長期以來，科學(xué)家和工程師們一直大力推崇石墨烯在電子設(shè)備中的應(yīng)用，因為它具有出色的導(dǎo)電性、光學(xué)透明度、機械強度、導(dǎo)熱性和在高溫下保持穩(wěn)定性的能力。然而，石墨烯在商業(yè)層面的電子產(chǎn)品中的應(yīng)用仍然有限。部分原因是，制造和集成大多數(shù)（但不是全部）大規(guī)模電子產(chǎn)品所需的單層石墨烯要困難得多。這也是因為，作為一種新材料，石墨烯在使用前必須經(jīng)過嚴格的監(jiān)管和認證要求，才能在許多高科技應(yīng)用中使用。盡管如此，包括傳感器在內(nèi)的許多先進技術(shù)市場正開始更廣泛地使用這種材料。

全球許多公司都開發(fā)了石墨烯傳感器，但其中許多公司純粹圍繞生物傳感，許多公司在疫情期間試圖開發(fā)先進的COVID 測試。但總部位于英國劍橋郡的Paragraf公司的目標不僅僅是成為一家小規(guī)模的石墨烯傳感器批量生產(chǎn)商。相反，該公司的目標是成為第一家為最終用戶提供“空白畫布”石墨烯場效應(yīng)晶體管(gFET) 傳感組件，代工廠可以根據(jù)不同行業(yè)的用戶的個性化需求進行定制。

Paragraf 認為，這種方法將使公司更容易擴大其制造能力。這種方法消除了監(jiān)管限制，使工程師只需專注于核心技術(shù)，而不必考慮他們的傳感器可能用于哪些場景以及需要專門定制哪些場景。

構(gòu)建空白畫布gFET

可以說，Paragraf 的傳感器元件是一塊空白畫布。該公司正在通過在藍寶石基板上生長石墨烯并在頂部添加兩個帶有柵極電極的觸點來構(gòu)建主要傳感表面（畫布）。然后由 Paragraf 的客戶根據(jù)他們的需要完成傳感器的最終設(shè)計：“我們出售的不是成品傳感器，” Paragraf 的生物傳感器總監(jiān)Mark Davis表示，他補充說，用戶可以將許多不同類型的受體添加到傳感器中。

通過讓用戶控制傳感受體，gFET 將更容易滿足各自行業(yè)的監(jiān)管和認證要求。Paragraf 瞄準了許多應(yīng)用和行業(yè)，包括醫(yī)療 診斷中的鉀離子傳感、農(nóng)業(yè)廢水徑流中的重金屬檢測、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和氫能行業(yè)中的氣體傳感應(yīng)用、細胞和基因治療中的 pH 傳感、食品和飲料監(jiān)測以及化學(xué)加工應(yīng)用。

gFET 在醫(yī)療診斷方面也具有很大的潛力，因為可以在同一芯片上測量多種不同的生物標記或感興趣的化學(xué)成分?！霸S多 gFET 只包含 3 到 5 個通道，但 Paragraf 的 FET 尺寸意味著我們可以在一個芯片上安裝多達 100 個通道，”戴維斯說，這使得最終的芯片能夠檢測和區(qū)分給定樣本中的更多東西。

據(jù) Paragraf 公司稱，由于 gFET 具有高靈敏度，其用戶開始使用這些空白畫布傳感器開發(fā)醫(yī)療診斷平臺，用于單離子和 pH 傳感應(yīng)用。“對于大多數(shù)醫(yī)療保健應(yīng)用，我們正在尋找一次性使用的傳感器，每個傳感器的成本為 1 美元，”戴維斯說?！拔磥?，只要我們每年能生產(chǎn)超過 100 萬個 [傳感器]，并將晶圓尺寸保持在 3 x 3 毫米以下，我們就能夠?qū)⒊杀窘档偷竭@個水平——在現(xiàn)實世界中拓展石墨烯傳感器和石墨烯電子產(chǎn)品的潛力和能力?！?/p>

大規(guī)模開發(fā)gFET傳感器組件

Paragraf 正在開發(fā)的 gFET 是一種電解質(zhì)門控FET。FET的工作原理是將用戶想要分析的電解質(zhì)液滴放置在傳感器表面。電解質(zhì)的電導(dǎo)率會產(chǎn)生電偏壓，從而改變傳感器石墨烯片中電子的行為方式。這也會改變石墨烯片上可檢測的電阻——而且由于石墨烯的電性能非常好，因此可以檢測到電解質(zhì)樣品中極小濃度的離子（包括單個離子）。

Paragraf 正在批量生產(chǎn)傳感器，類似于半導(dǎo)體行業(yè)制造充滿芯片的晶圓的方式，并通過金屬有機化學(xué)氣相沉積將石墨烯直接沉積到晶圓上，并在頂部連接金屬觸點。

許多化學(xué)氣相沉積技術(shù)可以在銅箔上生長石墨烯，但隨后需要將石墨烯轉(zhuǎn)移到終端設(shè)備，這可能會導(dǎo)致石墨烯中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷和銅污染，從而影響設(shè)備的傳感能力。通過直接在晶圓上生長石墨烯，Paragraf 避免了這種情況，從而提高了設(shè)備的傳感性能。戴維斯表示，Paragraf“以半導(dǎo)體方式制造傳感器元件，這樣我們就可以將傳感器元件小型化，并在每個芯片上安裝更多傳感器元件。Paragraf 的愿景是成為一家代工廠，成為最終診斷解決方案的傳感器組件制造商。”

戴維斯表示，Paragraf 目前可以在邊長 51 毫米的晶圓上安裝多達 32 個 gFET 。該公司正在劍橋郡亨廷頓建立一個大型制造工廠。Paragraf 最近還收購了位于圣地亞哥的另一家石墨烯傳感器公司 Cardea Bio 。

Paragraf 還在開發(fā)具有寬動態(tài)范圍的石墨烯霍爾效應(yīng)傳感器，用于低場和高場磁測量應(yīng)用——從繪制CERN的高磁場圖和測量電磁場，到精確定位電池中的電流泄漏和測量量子計算機內(nèi)部超小磁場的存在——但這些都是標準的傳感器元件架構(gòu)，不需要最終用戶進行任何進一步的輸入即可使用——它們已經(jīng)準備就緒。最終，Paragraf 押注于空白 gFET，希望能夠創(chuàng)建第一個石墨烯代工廠。