阅读说明：本技术 包含功能性n-杂环卡宾化合物的石墨烯晶体管，其制备方法和包含其的生物传感器 (Graphene transistor comprising functional N-heterocyclic carbene compound, method for preparing the same, and biosensor comprising the same ) 是由 权五锡 李昌洙 朴先珠 河泰焕 朴喆淳 金庆浩 金眞影 于 2018-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种石墨烯晶体管,其包括：基板；设置在基板上的石墨烯沟道层；彼此间隔开并分别设置在石墨烯沟道层的相对端的一对金属；以及设置在石墨烯沟道层上且包括N-杂环卡宾化合物的连接层,其制造方法,以及包括所述石墨烯晶体管的生物传感器。根据本发明的石墨烯晶体管,其中N-杂环卡宾化合物的卡宾基团与石墨烯沟道层形成共价键以改性石墨烯沟道层的整个表面,作为晶体管具有优异的导电性,包括该晶体管的生物传感器的选择性和灵敏度得到改善。(The present invention relates to a graphene transistor, which includes: a substrate; a graphene channel layer disposed on a substrate; a pair of metals spaced apart from each other and respectively disposed at opposite ends of the graphene channel layer; and a connection layer disposed on the graphene channel layer and including an N-heterocyclic carbene compound, a method of manufacturing the same, and a biosensor including the graphene transistor. According to the graphene transistor of the present invention, in which the carbene group of the N-heterocyclic carbene compound forms a covalent bond with the graphene channel layer to modify the entire surface of the graphene channel layer, the conductivity as a transistor is excellent, and the selectivity and sensitivity of a biosensor including the transistor are improved.)

包含功能性N-杂环卡宾化合物的石墨烯晶体管，其制备方法 和包含其的生物传感器

技术领域

本发明涉及石墨烯晶体管及其制造方法和使用该石墨烯晶体管的生物传感器，该石墨烯晶体管包括具有官能化的末端区域的N-杂环卡宾(carbene)化合物的连接层。

背景技术

石墨烯是包括碳原子的碳同素异形体之一，并且具有碳原子sp²杂化的二维平面层状结构。

与现有的碳材料相比，石墨烯具有非常大的表面积，化学稳定性且显示出优异的机械稳定性和导热性(约5,000W/m·K)。另外，石墨烯具有优异的透明性，这是由于其对可见光的低吸收等，使得其对550nm波长的光的透射率达到97％。并且由于其电气—电子(electrical-electronic)性能保持完整而具有优异的柔韧性，即使在物理上拉长20％时也具有很强的弹性。

另外，已知石墨烯具有非常高的电导率(固有电子迁移率为20,000cm²/V·s)，这是因为它在电学方面具有半金属性质，并且石墨烯中的电荷还充当零有效质量粒子。

自2004年Novoselov和Game发现石墨烯以来，由于其出色的光学，物理和化学特性，石墨烯已成为最有前途的材料之一。近年来，已有讨论石墨烯在触摸面板、有机发光设备、超级电容器、氢产生/存储装置、光伏电池、光催化剂、生物传感器等方面中的适用性。

特别地，由于据报道当将石墨被机械剥离时具有场效应(field-effect)特性，具有六边形结构的二维石墨烯的碳原子被用于晶体管中。因此石墨烯已成为备受瞩目的焦点，并且可替代传统半导体材料，例如硅。

例如，当将石墨烯被制成具有10nm或更小的沟道宽度的纳米带的形式时，由于尺寸效应(size effect)，会形成带隙(band gap)。因此，石墨烯可以用于制造即使在室温下也显示出优异的操作特性的石墨烯晶体管。

这种石墨烯晶体管具有根据栅极电压线性增加导电性的特性。特别是，石墨烯晶体管由于弹道电子转移，电子的有效质量为0，因此显示出非常高的电荷迁移率，这使得石墨烯晶体管具有极好的优势。

然而，尽管如上所述具有优异的物理性能，但是由于在石墨烯各层之间的范德华力作用降低了均匀性和分散性，或者结构稳定性降低，因此可应用的技术实际上受到很大限制。

近年来，已经尝试了各种方法来解决上述问题。特别地，已经积极地进行了使用官能团对石墨烯的表面进行改性的研究。

特别地，需要对石墨烯的表面进行改性，因为改性的石墨烯表面会影响晶体管抵抗溶液中离子的稳定性或包括该晶体管的生物传感器的选择性和灵敏度。

为此目的，在相关技术中使用了共价官能化方法，在石墨烯的表面和端部，使有机物与亲水性官能团共价结合，例如在其上形成环氧基，羟基，羰基，羧酸基等氧官能团；使用非共价键(例如π-π键，氢键或电荷间相互作用)的非共价官能化方法等。

例如，通过以下方式赋予石墨烯特定功能：将石墨烯与功能性单体或聚合物共价键合来化学修饰石墨烯的表面，或通过用非共价键物理修饰石墨烯的表面，然后用还原剂(例如肼(N₂H₂)或硼氢化钠(NaBH₄))还原。

然而，当官能团在石墨烯的表面上形成共价键时，sp²键转化为sp³键，导致石墨烯的导电性降低。

而且，因为这样的共价键通常形成在大多数石墨烯的表面或端部上，石墨烯的表面被部分改性。因此，部分改性的石墨烯在改善晶体管等的性能方面具有某些限制。特别地，它对生物探针的附着量有限制，这使得将包括这种石墨烯晶体管的生物传感器的选择性和灵敏度表达到期望的程度变得不可能。

同时，非共价键的优点在于形成非共价键的方法相对简单，并且可以发生在石墨烯表面上的缺陷最小化，以确保石墨烯的优异物理性能，但是问题在于进行物理或化学处理时，显示出较差的稳定性。

此外，由于如上所述的常规表面改性方法包括多步骤的工艺，即包括改性石墨烯的表面和还原石墨烯，因此该方法需要额外的化学反应步骤，例如使用或去除还原剂。这是降低石墨烯晶体管性能的一个因素。另外，常规的表面改性方法存在许多技术缺陷，例如低再现性，高温处理，与批量生产不兼容等。

另外，使用常规石墨烯晶体管的生物传感器存在以下问题：其通过两步工艺制造，该工艺包括对石墨烯进行掺杂处理，并将生物探针耦合至石墨烯，以改善生物传感器的性能，因此使得制造成本增加。

因此，对以下技术有极大的需求：能够展现出石墨烯固有的优异导电性，并改善包括石墨烯的生物传感器的选择性和灵敏度，并且同时进行以下步骤：在没有任何额外化学反应步骤的情况下，快速改性，掺杂石墨烯的表面并结合生物探针。

现有技术文献

专利文献1：韩国专利公开特许公报2015-0120003(2015年10月27日)

专利文献2：韩国专利公开特许公报2013-0027199(2013年3月15日)

发明内容

技术问题

因此，本发明的目的是提供一种晶体管，其能够在不进行任何额外化学反应步骤的情况下，促进对石墨烯沟道层的表面的修饰，以及生物探针与石墨烯沟道层的附着，并且通过与生物探针结合的待检测材料的特异性结合，能够更灵敏地改变石墨烯沟道层的导电性。

技术解决方法

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种石墨烯晶体管，其包括基板，设置在所述基板上的石墨烯沟道层，设置在所述石墨烯沟道层上且彼此间隔开的一对金属，设置在所述石墨烯沟道层上的包括N-杂环卡宾化合物的连接层。

根据本发明的另一方面，提供了一种石墨烯晶体管的制造方法，该方法包括通过化学气相沉积法，利用碳氢化合物气体作为碳源在基板上生长石墨烯以形成石墨烯沟道层，在石墨烯沟道层上形成一对金属，并使用包括N-杂环卡宾化合物的表面处理剂在暴露于外部的石墨烯沟道层的表面上形成连接层。

根据本发明的又一方面，提供了一种生物传感器，其包括如上所述的石墨烯晶体管。

有益效果

本发明的石墨烯晶体管可以使用N-杂环卡宾化合物作为连接层以容易地将探针单元连接到石墨烯沟道层，并且由于在石墨烯通沟层与探针单元之间存在化学键，而对外部环境变化具有优异的稳定性。因此，本发明的石墨烯晶体管的优点在于，其可以根据探针单元与目标材料之间的键，灵敏地检测电化学变化，作为石墨烯沟道层的电导率的变化。

而且，根据本发明的石墨烯晶体管的制造方法，可以在不进行任何额外化学反应步骤的情况下，快速且简单地改性石墨烯的表面的同时，将石墨烯沟道层和连接层结合至石墨烯，从而增强制造的便利性并节省制造成本。

附图说明

提供本说明书所附的以下附图旨在说明本发明的优选实施方式，并且用于与本发明的上述内容一起帮助进一步理解本发明的技术范围。因此，应当理解，本发明不应被解释为仅限于这些附图中描述的细节。

图1是显示生物探针单元附接到连接层的石墨烯晶体管的图。

图2是b)图3中制造的微图案化石墨烯电极的单层形式的石墨烯的透射电镜(TEM)图像，c)是微图案化的石墨烯电极的图像，d)是微图案化的石墨烯电极的显微镜图像，以及e)是表示d)的区域A和B中的拉曼分析结果的图。

图3和图4是体现制造微图案化的石墨烯电极的过程的流程图。

图5是示出N-杂环卡宾化合物的卡宾基团共价结合到石墨烯沟道层的石墨烯的示意图。

图6示出了具有分别被a)叠氮化物基团和b)邻苯二甲酰亚胺基团官能化的末端区域的N-杂环卡宾化合物的分子式和核磁共振数据。

图7是示出合成N-杂环卡宾化合物(NHC1)过程的步骤的反应图。

图8是示出合成N-杂环卡宾化合物(NHC2)过程的步骤的反应图。

图9是示出合成N-杂环卡宾化合物(NHC3)过程的步骤的反应图。

图10是示出合成N-杂环卡宾化合物(NHC4)过程的步骤的反应图。

图11是示出合成N-杂环卡宾化合物(NHC5)过程的步骤的反应图。

图12是N-杂环卡宾化合物(NHC5)的核磁共振(NMR)谱图。

图13是示出包括石墨烯晶体管的生物传感器对H1N1 HA抗原的实时响应的图。

图14是示出包括石墨烯晶体管的生物传感器对多巴胺的实时响应的图。

图15是示出使用化学气相沉积(CVD)法在铜基板上形成石墨烯的示意图。

图16是示出图6所示的形成石墨烯的工艺的条件的图。

图17是示出根据图6所示的石墨烯的形成的透射率的图。

图18示出了用N-杂环卡宾化合物处理石墨烯晶体管的表面的过程。

图19示出了a)至c)石墨烯晶体管的密度泛函理论(DFT)模型，d)电流—电压特性的图，以及e)过渡曲线特性的曲线图。

图20是示出a)拉曼数据和b)石墨烯晶体管的电流—电压特性的图。

图21是示出包括石墨烯晶体管的生物传感器对土臭味素(geosmin)的实时响应的图。

图22是示出包括石墨烯晶体管的生物传感器对大肠杆菌(E.coli)的实时响应的图。

具体实施方式

在下文中，将详细描述本发明。

1.石墨烯晶体管

本发明的一个方面提供了一种石墨烯晶体管。

如图1所示，本发明的石墨烯晶体管包括基板、石墨烯沟道层、一对金属和连接层。

基板被配置为用作支撑物，该支撑物被配置为支撑根据本发明的石墨烯晶体管的组成。在这种情况下，如Si基板、玻璃基板、GaN基板、二氧化硅基板等绝缘无机基板，Ni、Cu、W等金属基板，塑料基板等可以用作基板。当使用绝缘基板时，优选使用SiO₂基板，因为SiO₂基板对石墨烯沟道层具有优异的亲和力。

而且，基板可以选自能够在其上沉积石墨烯的各种材料。例如，基板可以由诸如硅锗，碳化硅(SiC)等的材料形成，并且可以包括外延(epitaxial)层、绝缘体上硅(silicon-on-insulator)层、绝缘体上半导体(semiconductor-on-insulator)层等。

构成本发明的石墨烯晶体管的石墨烯沟道层可以包括石墨烯。在这种情况下，因为即使在没有将电压施加到栅极的截止状态下也流过高电流，所以工作电流的导通/截止比可能非常低，这使得可以制造高性能晶体管。

石墨烯沟道层可以包括单层或双层(bi-layer)石墨烯。然而，当使用双层石墨烯时，由于表面电阻的降低，生物传感器的灵敏度可能降低。因此，如图2所示，石墨烯沟道层更优选包括单层石墨烯。

一对金属可以是源电极和漏电极，它们形成在石墨烯沟道层上彼此隔开，以便将电压施加到石墨烯沟道层。

这样的源电极和漏电极可以通过石墨烯沟道层电连接，并且可以包括具有导电性的材料。例如，源电极和漏电极可以由金属、金属合金、导电金属氧化物、导电金属氮化物等形成。

例如，源电极和漏电极可以各自独立地包括选自由Cu、Co、Bi、Be、Ag、Al、Au、Hf、Cr、In、Mn、Mo、Mg、Ni、Nb、Pb、Pd、Pt、Re、Rh、Sb、Ta、Te、Ti、W、V、Zr、Zn组成的组中的一种及其组合，但是本发明不限于此。在这种情况下，就石墨烯的接触特性和易于蚀刻而言，Pt是优选的。

连接层被配置为将生物探针单元结合至根据本发明的石墨烯晶体管的石墨烯沟道层。如图3和图4所示，连接层可以布置在暴露于彼此隔开的一对金属之间的石墨烯沟道层上。

连接层可以包括N-杂环卡宾化合物。

具体地，N-杂环卡宾化合物可以由下式1表示。

式1

其中A可以是叠氮(azide)基团或邻苯二甲酰亚胺(phthalimide)基团；且

R₁可以是具有1至10个碳原子并且包含1至5个重复单元的烷亚基或烷氧基烷亚基。在这种情况下，R₁优选为具有1至8个碳原子且含有1至4个重复单元的烷亚基或烷氧基烷亚基，并且就石墨烯沟道层的电导率的敏感性而言，更优选为具有2至5个碳原子且含有1至4个重复单元的烷氧基烷亚基。

此外，R₂和R₃可以相同或彼此不同，并且可以是任选自各自具有1至20个碳原子的烷基、环烷基、烯基、炔基、芳基、烷亚基、烯亚基、炔亚基、烷氧基、芳基烷基和苄基中的任意一种。在这种情况下，R₂和R₃各自独立地优选为选自各自具有3至16个碳原子的烷基、环烷基、烯基和苄基中的任意一种，并且更优选地，就石墨烯通道层对探针单元的结合亲和性而言，各自选自均具有6至10个碳原子的环烷基或苄基。

对于N-杂环卡宾化合物，如图5所示，卡宾基团可以通过共价键结合至石墨烯沟道层的石墨烯上。

这样，因为石墨烯沟道层通过自键合与N-杂环卡宾化合物的卡宾基形成共价键，所以N-杂环卡宾化合物具有形成带隙而无需任何额外的掺杂工艺，并降低由非特异的外部电荷引起的噪声的效果。另外，N-杂环卡宾化合物由于不需要额外的化学处理(如添加交联剂)等而具有简化工艺和节省成本的效果。

另外，N-杂环卡宾化合物可以具有被叠氮基团或邻苯二甲酰亚胺基团官能化的端部区域(式1的A部分)。因此，连接层可以与生物探针单元结合，且无需任何额外的化学反应步骤。

N-杂环卡宾化合物优选包含选自由以下化合物组成的组中的至少一种：6-4(-叠氮基丁氧基)-1,3-二异丙基-1H-苯并[d]咪唑-2-烷亚基、6-(2-(2-(2-(2-叠氮基乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基)-1,3-二异丙基-1H-苯并[d]咪唑-2-亚乙基、6-(2-(2-(2-(2-叠氮基乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基)-1,3-二苄基-1H-苯并[d]咪唑-2-亚甲基、6-(4-(1,3-二异吲哚-2-基)丁氧基)-1,3-二异丙基-1H-苯并[d]咪唑-2-亚甲基和6-(4-叠氮基丁氧基-1,3-二苄基-1H-苯并[d]咪唑-2-亚甲基，更优选6-(2-(2-(2-(2-叠氮基乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基)-1,3-二苄基-1H-苯并[d]咪唑-2-烷亚基或6-(4-叠氮基丁氧基-1,3-二苄基-1H-苯并[d]咪唑-2-烷亚基。

如上所述形成N-杂环卡宾化合物的连接体层可以形成单层形式的连接体层。

当连接层以N-杂环卡宾化合物的单层形式形成时，不仅具有优异的石墨烯固有特性，例如电荷迁移率、透射率和柔韧性，而且还具有阻止由于非特异的外部电荷进入产生的噪声信号的效果。

此外，连接层可以具有0.1nm至1nm的厚度。当连接层的厚度小于0.1nm时，可能导致电阻增加。另一方面，当连接层的厚度大于1nm时，可能导致透射率降低。

2.石墨烯晶体管的制造方法

本发明的另一方面提供了一种石墨烯晶体管的制造方法。

参照图3和图4，根据本发明的石墨烯晶体管的制造方法包括：利用碳氢化合物气体作为碳源，通过化学气相沉积法在基板上生长石墨烯，以形成石墨烯沟道层，在石墨烯沟道层上形成一对金属。使用包含N-杂环卡宾化合物的表面处理剂，在暴露于外部的石墨烯通道层的表面上形成连接层。

这样的石墨烯沟道层可以，例如使用化学气相沉积法形成。在这种情况下，当使用化学气相沉积法时，可以在大面积中获得显示出优异结晶性的单层至多层石墨烯。

化学气相沉积是通过以下方式生长石墨烯的方法：将具有高动能的气体或蒸汽形式的碳前体吸附到基板表面上，分解或反应碳前体以分离出碳原子，并形成相应碳原子之间的原子间键。

根据本发明，化学气相沉积方法可以包括选自由等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)，大气压化学气相沉积(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition，APCVD)和低压化学气相沉积(LowPressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)组成的组中的至少一种。在这种情况下，化学气相沉积法优选为LPCVD，因为可以通过使大面积的缺陷最小化来沉积。

根据用于化学气相沉积的一种特定方法，可以例如通过在包括氧化硅的晶片上沉积金属催化剂(例如，镍、铜、铝、铁等)来形成石墨烯沟道层。使用溅射装置和电子束蒸发器形成层，以形成金属催化剂层，将晶片与碳源(例如CH₄、C₂H₂等)一起放入反应器中，加热晶片和碳源，使碳原子可以被吸收到金属催化剂层中，冷却晶片以使碳原子与金属催化剂层分离并使碳原子结晶，最后从晶片上除去金属催化剂层。

然而，形成石墨烯沟道层的方法不限于化学气相沉积法。例如，可以使用各种方法来形成石墨烯沟道层。

例如，石墨烯沟道层可以通过以下方法来形成：通过使用机械力从由几层组成的石墨晶体剥离一层来制备石墨烯的物理剥离法、利用氧化还原特性的化学剥离法，或对材料进行热处理的外延合成法，其中在1,500℃的高温条件下，诸如SiC的碳源会被包含或吸附在晶体中。

一对金属可以是源电极和漏电极，其可以使用现有技术中已知的方法形成。例如，可以使用诸如热沉积(Thermal Deposition)工艺、电子束沉积(E-beam Deposition)工艺、PECVD、LPCVD、物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)工艺、溅射(sputtering)、ALD等的沉积方法来形成。

在暴露于外部的石墨烯沟道层的表面上形成连接层，可以包括及在氩气存在下，将基板浸入在室温的N-杂环卡宾化合物溶液中预定的一段时间，而在其上形成有石墨烯沟道层的基板的表面上形成连接层。

对于石墨烯通道层和连接层，可以通过反应5至300秒来改性石墨烯沟道层的表面，无需任何额外的化学反应步骤。考虑到提高制造的便利性并节省制造成本，反应优选进行20至60秒。其优点在于，它比现有技术中已知的方法更简单和更快。

构成连接层的N-杂环卡宾化合物可以使用如图7至11所示的合成方法形成。根据本发明，可以使用咪唑鎓(imidazolium)盐作为来源来合成N-杂环卡宾化合物。

即，在本发明中，就石墨烯沟道层的表面改性的易反应性而言，是使用咪唑鎓盐作为来源，由具有环状结构的N-杂环卡宾化合物制成石墨烯晶体管。

当使用不具有环状结构的卡宾化合物时，修饰石墨烯沟道层表面的反应条件非常严格，并且由于不可能修饰石墨烯通道的整个表面，可能无法完全阻止外部电荷的作用。此外，由于由不具有环状结构的卡宾化合物提供的电子趋于持久地聚集在石墨烯沟道层中，从而降低了石墨烯沟道层本身的稳定性，当卡宾化合物以高于预定量的量使用时电子可能再次从石墨烯沟道层分离。

3.生物传感器

本发明的又一方面提供了一种生物传感器，其包括如上所述的石墨烯晶体管。

根据本发明的生物传感器，其利用流过源电极和漏电极之间的石墨烯沟道层的电流的半导体特性而响应于电场而变化。

具体地，当包括在形成在石墨烯通道层的表面上的生物探针单元中的探针与目标反应时，探针周围的电场发生变化。结果，流过源电极和漏电极之间的石墨烯沟道区域的电流的值也改变。在这种情况下，可以通过测量电流变化来检测目标。

当如上所述的石墨烯晶体管用于生物传感器中时，这种生物传感器显示出优异的灵敏度、特异性、速度和便携性。特别地，当在沟道层中使用石墨烯时，由于石墨烯的高电荷载流子迁移率和导电性特性，生物传感器显示出优异的灵敏度和实时检测性能。

另外，当如上所述的连接层形成在晶体管中的石墨烯沟道层上，使得与连接层结合的生物探针单元存在于晶体管的沟道区域中时，可以进一步提高生物传感器的灵敏度，并且掺杂过程和生物探针的附着可以同时进行，从而简化了工艺。

用于这种生物传感器的制造方法可以包括掺杂石墨烯通道层，并且将生物探针单元结合至连接层。

即，在生物传感器中包括的石墨烯晶体管的情况下，通过用N-杂环卡宾化合物修饰石墨烯沟道层的表面来形成带隙。因此，不需要用于形成带隙的单独的掺杂工艺，但是就操作效率和可靠性而言，用于调节带隙能量的掺杂工艺是需要的。

在这种情况下，掺杂工艺可以包括选自由取代掺杂，化学掺杂和表面电荷转移掺杂组成的组中的至少一种。

其中，取代掺杂是用硼或氮取代碳原子的方法。更具体地说，替代掺杂是一种使包含硼的气体(即HBO₃，H₂B₆)和包含氮的气体(即NH₃)与甲烷一起流动，以合成被硼和氮取代的石墨烯，或者是在使用化学气相沉积法合成石墨烯时，对该气体进行热处理，或在高温下向该气体中施加等离子体，同时使气体流动。

特别地，当在高温下对气体进行热处理的同时使气体流动时，可以同时还原和取代氧化石墨烯。因此，该方法的优点在于可以通过降低等离子体的强度和气体的量来调节掺杂程度。

化学掺杂是使用化学物质改变石墨烯的功函数的方法。在这种情况下，取决于所使用的化学物质，石墨烯可以变成p型或n型。特别地，优选使用氯化金。

这种化学掺杂的优点在于，可以容易地调节掺杂程度而不改变目标材料的机械和化学性质。

同时，当在石墨烯的表面上存在富含或缺乏电子的材料时，石墨烯的电子状态可通过使电子脱离石墨烯或将电子转移至石墨烯而改变。表面电荷转移掺杂是使用该方法的方法。

即，当通过涂覆或通过沉积能够诱导电荷转移的分子来形成石墨烯的结构时，由于与构成石墨烯的碳的电负性的差异，而自发发生电荷转移。这是掺杂石墨烯的方法。

引起表面电荷转移的吸附材料可以是例如包括四氟四氰基喹二甲烷(tetrafluorotetracyanoquinodimethane，F4-TCNQ)和含氟聚合物(fluoropolymer，CYTOP)。

此外，生物探针单元与连接层的结合可以通过以下过程进行：用N-杂环卡宾化合物修饰石墨烯沟道层的表面以形成连接层，并使构成连接层的N-杂环卡宾化合物的官能团(例如叠氮基团或邻苯二甲酰亚胺基团)与生物探针单元(例如适配体、抗体等)在以下状态进行反应，即N-杂环卡宾化合物的官能团暴露于连接层的上表面。

同时，石墨烯沟道层的掺杂和生物探针单元与连接层的结合可以同时进行。

在现有技术中，首先对石墨烯沟道层进行掺杂，然后进行额外的化学处理以修饰石墨烯沟道层的表面，并且将生物探针单元附着至石墨烯通道层以制造生物传感器。

相反，根据本发明，生物探针单元是直接结合于N-杂环卡宾化合物。因此，由于可以同时进行石墨烯沟道层的掺杂和生物探针单元的附着而实现了工艺简化，本发明表现出改善经济可行性的效果。

同时，生物探针单元可以包括探针材料，该探针材料包括选自由适配体、DNA、抗原、抗体和肽组成的组中的一种或多种。

此处，适配体是指由RNA、DNA、合成核苷酸等合成的肽分子，并且可以以特定的碱基序列合成，从而适配体可以选择性地与目标物质结合。

作为一个例子，如图13和14所示，根据本发明的生物传感器可以使用探针材料来检测H1N1 HA或多巴胺的抗原或抗体。

在下文中，将参考本发明的优选实施例进一步详细描述本发明。

然而，应当理解，本文公开的这些实施方式旨在详细描述本发明，而不旨在限制本发明的范围。

[制造实例]具有官能化末端区域的N杂环卡宾化合物的合成

[制造实例1]合成6-(4-叠氮丁氧基-1,3-二异丙基-1H-苯并[d]咪唑-2-亚基自由基(以下称为“NHC1”)

步骤1：合成4-(4-溴丁氧基)-2-硝基苯胺

将K₂CO₃(1.8g，13.0mmol)加入到包括4-氨基-3-硝基苯酚(2.0g，13.0mmol)和1,4-二溴丁烷(3.64g，16.9mmol)的无水乙腈(65mL)溶液中。将反应混合物在氩气存在下在80℃下搅拌12小时。将反应混合物冷却至室温后，过滤无机沉淀物，并用乙腈(50mL)洗涤。此后，蒸发溶剂，并将所得粗产物使用正己烷：乙酸乙酯梯度混合物通过硅胶柱色谱法纯化。

在这种情况下，产率为2.5g(67％)，并且NMR结果如下：¹H NMR(600MHz，CDDl₃)：δC₁₀H₁₃BrN₂O₃的ESI-MS(m/z)：288.01，计算值：288.01。

步骤2：合成5-(4-溴丁氧基)-1H-苯并[d]咪唑

将甲酸(45mL)添加到异丙醇(60mL)中，该异丙醇包括4-(4-溴丁氧基)-2-硝基苯胺(2.5g，8.65mmol)、铁粉(4.8g，86.5mmol)和氯化铵(4.6g，86.5mmol)。将反应混合物在氩气存在下于90℃搅拌16小时，冷却至室温，然后通过烧结玻璃过滤器过滤。所得固体用异丙醇(3×50mL)洗涤。过滤的液体通过蒸发干燥，并通过添加饱和碳酸氢钠溶液中和至pH值为7。之后，将悬浮液用二氯甲烷(3×100mL)萃取。有机层经硫酸钠干燥，并蒸发溶剂。然后，将粗产物使用二氯甲烷：甲醇梯度混合物通过硅胶柱色谱法纯化。

在这种情况下，产率为1.86g(80％)，并且NMR结果如下：¹H NMR(600MHz，CDDl₃)：δC₁₀H₁₃BrN₂O的ESI-MS(m/z)：269.14，计算值：269.14。

步骤3：合成5-(4-叠氮基丁氧基)-1H-苯并[d]咪唑

将5-(4-溴丁氧基)-1H-苯并[d]咪唑(1.86g，6.91mmol)与叠氮化钠(NaN₃，0.49g，7.6mmol)于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(35mL)中在氩气存在下80℃搅拌8小时。将反应混合物加入水(200mL)中，并用乙酸乙酯(2×150mL)萃取。合并的有机层经硫酸钠干燥，并蒸发溶剂。此后，将粗产物使用二氯甲烷：甲醇梯度混合物通过硅胶柱色谱法纯化。

在这种情况下，产率为1.4g(88％)，并且NMR结果如下：¹H NMR(600MHz，CDDl₃)：δC₁₀H₁₃N₅O的ESI-MS(m/z)：231.25，计算值：231.26。

步骤4：合成碘化5-(4-叠氮丁氧基)-1,3-二异丙基-1H-苯并[d]咪唑-3-鎓

将2-碘丙烷(15.1mL，151mmol)添加到有5-(4-叠氮丁氧基)-1H-苯并[d]咪唑(1.4g，6.05mmol)和碳酸铯(Cs₂CO₃，1.97g，6.05mmol)的乙腈(60mL)悬浮液中。将反应混合物在氩气存在下于90℃搅拌24小时。此后，在真空下蒸发过量的2-碘丙烷和溶剂。通过二氧化硅柱色谱法使用二氯甲烷：甲醇梯度混合物纯化粗产物。

在这种情况下，产率为1.8g(67％)，并且NMR结果如下：¹H NMR(600MHz，CDDl₃)：δC₁₇H₂₆N₅OI的ESI-MS(m/z)：361.20，计算值：361.21。

步骤5：合成NHC1

将碘化5-(4-叠氮基丁氧基)-1,3-二异丙基-1H-苯并[d]咪唑-3-鎓(80mg，0.18mmol)溶于无水四氢呋喃(THF)(3.6mL)，并在手套箱中搅拌以获得卡宾前体(pre-carbene)。作为空白溶液，在室温下将1M六甲基二硅基氨基钾(KHMDS)(0.18mL，0.18mmol)的THF溶液逐滴加到该混合物中，然后搅拌15分钟。可以观察到立即形成白色沉淀物(KI)。通过0.2μm聚四氟乙烯(PTFE)针筒式过滤器过滤所得混合物，并用浓度为0.05M的卡宾稀释以制备NHC1。

[制造实例2]合成6-(2-(2-(2-(2-叠氮基乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基)-1,3-二异丙基-1H-苯并[d]咪唑-2-亚基自由基(以下简称“NHC2”)

步骤1：合成4-(2-(2-(2-(2-溴乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基)-2-硝基苯胺

将K₂CO₃(1.8g，13.0mmol)添加到无水乙腈(65mL)的溶液中，该溶液包括4-氨基-3-硝基苯酚(2.0g，13.0mmol)和1-溴-2-(2-(2-(2-溴乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙烷(6.24g，19.5mmol)。将反应混合物在氩气存在下在80℃下搅拌12小时。将反应混合物冷却至室温后，将无机沉淀物过滤，并用乙腈(80mL)洗涤。此后，蒸发溶剂，并将粗产物使用正己烷：乙酸乙酯梯度混合物通过硅胶柱色谱法纯化，以获得产物。

在这种情况下，产率为3.8g(75％)，并且NMR结果如下：¹H NMR(600MHz，CDDl₃)：δC₁₄H₂₁BrN₂O₄的ESI-MS(m/z)：393.06，计算值：393.07。

步骤2：合成5-(2-(2-(2-(2-溴乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基)-1H-苯并[d]咪唑

将甲酸(48mL)添加到异丙醇(70mL)中，该异丙醇包括4-(2-(2-(2-(2-溴乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基-2-硝基苯胺(3.8g，9.66mmol)，铁粉(5.40g，96.6mmol)和氯化铵(5.16g，96.6mmol)。将反应混合物在氩气存在下于90℃搅拌20小时，冷却至室温，然后通过烧结玻璃过滤。所得固体用异丙醇(3×50mL)洗涤。过滤的液体通过蒸发干燥，并通过加入饱和碳酸氢钠溶液中和至pH值为7。然后，悬浮液用二氯甲烷(3×100ml)萃取。有机层经硫酸钠干燥，并蒸发溶剂。然后，将粗产物使用二氯甲烷：甲醇梯度混合物通过硅胶柱色谱法纯化。

在这种情况下，产率为2.8g(75％)，并且NMR结果如下：¹H NMR(600MHz，CDDl₃)：δC₁₅H₃₁BrN₂O₄的ESI-MS(m/z)：372.06，计算值：372.07。

步骤3：合成5-(2-(2-(2-(2-叠氮基乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基)-1H-苯并[d]咪唑

将5-(2-(2-(2-(2-(溴乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基-1H-苯并[d]咪唑(2.8g，7.5mmol)与N,N-二甲基甲酰胺(40mL)中的叠氮化钠(NaN₃，0.536g，8.25mmol)在氩气存在下于80℃搅拌8小时，将反应混合物加至水(200mL)中，并用乙酸乙酯(2×150mL)萃取。有机层用硫酸钠干燥，然后蒸发溶剂。然后将粗产物使用二氯甲烷：甲醇梯度混合物通过硅胶柱色谱法纯化。

在这种情况下，产率为2.0g(80％)，并且NMR结果如下：¹H NMR(600MHz，CDDl₃)：δC₁₅H₂₁N₅O₄的ESI-MS(m/z)：335.15，计算值：335.16。

步骤4：合成碘化5-(2-(2-(2-(2-叠氮基乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基)-1,3-二异丙基-1H-苯并[d]咪唑-3-鎓

将2-碘丙烷(14mL，141mmol)添加到5-(2-(2-(2-(2-叠氮基乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基)-1H-苯并[d]咪唑(1.9g，5.66mmol)和碳酸铯(1.84g，5.66mmol)的乙腈(60mL)悬浮液中。将反应混合物在氩气存在下于90℃搅拌24小时。此后，在真空下蒸发过量的2-碘丙烷和溶剂。粗产物通过二氧化硅柱色谱法使用二氯甲烷：甲醇梯度混合物纯化。

在这种情况下，产率为2.1g(70％)，并且NMR结果如下：¹H NMR(600MHz，CDDl₃)：δC₂₁H₃₄N₅O₄的ESI-MS(m/z)：420.26，计算值：420.26。

步骤5：合成NHC2

将碘化5-(2-(2-(2-(2-叠氮基乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基)-1,3-二异丙基-1H-苯并[d]咪唑-3-鎓(80mg，0.15mmol)溶于无水THF(3mL)，并在手套箱中搅拌以获得卡宾前体。作为空白溶液，在室温下将1M KHMDS(0.15mL，0.18mmol)的THF溶液逐滴加到该混合物中，然后搅拌15分钟。可以观察到立即形成白色沉淀物(KI)。通过0.2μm PTFE针筒式过滤器过滤所得混合物，并用浓度为0.05M的卡宾稀释以制备NHC2。

[制造实例3]合成6-(2-(2-(2-(2-叠氮基乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基)-1,3-二苄基-1H-苯并[d]咪唑-2-亚基自由基(以下称为“NHC3”)

步骤1：合成溴化5-(2-(2-(2-(2-叠氮基乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基)-1,3-二苄基-1H-苯并[d]咪唑-3-鎓

将苄基溴(11mL，82mmol)添加到5-(2-(2-(2-(2-(叠氮基乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基)-1,3-二苄基-1H-苯并[d]咪唑(1.2g，3.58mmol)和碳酸铯(1.17g，3.58mmol)的乙腈(36mL)悬浮液中。将反应混合物在氩气存在下于90℃搅拌24小时。此后，在真空下蒸发过量的苄基溴。粗产物通过二氧化硅柱色谱法使用二氯甲烷：甲醇梯度混合物纯化。

在这种情况下，产率为1.7g(80％)，并且NMR结果如下：¹H NMR(600MHz，CDDl₃)：δC₂₉H₃₄N₅O₄的ESI-MS(m/z)：516.26，计算值：516.26。

步骤2：合成NHC3

将溴化5-(2-(2-(2-(2-叠氮基乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基)-1,3-二苄基-1H-苯并[d]咪唑-3-鎓(90mg，0.15mmol)溶于无水THF(3mL)中，并在手套箱中搅拌以获得卡宾前体。作为空白溶液，在室温下将1M KHMDS(0.15mL，0.15mmol)的THF溶液逐滴加到该混合物中，然后搅拌15分钟。可以观察到立即形成白色沉淀物(KBr)。通过0.2μm PTFE针筒式过滤器过滤所得混合物，并用浓度为0.05M的卡宾稀释以制备NHC3。

[制造实例4]合成6-(4-(1,3-二异吲哚-2-基)丁氧基)-1,3-二异丙基-1H-苯并[d]咪唑-2-亚基自由基的合成(以下称为“NHC4”)

步骤1：合成2-(4-(4-氨基-3-硝基苯氧基)丁氧基)异吲哚啉-1,3-二酮

将K₂CO₃(1.8g，13.0mmol)添加到无水乙腈(65mL)的溶液中，该溶液包括4-氨基-3-硝基苯酚(2.0g，13.0mmol)和N-(4-溴丁基)邻苯二甲酰亚胺(4.03g，14.3mmol)。将反应混合物在氩气存在下在80℃下搅拌12小时。将反应混合物冷却至室温后，将无机沉淀物过滤，并用乙腈(50mL)洗涤。之后，蒸发溶剂，并将粗产物使用正己烷：乙酸乙酯梯度混合物通过硅胶柱色谱法纯化。

在这种情况下，产率为3.65g(79％)，并且NMR结果如下：¹H NMR(600MHz，CDDl₃)：δC₁₈H₁₇N₃O₅的ESI-MS(m/z)：355.11，计算值：355.12。

步骤2：合成2-(4-((1H-苯并[d]咪唑-5-基)氧基)丁基)异吲哚啉)-1,3-二酮

将甲酸(45mL)加至异丙醇(60mL)中，该异丙醇包括2-(4-(4-氨基-3-硝基苯氧基)丁氧基)异吲哚啉-1,3-二酮(3.0g，8.44mmol)，铁粉(4.71g，84.4mmol)和氯化铵(4.51g，84.4mmol)。将反应混合物在氩气存在下在90℃下搅拌16小时，冷却至室温，然后通过烧结玻璃过滤器过滤。所得固体用异丙醇(3×60mL)洗涤。过滤的液体通过蒸发干燥，并通过添加饱和碳酸氢钠溶液中和至pH值为7。然后，悬浮液用二氯甲烷(3×100mL)萃取。有机层经硫酸钠干燥，并蒸发溶剂。然后，将粗产物使用二氯甲烷：甲醇梯度混合物通过硅胶柱色谱法纯化。

在这种情况下，产率为2.1g(75％)，并且NMR结果如下：¹H NMR(600MHz，CDDl₃)：δC₁₁H₁₃BrN₂O的ESI-MS(m/z)：335.13，计算值：335.13。

步骤3：合成碘化5-(4-(1,3-二氧异吲哚啉-2-基)丁氧基)-1,3-二异丙基-1H-苯并[d]咪唑-3-鎓

将2-碘丙烷(15mL，149mmol)添加到2-(4-((1H-苯并[d]咪唑-5-基)氧基)丁基)异吲哚啉-1,3-二酮(2.0g，5.96mmol)和碳酸铯(Cs₂CO₃，1.94g，5.96mmol)的乙腈(60mL)悬浮液中。将反应混合物在氩气存在下于90℃搅拌24小时。此后，在真空下蒸发过量的2-碘丙烷和溶剂。粗产物通过二氧化硅柱色谱法使用二氯甲烷：甲醇梯度混合物纯化。

在这种情况下，产率为2.1g(65％)，并且NMR结果如下：¹H NMR(600MHz，CDDl₃)：δC₁₇H₂₆N₅OI的ESI-MS(m/z)：420.23，计算值：420.23。

步骤4：合成NHC4

将碘化5-(4-(1,3-二氧异吲哚啉-2-基)丁氧基)-1,3-二异丙基-1H-苯并[d]咪唑-3-鎓(99mg，0.18mmol)溶于无水THF(3.6mL)，并在手套箱中搅拌以获得卡宾前体。作为空白溶液，在室温下将1M KHMDS(0.18mL，0.18mmol)的THF溶液逐滴加到该混合物中，然后搅拌15分钟。可以观察到立即形成白色沉淀物(KI)。通过0.2μm PTFE针筒式过滤器过滤所得混合物，并用浓度为0.05M的卡宾稀释以制造NHC4。

[制造实例5]合成6-(4-叠氮基丁氧基-1,3-二苄基-1H-苯并[d]咪唑-2-亚基自由基(以下称为“NHC5”)

步骤1：合成4-(4-溴丁氧基)-2-硝基苯胺

将K₂CO₃(1.8g，13.0mmol)加入到包括4-氨基-3-硝基苯酚(2.0g，13.0mmol)和1,4-二溴丁烷(3.64g，16.9mmol)的无水乙腈(65mL)溶液中。将反应混合物在氩气存在下在80℃下搅拌12小时。将反应混合物冷却至室温后，将无机沉淀物过滤，并用乙腈(50mL)洗涤。此后，蒸发溶剂，并将粗产物使用正己烷：乙酸乙酯梯度混合物通过硅胶柱色谱法纯化。

在这种情况下，产率为2.5g(67％)，并且NMR结果如下：¹H NMR(600MHz，CDDl₃)：δC₁₀H₁₃BrN₂O₃的ESI-MS(m/z)：288.01，计算值：288.01。

步骤2：合成5-(4-溴丁氧基)-1H-苯并[d]咪唑

将甲酸(45mL)添加到异丙醇(60mL)中，该异丙醇包括4-(4-溴丁氧基)-2-硝基苯胺(2.5g，8.65mmol)，铁粉(4.8g，86.5mmol)和氯化铵(4.6g，86.5mmol)。将反应混合物在氩气存在下在90℃下搅拌16小时，冷却至室温，然后通过烧结玻璃过滤器过滤。所得固体用异丙醇(3×50mL)洗涤。过滤的液体通过蒸发干燥，并通过添加饱和碳酸氢钠溶液中和至pH值为7。然后，将悬浮液用二氯甲烷(3×100mL)萃取。有机层经硫酸钠干燥，并蒸发溶剂。然后，将粗产物使用二氯甲烷：甲醇梯度混合物通过硅胶柱色谱法纯化。

在这种情况下，产率为1.86g(80％)，并且NMR结果如下：¹H NMR(600MHz，CDDl₃)：δC₁₁H₁₃BrN₂O的ESI-MS(m/z)：269.14，计算值：269.14。

步骤3：合成5-(4-叠氮基丁氧基)-1H-苯并[d]咪唑

将5-(4-溴丁氧基)-1H-苯并[d]咪唑(1.86g，6.91mmol)与N,N-二甲基甲酰胺(35mL)叠氮化钠(NaN₃，0.49g，7.6mmol)在在氩气存在下于80℃搅拌8小时。将反应混合物加入水(200mL)中，并用乙酸乙酯(2×150mL)萃取。合并的有机层经硫酸钠干燥，并蒸发溶剂。然后，将粗产物使用二氯甲烷：甲醇梯度混合物通过硅胶柱色谱法纯化。

在这种情况下，产率为1.4g(88％)，并且NMR结果如下：¹H NMR(600MHz，CDDl₃)：δC₁₁H₁₃N₅O的ESI-MS(m/z)：231.25，计算值：231.26。

步骤4：合成溴化5-(4-叠氮基丁氧基)-1,3-二苄基-1H-苯并[d]咪唑-3-鎓

将苄基溴(20mL，20mmol)添加到5-(4-叠氮基丁氧基)-1H-苯并[d]咪唑(1.4g，6.05mmol)和碳酸铯(Cs₂CO₃，1.97g，6.05mmol)的乙腈(60mL)的悬浮液中。将反应混合物在氩气存在下于90℃搅拌24小时。此后，在真空下蒸发过量的苄基溴和溶剂。粗产物通过二氧化硅柱色谱法使用二氯甲烷：甲醇梯度混合物纯化。

步骤5：合成NHC5

将溴化5-(4-叠氮基丁氧基)-1,3-二苄基-1H-苯并[d]咪唑-3-鎓(80mg，0.18mmol)溶于无水THF(3.6mL)，并在手套箱中搅拌以获得卡宾前体。作为空白溶液，在室温下将1M KHMDS(0.18mL，0.18mmol)的THF溶液逐滴加到该混合物中，并搅拌15分钟。可以观察到立即形成白色沉淀物(KI)。将所得混合物通过0.2μm PTFE针筒式过滤器过滤，并用浓度为0.05M的卡宾稀释以得到NHC5。

通过核磁共振波谱法(NMR)确定由此制备的NHC5的分子式。结果示于图12。

[实施例]石墨烯晶体管的制造

[实施例1]使用NHC1作为连接层的石墨烯晶体管的制造

[1-1]在基板上形成石墨烯沟道层

如图15至图17所示，将铜箔放置在腔室(chamber)中，并加热至1,000℃。然后，在H₂包围下在90mTorr的压力和8sccm的流速下将加热的铜箔保持30分钟(预退火20分钟并稳定10分钟)，并且在总压力为560mTorr和20sccm的流速下添加CH₄，持续40分钟。之后，以35℃/min的速度将铜箔冷却至200℃，并且将炉冷却至室温以在铜箔上形成单层石墨烯层。

接下来，用聚甲基丙烯酸甲酯溶液(PMMA)(MicroChem Corp，950PMMA A4，4％的苯甲醚溶液)以6,000rpm/min的速度旋涂形成铜箔上的石墨烯层，然后用蚀刻剂将涂覆有PMMA的石墨烯层与铜箔分离。将如上所述从铜箔分离出的石墨烯层浸入去离子水中10分钟，以去除残留在石墨烯层中的残留蚀刻剂离子。

将由此洗涤的石墨烯层转移到作为基板的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜上，并将PMMA溶液滴在石墨烯层上，以去除覆盖石墨烯层的PMMA。结果，在基板上形成了石墨烯沟道层。在这种情况下，石墨烯沟道层的透射率保持在97.8％。

[1-2]微图案电极的形成

在实施例[1-1]中在基板上形成的石墨烯通道层被旋涂正型光刻胶(AZ5214，Clariant Corp.)，然后进行紫外线曝光、烘烤和显影工艺，以在石墨烯沟道层上形成图案。

用氧等离子体处理(oxygen plasma treatment)反应离子蚀刻(RIE)方法，进行图案化对齐(aligned)的石墨烯沟道层的两端形成图案化的电极(宽度(W)/长度(L)＝1，L＝沟道长度100μm)，进行图像反转，热沉积和剥离工艺以制造具有在石墨烯沟道层上形成有微图案电极(W/L＝5，L＝沟道长度100μm)的石墨烯晶体管。

[1-3]使用浸涂(dipping)法将NHC1与石墨烯通道层结合。

在室温下在氩气存在下搅拌包含0.25mmol的碘化或溴化苯并[d]咪唑-3-鎓的无水THF(5mL)。同时，将包括1M HMDS作为空白溶液的THF(0.25mmol)滴加到苯并[d]咪唑-3-鎓溶液中，然后搅拌15分钟以制备混合溶液。在这种情况下，可以观察到立即形成了固体沉淀物(KI或KBr)。之后，将混合溶液通过0.25μm的PTFE针筒式过滤器过滤，并用制造实例1的卡宾化合物以0.05mM的浓度稀释，以制备包括NHC1的卡宾溶液。过滤完成后，将实施例[1-2]中制备的石墨烯晶体管在氩气存在下于室温下在卡宾溶液中浸泡20分钟，用THF，去离子水(DI)和IPA洗涤，然后在真空下干燥以制造实施例1的石墨烯晶体管，其中NHC1的卡宾化合物附着于石墨烯沟道层。

[实施例2]使用NHC2作为连接层的石墨烯晶体管的制造

除了使用制造实例2的N-杂环卡宾化合物(NHC2)以外，与实施例1同样地制造石墨烯晶体管。

[实施例3]使用NHC3作为连接层的石墨烯晶体管的制造

除了使用制造实例3的N-杂环卡宾化合物(NHC3)以外，与实施例1同样地制造石墨烯晶体管。

[实施例4]使用NHC4作为连接层的石墨烯晶体管的制造

除了使用制造实例4的N-杂环卡宾化合物(NHC4)，并使用以下化学气相沉积法将NHC4结合至石墨烯沟道层以外，以与实施例1相同的方式制造石墨烯晶体管。

使用化学气相沉积法将NHC 4与石墨烯沟道层的结合更具体地描述如下。在室温下在氩气存在下搅拌包含0.15至0.25mmol的碘化或溴化苯并[d]咪唑-3-鎓的无水THF(5mL)。同时，作为空白溶液，将包括1M KHMDS(0.15至0.25mmol)的THF(0.15至0.25mmol)滴加到苯并[d]咪唑-3-鎓溶液中，然后搅拌15分钟以制备混合溶液。在这种情况下，可以观察到立即形成了固体沉淀物(KI或KBr)。之后，将混合溶液通过0.2μm的PTFE针筒式过滤器过滤，并用制造实例4的卡宾化合物以0.05M的浓度稀释，以制备包括NHC4的卡宾溶液。过滤完成后，在50至60℃下从混合溶液中除去THF溶剂，并将实施例[1-2]中制备的石墨烯晶体管在120至150℃下以500mTorr的压力减压15分钟至30分钟，将NHC4的卡宾化合物气相沉积在石墨烯沟道层上。然后，将石墨烯晶体管用THF和IPA洗涤，然后在真空下干燥以制造实施例4的石墨烯晶体管，其中NHC4的卡宾化合物附着于石墨烯沟道层。

[实施例5]使用NHC5作为连接层的石墨烯晶体管的制造

除了使用制造实例5的N-杂环卡宾化合物(NHC5)以外，与实施例1同样地制造石墨烯晶体管。

[比较例1]

除了不使用N-杂环卡宾化合物以外，与实施例1同样地制造石墨烯晶体管。

[比较例2]

将实施例[1-1]和[1-2]中制造的石墨烯晶体管浸入30mL的甲醇溶液中，该甲醇溶液包含0.0015％重量的1,5-二氨基萘(1,5-diaminonapthalene，DAN)，以与DAN反应。此后，使用蒸馏水除去残留的反应物，并使用氮气除去水分，使得DAN的萘环与石墨烯沟道层形成π-π相互作用。然后，将DAN的氨基(-NH₂)暴露于外部以制造DANπ-π相互作用的石墨烯晶体管(DANπ-πinteracted GT)，其中石墨烯沟道层的表面被DAN的氨基改性。

[实验例1]

为了确定石墨烯沟道层与N杂环卡宾化合物的结合相容性的差异，准备了：生物探针单元(H1N1 HA抗体)与N杂环卡宾化合物的附着，石墨烯沟道层的掺杂，实施例1的石墨烯晶体管(在图19的d)中表示为“烷基-NHC-共价GT”)，实施例2，实施例3(在图19的d)中表示为“苄基-NHC-共价GT”)，比较例1(裸GT)和比较例2(DANπ-π相互作用的GT)。此后，将2μL浓度为5ng/mL的H1N1 HA抗体添加至石墨烯沟道层，然后制造生物传感器，其中H1N1 HA抗体通过EDC-NHS反应连接至连接层。根据密度泛函理论(Density Functional Theory，DFT)进行建模，并测量生物传感器的电流—电压特性和跃迁曲线特性。结果示于图19。

如图19的a)至c)所示，确认了相对于石墨烯沟道层，NHC1至NHC3的N-杂环卡宾化合物分别具有0.51eV，0.443eV和0.521eV的高带隙能(相当于强电子密度)。因此，可以看出，根据本发明的卡宾化合物对石墨烯沟道层显示出优异的结合亲和力。如图19的d)所示，比较例1的石墨烯晶体管(裸GT)的电阻最低。从这些事实可以看出，实施例1和3以及比较例1的石墨烯通道层能够与卡宾化合物键合。此外，证实了与比较例2(π-π相互作用的GT)相比，实施例1(烷基-NHC-共价)和实施例3(苄基-NHC-共价)的石墨烯晶体管显示出增加的电阻。因此，可以看出，H1N1 HA抗体被成功地附着到实施例1和3各自的每个石墨烯晶体管。

同时，如图19的e)所示，石墨烯沟道层被N-杂环卡宾化合物(NHC3)n掺杂，因为当添加H1N1 HA抗原时，过渡曲线向左移动了约0.1V。

[实验例2]

为了检查由N杂环卡宾化合物和N杂环卡宾化合物的n掺杂引起的石墨烯沟道层的变化，制备了实施例1(烷基-NHC-共价GT)，实施例3(苄基-NHC-共价GT)，比较例1(裸GT)和比较例2(π-π相互作用的GT)，并进行拉曼光谱分析。此后，测量石墨烯晶体管的电流-电压特性。结果示于图20。在这种情况下，原始石墨烯(Pristine graphene)是指其中石墨烯沟道层没有被N-杂环卡宾化合物官能化的石墨烯。

如图20的a)所示，被叠氮化物基团(NHC_N₃_石墨烯，实施例1)或邻苯二甲酰亚胺基团(NHC_Nph_石墨烯e，实施例3)官能化的石墨烯晶体管在1600(cm^-1)附近具有大而尖锐的峰，表明石墨烯沟道层由单层组成。

相反，可以看出，未被N-杂环卡宾化合物官能化的石墨烯的比较例1的石墨烯晶体管在2,600(cm^-1)附近具有最大的峰，表明石墨烯沟道层由多层组成。

如图20的b)所示，n掺杂按比较例1、比较例2、实施例1和实施例3的石墨烯晶体管的顺序增加。因此，可以看出，漏极电流(I_ds)恒定的栅极电压(V_g)负增加，表明N-杂环卡宾化合物的附着量也增加了。

[实验例3]

为了检查生物传感器的灵敏度，制造了实施例3的石墨烯晶体管(苄基-NHC共价GT)，其中形成有卡宾化合物。之后，分别向石墨烯沟道层中加入2μL H1N1 HA抗体和2μL多巴胺抗体(浓度为5ng/mL)，然后制造了生物传感器，该生物传感器中H1N1 HA抗体和多巴胺抗体通过EDC-NHS反应连接到连接层。然后，进行检测测试，使用磷酸盐缓冲生理盐水(PBS)溶液，以对应所述各个抗原的H1N1 HA抗原(浓度为0.1nM至100nM)或100nM多巴胺，处理生物传感器。结果示于图13和14。

如图13和图14，确认了使用本发明的生物传感器，能够分别将H1N1 HA抗原和多巴胺检测到1nM的浓度和100nM的浓度。

另外，制造其中形成有卡宾化合物的实施例4的石墨烯晶体管。此后，将2μL土臭味素特异性适配体(5'-CTCTCGGGACGACCCGTTTGTTCCTCGGCTTTTTAAGAGGTCTGGTTGATGTCGTCCC-3'，Bioneer公司)添加至石墨烯沟道层，之后，制造生物传感器，其中土臭味素特异性适配体通过EDC-NHS反应连接到生物传感器上。然后，通过1至100fg/mL的土臭味素PBS溶液处理生物传感器来进行检测测试。结果，确认了使用本发明的生物传感器能够以1fg/mL的浓度检测到土臭味素，如图21所示。

此外，制造其中形成有卡宾化合物的实施例5的石墨烯晶体管。之后，将2μL抗菌肽(AMP)(马盖宁1(Magainin 1)，Lugen Sci Inc.)(浓度为5ng/mL)添加至石墨烯沟道层，然后制造生物传感器，其中AMP通过EDC-NHS反应附着在生物传感器上。然后，通过10至100CFU/mL的大肠杆菌PBS溶液处理生物传感器来进行检测测试。结果，确认了使用本发明的生物传感器能够将大肠杆菌检测到10CFU/mL，如图22所示。