中科大校友研发亚10nm级晶体管，有望检测人体内数千种分子和离子( 二 ) 他叫胡奇涛

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。

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（来源：ScienceAdvances）
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。

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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。

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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。

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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。