理解固態器件中跨生物分子的電荷傳輸(CT)機制對于以可預測的方式實現生物分子電子器件是必不可少的。盡管人們普遍認為生物分子電極之間的相互作用起著至關重要的作用，但這一點經常被忽視。本文揭示了石墨烯與鐵儲存蛋白的界面在穿過隧道結的網絡CT中的突出作用。這里，鐵蛋白(AfFtn-AA)通過拉曼光譜證實的非共價胺-石墨烯相互作用吸附在石墨烯上。與具有金屬電極的結相反，石墨烯具有朝向其本征費米能級(“狄拉克點”)消失的狀態密度，其遠離費米能級而增加。因此，電荷載流子的量對溫度和靜電充電(感應摻雜)高度敏感，這可以從作為溫度和鐵負載的函數的CT的詳細分析中推斷出來。值得注意的是，由于熱載流子的激發，溫度依賴性可以在相干隧穿機制內得到充分解釋。石墨烯不僅被證明是跨生物分子隧道結研究CT的替代平臺，而且它還為利用界面靜電學調節CT行為提供了豐富的可能性。
圖1.Cu//graphene//AfFtnAA//GaO
x/EGaIn生物分子隧道結的示意圖，其中“//”表示范德華接觸，“/”表示GaOx和大塊共晶金屬合金之間的接觸。我們在這項研究中使用了單層石墨烯和BLG。左側顯示了使用PyMol的AfFtn-AA的分子表示。AfFtn-AA表面的靜電勢圖顯示在右側，其中顯示了帶負電(紅色)、帶正電(藍色)和帶中性電(白色)的氨基酸。AfFtn-AA上的負電荷(用紅色表示)由Cu//石墨烯電極中的正電荷(用藍色表示)補償。
圖2. (A)Cu//石墨烯的AFM圖像(比例顯示在右側)，(B)Cu//石墨烯//(Fe3000)AfFtn-AA的單層，和(C)用于確定daff TN-AA的Cu//石墨烯//(Fe3000)AfFtn-AA的亞單層[(B，C)的比例顯示在(C)的右側]。(D)d
AfFtn-AA作為的分布是鐵離子負載的函數，鐵離子負載由原子力顯微鏡高度剖面數據確定。(E)Cu//石墨烯(紅色)和Cu//石墨烯//(Fe3000)AfFtn-AA表面(黑色)的拉曼光譜。
圖3.(A)< log | J | > Gvs V和(B)< log | J | > Gat 0.5V vs d
aff TN-AA的曲線圖,其中虛線表示符合等式3。對于具有不同鐵離子負載(C)和apo-AfFtn-AA (D)的代表性AfFtn-AA結，在V = 0.5V時J的Arrhenius圖，對于(2400Fe)AfFtn-AA (E)和(4800Fe)AfFtn-AA (F)，以0 V左右的G表示。(C，D)中的線符合等式1，而(E，F)中的線符合等式2(紅色)或等式4(黑色虛線)，產生由圖中標簽指定的每個值。G(∼0 V)是電流密度相對于0.02V(5個數據點)之間電壓的斜率；符號是每個溫度下6個重復電壓回路的幾何平均值，誤差條代表logG(0V)的標準偏差。請注意，E和F的Y軸跨越了非常不同的范圍。
圖4. Fe負載對電導的影響，通過將G(0V，T)數據擬合到費米-狄拉克加寬模型(等式2)提取，顯示(A)飽和電導G0K與單層厚度的關系，雙指數衰減由黑線標記；活化能Ea；以及(C)指數前項G∞與顯示指數趨勢的相關性(虛線:lnG∞∝∞23 Ea)。誤差線是提取的擬合參數的95%置信水平；(B)中的虛線是視覺引導。(D)室溫電導是外加電壓的函數。顏色代碼標記所有面板上相同的Fe載荷。電導是電流對電壓的一階數值導數。請注意,( A C)指0電壓下的溫度效應，而圖(D)顯示恒定(室溫)溫度下的電壓效應。
圖5.BLG(藍灰色雙錐)和(A) apo-AfFtn-AA，(B)具有小氧化鐵的AfFtn-AA，和(C)大氧化鐵核之間的能量排列示意圖。頂部偏置觸點(紫色)顯示為無外部偏置。垂直方向表示電子的能量，水平方向通常表示垂直于結的距離，除了BLG雙錐表示其關于動量的能量分散。水平綠色箭頭表示相干隧穿，垂直紅色箭頭表示能壘(ε
0)，它因界面充電(用“+”和“-”符號表示)而變化，從而改變石墨烯的費米能級(EF)。石墨烯的錐形能量分散意味著E
f的微小變化轉化為可用載流子密度的指數變化。
圖6.(A)具有3000Fe AfFtn-AA的雙端GFET器件的示意圖；器件尺寸為4.5 × 3.1微米和(B)真空下的GFET電阻，R與背柵電壓的關系，以及具有(紅色)和不具有(黑色)AfFtn-AA吸附的GFET器件的VBG曲線。
相關科研成果由南洋理工大學Sierin Lim、魏茨曼科學研究所Ayelet Vilan和新加坡國立大學Christian A. Nijhuis等人于2022年發表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.2c11263）上。原文：Temperature-Dependent Coherent Tunneling across Graphene–Ferritin Biomolecular Junctions。
轉自《石墨烯研究》公眾號
