Design and Functionalization of 2D Material-Based Field-Effect Transistors for Biosensing Applications

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The detection of biomolecules using electronic devices has gained significant attention due to its critical role in healthcare, environmental monitoring, and point-of-care diagnostics. Conventional biosensing techniques, however, often suffer from limitations such as low sensitivity, slow response time, the requirement of labeling, and complex detection procedures. These challenges hinder their practical implementation in rapid and on-site diagnostic systems. In this regard, field-effect transistor （FET）-based biosensors have emerged as promising platforms due to their capability for real-time, label-free detection and high sensitivity. Nevertheless, achieving reliable and ultra- sensitive detection of low-concentration analytes, particularly in complex environments, remains a major challenge. In recent years, two-dimensional （2D） transition metal dichalcogenide （TMDC） materials such as Molybdenum diselenide （MoSe₂）, Tin（IV） sulfide （SnS₂）, and Molybdenum ditelluride （MoTe₂） have attracted considerable interest owing to their unique electrical and surface properties. Compared to conventional semiconductors such as Silicon, these atomically thin materials exhibit high surface-to-volume ratios, reduced charge screening effects, and tunable band structures. These properties enable strong interaction between the sensing surface and target biomolecules, resulting in enhanced sensitivity and improved detection performance. Furthermore, their compatibility with flexible and scalable device architecture makes them highly suitable for next-generation biosensing applications. Therefore, in this thesis, we investigate the fabrication and surface functionalization of 2D TMDC-based FET devices for sensitive molecular detection. The primary focus is on improving sensing performance through interface engineering and the development of tailored supporter molecules that facilitate efficient immobilization of target biomolecules. These supporter molecules, based on pyrene-functionalized constructs, interact with the 2D material surface via π–π stacking, ensuring stable attachment while minimizing Debye screening effects in electrolyte environments. The modulation of charge transport in the transistor channel, induced by biomolecular interactions, is systematically studied through electrical characterization, including transfer and output characteristics under varying biasing and gate voltage conditions. The first part of the thesis focuses on a MoSe₂-based FET biosensor for the detection of streptavidin protein as a model analyte. The device exhibits gate-dependent charge transport behavior, enabling effective modulation of the sensing signal. By employing a pyrene-based supporter molecule, the interaction between the target protein and the sensing surface is enhanced, resulting in improved sensitivity. Real-time electrical measurements demonstrate detection capability down to picomolar concentrations, highlighting the effectiveness of the proposed interface engineering strategy. After that, this study presents a SnS₂ FET fabricated on a Hexagonal boron nitride （h-BN） substrate to further enhance device performance. The use of h-BN as an underlying layer improves interface quality by reducing charge scattering and trap states, thereby enhancing carrier mobility and device stability. A specially designed pyrene- lysine-biotin receptor is utilized to improve biomolecule attachment and selectivity. The SnS₂/h-BN FET demonstrates rapid detection with high sensitivity, achieving low detection limits and fast response times. Additionally, the selectivity of the device is validated by comparing its response to non-target proteins, confirming its potential for reliable biosensing applications. Similarly, in the next part, a MoTe₂-based FET biosensor is developed for prompt and sensitive detection of streptavidin. The device is characterized by using spectroscopic and microscopic techniques, and its dynamic sensing behavior is analyzed over a wide range of analyte concentrations. The MoTe₂ FET exhibits fast response characteristics and stable detection performance, making it suitable for real-time monitoring applications. A comparative analysis of different TMDC materials is also performed to understand the influence of material properties on sensing performance and device efficiency. Although the developed TMDC-based FET biosensors demonstrate high sensitivity, rapid response, and excellent selectivity, the current device configurations primarily operate as single-use sensing platforms. The irreversible binding between the target biomolecules and the functionalized receptor layers limits the reusability of the devices. This disposable nature, while suitable for certain diagnostic applications, may increase operational cost and material consumption in large-scale implementations. To overcome this limitation, a conceptual framework for a reusable 2D FET biosensing platform is proposed in the final part of this thesis. The proposed approach involves the integration of reversible receptor chemistry, controlled surface regeneration techniques, and protective dielectric encapsulation layers to preserve channel integrity during repeated sensing cycles. Additionally, microfluidic-assisted washing mechanisms and optimized bias-controlled desorption strategies are suggested to enable multiple detection cycles without significant degradation in device performance. Such a reusable platform could significantly enhance the practicality, cost-effectiveness, and sustainability of 2D material-based biosensors. Overall, this thesis demonstrates that surface-engineered 2D TMDC-based FETs provide a powerful platform for high-sensitivity and rapid biosensing. The integration of material selection, device fabrication, and interface engineering plays a crucial role in optimizing device performance. The results highlight the potential of these devices for detecting a wide range of biomolecules with high accuracy and speed. Such biosensing platforms could pave the way for the development of advanced electronic devices capable of detecting nucleic acids such as circulating tumor DNA （ct-DNA） and viral proteins, including the COVID-19 spike protein, thereby contributing to the advancement of next-generation diagnostic and healthcare technologies.

국문 초록 (Abstract)

전자소자 기반 바이오분자 검출 기술은 의료, 환경 모니터링 및 현장진단 분야에서의 광범위한 활용 가능성으로 인해 최근 학계와 산업계의 주목을 받고 있다. 그러나 기존 바이오센싱 기술은 낮은 감도, 느린 응답 속도, 라벨링 공정의 필수성, 그리고 복잡한 검출 절차 등 여러 본질적인 한계를 내포하고 있으며, 이는 신속하고 현장 적용 가능한 진단 시스템의 실용화를 가로막는 주요 요인으로 지적되어 왔다. 이러한 기술적 한계를 극복할 대안으로서, 전계효과트랜지스터（Field-Effect Transistor, FET） 기반 바이오센서는 실시간 및 라벨-프리 검출과 높은 감도를 동시에 구현할 수 있는 유망한 플랫폼으로 부상하고 있다. 그럼에도 불구하고, 복잡한 실제 환경에서 극미량의 분석물을 안정적으로 검출하는 초고감도 센싱 기술의 확립은 여전히 중요한 연구 과제로 남아 있다.
이러한 배경 아래, MoSe2, SnS2, MoTe2 등의 2D 전이금속 칼코겐화합물（Transition Metal Dichalcogenides, TMDCs）은 우수한 전기적·표면적 특성을 바탕으로 센싱 소재로서 높은 주목을 받고 있다. 이들 원자층 수준의 박막 소재는 기존 실리콘 반도체에 비해 높은 표면적 대비 부피 비, 저감된 전하 차폐 효과, 그리고 조절 가능한 밴드 구조를 갖추고 있다. 이러한 특성은 센싱 표면과 표적 바이오분자 간의 강한 상호작용을 촉진하여 탁월한 검출 감도와 성능을 이끌어낸다. 아울러, 유연하고 확장 가능한 소자 구조와의 우수한 호환성은 이들 소재가 차세대 바이오센싱 플랫폼으로서 갖는 응용 잠재력을 더욱 부각시킨다.
본 학위논문에서는 민감한 분자 검출을 위한 2D TMDC 기반 FET 소자의 제작 및 표면 기능를 체계적으로 연구하였다. 특히 계면 엔지니어링과 표적 바이오분자의 효율적인 고정을 위한 맞춤형 지지 분자 개발을 통해 센싱 성능을 극대화하는 데 중점을 두었다. Pyrene 기능기를 기반으로 하는 지지 분자는 π–π 적층 상호작용을 통해 2D 소재 표면에 안정적으로 결합하며, 전해질 환경에서 Debye screening effect를 효과적으로 억제한다. 나아가, 바이오분자 상호작용에 의해 유도되는 트랜지스터 채널 내 전하 수송 변화를 전달 특성 및 출력 특성 분석을 통해 체계적으로 규명하였다.
논문의 첫 번째 연구에서는 streptavidin 단백질 검출을 위한 MoSe2 기반 FET 바이오센서를 개발하고 특성을 평가하였다. 제작된 소자는 게이트 전압에 따른 전하 수송 거동 특성을 나타내어 센싱 신호의 정밀한 조절이 가능하였다. Pyrene 기반 지지 분자의 도입은 표적 단백질과 센싱 표면 간의 상호작용을 강화하여 감도를 현저히 향상시켰으며, 실시간 전기적 측정을 통해 pico-molar 수준까지의 검출이 가능함을 확인하였다. 이를 통해 제안된 계면 엔지니어링 전략의 유효성과 우수성이 입증되었다.
이어서, 소자 성능의 추가적인 향상을 위해 hexagonal boron nitride （h-BN） 기판을 활용한 SnS2 FET를 연구하였다. h-BN 층은 전하 산란과 트랩 상태를 억제함으로써 계면 품질을 개선하고, 전하 carrier mobility와 소자 안정성을 향상시킨다. 또한, 전용으로 설계된 pyrene-lysine-biotin 수용체를 도입하여 바이오분자 결합 효율과 선택성을 동시에 개선하였다. 결과적으로 제작된 SnS2/h-BN FET는 높은 감도와 빠른 응답 속도를 바탕으로 낮은 검출 한계를 달성하였으며, 비표적 단백질과의 비교 실험을 통한 우수한 선택성 확인으로 신뢰성 높은 바이오센서로서의 가능성을 입증하였다.
세 번째 연구에서는 streptavidin의 신속하고 민감한 검출을 위한 MoTe2 기반 FET 바이오센서를 개발하였다. 제작된 소자는 분광학적 및 현미경 분석 기법을 이용하여 구조적·광학적 특성을 규명하였으며, 다양한 농도 범위에서의 동적 센싱 거동을 분석하였다. MoTe2 FET는 빠른 응답 특성과 안정적인 검출 성능을 바탕으로 실시간 모니터링 응용에 대한 적합성을 확인하였다. 아울러, 서로 다른 TMDC 소재 간의 비교 분석을 통해 소재 고유의 물성이 센싱 성능 및 소자 효율에 미치는 영향을 체계적으로 고찰하였다.
본 연구에서 개발된 TMDC 기반 FET 바이오센서들은 높은 감도, 빠른 응답 속도 및 우수한 선택성을 구현하였으나, 현재의 소자 구조가 대부분 일회용 플랫폼으로 운용된다는 점은 중요한 한계로 남는다. 표적 바이오분자와 기능화된 수용체 층 간의 비가역적 결합은 소자 재사용을 근본적으로 제한하며, 이러한 일회용 특성은 일부 진단 적용에는 부합하나 대규모 활용 시 운영 비용과 재료 소모를 증가시킬 수 있다.
이를 극복하기 위해 논문의 마지막 부분에서는 재사용 가능한 2D FET 바이오센싱 플랫폼의 개념적 프레임워크를 제안하였다. 제안된 접근법은 가역적 수용체 화학, 제어 가능한 표면 재생 기술, 그리고 반복적인 센싱 과정에서도 채널 안정성을 유지할 수 있는 보호용 유전체 캡슐화층의 통합을 핵심으로 한다. 더불어, 미세유체 기반 세척 메커니즘과 바이어스 제어 탈착 전략을 결합함으로써, 소자 성능의 저하 없이 반복적인 검출 사이클의 구현을 목표로 하였다. 이러한 재사용 가능한 플랫폼은 2D 소재 기반 바이오센서의 실용성, 경제성 및 지속가능성을 동시에 제고하는 데 기여할 것으로 기대된다.
종합적으로, 본 학위논문은 표면 공학이 적용된 2D TMDC 기반 FET가 고감도·고속 바이오센싱을 위한 강력한 플랫폼임을 체계적으로 입증하였다. 소재 선택, 소자 제작 및 계면 공학의 유기적 통합이 소자 성능 최적화의 핵심임을 확인하였으며, 본 연구의 결과는 다양한 바이오분자를 고정확도·고속으로 검출할 수 있는 기술적 기반을 제시한다. 나아가, 본 연구에서 개발된 바이오센싱 플랫폼은 circulating tumor DNA와 같은 핵산 및 COVID-19 스파이크 단백질과 같은 바이러스성 단백질 검출을 위한 첨단 전자소자로의 확장이 가능하며, 차세대 진단 및 헬스케어 기술의 발전에 유의미한 기여를 할 것으로 전망된다.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 26
• 1.1 Biosensor 26
• 1.1.1 Importance of rapid and sensitive analyte detection 29
• 1.1.2 Problems associated with conventional biosensing system 31
• 1.2 Field Effect Transistor (FET) 33
• 1.3 Rise of two-dimensional (2D) materials 36
• 1.3.1 Significance and Potential of 2D Material-Based Biosensors 39
• 1.4 Transition metal dichalcogenides (TMDs) 40
• 1.4.1 Molybdenum disulfide (MoS2) 42
• 1.4.2 Tungsten disulfide (WS2) 44
• 1.4.3 Molybdenum telluride (MoTe2) 47
• 1.4.4 Hybrid or heterostructures of two-dimensional materials 49
• 1.5 Transport properties of TMDs and Graphene 51
• 1.6 Streptavidin and Biotin Introduction 53
• 1.7 Motivation of work 55
• 1.8 Organization of the thesis 58
• 2 Materials and Experimental Methods 64
• 2.1 Device Fabrication of 2D TMDC FETs 64
• 2.1.1 Substrate Preparation 64
• 2.1.2 Mechanical Exfoliation and Transfer of 2DTMDC channel material 65
• 2.1.3 Photolithography process 66
• 2.1.4 Electron beam lithography process 69
• 2.2 Material Growth (PVD & CVD technology) 72
• 2.2.1 Sputtering (PVD) 72
• 2.2.2 ALD (CVD) 74
• 2.3 Surface Functionalization 75
• 2.3.1 Design of the Pyrene–Lysine–Biotin (PLB) Supporter Construct 76
• 2.3.2 Synthesis of PLB Using Solid-Phase Peptide Synthesis (SPPS) (Fmoc Chemistry) 79
• 2.3.3 Step by Step Synthesis Procedure of PLB Construct. 81
• 2.3.4 Surface Functionalization of the 2d FET device for Streptavidin Detection 83
• 2.4 Electrical Characterization Techniques 84
• 2.4.1 Atomic force microscopy (AFM) 84
• 2.4.2 Raman Analysis 85
• 2.4.3 UV–Visible spectroscopy 86
• 2.5 Electrical Measurement System 87
• 3 Gate-assisted MoSe2 transistor to detect the streptavidin via supporter molecule engineering 89
• 3.1 Introduction 90
• 3.2 Results and Discussion 94
• 3.2.1 Device Fabrication 94
• 3.2.2 Optical characterizations of MoSe2 95
• 3.2.3 Gate-modulated electrical transport of MoSe2 FET 98
• 3.2.4 Detection of the streptavidin 101
• 3.2.5 Real time response of MoSe2 FET 104
• 3.3 Conclusion 106
• 3.4 Experimental Section 107
• 3.4.1 Fabrication of the SBD device 107
• 3.4.2 vdW materials characterizations 107
• 3.4.3 Electrical measurements 108
• 3.4.4 Statistical Analysis 108
• 4 MoTe2 Field-effect Transistor for the Rapid Detection of Streptavidin via Engineered Support Construct 117
• 4.1 Introduction 118
• 4.2 Results and Discussion 120
• 4.2.1 Device fabrication 120
• 4.2.2 Material Characterization 121
• 4.2.3 Electrical Measurements 123
• 4.2.4 Real-Time Detection of Streptavidin by MoTe2 FET 126
• 4.3 Conclusion 128
• 4.4 Experimental Section 129
• 4.4.1 Device Fabrication and Material Characterization 129
• 5 A Novel Biosensing Approach: Improving SnS2 FET Sensitivity with a Tailored Supporter Molecule and Custom Substrate 135
• 5.1 Introduction 136
• 5.2 Results and Discussion 139
• 5.2.1 Device Fabrication and PLCB Synthesis 139
• 5.2.2 Material Characterization 140
• 5.2.3 Gate Modulated Electrical Transport 143
• 5.2.4 Real-Time Detection 147
• 5.3 Conclusion 149
• 5.4 Experimental Section 151
• 5.4.1 Device Fabrication 151
• 5.4.2 Materials Analysis 152
• 5.4.3 Electrical Characterizations and Real-Time Detection 153
• 5.4.4 Statistical Analysis 153
• 6 Comparative Analysis and Discussion 164
• 6.1 Comparison of MoSe₂, SnS₂, MoTe₂ FET Biosensors for Streptavidin Detection 164
• 6.1.1 Electrical Response of MoSe₂ FET 164
• 6.1.2 Electrical Response of MoTe₂ FET 165
• 6.1.3 Electrical Response of SnS₂ FET 166
• 6.1.4 Comparative Performance Evaluation 166
• 6.1.5 Discussion of Sensing Mechanism and Overall Assessment 167
• 6.2 Limitation: Single-Use (Disposable) nature of the biosensor 168
• 6.3 Conclusion and Future Work 169
• 7 References 172