journal article·2020-08

Interface Engineering of Si Hybrid Nanostructures for Chemical and Biological Sensing

Jinghua Li, John A. Rogers

Advanced Materials Technologies· Volume 5· Issue 8
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Abstract

Abstract Opportunities for quantitative, real‐time monitoring of gases, ions, and biomolecules in the environment and in the human body motivate programs of fundamental and applied research on chemically selective sensors with fast response times. In this context, silicon field‐effect transistors are of considerable interest as label‐free, scalable platforms for detecting a variety of chemical and biological species. Herein, recent progress and research directions in this area are reviewed. The focus of this article is on operational parameters, device architectures, schemes for surface chemical functionalization, and methods for bio‐integration across a variety of use cases. The content includes strategies that combine Si with other functional materials to create hybrid structures for enhanced sensing performance. The final section highlights some remaining challenges and provides perspectives on the future of basic research and engineering development in this field.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Nanowire Synthesis and Applications · Analytical Chemistry and Sensors · Gas Sensing Nanomaterials and Sensors

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Department of Materials Science and Engineering Center for Chronic Brain Injury The Ohio State University Columbus OH 43210 USA

Center for Bio‐Integrated Electronics Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology Department of Materials Science and Engineering Biomedical Engineering Chemistry, Mechanical Engineering, Electrical Engineering and Computer Science, and Neurological Surgery McCormick School of Engineering and Feinberg School of Medicine Northwestern University Evanston IL 60208 USA

Department of Materials Science and Engineering Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana‐Champaign Urbana IL 61801 USA

References (100+)

Show source-provided references
1. McAlpine M. C. · Nat. Mater. · 2007 · 6 · 37910.1038/nmat1891 ↗
2. Ponzoni A. · Appl. Phys. Lett. · 2006 · 8810.1063/1.2203932 ↗
3. Pfattner R. · Adv. Electron. Mater. · 2019 · 510.1002/aelm.201800381 ↗
4. Borges‐Gonzalez J. · J. Mater. Chem. C · 2019 · 7 · 111110.1039/C8TC05900D ↗
5. Gao N. · Nano Lett. · 2015 · 15 · 214310.1021/acs.nanolett.5b00133 ↗
6. Knopfmacher O. · Nano Lett. · 2010 · 10 · 226810.1021/nl100892y ↗
7. Tseng C. W. · Adv. Sci. · 2020 · 710.1002/advs.201901001 ↗
8. Nakata S. · Nat. Electron. · 2018 · 1 · 59610.1038/s41928-018-0162-5 ↗
9. Cui Y. · Science · 2001 · 293 · 128910.1126/science.1062711 ↗
10. Zhou W. W. · Nano Futures · 2018 · 210.1088/2399-1984/aac737 ↗
11. Liu Y. X. · Chem. Soc. Rev. · 2012 · 41 · 228310.1039/C1CS15270J ↗
12. Sarkar D. · ACS Nano · 2014 · 8 · 399210.1021/nn5009148 ↗
13. Cho S. Y. · Adv. Mater. · 2016 · 28 · 702010.1002/adma.201601167 ↗
14. Kaisti M. · Biosens. Bioelectron. · 2017 · 98 · 43710.1016/j.bios.2017.07.010 ↗
15. Rim Y. S. · Adv. Mater. Interfaces · 2017 · 410.1002/admi.201700020 ↗
16. Mu L. · IEEE Access · 2015 · 3 · 28710.1109/ACCESS.2015.2422842 ↗
17. Sakata T. · ACS Omega · 2019 · 410.1021/acsomega.9b01629 ↗
18. Fennell J. F. · Angew. Chem., Int. Ed. · 2016 · 55 · 126610.1002/anie.201505308 ↗
19. Sze S. M. · 200610.1002/0470068329 ↗
20. Tarasov A. · ACS Nano · 2012 · 6 · 929110.1021/nn303795r ↗
21. Heller I. · Nano Lett. · 2008 · 8 · 59110.1021/nl072996i ↗
22. Liu B. · ACS Nano · 2014 · 8 · 530410.1021/nn5015215 ↗
23. Fahad H. M. · ACS Nano · 2018 · 12 · 294810.1021/acsnano.8b00580 ↗
24. Fahad H. M. · Sci. Adv. · 2017 · 310.1126/sciadv.1602557 ↗
25. Nair P. R. · Appl. Phys. Lett. · 2006 · 8810.1063/1.2211310 ↗
26. Wagner R. S. · Appl. Phys. Lett. · 1964 · 4 · 8910.1063/1.1753975 ↗
27. Huang Y. · Science · 2001 · 291 · 63010.1126/science.291.5504.630 ↗
28. Whang D. · Nano Lett. · 2003 · 3 · 125510.1021/nl0345062 ↗
29. Jin S. · Nano Lett. · 2004 · 4 · 91510.1021/nl049659j ↗
30. Yu G. H. · Nat. Nanotechnol. · 2007 · 2 · 37210.1038/nnano.2007.150 ↗
31. Fan Z. Y. · Nano Lett. · 2008 · 8 · 2010.1021/nl071626r ↗
32. Dong L. F. · Nano Lett. · 2005 · 5 · 211210.1021/nl051650+ ↗
33. Raychaudhuri S. · Nano Lett. · 2009 · 9 · 226010.1021/nl900423g ↗
34. Freer E. M. · Nat. Nanotechnol. · 2010 · 5 · 62510.1038/nnano.2010.157 ↗
35. Yerushalmi R. · Appl. Phys. Lett. · 2007 · 9110.1063/1.2813618 ↗
36. Madsen M. · Adv. Mater. · 2011 · 23 · 311510.1002/adma.201101192 ↗
37. Mu L. Y. · Nano Lett. · 2014 · 14 · 531510.1021/nl502366e ↗
38. Baca A. J. · Angew. Chem., Int. Ed. · 2008 · 47 · 552410.1002/anie.200703238 ↗
39. Ko H. C. · Nano Lett. · 2006 · 6 · 231810.1021/nl061846p ↗
40. Mack S. · Appl. Phys. Lett. · 2006 · 8810.1063/1.2206688 ↗
41. Rollo S. · Biophys. Rev. · 2019 · 1
42. Nair P. · Appl. Phys. Lett. · 2006 · 8810.1063/1.2211310 ↗
43. Nair P. R. · Phys. Rev. Lett. · 2007 · 9910.1103/PhysRevLett.99.256101 ↗
44. Rollo S. · Nano Lett. · 2019 · 19 · 287910.1021/acs.nanolett.8b04988 ↗
45. Jang H. · Nano Lett. · 2013 · 13 · 560010.1021/nl403251e ↗
46. Choi Y. K. · IEEE Electron Device Lett. · 2001 · 22 · 44710.1109/55.944335 ↗
47. Nah J. · J. Phys. Chem. C · 2012 · 116 · 975010.1021/jp300446z ↗
48. Chen C.‐H. · J. Membr. Sci. · 2010 · 362 · 53510.1016/j.memsci.2010.07.002 ↗
49. Gao M. · Small · 2018 · 1410.1002/smll.201703691 ↗
50. Conrad H. · Surf. Sci. · 1974 · 41 · 43510.1016/0039-6028(74)90060-0 ↗
51. Cho M. · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2018 · 1010.1021/acsami.8b01583 ↗
52. Han J.‐W. · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2015 · 710.1021/acsami.5b05479 ↗
53. Shehada N. · ACS Nano · 2016 · 10 · 704710.1021/acsnano.6b03127 ↗
54. Paska Y. · ACS Nano · 2012 · 6 · 33510.1021/nn203653h ↗
55. Paska Y. · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2012 · 4 · 260410.1021/am300288z ↗
56. Shehada N. · Nano Lett. · 2015 · 15 · 128810.1021/nl504482t ↗
57. Van Hal R. · Sens. Actuators, B · 1995 · 24 · 20110.1016/0925-4005(95)85043-0 ↗
58. Park I. · Nanotechnology · 2010 · 2110.1088/0957-4484/21/1/015501 ↗
59. Chen M. C. · Sensors · 2012 · 12 · 395210.3390/s120403952 ↗
60. Chen S. Y. · Nano Lett. · 2011 · 11 · 233410.1021/nl200623n ↗
61. Dorvel B. R. · ACS Nano · 2012 · 6 · 615010.1021/nn301495k ↗
62. Kwon J. · ACS Sens. · 2019 · 4 · 172410.1021/acssensors.9b00731 ↗
63. Wang J. · 200610.1002/0471790303 ↗
64. Schuett J. · Nano Lett. · 2016 · 16 · 499110.1021/acs.nanolett.6b01707 ↗
65. Sakata T. · Anal. Chem. · 2018 · 9010.1021/acs.analchem.8b03070 ↗
66. Sakata T. · Anal. Chem. · 2013 · 85 · 663310.1021/ac4001018 ↗
67. Yang H. · Anal. Chem. · 2017 · 8910.1021/acs.analchem.7b03688 ↗
68. Satake H. · Nanoscale · 2018 · 1010.1039/C8NR02950D ↗
69. Dos Santos M. C. · Biophys. J. · 2016 · 111 · 131610.1016/j.bpj.2016.06.043 ↗
70. Burmeister J. S. · Biomaterials · 1998 · 19 · 30710.1016/S0142-9612(97)00109-9 ↗
71. Sivakumarasamy R. · Nat. Mater. · 2018 · 17 · 46410.1038/s41563-017-0016-y ↗
72. Garcia‐Cordero E. · ACS Nano · 2018 · 1210.1021/acsnano.8b07413 ↗
73. Luo L. B. · Appl. Phys. Lett. · 2009 · 9410.1063/1.3120281 ↗
74. Bi X. Y. · Biosens. Bioelectron. · 2009 · 24 · 324810.1016/j.bios.2009.04.007 ↗
75. Pioda L. A. · Anal. Lett. · 1969 · 2 · 66510.1080/00032716908051343 ↗
76. Bühlmann P. · Chem. Rev. · 1998 · 98 · 159310.1021/cr970113+ ↗
77. Zhang J. R. · ACS Sens. · 2019 · 4 · 203910.1021/acssensors.9b00597 ↗
78. Marchant R. · J. Biomed. Mater. Res. · 1986 · 20 · 3710.1002/jbm.820200105 ↗
79. Gao W. · Nature · 2016 · 529 · 50910.1038/nature16521 ↗
80. Patolsky F. · Nat. Protoc. · 2006 · 1 · 171110.1038/nprot.2006.227 ↗
81. Ermanok R. · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2013 · 510.1021/am403421g ↗
82. Dorvel B. · Adv. Funct. Mater. · 2010 · 20 · 8710.1002/adfm.200901688 ↗
83. Lin S.‐P. · 2012
84. Bunimovich Y. L. · J. Am. Chem. Soc. · 2006 · 12810.1021/ja065923u ↗
85. Duan X. · ACS Nano · 2013 · 7 · 401410.1021/nn306034f ↗
86. Duan X. · Adv. Funct. Mater. · 2015 · 25 · 227910.1002/adfm.201500002 ↗
87. vanHal R. E. G. · Adv. Colloid Interface Sci. · 1996 · 69 · 3110.1016/S0001-8686(96)00307-7 ↗
88. Gao N. · Proc. Natl. Acad. Sci. USA · 2016 · 11310.1073/pnas.1625010114 ↗
89. Ohshima H. · Sci. Technol. Adv. Mater. · 2009 · 1010.1088/1468-6996/10/6/063001 ↗
90. Haustein N. · ACS Sens. · 2019 · 4 · 87410.1021/acssensors.8b01515 ↗
91. Elnathan R. · Nano Lett. · 2012 · 12 · 524510.1021/nl302434w ↗
92. Maehashi K. · Anal. Chem. · 2007 · 79 · 78210.1021/ac060830g ↗
93. Stern E. · Nat. Nanotechnol. · 2010 · 5 · 13810.1038/nnano.2009.353 ↗
94. Laborde C. · Nat. Nanotechnol. · 2015 · 10 · 79110.1038/nnano.2015.163 ↗
95. Tran D. P. · ACS Nano · 2016 · 10 · 235710.1021/acsnano.5b07136 ↗
96. Karantza V. · Oncogene · 2011 · 30 · 12710.1038/onc.2010.456 ↗
97. Kim J. · ACS Nano · 2015 · 9 · 457210.1021/acsnano.5b01211 ↗
98. Huang W. · Chem. Sci. · 2014 · 5 · 41610.1039/C3SC52638K ↗
99. Dmitrienko E. · Nanomedicine · 2016 · 11 · 207310.2217/nnm-2016-0071 ↗
100. Minamiki T. · Sensors · 2016 · 16 · 203310.3390/s16122033 ↗