基于石墨烯的化學或生物傳感器及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種化學或生物傳感器，特別涉及一種基于石墨烯的高靈敏化學或生物傳感器及其制作方法，屬于半導體制造技術及生物傳感領域。
【背景技術】
[0002]目前，糖尿病、心血管類疾病、呼吸道疾病、肝病、癌癥等嚴重威脅了人類的健康和社會的進步。雖然醫學及相關學科不斷的發展和進步，但在疾病的快速診治方面仍是進展緩慢，并且隨著我國社會逐漸的步入老年社會，一些慢性疾病的監測及診療上將是社會的一個迫切需求。部分疾病如果不能得到及時的發現，其將進一步發展，直至到達疾病晚期，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得到診斷，對病人將是致命的。現今，疾病不能得以及早發現的主要原因在于，疾病相關特征不明顯，相關疾病標記物濃度太低；最主要的是診斷儀器的分辨率未能跟上疾病的發展，同時，一些診斷手段費時長，費用高，也是阻礙其應用的原因。因此，提高儀器的靈敏度，降低成本對疾病的及時有效治療以及人類健康的保證具有重要的意義。
[0003]相比于傳統的檢測裝置，石墨烯場生物傳感器具有以下優勢:首先，石墨烯具有非常高的電子遷移率，其構成的的器件具有更高的檢測靈敏度和響應速度；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，石墨烯材料具有非常好的力學特性，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模推廣和應用。
[0004]目前已經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原理進行檢測，這種器件結構并沒有充分利用石墨具有高電子遷移率的特點，因此其靈敏度和響應速度仍有待提高。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種新型的基于石墨烯的化學或生物場效應傳感器及其制作方法，從而克服現有技術中的不足。
[0006]為實現前述發明目的，本發明采用了以下技術方案:
一種基于石墨烯的化學或生物傳感器，包括:
至少一端面為電絕緣面的基底，
設置在所述基底一端面上的，具有設定圖形結構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、漏電極之外的區域的鈍化層，
設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、用以檢測目標物質的識別物。
[0007]一種基于石墨烯的化學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石墨烯層，采用光刻工藝將第一光刻版圖形轉移到石墨烯層表面，再對石墨烯層進行蝕刻，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，且具有設定圖形結構的石墨烯層；
(2)采用光刻工藝將第二光刻版圖形轉移到石墨烯層表面，再生長導電材料，進而剝離形成圖形源、漏電極，同時在所述基底另一端面設置柵電極；
(3)在所述基底的一端面上采用鈍化光刻版進行光刻定義圖形，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)對石墨烯層進行表面修飾改性，并在石墨烯層表面連接用以檢測目標分子的識別物。
[0008]優選的,所述具有設定圖形結構的石墨烯層中石墨烯條帶的寬度為5ηηΓ5μηι。
[0009]優選的，所述源、漏電極的寬度為0.5?10 μ m。
[0010]進一步的，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或磁控濺射方法。
[0011]進一步的，前述步驟(4)包括:在石墨烯層表面修飾化學分子，而后連接用以檢測目標物質的識別物。
[0012]與現有技術相比，本發明的有益效果包括: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、穩定性好，成本低等特點，適用于檢測化學分子、疾病相關因子(如DNA, RNA,蛋白質等)或病毒等。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明實施例1中表面覆設有石墨烯層的基底的結構示意圖；
圖2是本發明實施例1中基于石墨烯的傳感器的結構示意圖；
圖3是本發明實施例1中基于石墨烯修飾苯胺分子的XPS測試圖譜。
【具體實施方式】
[0014]本發明的一個方面提供了一種基于石墨烯的化學或生物傳感器，包括:
至少一端面為電絕緣面的基底，
設置在所述基底一端面上的，具有設定圖形結構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、漏電極之外的區域的鈍化層，
設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，用以檢測目標物質的識別物。
[0015]本發明的傳感器系基于場效應晶體管的傳感器，其充分利用了生物分子的b1gating效應，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]優選的,所述石墨烯層中石墨烯條帶的寬度為5ηπΓ5μηι。
[0020]優選的，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、漏電極的區域上覆設鈍化層。
[0023]本發明的另一個方面提供了一種基于石墨烯的化學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石墨烯層，采用光刻工藝將第一光刻版圖形轉移到石墨烯層表面，再對石墨烯層進行蝕刻，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，且具有設定圖形結構的石墨烯層；
(2)采用光刻工藝將第二光刻版圖形轉移到石墨烯層表面，再生長導電材料，進而剝離形成圖形源、漏電極，同時在所述基底另一端面設置柵電極；
(3)在所述基底的一端面上采用鈍化光刻版進行光刻定義圖形，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)對石墨烯層進行表面修飾改性，并在石墨烯層表面連接用以檢測目標分子的識別物。
[0024]進一步的，在本發明中，可至少選用機械剝離法、化學氣相沉積法、化學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，獲得石墨稀。
[0026]作為可行實施方案之一，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，并進一步降溫，使碳原子析出在襯底表面，獲得少層石墨烯，層數在I飛層。
[0027]作為可行實施方案之一，該制備方法包括:將石墨烯利用氧化劑進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、硼氫化鈉或對苯二胺。
[0028]作為可行實施方案之一，前述步驟(I)包括:以有機溶劑對襯底進行清洗，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行清洗； 2)襯底鈍化，在襯底上生長絕緣層。
[0032]作為可行實施方案之一，前述步驟(2)包括:將采用機械剝離法制備的石墨烯轉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石墨烯層。
[0033]作為可行實施方案之一，前述步驟(2)包括:除去采用化學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石墨烯層，所述金屬元素包括銅或鎳。
[0034]作為可行實施方案之一，前述步驟(2)包括:將采用化學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石墨烯層，其中的施加方式包括滴加或旋涂。
[0035]作為可行實施方案之一，前述步驟(4)包括:利用紫外光刻機或步進光刻機將第二光刻版圖形轉移到石墨烯層表面，再通過電子束蒸發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，