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  • 그래핀 바이오트랜지스터 속의 열 잡음 수준등록일 : 2015/07/26
  • 그래핀 전계 효과 트랜지스터는 우수한 바이오센서에 적용될 수 있지만, 이러한 분야에 적용하기 위해서는 장치 속의 열 잡음(thermal noise)의 한계를 정량화할 필요가 있다. 오레곤 주립 대학(Oregon State University)과 코넬 대학(Cornell University)의 연구진은 그래핀 시트와 액체 사이의 임피던스를 측정함으로써 이것을 수행하는데 성공했다.

    그래핀은 벌집 격자 속에 배열된 탄소 원자들의 2차원 시트이고, 약 2600 m2/g의 높은 표면적을 가지고 있기 때문에 이것의 표면 위에 흡수된 각각의 분자들을 검출하는데 사용될 수 있다. 또한 그래핀은 2,500 cm2/V ~ 40,000 cm2/V 사이의 높은 전하 캐리어 이동도를 가질 수 있고, 이것은 다른 고체 재료와 비교할 때 더 많은 수의 화학물질과 바이오마커를 감지할 수 있게 한다.

    이번 연구진은 수많은 그래핀 트랜지스터 장치를 위해서 수성 전해질과 그래핀 시트 간의 주파수 의존성 임피던스를 측정했다. 이 측정 결과는 그래핀-전해질 계면이 소산(dissipative) 회로 소자로서 활용될 수 있다는 것을 보여주었다. 이 연구결과는 탄소 물질로 만들어진 바이오센서에 중요한 역할을 하고, 이런 계면에 의존하는 그래핀 기반의 커패시터와 같은 다른 시스템에서도 중요하다.

    이번 연구진은 그래핀과 전해질 간의 진동 바이어스 전압을 활용했고, 그 후에 두 개의 전압 사이의 전류량을 측정했다. “대부분의 경우에, 이런 상호작용은 커패시터에 관찰된 것과 동일하다”고 오레곤 대학의 Michael Crosser는 말했다. “그러나 시스템 속을 들락거리는 일부 전류는 에너지를 소산한다. 우리는 전류와 구동 전압 간의 시간 지연을 측정함으로써 에너지를 소산하는 전류를 정량적으로 측정할 수 있었다”고 Crosser는 덧붙였다. 

    이번 연구진은 그래핀 전계효과 트랜지스터 속의 열 잡음을 측정할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. “우리는 소위 변동 소산 원리(fluctuation-dissipation theorem)를 사용했는데, 이것은 에너지를 소산하는 모든 시스템이 열 변동을 가진다는 것을 의미한다. 브라운 운동(Brownian motion)은 이 원리의 유명한 예” 라고 Minot가 설명했다. “우리는 그래핀-전해질 계면을 통한 전하의 열적 변동과 잡음을 예측하기 위해서 이 원리를 사용했다”고  Minot가 말했다. 

    “우리의 연구결과는 더 나은 그래핀 바이오센서를 만드는데 도움을 줄 것이다. 예를 들어, 이것은 10마이크로볼트 이하의 잡음 수준을 가진 세포외 신경 기록(extracellular neural recording) 분야에 적용될 수 있다”고 그는 말했다. 여기서, 세포 외 전압들은 그래핀 전계효과 트랜지스터의 저항 변화를 측정할 수 있게 한다. 이 연구결과는 그래핀으로 만든 슈퍼커패시터에 중요할 것이다. “에너지 소산 메커니즘은 그래핀 슈퍼커패시터를 충전하고 방전할 때 발생하고, 우리는 여기서 발생하는 것을 정확하게 이해하려고 노력하고 있다”고 Minot가 말했다.

    “그래핀 장치 속의 열 잡음 한계를 정량적으로 측정하는 것이 실제로 중요하다. 그래핀과 다른 2차원 재료들은 그들의 독특한 표면 대 부피 비율 때문에 화학적 및 생물학적 센서 분야에 유망하다. 센서의 성능은 우리가 이런 장치 속의 잡음을 얼마나 잘 제어할 수 있는지에 달려 있다. 이 연구는 수성 전해질 속에서 작동하는 그래핀 트랜지스터의 특성을 조사하는데 매우 유용할 것”이라고 연구에 참여하지 않은 캘리포니아 대학의 리버사이드 캠퍼스의 Alexander Balandin 교수가 말했다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 “Determination of the Thermal Noise Limit of Graphene Biotransistors”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b01788).

    그림. 그래핀 바이오트랜지스터 속의 임피던스 측정.
  • 키워드 : 그래핀, 바이오트랜지스터, 열 잡음
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑