[发明专利]石墨烯晶体管及其生物传感器的制作与应用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物传感器制造领域，特别是一种石墨烯晶体管及其生物传感器的制作与应用方法。

背景技术

石墨烯是具有极高的电导率、热导率、及出色的机械强度的单原子平面二维晶体。石墨烯晶体管在高灵敏度检测领域具有独特的优势。在检测气体时石墨烯具有很低的噪声信号，可精确探测单个气体分子，使之在化学传感器和分子探针方向有潜在应用前景。

鉴于石墨烯极其广阔的应用前景，人们正力图寻找各种各样的方法来得到它，当然首先想到的是如何将石墨一层一层的分离。海姆等首先用所谓“机械剥离法”，其实就是用胶带纸将排列得特别整齐的高取向石墨反复粘贴撕开，最后将粘在带上的石墨烯转贴到硅片上，然后用溶剂将胶带溶去，在硅片上就可以得到单层或少数层的石墨烯。这一方法比较简单，所得石墨烯也比较完整，可供进一步的性能研究，但是其产量低，很难制造大面积的材料。在之前的研究中，本发明人设计了一种“电化学剥离法”，通过电化学反应将非碳原子插入到层间，使石墨层撑开，降低层间的引力，在水或溶剂中用电化学过程产生的微量气泡或高频超声波振动将氧化后的片层分开，分开的片层再通过化学方法或高温使之脱氧还原成石墨烯。这一方法成本低，易于规模化制备，但是氧化等电化学反应及超声处理和还原反应往往会造成石墨烯中碳原子的缺损，得到的石墨烯质量不高，性能较差。

目前化学气相沉积法已成为制备氧化锌的主要方法之一。化学气相沉积法是用含碳原子的气态有机物如甲烷(CH₄)、乙炔(C₂H₂)等在镍或铜等金属基体上高温分解，脱除氢原子的碳原子会沉积吸附在金属表面连续生长成石墨烯。这一方法简单易行，可制备大面积石墨烯，且所得石墨烯较完整，质量较好。

如何在制备好的石墨烯上沉积电极图案，并将其与现有的电子电路集成化是开发石墨烯电子器件首先要解决的问题。现有的石墨烯晶体管器件大多是使用电子束光刻技术来制作电极图案，该方法需要在石墨烯表层进行多个化学处理步骤，比如需在石墨烯上涂上一层有机光刻胶和需要将石墨烯浸在显影剂中化学显影。这些化学处理过程对石墨烯器件造成化学污染，多数不利的化学分子粘附在石墨烯的表面不易去除，扰乱了石墨烯晶体的性能。而且电子束光刻技术成本高，耗时大不易于规模化生产。同时现有的石墨烯晶体管化学传感器具有较差的选择性，石墨烯晶体表面不易于吸附生物分子，这些问题严重地限制了石墨烯在高灵敏传感器方面的应用。

发明内容

本发明的目的克服上述现有技术不足，提供一种石墨烯晶体管制作方法，该方法价格低廉且避免了石墨烯晶体管表面的化学污染，适合石墨烯晶体管与现有电子器件的集成化制作与规模化生产。

针对石墨烯晶体管传感器的选择性较差的问题，进一步提出了制作基于石墨烯晶体管的生物传感器的方法，在石墨烯晶体管表面生长氧化锌纳米线或金属纳米颗粒的方法，晶体管表面的纳米材料有利于吸附具有专一识别功能力的生物活性物质(如酶，DNA，RNA，适体，抗原或抗体等)，使得石墨烯晶体管通道具有选择性吸附目标分析物的能力，提高了基于石墨烯晶体管通道的传感器的灵敏度和选择性。通过溶液中的门电极施加一定范围的门电压，同时在源极和漏极之间施加恒定的通道电压，通过检测通道电流的变化，可以高灵敏地检测到溶液中的微量目标分析物。

另外本发明目的还包括公开一种应用基于石墨烯晶体管的生物传感器进行微量目标分析物检测的方法。

本发明通过如下方案实现：

一种制作石墨烯晶体管的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一，硅晶片上蒸镀上一层钛作为导电层；

步骤二，光刻胶涂覆在钛基板；

步骤三，光刻技术将所设计的晶体管电极图案印在光刻胶上；

步骤四，将印上图案的光刻胶的导电基板浸入磺酸镍和硼酸溶液中进行镍电化学沉积；

步骤五，基板放入丙酮溶液中，使用高频超声波振动处理，将镍掩模与基板分离；

步骤六，镍掩模置于粘附了石墨烯晶体的氧化硅晶片上，使用蒸镀机将电极材料通过掩模在石墨烯晶体管上镀上电极图案。

步骤七，通过镍掩模在电极图案上沉积一层绝缘保护材料。

进一步，所述步骤二，可以用旋转涂胶的方法将一层100μm厚的SU8光刻胶涂覆在钛基板上；所述步骤四，沉积的镍的厚度为100μm；所述步骤五，将基板放入60℃的丙酮溶液；所述步骤六的电极材料为Au/Ti金属电极材料。所述绝缘保护材料为聚对二甲苯基材料。