[发明专利]用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统领域，涉及一种单层石墨烯纳米孔结构及其制作方法，特别是涉及一种用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构及其制作方法。

背景技术

利用微电子机械加工技术制作的生物传感器在生物、医疗等领域得到了广泛应用。这些传感器具有成本低、可批量生产、稳定性好、灵敏度高等优点。当待测物尺寸为纳米或者亚纳米级，要求传感器必须有很高的灵敏度，才能进行有效的识别检测。提高灵敏度有效方法之一便是降低传感器检测元件的尺寸，这样才能在有效的时域和空域里检测出待测物。因此，制造出纳米尺寸的传感器，能够有效的提高传感器的灵敏度，使器件的品质因子得到显著提高。

当前检测DNA碱基序列的诸多方法中，由于电极间距与DNA碱基尺寸不在同一个尺度上，导致检测效果受到制约。Xiaogan Liang,Stephen Y.Chou在Nanogap Detector Inside Nanofluidic Channel for Fast Real-Time Label-Free DNA Analysis,8，2008，Nano Letters中详细介绍了用于DNA序列检测的纳米电极的制造技术，但是制备出的最小电极间距为9nm，并不能实现DNA碱基序列的识别，并指出电极间距尺寸需要进一步减小，才能使得纳米电极检测DNA碱基序列成为可能。但是作者采用的方法，受到现行制造技术的约束，无法继续减小电极的尺寸。Makusu Tsutsui,Yuhui He,Masayuki Furuhashi等在Transverse electric field dragging of DNA in a nanochannel，5，2012，Scientific reports一文中在金纳米线上制造出尺寸在200nm×50nm×60nm的纳米通道，用该纳米通道作为纳电极检测DNA碱基序列。文中检测λ-DNA通过该纳米通道的信号，但是检测效果不明显。这是因为该纳米通道的尺寸较大，使得用于识别DNA碱基序列的隧穿电流信号被其它信号所淹没。所以进一步降低检测电极尺寸是识别DNA碱基序列的重要保障。

电极间距是影响检测DNA碱基序列传感器的一个决定因素。由于单层石墨烯的厚度仅为0.34nm，与DNA分子的碱基间距大小一致，因此，用石墨烯超薄的特性优点，将石墨烯制作成纳米孔作为纳米电极，能有效的检测出DNA分子的碱基序列。Zuzanna S.Siwy和Matthew Davenport在Graphene opens up to DNA，5，2010，Nature Nanotechnology一文中评述了石墨烯纳米孔对DNA序列检测的前景。当前用石墨烯纳米孔检测DNA序列的研究已经受到极大的关注，均是利用纳米级的石墨烯纳米孔约束DNA。当待测DNA通过石墨烯纳米孔时，DNA在纳米孔内的占位产生电流信号的变化，并以此变化的信号来识别DNA碱基序列。然而这种方法检测到的信号亦不能识别出DNA碱基序列，仅能检测出待测DNA过石墨烯纳米孔的特征。

发明内容

技术问题：鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构及其制作方法，用于解决碱基序列检测时纳米电极尺寸过大、灵敏度低问题，同时实现现有技术与COMS技术相兼容，能有效降低制造工艺复杂程度、控制成本上升等问题。

技术方案：本发明的用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构，包括从下至上依次连接的掩膜衬底、半导体层、氧化硅绝缘层、电极层和绝缘层，掩膜衬底中部设置有释放窗口，半导体层中设置有位于释放窗口上方并与之连通的刻蚀槽，氧化硅绝缘层中设置有位于刻蚀槽上方并与之连通的氧化硅纳米盲孔和位于氧化硅纳米盲孔中央上方的氧化硅纳米孔，电极层包括石墨烯微片和位于石墨烯微片两端并与之电连接的金属微电极，石墨烯微片上设置有位于氧化硅纳米孔上方并与之连通的石墨烯纳米孔，绝缘层上设置有对称分布于金属微电极外端边缘上方的两个外接窗口，外接窗口用于与外界电相连，绝缘层上还设置有位于中心的刻蚀窗口和位于刻蚀窗口中心的绝缘层纳米孔，绝缘层纳米孔位于石墨烯纳米孔上方并与之连通。

本发明中，石墨烯微片为单层石墨烯，从下至上依次连接的氧化硅绝缘层、电极层和绝缘层形成夹心结构。

本发明中，氧化硅纳米孔、石墨烯纳米孔和绝缘层纳米孔组成的一个连通的纳米孔。

本发明的一个优选方案中，掩膜衬底的材料为材料为氧化硅或氮化硅，半导体层的材质为硅、锗或锗硅。

本发明的制备上述用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构的方法，包括以下步骤：