基于石墨烯的化學(xué)或生物傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種化學(xué)或生物傳感器，特別涉及一種基于石墨烯的高靈敏化學(xué)或生物傳感器及其制作方法，屬于半導(dǎo)體制造技術(shù)及生物傳感領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，糖尿病、心血管類疾病、呼吸道疾病、肝病、癌癥等嚴(yán)重威脅了人類的健康和社會的進(jìn)步。雖然醫(yī)學(xué)及相關(guān)學(xué)科不斷的發(fā)展和進(jìn)步，但在疾病的快速診治方面仍是進(jìn)展緩慢，并且隨著我國社會逐漸的步入老年社會，一些慢性疾病的監(jiān)測及診療上將是社會的一個(gè)迫切需求。部分疾病如果不能得到及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，其將進(jìn)一步發(fā)展，直至到達(dá)疾病晚期，將增加痊愈的難度，甚至威脅病人的生命安全。而一些心血管類的疾病如果不能及時(shí)得到診斷，對病人將是致命的?，F(xiàn)今，疾病不能得以及早發(fā)現(xiàn)的主要原因在于，疾病相關(guān)特征不明顯，相關(guān)疾病標(biāo)記物濃度太低；最主要的是診斷儀器的分辨率未能跟上疾病的發(fā)展，同時(shí)，一些診斷手段費(fèi)時(shí)長，費(fèi)用高，也是阻礙其應(yīng)用的原因。因此，提高儀器的靈敏度，降低成本對疾病的及時(shí)有效治療以及人類健康的保證具有重要的意義。
[0003]相比于傳統(tǒng)的檢測裝置，石墨烯場生物傳感器具有以下優(yōu)勢:首先，石墨烯具有非常高的電子遷移率，其構(gòu)成的的器件具有更高的檢測靈敏度和響應(yīng)速度；其次，由于石墨烯本身為碳材料，與生命體具有共同的特性，具有更好的生物親和性；同時(shí)，石墨烯材料具有非常好的力學(xué)特性，可制備柔性器件。最后，原料來源豐富，可以降低器件的制造成本，使得高靈敏生物傳感器得到大規(guī)模推廣和應(yīng)用。
[0004]目前已經(jīng)存在大量的生化傳感器，其中也有一些基于石墨烯的傳感器，但大部分基于電化學(xué)原理進(jìn)行檢測，這種器件結(jié)構(gòu)并沒有充分利用石墨具有高電子遷移率的特點(diǎn)，因此其靈敏度和響應(yīng)速度仍有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種新型的基于石墨烯的化學(xué)或生物場效應(yīng)傳感器及其制作方法，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。
[0006]為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
一種基于石墨烯的化學(xué)或生物傳感器，包括:
至少一端面為電絕緣面的基底，
設(shè)置在所述基底一端面上的，具有設(shè)定圖形結(jié)構(gòu)的石墨烯層以及與石墨烯層配合的圖形源、漏電極，
覆蓋所述基底一端面的除所述石墨烯層和源、漏電極之外的區(qū)域的鈍化層，
設(shè)置于所述基底另一端面上的柵電極，
以及，連接在所述石墨烯層上的、用以檢測目標(biāo)物質(zhì)的識別物。
[0007]一種基于石墨烯的化學(xué)或生物傳感器的制造方法，包括如下步驟:
(I)提供至少一端面為電絕緣面的基底，并在所述基底的一端面上覆設(shè)石墨烯層，采用光刻工藝將第一光刻版圖形轉(zhuǎn)移到石墨烯層表面，再對石墨烯層進(jìn)行蝕刻，蝕刻工藝包括等離子刻蝕或濕法腐蝕工藝，從而形成包含石墨烯納米帶，且具有設(shè)定圖形結(jié)構(gòu)的石墨烯層；
(2)采用光刻工藝將第二光刻版圖形轉(zhuǎn)移到石墨烯層表面，再生長導(dǎo)電材料，進(jìn)而剝離形成圖形源、漏電極，同時(shí)在所述基底另一端面設(shè)置柵電極；
(3)在所述基底的一端面上采用鈍化光刻版進(jìn)行光刻定義圖形，從而在所述基底的一端面除石墨烯層及源、漏電極之外的區(qū)域覆蓋鈍化層，所述鈍化物包括氧化硅或氮化硅鈍化層；
(4)對石墨烯層進(jìn)行表面修飾改性，并在石墨烯層表面連接用以檢測目標(biāo)分子的識別物。
[0008]優(yōu)選的,所述具有設(shè)定圖形結(jié)構(gòu)的石墨烯層中石墨烯條帶的寬度為5ηηΓ5μηι。
[0009]優(yōu)選的，所述源、漏電極的寬度為0.5?10 μ m。
[0010]進(jìn)一步的，前述步驟(2)包括:利用光刻方法將第二光刻版圖形轉(zhuǎn)移到石墨烯層表面，再生長金屬，并剝離得到源、漏電極，以及，在所述基底另一端面生長金屬，作為柵電極，其中，生長金屬的工藝包括電子束蒸發(fā)或磁控濺射方法。
[0011]進(jìn)一步的，前述步驟(4)包括:在石墨烯層表面修飾化學(xué)分子，而后連接用以檢測目標(biāo)物質(zhì)的識別物。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果包括:該基于石墨烯的傳感器易于制備，操作方便，并具有靈敏度高、穩(wěn)定性好，成本低等特點(diǎn)，適用于檢測化學(xué)分子、疾病相關(guān)因子(如DNA, RNA,蛋白質(zhì)等)或病毒等。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中表面覆設(shè)有石墨烯層的基底的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中基于石墨烯的傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中基于石墨烯修飾苯胺分子的XPS測試圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種基于石墨烯的化學(xué)或生物傳感器，包括:
至少一端面為電絕緣面的基底，
設(shè)置在所述基底一端面上的，具有設(shè)定圖形結(jié)構(gòu)的石墨烯層以及與石墨烯層配合的圖形源、漏電極，
覆蓋所述基底一端面的除所述石墨烯層和源、漏電極之外的區(qū)域的鈍化層，
設(shè)置于所述基底的另一端面上的柵電極，
以及，連接在所述石墨烯層上的，用以檢測目標(biāo)物質(zhì)的識別物。
[0015]本發(fā)明的傳感器系基于場效應(yīng)晶體管的傳感器，其充分利用了生物分子的b1gating效應(yīng)，在柵電場及源、漏電場作用下，器件表面分子的微量變化將引起器件溝道電流的大量變化，從而具有很高的檢測靈敏度。
[0016]作為可行的實(shí)施方案之一，前述基底包括襯底以及生長于襯底表面的絕緣材料層。
[0017]其中，所述襯底材料可選自但不限于硅、聚酰亞胺或聚二甲基硅氧烷。
[0018]所述絕緣材料可選自但不限于氧化硅、氮化硅或氧化鋁。
[0019]優(yōu)選的,所述石墨烯層中石墨烯條帶的寬度為5ηπΓ5μηι。
[0020]優(yōu)選的，所述源電極和漏電極的寬度為0.5^10 μ m。
[0021]前述鈍化層可以采用業(yè)界悉知的常見的鈍化層材料，例如氧化硅或氮化硅，但不限于此。
[0022]進(jìn)一步的，也可在前述石墨烯層的局部表面掩蓋鈍化層，特別是在所述石墨烯層表面靠近源、漏電極的區(qū)域上覆設(shè)鈍化層。
[0023]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了一種基于石墨烯的化學(xué)或生物傳感器的制造方法，包括如下步驟:
(1)提供至少一端面為電絕緣面的基底，并在所述基底的一端面上覆設(shè)石墨烯層，采用光刻工藝將第一光刻版圖形轉(zhuǎn)移到石墨烯層表面，再對石墨烯層進(jìn)行蝕刻，前述蝕刻工藝可選自但不限于等離子刻蝕或濕法腐蝕工藝，從而形成包含石墨烯納米帶，且具有設(shè)定圖形結(jié)構(gòu)的石墨烯層；
(2)采用光刻工藝將第二光刻版圖形轉(zhuǎn)移到石墨烯層表面，再生長導(dǎo)電材料，進(jìn)而剝離形成圖形源、漏電極，同時(shí)在所述基底另一端面設(shè)置柵電極；
(3)在所述基底的一端面上采用鈍化光刻版進(jìn)行光刻定義圖形，從而在所述基底的一端面除石墨烯層及源、漏電極之外的區(qū)域覆蓋鈍化層，所述鈍化物包括氧化硅或氮化硅鈍化層；
(4)對石墨烯層進(jìn)行表面修飾改性，并在石墨烯層表面連接用以檢測目標(biāo)分子的識別物。
[0024]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，可至少選用機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)氧化還原法中的任一種制備石墨烯，且不限于此。
[0025]作為可行實(shí)施方案之一，該制備方法包括:利用透明膠帶粘貼石墨片，通過多次重復(fù)，獲得石墨稀。
[0026]作為可行實(shí)施方案之一，該制備方法包括:在銅襯底或表面沉積有銅或鎳的硅片襯底上通入甲烷或乙炔，在800°C?1000°C高溫下沉積碳原子，并進(jìn)一步降溫，使碳原子析出在襯底表面，獲得少層石墨烯，層數(shù)在I飛層。
[0027]作為可行實(shí)施方案之一，該制備方法包括:將石墨烯利用氧化劑進(jìn)行處理得到氧化石墨溶液，而后利用還原劑對氧化石墨溶液進(jìn)行還原，得到石墨烯，所述氧化劑包括但不限于濃硫酸、高錳酸鉀以及雙氧水，所述還原劑可選自但不限于水合肼、硼氫化鈉或?qū)Ρ蕉贰?br>[0028]作為可行實(shí)施方案之一，前述步驟(I)包括:以有機(jī)溶劑對襯底進(jìn)行清洗，而后在襯底上生長絕緣材料層，獲得所述基底。
[0029]其中，所述襯底包括柔性襯底或剛性襯底，所述剛性襯底可選用但不限于硅襯底，所述柔性襯底的材料可選用但不限于聚酰亞胺或聚二甲基硅氧烷。
[0030]或者，前述基底亦可直接采用絕緣襯底。
[0031 ] 例如，在一典型實(shí)施例中，該步驟(I)可以包含以下工序:
I)襯底清洗:利用丙酮與異丙醇對襯底進(jìn)行清洗； 2)襯底鈍化，在襯底上生長絕緣層。
[0032]作為可行實(shí)施方案之一，前述步驟(2)包括:將采用機(jī)械剝離法制備的石墨烯轉(zhuǎn)移并粘接到基底的電絕緣表面，從而在所述基底的電絕緣表面上覆設(shè)石墨烯層。
[0033]作為可行實(shí)施方案之一，前述步驟(2)包括:除去采用化學(xué)氣相沉積法制備的石墨烯中的金屬元素后，再分散到水中形成分散液，而后利用基底撈出該分散液中的石墨烯，從而在所述基底的電絕緣表面上覆設(shè)石墨烯層，所述金屬元素包括銅或鎳。
[0034]作為可行實(shí)施方案之一，前述步驟(2)包括:將采用化學(xué)氧化還原法制備的石墨烯的分散液施加在所述基底的電絕緣表面，從而在所述基底的電絕緣表面上覆設(shè)石墨烯層，其中的施加方式包括滴加或旋涂。
[0035]作為可行實(shí)施方案之一，前述步驟(4)包括:利用紫外光刻機(jī)或步進(jìn)光刻機(jī)將第二光刻版圖形轉(zhuǎn)移到石墨烯層表面，再通過電子束蒸發(fā)或磁控濺射生長金屬，并剝離得到金屬電極，即源、漏電極。
[0036]作為可行實(shí)施方案之一，前述步驟(2)包括:利用光刻方法將第二光刻版圖形轉(zhuǎn)移到石墨烯層表面，再生長金屬，并剝離得到源、漏電極，以及，在所述基底另一端面生長金屬，