等离子体-应变耦合超短沟道MoS2光电晶体管实现室温单光子检测与阿摩尔级免疫传感

（编辑推荐）本研究通过将单层MoS2与金纳米线（Au NW）集成，构建了具有等离子体-应变耦合效应的超短沟道光电晶体管。该器件创纪录的光学增益（3.1×1011）实现了室温下数十光子级信号检测，并开发出超灵敏光学免疫检测（USOIA）平台，对C反应蛋白的检测限低至1.684 amol/L，为早期疾病诊断提供了革命性工具。

　　

亮点

我们展示了一种等离子体-应变耦合超短沟道TMDCs光电晶体管的新概念，可实现数十光子级检测。该器件结构中，单层MoS₂覆盖金纳米线（Au NW）产生的大拉伸应变显著降低了MoS₂/Au NW间的肖特基势垒，同时超短沟道设计几乎完全规避短沟道效应。

器件制备与表征

通过物理转移法将机械柔性的MoS₂与Au NW集成（图1a-d），形成具有等离子体和应变协同效应的超短沟道器件。原子力显微镜（AFM）显示MoS₂在Au NW上产生>1.5%的局部应变，拉曼光谱证实应变诱导的能带结构调整。

光子级弱信号检测性能

该器件在室温下实现创纪录的光学增益（3.1×10¹¹）和1.5×10¹¹ A/W响应度，可解析光源的泊松发射统计特性。等离子体Au NW电极还赋予器件宽带检测（0.37-1.55 μm）和固有光子偏振选择能力。

超灵敏光学免疫检测（USOIA）平台

结合量子点纳米球和磁珠的经典免疫检测方法，以C反应蛋白为模型生物标志物，在血清样本中实现1.684 amol/L（194 ag/mL）的检测限，动态范围跨越12个数量级，较金标准免疫检测灵敏度提升7个数量级。

结论

这种超短沟道MoS₂光电晶体管通过三重增强机制：（I）Au NW等离子体与MoS₂激子耦合增强光吸收；（II）应变效应促进热电子注入；（III）超短沟道缩短载流子渡越时间，为生物标志物光学超敏检测开辟了新途径。