傳感元件及其制備方法和傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種傳感元件，該傳感元件包括基板以及固定于該基板上的源電極和漏電極，且源電極和漏電極之間電連接有石墨烯膜，其特征在于，石墨烯膜與基板之間具有空腔。本發(fā)明還提供了一種傳感元件的制備方法、該制備方法得到的傳感元件和一種傳感器。通過(guò)上述技術(shù)方案，本發(fā)明大幅度地提高了傳感器中的石墨烯的電導(dǎo)率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】傳感元件及其制備方法和傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物儀器工程領(lǐng)域，具體地，涉及一種傳感元件、一種傳感元件的制備方法、該制備方法得到的傳感元件和一種傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種通過(guò)電場(chǎng)效應(yīng)控制電流的電子元件，具有柵極(gate)，源極(source)和漏極(drain)三個(gè)端子，通過(guò)施加于柵極的電壓所產(chǎn)生的電場(chǎng)來(lái)控制連接源極和漏極的溝道中流通的電流大小。傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道由重?fù)诫s的硅構(gòu)成。
[0003]隨著納米科技的發(fā)展，各種新型的低維納米材料，例如硅納米線(SiNW)，碳納米管(CNT),石墨烯(graphene)等，以其獨(dú)特的性質(zhì)(表面效應(yīng),體積效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)等)引起了人們廣泛的關(guān)注。和傳統(tǒng)材料相比，納米材料具有更小的尺寸，更高的比表面積，更加優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)，更好的生物相容性等。當(dāng)傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道由納米材料來(lái)替代，即構(gòu)成了納米材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管，例如硅納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管(SiNW-場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管(CNT-場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Gra-場(chǎng)效應(yīng)晶體管)等。
[0004]石墨烯是一種新興的碳納米材料，具有電導(dǎo)率高、機(jī)械強(qiáng)度大，電化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)異的物理化學(xué)性能，使其在高靈敏度檢測(cè)領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，引起了人們極大的關(guān)注。石墨烯是單層原子構(gòu)成的平面二維晶體，每個(gè)原子都在表面上，外界環(huán)境的變化都將直接影響構(gòu)成石墨烯的所有碳原子，使其對(duì)界面的響應(yīng)極其靈敏，同時(shí)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有出色的檢測(cè)靈敏性。目前已開(kāi)發(fā)的基于石墨烯的高靈敏一氧化氮(NO)氣體檢測(cè)芯片，具有單個(gè)NO分子的高探測(cè)靈敏度，表明石墨烯作為檢測(cè)芯片敏感元件具有巨大的潛力。
[0005]每個(gè)原子都在表面上這一特性雖然賦予了石墨烯對(duì)外界環(huán)境的變化的高檢測(cè)靈敏性，但常規(guī)傳感器制作方法中需將石墨烯轉(zhuǎn)移到起支撐作用的基底材料上，不可避免的造成基底材料對(duì)石墨烯的摻雜，降低了石墨烯中載流子的遷移率，嚴(yán)重影響了傳感器的檢測(cè)靈敏度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度，本發(fā)明提供了一種傳感元件、一種傳感元件的制備方法、該制備方法得到的傳感元件和一種傳感器。
[0007] 申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)將石墨烯脫離基底、制成懸空狀的石墨烯傳感元件，能夠使其避免與基底材料的緊密接觸而被摻雜，能夠進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度，由此得到了本發(fā)明。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種傳感元件，該傳感元件包括基板以及固定于該基板上的源電極和漏電極，且源電極和漏電極之間電連接有石墨烯膜，其特征在于，石墨烯膜與基板之間具有空腔。
[0009]另一方面，本發(fā)明提供了一種傳感元件的制備方法，其中，該方法包括如下步驟:
(I)在基板上附著石墨烯膜；(2)在附著了石墨烯膜的基板上形成源電極和漏電極，且在源電極和石墨烯膜之間以及在漏電極和石墨烯膜之間形成電連接；(3)使石墨烯膜下的基板的表面變低，以使石墨烯膜下的基板的表面與石墨烯膜分離，形成空腔；且使源電極和漏電極固定在基板上。
[0010]另一方面，本發(fā)明還提供了上述制備方法制備得到的傳感元件。
[0011]另一方面，本發(fā)明還提供了一種傳感器，該傳感器包括上述傳感元件和參比電極。
[0012]通過(guò)上述技術(shù)方案，本發(fā)明大幅度地提高了傳感器中的石墨烯的電導(dǎo)率。
[0013]本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的【具體實(shí)施方式】部分予以詳細(xì)說(shuō)明。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]附圖是用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與下面的【具體實(shí)施方式】一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0015]圖1是在基板上附著石墨烯膜過(guò)程的示意圖。
[0016]圖2是在形成本發(fā)明的傳感元件的過(guò)程的示意圖。
[0017]圖3是附著了石墨烯膜的基板的示意圖。
[0018]圖4是用光刻I父掩蔽了的基板的不意圖。
[0019]圖5是曝光顯影后的基板的示意圖，顯示了形成電極的區(qū)域。
[0020]圖6是形成了電極的基板的示意圖。
[0021]圖7是去除了光刻膠的基板的示意圖。
[0022]圖8是設(shè)置了儲(chǔ)液池并在儲(chǔ)液池中注入了液體的示意圖。
[0023]圖9是在儲(chǔ)液池中用氫氟酸進(jìn)行了適當(dāng)?shù)奈g刻之后的基板的示意圖。
[0024]圖10是去除了儲(chǔ)液池和儲(chǔ)液池中的液體后，本發(fā)明的傳感元件的示意圖。
[0025]圖11是帶有儲(chǔ)液池的本發(fā)明的傳感元件的示意圖。
[0026]圖12是本發(fā)明的傳感元件的掃描電鏡照片。
[0027]圖13是本發(fā)明的傳感器的示意圖。
[0028]圖14是用氫氟酸進(jìn)行蝕刻前后傳感元件的電導(dǎo)率G隨參比電極電壓Vgate的變化關(guān)系結(jié)果圖。
[0029]圖15是本發(fā)明的傳感元件中的電流隨著液體樣本的pH值不同而改變的關(guān)系結(jié)果圖。
[0030]圖16a是本發(fā)明的傳感元件在測(cè)量細(xì)胞膜電位中的應(yīng)用的示意圖。
[0031]圖16b是本發(fā)明的傳感元件檢測(cè)到的細(xì)胞膜電位變化的結(jié)果圖。
[0032]附圖標(biāo)記說(shuō)明
[0033]I石墨烯膜2基板的面層3基板的基層
[0034]4光刻膠5形成源電極的區(qū)域
[0035]6形成漏電極的區(qū)域 7源電極8漏電極
[0036]9形成儲(chǔ)液池的側(cè)壁 10空腔

【具體實(shí)施方式】
[0037]以下對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的【具體實(shí)施方式】?jī)H用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0038]本發(fā)明提供了一種傳感元件，該傳感元件包括基板以及固定于該基板上的源電極和漏電極，且源電極和漏電極之間電連接有石墨烯膜，其特征在于，石墨烯膜與基板之間具有空腔。
[0039]其中，本發(fā)明的傳感元件可以作為場(chǎng)效應(yīng)管化學(xué)生物傳感器的元件。
[0040]其中，所述基板可以為傳感儀器領(lǐng)域中的常規(guī)使用的各種電性絕緣材料的基板，例如具有熱氧化S12層的硅基板、二氧化硅基板、氮化硅基板、碳化硅基板、硅酸鹽玻璃基板、云母基板及有機(jī)高分子基板中的至少一種。其中，基板的大小、厚度和形狀也可以為常規(guī)的選擇。例如，基板可以長(zhǎng)4-7cm,寬3-6cm,厚0.1-0.3cm的方片形基板。
[0041]其中，所述石墨烯膜可以為各種常規(guī)使用的石墨烯膜，例如為通過(guò)化學(xué)氣相沉淀的方法得到的石墨烯膜，也可以為通過(guò)機(jī)械剝離的方法得到的石墨烯膜。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的傳感元件，其中，空腔的高度可以為100-280nm，優(yōu)選為120_260nm，更優(yōu)選為140-240nm。其中，本發(fā)明中，空腔的高度是指石墨烯膜與基板之間的距離。
[0043]根據(jù)本發(fā)明的傳感元件，其中，空腔的底面積可以為石墨烯膜的面積的70-99%，優(yōu)選為75-95%，更優(yōu)選為80-90%。其中，空腔的底面積是指空腔在與石墨烯膜表面平行的平面上的投影面積。
[0044]其中，源電極和漏電極之間的距離可以為500-5000nm，優(yōu)選為750_4000nm，更優(yōu)選為1000-3000nm。其中，源電極和漏電極之間的距離是指相鄰的源電極和漏電極之間最接近的兩點(diǎn)之間的距離。其中，源電極和漏電極可以為場(chǎng)效應(yīng)化學(xué)生物傳感器領(lǐng)域中常規(guī)使用的電極，例如可以為通過(guò)熱蒸鍍或離子束蒸鍍得到的金屬電極，金屬電極的材料可以為鉬、金和鉻中的至少一種，電極的厚度可以為30nm-150nm。源電極和漏電極與基板之間設(shè)置有用于固定的連接。
[0045]本發(fā)明還提供了一種傳感元件的制備方法，其中，該方法包括如下步驟:(I)在基板上附著石墨烯膜；(2)在附著了石墨烯膜的基板上形成電極，所述電極包括源電極和漏電極，且在源電極和石墨烯膜之間以及在漏電極和石墨烯膜之間形成電連接；(3)使石墨烯膜下的基板的表面變低，以使石墨烯膜下的基板的表面與石墨烯膜分離，形成空腔；且使源電極和漏電極固定在基板上。
[0046]其中，所述石墨烯膜可以為各種常規(guī)使用的石墨烯膜，例如為通過(guò)化學(xué)氣相沉淀的方法得到的石墨烯膜，也可以為通過(guò)機(jī)械剝離的方法得到的石墨烯膜。
[0047]其中，在基板上附著石墨烯膜的操作可以通過(guò)將石墨烯膜在基板上按壓的方式實(shí)現(xiàn)。
[0048]其中，優(yōu)選情況下，參照文獻(xiàn)(LiX S，Cai W ff, An J H, et al.Large-areasynthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils.Science, 2009, 324:1312 - 1314)的方法，在銅基底上通過(guò)化學(xué)氣相沉淀的方法生長(zhǎng)石墨烯；然后在生長(zhǎng)有石墨烯的銅基底上涂覆一層光刻膠；再將將涂覆有光刻膠且生長(zhǎng)有石墨烯的銅基底與銅刻蝕液(例如三氯化鐵和鹽酸的混合溶液)中刻蝕；刻蝕完全后，將剩下的附著有石墨烯的光刻膠貼附于基板上并按壓；然后溶解除去光刻膠，保留石墨烯膜在基板上，即得到附著有石墨烯膜的基板。
[0049]其中，可以基于干涉效應(yīng)在光學(xué)顯微鏡下對(duì)基板上的石墨烯膜進(jìn)行定位并標(biāo)記其邊界，還可以利用拉曼光譜對(duì)其層數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步鑒定。
[0050]根據(jù)本發(fā)明的制備方法，其中，優(yōu)選情況下，步驟(I)中，基板包括基層和附著在基層上的面層，且將石墨烯膜附著在基板的面層上；基層為硅片，面層為二氧化硅層。在該優(yōu)選情況下，基板可以直接通過(guò)將硅片進(jìn)行氧化的方式制備，還易于進(jìn)行基于干涉效應(yīng)在光學(xué)顯微鏡下對(duì)基板上的石墨烯膜進(jìn)行定位并標(biāo)記其邊界，并且面層可以直接通過(guò)二氧化硅蝕刻液(如氫氟酸)的蝕刻而形成空腔。
[0051]根據(jù)本發(fā)明的制備方法，其中，優(yōu)選情況下，步驟(2)中，在基板上形成源電極的基板區(qū)域包括被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域和未被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域；在基板上形成源電極的基板區(qū)域包括被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域和未被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域；源電極和漏電極之間的距離為 500-5000nm，優(yōu)選為 750-4000nm，更優(yōu)選為 1000-3000nm。
[0052]其中，優(yōu)選情況下，在基板上形成電極的基板區(qū)域中，被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域和未被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域的面積比為0.3-1.7:1，優(yōu)選為0.5-1.5:1，更優(yōu)選為0.8-1.2:1。
[0053]其中，在基板上，被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域可以通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察來(lái)確定其邊界并定位。在石墨烯膜覆蓋的區(qū)域的邊界處可以選擇包括被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域和未被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域作為在基板上形成源電極的基板區(qū)域。選定在基板上形成電極的基板區(qū)域后，可以通過(guò)常規(guī)的光蝕刻的方式暴露形成電極的基板區(qū)域而掩蔽不形成電極的基板區(qū)域，然后通過(guò)熱蒸鍍或離子束蒸鍍來(lái)形成電極。還可以在形成電極后去除掩蔽物。其中，源電極和漏電極可以為場(chǎng)效應(yīng)化學(xué)生物傳感器領(lǐng)域中常規(guī)使用的電極，例如可以為通過(guò)熱蒸鍍或離子束蒸鍍得到的金屬電極，金屬電極的材料可以為鉬、金和鉻中的至少一種，電極的厚度可以為0.03 μ m-0.15 μ m。源電極和漏電極與基板之間設(shè)置有用于固定的連接。例如通過(guò)熱蒸鍍或離子束蒸鍍得到的金屬電極，由于形成電極的區(qū)域包括了被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域和未被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域，一方面被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域形成了電極與石墨烯膜之間的電鏈接，另一方面未被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域形成了電極與基板之間用于固定的連接。
[0054]根據(jù)本發(fā)明的制備方法，其中，優(yōu)選情況下，步驟(3)中，通過(guò)將二氧化硅蝕刻液與基板接觸的方式使得石墨烯膜下的基板的表面變低，且二氧化硅蝕刻液與基板接觸的條件使得源電極和漏電極下的面層不被全部腐蝕。其中，二氧化硅蝕刻液為濃度21-22重量％的氫氟酸。其中，可以使用耐二氧化硅蝕刻液的惰性材料(如聚二甲基硅氧烷，PDMS)在基板上形成儲(chǔ)液池，以容納二氧化硅蝕刻液。該儲(chǔ)液池還可以用于容納洗滌液，以中止二氧化硅蝕刻液的作用，或者洗滌殘留的二氧化硅蝕刻液。
[0055]根據(jù)本發(fā)明的制備方法，其中，作為一種非常優(yōu)選的實(shí)施方式，步驟(I)中，基板包括基層和附著在基層上的面層，且將石墨烯膜附著在基板的面層上；基層為硅片，面層為二氧化硅層，且厚度為275-300nm并且大于空腔的高度；步驟(2)中，在基板上形成源電極的基板區(qū)域包括被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域和未被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域；在基板上形成源電極的基板區(qū)域包括被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域和未被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域；源電極和漏電極之間的距離為500-5000nm，優(yōu)選為750-4000nm，更優(yōu)選為1000-3000nm ;通過(guò)蒸鍍的方式，在待形成源電極的基板區(qū)域上形成電極；步驟(3)中，通過(guò)將二氧化硅蝕刻液與基板接觸的方式使得石墨烯膜下的基板的表面變低，且二氧化硅蝕刻液與基板接觸的條件使得源電極和漏電極下的面層不被全部腐蝕；二氧化硅蝕刻液為濃度21-22重量％的氫氟酸；通過(guò)控制氫氟酸與基板接觸的時(shí)間，使得空腔的底面積為石墨烯膜的面積的70-99%，優(yōu)選為75-95%，更優(yōu)選為80-90%，并且使得源電極和漏電極下的面層不被全部腐蝕。通常情況下，可以用濃度21-22重量％的氫氟酸浸泡石墨烯膜1-10分鐘，氫氟酸滲入石墨烯膜下并蝕刻二氧化硅形成空腔。石墨烯膜部分懸浮在基板上方。
[0056]本發(fā)明還提供了如上所述的制備方法制備得到的傳感元件。
[0057]本發(fā)明還提供了一種傳感器，該傳感器包括如上所述的傳感元件和參比電極。
[0058]以下將通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。以下實(shí)施例中，掃描電子顯微鏡購(gòu)自日本日立公司型號(hào)S-4800。電學(xué)性質(zhì)的測(cè)試儀為購(gòu)自美國(guó)AXON公司型號(hào)Axopatch200B電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)。所用試劑均為商購(gòu)的分析純?cè)噭?br> [0059]實(shí)施例1
[0060]參考圖1-11，本實(shí)施例用來(lái)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的方法制備傳感元件，即懸浮石墨烯場(chǎng)效應(yīng)器件。
[0061](I)參考圖 1，按照文獻(xiàn)(Li X S，Cai W ff, An J H, et al.Large-areasynthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils.Science, 2009, 324:1312 - 1314)中的方法通過(guò)化學(xué)氣相沉淀的方法在銅基底(大小為4cmX8cm,厚度為100 μ m)上生長(zhǎng)石墨稀。在有石墨稀的銅片上旋涂一層300nm厚的光刻膠(PMMA950K，購(gòu)自德國(guó)ALLRESIST公司)，180°C下烘烤使溶劑完全揮發(fā)；將旋涂有光刻膠的銅片放入銅刻蝕液(含lmol/L三氯化鐵和lmol/L鹽酸的溶液)中刻蝕至銅反應(yīng)完全；得到附著在光刻膠上的石墨烯膜。
[0062](2)參考圖3，將具有280nm熱氧化S12的硅片(大小為3cmX 3cm，厚度為0.52cm，購(gòu)自美國(guó)sillicon Valley Microelectrics)作為基板，即基層為娃片，面層為二氧化娃層的基板。將附著在光刻膠上的石墨烯膜轉(zhuǎn)移到基板上，并按壓使石墨烯膜與基板緊密接觸；然后通過(guò)光刻膠溶解液(丙酮)將石墨烯膜表面的光刻膠溶解掉，保留石墨烯膜在基板上，得到附著有石墨烯膜的基板?；诟缮嫘?yīng)在光學(xué)顯微鏡下予以定位并標(biāo)記邊界，以用于確定形成電極的區(qū)域。
[0063](3)參考圖4和圖5，在附著有石墨烯膜的基板上形成源電極和漏電極。具體地，在附著有石墨烯膜的基板表面旋凃一層800nm厚的光刻膠(PMMA950K，購(gòu)自德國(guó)ALLRESIST公司)，180°C下烘烤至溶劑揮發(fā)完全。根據(jù)光學(xué)顯微鏡下標(biāo)記的石墨烯膜的邊界，確定形成電極的區(qū)域，形成電極(寬度為2μπι的條形電極)的區(qū)域中被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域和未被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域的面積比為1:1，用電子束曝光機(jī)對(duì)形成電極的區(qū)域進(jìn)行曝光，在顯影液(4-甲基-2-戊酮和異丙醇按1:5的體積比混合的混合液)中顯影l(fā)Omin，異丙醇中定影1min后用氮?dú)獯蹈桑挥纱吮┞缎纬呻姌O的基板區(qū)域而掩蔽不形成電極的基板區(qū)域。
[0064]參考圖6，在高真空條件下，按照文獻(xiàn)(《薄膜制備技術(shù)基礎(chǔ)》，麻蒔立男(日本)著，陳國(guó)榮譯，化學(xué)工業(yè)出版社，2009)中的方法，利用電子束蒸鍍機(jī)在樣品(即暴露形成電極的基板區(qū)域而掩蔽不形成電極的基板區(qū)域的基板)上依次蒸鍍5nm厚的Cr和50nm厚Au,獲得電極，分別作為源電極和漏電極待用。
[0065]參考圖7，去除蒸鍍好電極的樣品上的光刻膠，被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域形成了電極與石墨烯膜之間的電鏈接，未被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域形成了電極與基板之間用于固定的連接，源電極和漏電極之間的距離為2000nm。
[0066](4)參考圖8-11，在形成了電極的基板上，以設(shè)置有石墨烯膜和電極的基板面為底面，用PDMS圍成側(cè)壁以形成儲(chǔ)液池(大小為1.5cmX 1.5cm，深度為0.8cm),以使當(dāng)該儲(chǔ)液池封存液體時(shí)，石墨烯膜完全浸泡于液體中。在儲(chǔ)液池中加入二氧化硅蝕刻液(濃度22重量％的氫氟酸)，浸泡石墨烯膜5min，氫氟酸滲入石墨烯膜下并蝕刻二氧化硅形成空腔。在光學(xué)顯微鏡觀察測(cè)得空腔的底面積為石墨烯膜的面積的90%。
[0067]結(jié)構(gòu)基本上如圖10所示的元件即為本實(shí)施例制備的傳感元件。利用掃描電鏡觀察其微觀結(jié)構(gòu)，如圖12所示:虛線方框內(nèi)為石墨烯(Graphene)，兩側(cè)為源漏電極，材料為鉻金(Cr/Au)?？梢?jiàn)石墨烯在兩側(cè)鉻金電極的支撐下呈懸空狀，離開(kāi)基底約200nm的距離。
[0068]對(duì)比例I
[0069]按照實(shí)施例1的方法制備傳感元件，不同的是，不使用二氧化硅蝕刻液進(jìn)行蝕刻，即得到不具有空腔的傳感元件。
[0070]實(shí)施例2
[0071]本實(shí)施例用來(lái)說(shuō)明傳感元件(S卩，懸浮石墨烯場(chǎng)效應(yīng)器件)的電學(xué)性能。
[0072]參考圖13，使用實(shí)施例1制備的傳感元件，將石墨烯兩端的兩個(gè)Cr/Au電極分別作為源極和漏極，Ag/AgCl電極作為參比電極(即，溶液柵電極(Vgate))，從而組裝成為傳感器。
[0073]將漏極接地，在源極上加固定的電壓Vsd (0.01-0.1V)，測(cè)量源極和漏極之間的電導(dǎo)G隨柵極電壓Vgate的變化關(guān)系，以表征石墨烯的電子輸運(yùn)性質(zhì)。如圖14所示:未懸浮石墨烯的傳感元件(即對(duì)比例I的傳感元件)中，G-Vg曲線的空穴支和電子支明顯不對(duì)稱(chēng)，狄拉克點(diǎn)相對(duì)本征的石墨烯在Vgate軸上出現(xiàn)了平移,表明石墨烯受到其貼覆的Si/Si02基底的摻雜影響；石墨烯懸浮的傳感元件(即實(shí)施例1的傳感元件)中，測(cè)得其G-Vg (是一條關(guān)于縱軸對(duì)稱(chēng)的曲線，對(duì)稱(chēng)軸過(guò)狄拉克點(diǎn)，近似于本證石墨烯的G-Vg曲線，電導(dǎo)相對(duì)于懸浮如有很大的提聞。
[0074]實(shí)施例3
[0075]本實(shí)施例用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的傳感元件(即，懸浮石墨烯場(chǎng)效應(yīng)器件)的電學(xué)性能和在測(cè)量溶液中化學(xué)物質(zhì)的變化中的應(yīng)用。
[0076]參考圖13，使用實(shí)施例1制備的傳感元件，將石墨烯兩端的兩個(gè)Cr/Au電極分別作為源極和漏極，Ag/AgCl電極作為參比電極(即，溶液柵電極(Vgate))，從而組裝成為傳感器。
[0077]通過(guò)溶液中的參比電極Ag/AgCl施加電壓，同時(shí)在源極和漏極(Cr/Au電極)之間施加恒定的通道電壓。向儲(chǔ)液池中加入樣本溶液，樣本溶液中帶電離子濃度及種類(lèi)的變化會(huì)通過(guò)改變石墨烯表面的電荷濃度，從而改變了石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管的電流。通過(guò)檢測(cè)石墨烯電流的變化，可以檢測(cè)到溶液中化學(xué)物質(zhì)的變化。
[0078]基于上述檢測(cè)原理，將懸浮石墨烯場(chǎng)效應(yīng)器件用于檢測(cè)溶液pH的變化。向儲(chǔ)液池中依此加入不同pH值(pH分別為6、7、8和9)的pH值校準(zhǔn)液(購(gòu)自美國(guó)Sigma公司)，由于不同PH值的待測(cè)樣本溶液中帶電離子濃度及種類(lèi)的變化會(huì)改變石墨烯膜表面的電荷濃度，進(jìn)而改變了石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管的電流。如圖15所示，檢測(cè)到石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管的電導(dǎo)值發(fā)生相應(yīng)的變化，反應(yīng)極為迅速且靈敏，不同PH值間變化呈階梯狀。
[0079]實(shí)施例4
[0080]本實(shí)施例用來(lái)說(shuō)明傳感元件(B卩，懸浮石墨烯場(chǎng)效應(yīng)器件)在細(xì)胞電生理檢測(cè)中的應(yīng)用。
[0081]如圖16a所示，通過(guò)在石墨烯兩端的源極和漏極之間施加恒定的通道電壓，在此電壓下石墨烯納米帶中產(chǎn)生一個(gè)恒定的電流。細(xì)胞或組織與器件中石墨烯形成緊密接觸后，當(dāng)細(xì)胞的膜電位發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)微小的電壓對(duì)通過(guò)鉻金電極施加在石墨烯上的電勢(shì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而使流過(guò)石墨烯的電流產(chǎn)生相應(yīng)的變化，通過(guò)檢測(cè)這一電流變化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞膜上的動(dòng)作電位變化的測(cè)量。
[0082]基于上述檢測(cè)原理，如圖16b所示，將懸浮石墨烯場(chǎng)效應(yīng)器件(即實(shí)施例1的傳感元件)用于檢測(cè)心肌細(xì)胞膜電位的變化。將急性分離動(dòng)物心肌細(xì)胞分散液滴加入懸浮石墨烯場(chǎng)效應(yīng)器件儲(chǔ)液池進(jìn)行原代培養(yǎng)。當(dāng)心肌細(xì)胞與石墨烯器件形成緊密接觸后，隨著心肌細(xì)胞的自發(fā)搏動(dòng)，石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管能夠記錄到對(duì)應(yīng)的心肌細(xì)胞胞外電位變化，相對(duì)于石墨烯未懸浮的傳感元件(即對(duì)比例I的傳感元件)，懸浮后檢測(cè)到的信號(hào)幅度大大提升，證明了懸浮石墨烯場(chǎng)效應(yīng)傳感器具有很高的檢測(cè)靈敏度。
[0083]以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0084]另外需要說(shuō)明的是，在上述【具體實(shí)施方式】中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過(guò)任何合適的方式進(jìn)行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說(shuō)明。
[0085]此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開(kāi)的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種傳感元件，該傳感元件包括基板以及固定于該基板上的源電極和漏電極，且源電極和漏電極之間電連接有石墨烯膜，其特征在于，石墨烯膜與基板之間具有空腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感元件，其中，空腔的高度為100-280nm，優(yōu)選為120-260nm，更優(yōu)選為 140_240nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感元件，其中，空腔的底面積為石墨烯膜的面積的70-99%，優(yōu)選為75-95%，更優(yōu)選為80-90% ;源電極和漏電極之間的距離為500_5000nm，優(yōu)選為 750-4000nm，更優(yōu)選為 1000_3000nm。
4.一種傳感元件的制備方法，其中，該方法包括如下步驟: (1)在基板上附著石墨稀月旲； (2)在附著了石墨烯膜的基板上形成電極，所述電極包括源電極和漏電極，且在源電極和石墨烯膜之間以及在漏電極和石墨烯膜之間形成電連接； (3)使石墨烯膜下的基板的表面變低，以使石墨烯膜下的基板的表面與石墨烯膜分離，形成空腔；且使源電極和漏電極固定在基板上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其中，步驟(I)中，基板包括基層和附著在基層上的面層，且將石墨烯膜附著在基板的面層上；基層為硅片，面層為二氧化硅層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其中，步驟(2)中，在基板上形成電極的基板區(qū)域包括被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域和未被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域；源電極和漏電極之間的距離為500-5000nm，優(yōu)選為 750_4000nm，更優(yōu)選為 1000_3000nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制備方法，其中，步驟(3)中，通過(guò)將二氧化硅蝕刻液與基板接觸的方式使得石墨烯膜下的基板的表面變低，且二氧化硅蝕刻液與基板接觸的條件使得源電極和漏電極下的面層不被全部腐蝕。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其中， 步驟(I)中，基板包括基層和附著在基層上的面層，且將石墨烯膜附著在基板的面層上；基層為硅片，面層為二氧化硅層，且厚度為275-300nm并且大于空腔的高度； 步驟(2)中，在基板上形成電極的基板區(qū)域包括被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域和未被石墨烯膜覆蓋的區(qū)域；源電極和漏電極之間的距離為500-5000nm，優(yōu)選為750_4000nm，更優(yōu)選為1000-3000nm ;通過(guò)蒸鍍的方式，在待形成源電極的基板區(qū)域上形成電極； 步驟(3)中，通過(guò)將二氧化硅蝕刻液與基板接觸的方式使得石墨烯膜下的基板的表面變低，且二氧化硅蝕刻液與基板接觸的條件使得源電極和漏電極下的面層不被全部腐蝕；二氧化硅蝕刻液為濃度21-22重量％的氫氟酸；通過(guò)控制氫氟酸與基板接觸的時(shí)間，使得空腔的底面積為石墨烯膜的面積的70-99%，優(yōu)選為75-95%，更優(yōu)選為80_90%，并且使得源電極和漏電極下的面層不被全部腐蝕。
9.權(quán)利要求4-8中任意一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的傳感元件。
10.一種傳感器，該傳感器包括權(quán)利要求1-3和9中任意一項(xiàng)所述的傳感元件和參比電極。
【文檔編號(hào)】H01L29/78GK104237357SQ201310231991
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月9日
【發(fā)明者】程增光, 侯俊峰, 方英 申請(qǐng)人:國(guó)家納米科學(xué)中心