[發明專利]高穩定性石墨烯納米孔制備方法

在審

• 申請號: 202210143912.9
• 申請日: 2022-02-17
• 公開（公告）號: CN114516615A
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 劉智波;郭浩煒;田建國
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;C01B32/19;C01B32/194
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本專利介紹了一種高穩定性石墨烯納米孔制備方法。將機械剝離法制備的高質量石墨烯薄膜轉移到帶孔氮化硅芯片上形成懸空膜結構。通過氧等離子體刻蝕在石墨烯薄膜中人工引入晶格缺陷，精確控制石墨烯中缺陷密度，用于依附產生納米孔。將處理過后的石墨烯芯片置于特制的光控流體池中，在兩側施加逐級遞增的脈沖電流進行擊穿。在擊穿過程中，使用脈沖激光對目標區域石墨烯進行輻照提高其晶格溫度提高擊穿事件發生概率。通過該方法制備出的石墨烯納米孔尺寸可控性較高，最小擊穿直徑在1nm以下，孔徑最高控制精度0.5nm，孔長最高控制精度0.34nm。相較于傳統固體納米孔，孔徑穩定性有著明顯提升，在長達1個月的浸泡測試中仍能保持良好的結構一致性。浸泡在1M KCl(pH＝8)溶液中，孔徑日增長幅度小于0.7％。

技術領域

本發明屬于生物傳感和二維材料領域，涉及一種高穩定性石墨烯納米孔制備方法及配套裝置。

背景技術

高度穩定、尺寸精確、厚度極薄的納米孔對于超靈敏的分子生物傳感器和高效離子過濾器至關重要。而目前常見的固體納米孔在連續測量過程中，其穩定性僅能維持幾個小時。同時在長時間的存儲過程中，由于溶液布朗運動和化學腐蝕，孔結構往往會產生不可逆的改變。具體表現為，隨著時間增長孔徑逐漸變大。這是由于作為納米孔載體薄膜的SiN_x、SiO₂、Al₂O₃等本身缺陷密度較高，在溶液的物理/化學侵蝕下納米孔尺寸不斷增長。穩定性差限制了納米孔在長周期測試和復雜環境中的廣泛應用。

具有原子厚度和優異機械性能的二維(2D)材料為納米孔提供了新的選擇。二維材料納米孔的制備方法包括透射電子顯微鏡(TEM)、聚焦離子束(FIB)、受控擊穿(CBD)等。然而，上述方法制備的單層二維材料納米孔在穩定性上并無明顯優勢。原因在于，目前廣泛使用的化學氣相沉積(CVD)制備的二維材料中較高的缺陷密度加劇了納米孔的不穩定性。因此，如何在保持空間分辨率優勢的同時在二維材料中制備結構高度穩定的納米孔是當前研究的一大挑戰。

發明內容

本發明的目的在于提供一種在高質量機械剝離石墨烯薄膜上制備穩定納米孔并精確控制其尺寸的技術路線。

為實現上述目的，本發明所述方法的步驟如下：

第一步，利用半導體加工工藝制備帶孔氮化硅芯片；

第二步，利用機械剝離法在硅片上制備高質量薄層石墨烯；

第三步，利用PDMS將石墨烯定點轉移至預先制備的帶孔氮化硅芯片的窗口上；

第四步，利用氧等離子體刻蝕，對石墨烯懸空膜進行處理，人工引入晶格缺陷，缺陷密度通過Raman光譜進行監測，精確控制缺陷的引入量；

第五步，利用脈沖激光對目標區域石墨烯薄膜進行輻照，提高其擊穿概率；

第六步，利用數字源表在石墨烯薄膜兩側施加逐步增加的脈沖電流，進行擊穿。

附圖說明

圖1高穩定性石墨烯納米孔制備流程示意圖；

圖2光誘導電擊穿裝置示意圖；

圖3電擊穿過程中處理與未處理樣品的擊穿特性比較數據圖；

圖4薄層石墨烯納米孔透射電鏡圖；

圖5石墨烯納米孔與氮化硅納米孔穩定性比較數據圖。

具體實施方式

為了進一步說明本發明，下面以附圖的方式并結合實例對本發明提供的位移放大技術進行詳細描述，但不能將其理解為對本發明保護范圍的限定。以下實施例中所采用的材料和儀器均為市售。此外，任何與所記載內容相似或均等的方法及材料都可應用于本發明方法中。

實施例1

高質量石墨烯懸空膜結構的制備與處理