Low-noise cost-efficient nanowire structures for biosensing applications

Abstract

The sensitive detection of different biochemical species is of great interest both for the fundamental research and for practical applications concerning the disease diagnostics and drug screening. The high demand in selective, sensitive, fast and low-cost diagnostic techniques has resulted in the rapid development of various-types biochemical sensors (biosensors). Being analytical devices for the qualitative or/and quantitative determination of biological targets, biosensors usually consist of three main components: a bioselective membrane, a physicochemical transducer, and a detector. Nanowires (NWs) have increased surface-to-volume ratios (SVRs) in comparison to bulk materials. This significantly enhances the role of the surface effects on the physicochemical properties of the NW-based devices, and thus makes them appealing for sensing applications. Specifically, nanowires can serve as efficient and highly-sensitive transducers, and therefore improve the sensing capabilities of biosensors. This work describes the development of nanowire-based biochemical sensors. Efforts have been made to address several critical performance-regarding questions including: optimization of the fabrication technology; electrical transport and noise characterization of the fabricated structures, and finding their optimal operation regimes; optimization of the nanowire structures for in-vitro detection of biochemical species. Liquid-gated (LG) silicon nanowire (Si NW) field-effect transistor (FET) devices are fabricated on the basis of p-type silicon-on-insulator (SOI) wafers using the “top-down” approach. The nanowire patterning is performed using thermal nanoimprint lithography (NIL). This technique allows reducing the fabrication cost while maintaining excellent spatial resolution (50 nm or below) and high CMOS-compatibility of the process. The nanoimprint process is developed for mr-I 70xx R thermal NIL resists with the optimized values for the imprint pressure P = 575 PSI and temperature T = 140 °C, respectively. It allows high-quality simultaneous patterning of the tiny nanowire structures and large feed lines and contact pads. The Si NW devices are designed and fabricated with different geometries (variable widths from 50 nm to 500 nm, and lengths from 2 μm to 22 μm) and configurations (accumulation-mode p+-p-p+ or n+-p-n+ inversion-mode FETs, depending on the impurity type chosen for the source and drain electrodes). The electrical current between the source and drain electrodes can be effectively controlled utilizing the electrolyte liquid gate and the back gate electrodes, thus allowing fine tuning of the conducting channel within the nanowire. The devices are characterized using current-voltage (I-V) measurements and low-frequency noise spectroscopy. The Si NW FETs demonstrate high-quality transistor-type behavior of the electrical characteristics and stable operation without leakage currents. The obtained values of the threshold voltage VTh ≃ 0.8 V, the subthreshold swing SS ≃ 130 mV dec-1, and the carrier mobility μ ≃ 95 cm2 V-1 s-1 are in good agreement with reported literature for Si NW FET structures and indicate the excellent performance of the fabricated devices. The Si NW FETs are tested for the in-vitro detection of the important cardiac diseases biomarkers: C-reactive protein and human cardiac troponin (cTn) I. The devices demonstrate linear response (in semi-logarithmic scale) of electrical characteristics to changes in analyte concentration in the range from 10 pg ml-1 to 5 ng ml-1 for CRP, and from 0.5 ng ml-1 to 10 ng ml-1 for cTnI, respectively. According to our measurements, the fabricated Si NWs exhibit superior sensitivity to the analyte-induced surface charge changes, and therefore they can serve as promising candidates for future applications in diagnostics and medicine. This work also describes studies of unique metallic nanowire structures including ultrathin (∼2 nm in diameter) chemically-synthesized gold nanowire (Au NW)-bundles and lithographic tunable gold nanoconstrictions (<100 nm in cross-section). It is revealed that the presence of organic molecules at the nanowire/contact interface, or on the NW surface, significantly alter the noise behavior of the system. Molecular interfaces between the contact and ultrathin Au NWs lead to the appearance of excess generation-recombination (GR) noise components with characteristic frequencies determined by the molecules. Noise studies on tunable gold nanoconstrictions are performed for a wide range of the system resistances R from 10 Ω to 10 MΩ. The results reveal that the flicker noise level demonstrates characteristic power dependence on the system resistance SI/I2~Rm, m = 2 – 0.5. Changes of the exponent m magnitude are attributed to changes of the charge transport in the structure. Indeed, reducing the cross-section of the gold nanoconstriction due to controlled bending allows ballistic transport in the structure to be achieved. Furthermore, after the constriction breaking, the transport is defined by quantum tunneling through a nanosized gap. Modification of the sample surface with benzene-1,4-dithiol (BDT) molecules results in almost one order of magnitude decrease of the flicker noise level in the ballistic regime of the sample conductance. Models describing noise behavior for bare gold and BDT modified samples are developed and compared with the experimental data for three transport regimes: diffusive, ballistic and tunneling. Parameters extracted from models by fitting are used for the characterization of nanoconstriction devices. The results obtained indicate that ultrathin gold nanowires and tunable nanoconstrictions are promising for chemical and biochemical sensing, as well as for applications of molecular electronics.

Der sensitive Nachweis verschiedener biochemischer Spezies ist sowohl für die Grundlagenforschung als auch für praktische Anwendungen in der Krankheitsdiagnostik und beim Wirkstoffscreening von großem Interesse. Die hohe Nachfrage nach selektiven, sensitiven, schnellen und kostengünstigen Diagnosetechniken hat zur raschen Entwicklung von biochemischen Sensoren (Biosensoren) unterschiedlicher Art geführt. Als Analysegeräte für die qualitative und/oder quantitative Bestimmung biologischer Marker bestehen Biosensoren in der Regel aus drei Hauptkomponenten: einer bioselektiven Rezeptormembran oder -schicht, einem physikalischchemischen Wandler und einem Detektor. Nanodrähte (NWs) haben im Vergleich zu makroskopischen Materialien ein erhöhtes Oberflächen-Volumen-Verhältnis (SVRs). Dies erhöht den Einfluss der Oberflächenatome bzw. Oberflächeneffekte auf die physikalisch-chemischen Eigenschaften der NW-basierten Geräte erheblich, was auch für Sensoranwendungen attraktiv sind. Insbesondere können Nanodrähte als effiziente und hochempfindliche Wandler dienen und damit die Leistungsfähigkeit von Biosensoren verbessern. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung von nanodrahtbasierten biochemischen Sensoren. Es wurden Anstrengungen unternommen, um mehrere kritische Leistungsmerkmale zu adressieren - unter anderem in Bezug auf die Fragen: • Optimierung der Prozessierung; • Elektrische Transport- und Rauschcharakterisierung der hergestellten Strukturen und Ermittlung der optimalen Bedingungen für ihren Betrieb; • Optimierung der NW-Strukturen für den in-vitro Nachweis von biochemischen Spezies. Flüssigkeitsgesteuerte (LG) Silizium-Nanodraht (Si NW) Feldeffekttransistoren (FET) werden auf der Basis von p-Typ Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafern nach dem “Top-Down”-Ansatz hergestellt. Die Nanodrahtstrukturierung erfolgt mittels optimierter thermischer Nanoimprint-Lithographie (NIL). Diese Technik ermöglicht es, die Herstellungskosten zu senken, während gleichzeitig eine ausgezeichnete räumliche Auflösung (50 nm oder weniger) und eine hohe CMOS-Kompatibilität des Prozesses gewährleistet werden. Der Nanoimprint-Prozess wurde für thermische NIL-Lacke (mr-I 70xx R) mit den optimierten Werten für den Prägedruck P = 575 PSI und der Temperatur T = 140 °C entwickelt. Die Si NW-Transistoren wurden mit unterschiedlichen Geometrien (variable Breiten von 50 nm bis 500 nm und Längen von 2 μm bis 22 μm) und Konfigurationen (Akkumulationsmodus p+-p-p+ oder n+-p-n+ Inversionsmodus-FETs, je nach dem für die Source- und Drain-Elektroden gewählten Dotierungstyp) entworfen und hergestellt. Der elektrische Strom zwischen der Source- und der Drain-Elektrode kann unter Verwendung des Flüssigkeitsgate-Elektrode bzw. der Backgate-Elektrode effektiv gesteuert werden. Die Bauelemente wurden durch Strom-Spannungsmessungen (I-V) und mit Hilfe der Niederfrequenzrauschspektroskopie charakterisiert. Die Si NW FETs zeigen hochwertige transistorartige Eigenschaften und einen stabilen Betrieb ohne Fehlerströme. Die erhaltenen Werte der Schwellenspannung VTh ≃ 0.8 V, des Unterschwellschwungs SS ≃ 130 mV dec-1 und der Ladungsträgerbeweglichkeit 95 cm2 V-1 s-1 stimmen gut mit der Literatur für Si NW FET Strukturen überein und belegen die ausgezeichnete Leistungsdaten der hergestellten Bauelemente. Die Si NW FETs wurden für den in-vitro-Nachweis der wichtigsten Biomarker für Herzkrankheiten eingesetzt: C-reaktives Protein (CRP) und humanes kardiales Troponin (cTn) I. Die Sensoren zeigen eine lineare Abhängigkeit (im semilogarithmischen Maßstab) der elektrischen Eigenschaften von der Analytkonzentration im Bereich von 10 pg ml-1 bis 5 ng ml-1 für CRP und von 0.5 ng ml-1 bis 10 ng ml-1 für cTnI. Unseren Messungen zufolge zeigen die hergestellten Si NWs eine überragende Empfindlichkeit gegenüber analytassoziierten Oberflächenladungsänderungen und können daher als vielversprechende Kandidaten für zukünftige Anwendungen in Diagnostik und Medizin angesehen werden. Diese Arbeit beinhaltet auch Studien zu einzigartigen metallischen Nanodrahtstrukturen bestehend aus ultradünnen (~2 nm im Durchmesser), chemisch synthetisierten Gold-Nanodrähten (Au NW) bzw. aus lithografisch hergestellten Gold-Nanoeinschnürungen Nanokontakte (< 100 nm im Querschnitt). Es wird gezeigt, dass das Vorhandensein organischer Moleküle an der Nanodraht/Kontakt-Schnittstelle oder an der NW-Oberfläche das Rauschverhalten des Systems signifikant verändert. Molekulare Schnittstellen zwischen dem Kontakt und ultradünnen AuNWs führen zum Auftreten von Rauschkomponenten mit charakteristischen Frequenzen, die charakteristisch für die untersuchten Moleküle sind. Für einen großen Bereich an Systemwiderstände R von 10 Ω bis 10 MΩ wurden Rauschuntersuchungen an den Goldnanoeinschnürungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Rauschpegel eine charakteristische Leistungsabhängigkeit vom Systemwiderstand SI/I2~Rm, m = 2 – 0.5 aufweist. Änderungen des Exponenten m werden auf Veränderungen des Ladungstransports in der Struktur zurückgeführt. Die Reduzierung des Querschnitts der Goldnanoeinschnürung ermöglicht einen ballistischen Transport der Ladungsträger in der Struktur. Wird die Einschnürung gebrochen, so lässt sich der Transport durch den entstandenen Bruchkontakt mittels eines Quanten-Tunnel-Prozesses beschreiben. Die Modifizierung der Probenoberfläche mit Benzol-1,4-dithiolmolekülen (BDT) führt zu einem fast um eine Größenordnung geringeren Rauschpegel im ballistischen Regime der Probenleitfähigkeit. Modelle wurden entwickelt, die das Rauschverhalten für reine Gold und für BDT-modifizierte Proben beschreiben. Die Modelle wurden für drei Grenzfälle mit experimentellen Daten verglichen: Diffusion, ballistischer Transport und Tunneln. Parameter, die aus Modellen durch Anpassung extrahiert werden, wurden für die Charakterisierung von Nanoeinschnürungen verwendet. Ultradünne Gold-Nanodrähten und Nanoeinschnürungen für die chemische Sensorik vielversprechend sind.