Gruppe III-Nitride als Substratmaterial für bioelektronische Anwendungen

• Applicant: Professor Dr. Martin Eickhoff
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2008 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 70694089

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Im Rahmen des durchgeführten Projektes wurden zunächst bioelektronische Bauelemente basierend auf AlGaN/GaN Feldeffekttransistoren mit Elektrolyt-Gatekontakt (SGFETs) untersucht. Als Grundlage für jede Anwendung derartiger Bauelemente in der Bioelektronik wurde zunächst der Immobilisierungsprozess für funktionale Biomoleküle – in den hier untersuchten Anwendungen für Enzyme – untersucht und optimiert, wobei die Stabilität und Reproduzierbarkeit des Prozesses und damit der resultierenden bioelektronischen Bauelemente im Vordergrund standen. Als Ursache für die beobachtete Photoinstabilität der ersten chemischen Funktionalisierungsschicht – einer selbstassemblierten Alkylsilan-Monolage auf GaN-Oberflächen – wurde überraschend eine photokatalytische Spaltung des Silanmoleküls durch die Rekombination eines photogenerierten Loches aus dem GaN-Substrat mit einem Bindungselektron aus dem HOMO des Silanmoleküls identifiziert. Voraussetzung dafür ist eine Aufwärts-Oberflächenbandverbiegung, wie sie in n-Typ Halbleitern vorliegt, und die spezielle Position der GaN-Valenzbandkante, die nahezu resonant zum HOMO der Alkylsilane liegt. Der photokatalytische Degradationsprozess wurde daher auf p-Typ GaN oder auf n-Typ Siliziumkarbid, dessen Valenzbandkante energetisch höher liegt, nicht beobachtet. Nach einer Optimierung des Funktionalisierungsprozesses konnten Enzym-modifizierte SGFETs (EnFETs) durch Immobilisierung der Enzyme Penicillinase (PenFET) oder Acetylcholinesterase (AcFETs) hergestellt werden, deren hohe Stabilität und Reproduzierbarkeit es ermöglichten, erstmals über eine Reihe unterschiedlicher Messserien das Verhalten von PenFETs und AcFETs mit Hilfe eines quantitativen dynamischen Modells auszuwerten und Modellparameter für die immobilisierte Enzymschicht zu bestimmen und zu vergleichen. Mit den präparierten AcFETs gelang es darüber hinaus, die Ausschüttung des Neurotransmitter Acetylcholin durch myenterische Neuronen, die auf der funktionalisierten Gate-Oberfläche kultiviert wurden, nachzuweisen. In der zweiten Phase des Projektes konnte nachgewiesen werden, dass die Photolumineszenz-(PL-)Eigenschaften von GaN- und InGaN-Nanostrukturen (Quantenpunkte und Nanodrähte) in wässrigen Lösungen eine sehr hohe Empfindlichkeit bezüglich einer Änderung der elektrochemischen Umgebung aufweisen. So wurde abweichend vom ursprünglichen Arbeitsplan die PL-Charakteristik dieser nanophotonischen Sonden in wässrigen Elektrolyten erstmals systematisch untersucht. Durch Deposition auf einem leitenden Substrat kann mittels Applikation eines definierten elektrochemischen Potentials ein elektrochemischer Arbeitspunkt eingestellt werden, der eine Optimierung der Empfindlichkeit und eine Unterdrückung photoelektrochemischer Degradationsprozesse erlaubt. Die zugrunde liegenden Prozesse wurden im Rahmen eines elektrochemischen Modells erklärt und konnten experimentell verifiziert werden. Es konnte insbesondere gezeigt werden, dass die Verwendung von InGaN/GaN Nanodraht-Heterostrukturen die ortsaufgelöste dynamische Darstellung bio- und elektrochemischer Prozesse in einer Standard-Mikroskopumgebung ermöglicht und somit eine Technologie mit Anwendungspotential in der medizinischen Diagnostik und Analytik darstellt.

Publications

• “Ultrathin GaN/AlN/GaN solution-gate field effect transistor with enhanced resolution at low source-gate voltage”, Sensors and Act. B 142, 304 (2009)
  A. Bengoechea Encaboa, J. Howgate, M. Stutzmann, M. Eickhoff and M.A. Sánchez-García
  
• „Gallium nitride electrodes for membrane-based electrochemical biosensors”, Eur. Phys. J. E 30, 233 (2009)
  T. Schubert, G. Steinhoff, H.-G. von Ribbeck, M. Stutzmannn, M. Eickhoff, and M. Tanaka
  
• “Photocatalytic Cleavage of Self-Assembled Organic Monolayers by UV-Induced Charge Transfer from GaN Substrates”, Adv. Mater. 22, 2632 (2010)
  J. Howgate, S. J. Schoell, M. Hoeb, W. Steins, B. Baur, S. Hertrich, B. Nickel, I. D. Sharp, M. Stutzmann, M. Eickhoff
  
• “Bias–enhanced optical pH response of group III– nitride nanowires”, Nano Lett. 12, 6180 (2012)
  J. Wallys, J. Teubert, F. Furtmayr, D. M. Hofmann, M. Eickhoff
  
• “Electrochemical properties of GaN nanowire electrodes - influence of doping and control by external bias”, Nanotechnology 23, 165701 (2012)
  J. Wallys, S. Hoffmann, F. Furtmayr. J. Teubert, and M. Eickhoff
  
• “InGaN/GaN quantum dots as optical probes for the electric field at the GaN/electrolyte interface”, J. Appl. Phys. 114, 074313 (2013)
  J. Teubert, S. Koslowski, S. Lippert, M. Schäfer, J. Wallys, G. Dimitrakopulos, P. Komninou, A. Das, E. Monroy, and M. Eickhoff
  
• „Radical Formation at the Gallium Nitride Nanowire-Electrolyte Interface by Photoactivated Charge Transfer“, Nanotechnology 24, 325701 (2013)
  J. M. Philipps, G. M. Müntze, P. Hille, J. Wallys, J. Schörmann, J. Teubert, D. M. Hofmann and M. Eickhoff
  
• “High Precision Electrochemical Detection of Reversible Binding of Recombinant Proteins on Wide Band Gap GaN Electrodes Functionalized with Biomembrane Models”, Adv. Funct. Mater. 24, 4927 (2014)
  N. Frenkel, J. Wallys, S. Lippert, J. Teubert, A. Das, E. Monroy, S. Kaufmann, M. Eickhoff, M. Tanaka
  
• “Quantitative analysis of immobilized penicillinase using enzyme-modified AlGaN/GaN field-effect transistors”, Biosens. Bioelectron. 64, 605 (2015)
  G. M. Müntze, B. Baur, W. Schäfer, A. Sasse, J. Howgate, K. Röth, M. Eickhoff
  
• “Acetylcholinesterase-modified AlGaN/GaN solution-gate field-effect transistors for in situ monitoring of myenteric neuron activity”, Biosensors and Bioelectronics 77, 1048 (2016)
  G. M. Müntze, E. Pouokam, J. Steidle, W. Schäfer, A. Sasse, K. Röth, M. Diener, and M. Eickhoff