基于石墨烯的化学或生物传感器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯的化学或生物传感器及其制作方法。该传感器包括：至少一端面为电绝缘面的基底；设置在基底一端面上的，具有设定图形结构的石墨烯层以及与石墨烯层配合的图形源、漏电极；覆盖基底一端面的除石墨烯层和源、漏电极之外的区域的钝化层；设置于基底另一端面上的栅电极；以及连接在石墨烯层上的，用以检测目标物质的识别物。其制作方法包括：在基底的电绝缘面上覆盖石墨烯层，并利用半导体工艺在石墨烯层和基底上制作晶体管结构，最后在石墨烯层表面修饰作为识别物的化学或生物分子以检测目标物质。本发明专利技术传感器易于制备，便于操作，并且具有灵敏度高、稳定性好，成本低等特点，适用于检测化学分子或疾病相关因子或病毒等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种化学或生物传感器，特别涉及一种基于石墨烯的高灵敏化学或生物传感器及其制作方法，属于半导体制造技术及生物传感领域。
技术介绍
目前，糖尿病、心血管类疾病、呼吸道疾病、肝病、癌症等严重威胁了人类的健康和社会的进步。虽然医学及相关学科不断的发展和进步，但在疾病的快速诊治方面仍是进展缓慢，并且随着我国社会逐渐的步入老年社会，一些慢性疾病的监测及诊疗上将是社会的一个迫切需求。部分疾病如果不能得到及时的发现，其将进一步发展，直至到达疾病晚期，将增加痊愈的难度，甚至威胁病人的生命安全。而一些心血管类的疾病如果不能及时得到诊断，对病人将是致命的。现今，疾病不能得以及早发现的主要原因在于，疾病相关特征不明显，相关疾病标记物浓度太低；最主要的是诊断仪器的分辨率未能跟上疾病的发展，同时，一些诊断手段费时长，费用高，也是阻碍其应用的原因。因此，提高仪器的灵敏度，降低成本对疾病的及时有效治疗以及人类健康的保证具有重要的意义。相比于传统的检测装置，石墨烯场生物传感器具有以下优势:首先，石墨烯具有非常高的电子迁移率，其构成的的器件具有更高的检测灵敏度和响应速度；其次，由于石墨烯本身为碳材料，与生命体具有共同的特性，具有更好的生物亲和性；同时，石墨烯材料具有非常好的力学特性，可制备柔性器件。最后，原料来源丰富，可以降低器件的制造成本，使得高灵敏生物传感器得到大规模推广和应用。目前已经存在大量的生化传感器，其中也有一些基于石墨烯的传感器，但大部分基于电化学原理进行检测，这种器件结构并没有充分利用石墨具有高电子迁移率的特点，因此其灵敏度和响应速度仍有待提高。【专利
技术实现思路
】本专利技术的目的在于提供一种新型的基于石墨烯的化学或生物场效应传感器及其制作方法，从而克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用了以下技术方案: 一种基于石墨烯的化学或生物传感器，包括: 至少一端面为电绝缘面的基底， 设置在所述基底一端面上的，具有设定图形结构的石墨烯层以及与石墨烯层配合的图形源、漏电极， 覆盖所述基底一端面的除所述石墨烯层和源、漏电极之外的区域的钝化层， 设置于所述基底另一端面上的栅电极， 以及，连接在所述石墨烯层上的、用以检测目标物质的识别物。一种基于石墨烯的化学或生物传感器的制造方法，包括如下步骤:(I)提供至少一端面为电绝缘面的基底，并在所述基底的一端面上覆设石墨烯层，采用光刻工艺将第一光刻版图形转移到石墨烯层表面，再对石墨烯层进行蚀刻，蚀刻工艺包括等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺，从而形成包含石墨烯纳米带，且具有设定图形结构的石墨烯层； (2)采用光刻工艺将第二光刻版图形转移到石墨烯层表面，再生长导电材料，进而剥离形成图形源、漏电极，同时在所述基底另一端面设置栅电极； (3)在所述基底的一端面上采用钝化光刻版进行光刻定义图形，从而在所述基底的一端面除石墨烯层及源、漏电极之外的区域覆盖钝化层，所述钝化物包括氧化硅或氮化硅钝化层； (4)对石墨烯层进行表面修饰改性，并在石墨烯层表面连接用以检测目标分子的识别物。优选的,所述具有设定图形结构的石墨烯层中石墨烯条带的宽度为5ηηΓ5μηι。优选的，所述源、漏电极的宽度为0.5?10 μ m。进一步的，前述步骤(2)包括:利用光刻方法将第二光刻版图形转移到石墨烯层表面，再生长金属，并剥离得到源、漏电极，以及，在所述基底另一端面生长金属，作为栅电极，其中，生长金属的工艺包括电子束蒸发或磁控溅射方法。进一步的，前述步骤(4)包括:在石墨烯层表面修饰化学分子，而后连接用以检测目标物质的识别物。与现有技术相比，本专利技术的有益效果包括:该基于石墨烯的传感器易于制备，操作方便，并具有灵敏度高、稳定性好，成本低等特点，适用于检测化学分子、疾病相关因子(如DNA, RNA,蛋白质等)或病毒等。【附图说明】图1是本专利技术实施例1中表面覆设有石墨烯层的基底的结构示意图； 图2是本专利技术实施例1中基于石墨烯的传感器的结构示意图； 图3是本专利技术实施例1中基于石墨烯修饰苯胺分子的XPS测试图谱。【具体实施方式】本专利技术的一个方面提供了一种基于石墨烯的化学或生物传感器，包括: 至少一端面为电绝缘面的基底， 设置在所述基底一端面上的，具有设定图形结构的石墨烯层以及与石墨烯层配合的图形源、漏电极， 覆盖所述基底一端面的除所述石墨烯层和源、漏电极之外的区域的钝化层， 设置于所述基底的另一端面上的栅电极， 以及，连接在所述石墨烯层上的，用以检测目标物质的识别物。本专利技术的传感器系基于场效应晶体管的传感器，其充分利用了生物分子的b1gating效应，在栅电场及源、漏电场作用下，器件表面分子的微量变化将引起器件沟道电流的大量变化，从而具有很高的检测灵敏度。作为可行的实施方案之一，前述基底包括衬底以及生长于衬底表面的绝缘材料层。其中，所述衬底材料可选自但不限于硅、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。所述绝缘材料可选自但不限于氧化硅、氮化硅或氧化铝。优选的,所述石墨烯层中石墨烯条带的宽度为5ηπΓ5μηι。优选的，所述源电极和漏电极的宽度为0.5^10 μ m。前述钝化层可以采用业界悉知的常见的钝化层材料，例如氧化硅或氮化硅，但不限于此。进一步的，也可在前述石墨烯层的局部表面掩盖钝化层，特别是在所述石墨烯层表面靠近源、漏电极的区域上覆设钝化层。本专利技术的另一个方面提供了一种基于石墨烯的化学或生物传感器的制造方法，包括如下步骤: (1)提供至少一端面为电绝缘面的基底，并在所述基底的一端面上覆设石墨烯层，采用光刻工艺将第一光刻版图形转移到石墨烯层表面，再对石墨烯层进行蚀刻，前述蚀刻工艺可选自但不限于等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺，从而形成包含石墨烯纳米带，且具有设定图形结构的石墨烯层； (2)采用光刻工艺将第二光刻版图形转移到石墨烯层表面，再生长导电材料，进而剥离形成图形源、漏电极，同时在所述基底另一端面设置栅电极； (3)在所述基底的一端面上采用钝化光刻版进行光刻定义图形，从而在所述基底的一端面除石墨烯层及源、漏电极之外的区域覆盖钝化层，所述钝化物包括氧化硅或氮化硅钝化层； (4)对石墨烯层进行表面修饰改性，并在石墨烯层表面连接用以检测目标分子的识别物。进一步的，在本专利技术中，可至少选用机械剥离法、化学气相沉积法、化学氧化还原法中的任一种制备石墨烯，且不限于此。作为可行实施方案之一，该制备方法包括:利用透明胶带粘贴石墨片，通过多次重复，获得石墨稀。作为可行实施方案之一，该制备方法包括:在铜衬底或表面沉积有铜或镍的硅片衬底上通入甲烷或乙炔，在800°C?1000°C高温下沉积碳原子，并进一步降温，使碳原子析出在衬底表面，获得少层石墨烯，层数在I飞层。作为可行实施方案之一，该制备方法包括:将石墨烯利用氧化剂进行处理得到氧化石墨溶液，而后利用还原剂对氧化石墨溶液进行还原，得到石墨烯，所述氧化剂包括但不限于浓硫酸、高锰酸钾以及双氧水，所述还原剂可选自但不限于水合肼、硼氢化钠或对苯二胺。作为可行实施方案之一，前述步骤(I)包括:以有机溶剂对衬底进行清洗，而后在衬底上生长绝缘材料层，获得所述基底。其中，所述衬底包括柔性衬底或刚性衬底，所述刚性衬底可选用但不限于硅衬底，所述柔性衬底的材料可选用但不限于聚酰亚胺或聚二甲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯的化学或生物传感器，其特征在于包括：至少一端面为电绝缘面的基底，设置在所述基底一端面上的，具有设定图形结构的石墨烯层以及与石墨烯层配合的图形源、漏电极，覆盖所述基底一端面的除所述石墨烯层和源、漏电极之外区域的钝化层，设置于所述基底另一端面上的栅电极， 以及，连接在所述石墨烯层上的、用以检测目标物质的识别物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏瑞巩，王逸群，张宝顺，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32