren 2016

Projektpartners: Graphensic, Acreo Swedish ICT, Nationellt Forensiskt Centrum, Pamitus

Projektledare: Amer Ali

E-mail: amer.ali@graphensic.com

Bidrag: 1 725 000 kr

Projektets löptid: maj 2016- juli 2017

Relaterade projekt:
Produktion av grafen på kiselkarbid för sensorer (avslutat)

Relaterade styrkeområden:

Med stöd från: