用于石墨烯納米結(jié)構(gòu)的dna定義的蝕刻的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了利用有預(yù)定DNA形狀的DNA樣品來(lái)蝕刻石墨烯的方法。將DNA樣品優(yōu)選置于一塊高定向熱解石墨(HOPG)的反應(yīng)區(qū)上，然后優(yōu)選將DNA樣品和HOPG置于濕度控制室內(nèi)。向HOPG優(yōu)選應(yīng)用濕度以產(chǎn)生橫跨DNA樣品表面的水膜。還向HOPG施加電勢(shì)以產(chǎn)生用于蝕刻過(guò)程的電勢(shì)能。蝕刻完成后，通常用去離子水漂洗反應(yīng)區(qū)。
【專利說(shuō)明】用于石墨烯納米結(jié)構(gòu)的DNA定義的蝕刻的方法
[0001]優(yōu)先權(quán)要求第13/630,975號(hào)美國(guó)非臨時(shí)專利申請(qǐng)，其提交于2012年9月28日，題為“用于石墨烯納米結(jié)構(gòu)的DNA定義的蝕刻的方法”,發(fā)明人Michael James Darling,其的內(nèi)容明確并入本文作為參考。優(yōu)先權(quán)還要求第61/588，556號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)，其提交于2012年I月19日，題為“石墨烯的DNA定義的蝕刻”,發(fā)明人Michael James Darling,其的內(nèi)容明確并入本文作為參考。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明通常涉及用于蝕刻石墨烯的方法。特別地，本發(fā)明為納米級(jí)基于石墨烯的材料的蝕刻方法，其利用DNA樣品并通過(guò)施加電勢(shì)。
[0003]發(fā)明背景
[0004]自從在2004年被發(fā)現(xiàn)后，由于獨(dú)特的電性質(zhì)、機(jī)械性質(zhì)及物理性質(zhì)，石墨烯迅速受到顯著的關(guān)注。此類性質(zhì)的實(shí)例包括低電阻率和高載流子遷移率。例如，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于石墨烯的低電阻率，電子在石墨烯中的行進(jìn)比在硅中基本快約一百倍。例如，單原子厚度的石墨片提供了約1.0微歐/cm的電阻率，這比銅的電阻率低約35%，銅是以前所知的在室溫下電阻率最低的材料。因此，石墨烯中這種低電阻率為基于石墨烯的應(yīng)用提供了更高的傳導(dǎo)率，這對(duì)于要求迅速轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體應(yīng)用而言是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。
[0005]對(duì)于載流子遷移率，石墨烯對(duì)電子遷移率的限度也優(yōu)于硅。通過(guò)原子的熱振動(dòng)來(lái)設(shè)置石墨烯中電子遷移率的限度，并且其在室溫下為約200，OOOcmVVs0另一方面，硅為約1400cm2/Vso因?yàn)槟壳暗氖?yīng)用只利用了 10，000cm2/Vs，所以存在電勢(shì)以使基于石墨烯的應(yīng)用最大化，從而達(dá)到200，OOOcmVVs限度。
[0006]盡管有這些優(yōu)勢(shì)，但石墨烯通常與具有納米級(jí)線寬度的通道一起構(gòu)筑。因此，為了利用這些基于石墨烯的應(yīng)用，石墨烯的制造通常需要生產(chǎn)線寬為約l_2nm的納米線，以便具有硅帶隙(即約1.1leV)。這引起了問(wèn)題，因?yàn)槟壳翱捎玫陌雽?dǎo)體加工技術(shù)不可能將石墨烯切割成如此狹窄的納米級(jí)線寬(典型小于3nm)。此外，常規(guī)方法更加緩慢，需要通過(guò)以串行方式的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)蝕刻掉每一位點(diǎn)。另外，這些常規(guī)方法通常依靠通過(guò)掩模的蝕刻，所述掩模利用自上而下的光刻技術(shù)而制造，這已知防止了納米級(jí)分辨率的圖案。
[0007]因此，亟需用于制造納米級(jí)的石墨烯的方法。優(yōu)選的方法應(yīng)是更快的，利用“自下而上”的途徑，并且將DNA樣品用于蝕刻。
[0008]發(fā)明概述
[0009]為了使現(xiàn)有技術(shù)中的局限性減到最小，并且為了使閱讀和理解本說(shuō)明書(shū)后變得顯而易見(jiàn)的其他局限性減到最小，本發(fā)明公開(kāi)了利用DNA樣品蝕刻石墨烯的方法。
[0010]本發(fā)明的一實(shí)施方案為用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，所述步驟包括:提供一塊高定向熱解石墨；其中所述高定向熱解石墨塊具有第一窗口、第二窗口和第三窗口 ；其中所述第一窗口和所述第二窗口包括一個(gè)或多個(gè)配置為接收電壓的電極接頭；其中所述第三窗口的一部分包括配置為接收DNA樣品的反應(yīng)區(qū)；將DNA樣品沉積至反應(yīng)區(qū)；將所述高定向熱解石墨塊置于濕度控制室內(nèi)；向所述高定向熱解石墨塊應(yīng)用相對(duì)濕度；并且橫跨所述第一窗口和第二窗口施加電壓。優(yōu)選地，用抗蝕劑涂覆所述高定向熱解石墨塊。優(yōu)選地，利用電子束光刻通過(guò)掃描電子顯微鏡來(lái)蝕刻所述第一窗口、所述第二窗口和所述第三窗口。所述第一窗口與所述第二窗口通常布置為相距約600-1000微米(微米或微米)，但是優(yōu)選布置為相距約800微米。用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法還包括步驟:用原子力顯微鏡分析所述第一窗口、所述第二窗口和所述第三窗口。用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法還包括步驟:加熱及融化所述DNA樣品并且將該DNA樣品冷卻至室溫。用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法還包括將DNA樣品稀釋于緩沖溶液的步驟。通常，所述緩沖溶液為約0.5-1.5摩爾氯化鉀(優(yōu)選I摩爾)；約8-12毫摩爾三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽(優(yōu)選10毫摩爾)；以及約8-12毫摩爾乙二胺四乙酸(優(yōu)選10毫摩爾)(但是任何類型的緩沖溶液都可以用于提供用于穩(wěn)定DNA樣品的離子，這歸因于DNA樣品的強(qiáng)負(fù)電荷及其固定pH水平的能力)。優(yōu)選地，電壓為約2-6V/mm (優(yōu)選4V/mm)的電壓梯度。所述DNA樣品優(yōu)選為雙鏈未甲基化的XDNA。用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法還可包括在溫的去離子水中漂洗所述DNA樣品的步驟。
[0011]本發(fā)明的另一實(shí)施方案為用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，所述步驟包括:提供一塊高定向熱解石墨；其中所述高定向熱解石墨塊具有第一窗口，第二窗口和第三窗口 ；其中所述第一窗口和所述第二窗口包括一個(gè)或多個(gè)配置為接收施加的電壓的電極接頭；其中所述第三窗口的一部分包括配置為接收DNA樣品的反應(yīng)區(qū)；將所述DNA樣品沉積于反應(yīng)區(qū)；加熱及融化所述DNA樣品；將所述DNA樣品冷卻至室溫；將所述DNA樣品稀釋于緩沖溶液；將緩沖溶液應(yīng)用至反應(yīng)區(qū)；孵育所述反應(yīng)區(qū)；用去離子水漂洗所述反應(yīng)區(qū)以去除緩沖溶液和過(guò)量的DNA樣品；將所述聞定向熱解石墨塊置于濕度控制室內(nèi)；向所述聞定向熱解石墨塊應(yīng)用相對(duì)濕度；并且橫跨所述第一窗口和第二窗口施加電壓約1-2分鐘；并且在溫的去離子水中漂洗所述高定向熱解石墨塊。優(yōu)選地，利用電子束光刻通過(guò)掃描電子顯微鏡蝕刻所述第一窗口 、所述第二窗口和所述第三窗口。優(yōu)選地，用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法還可包括步驟:用原子力顯微鏡分析所述第一窗口、所述第二窗口和所述第三窗口。所述第一窗口和第二窗口優(yōu)選布置為相距約600-1000微米。優(yōu)選地,所述DNA樣品為雙鏈未甲基化的XDNA。所述加熱和融化步驟可以在約70-110°C (優(yōu)選90°C )下進(jìn)行約8_12分鐘(優(yōu)選8分鐘)(但是可使用任何時(shí)間量，諸如I分鐘至I小時(shí))。優(yōu)選地，緩沖液為約0.5-1.5摩爾氯化鉀；約8-12毫摩爾三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽；以及約8-12毫摩爾乙二胺四乙酸(但是任何類型的緩沖溶液都可以用于提供用于穩(wěn)定DNA樣品的離子，這歸因于DNA樣品的強(qiáng)負(fù)電荷及其固定pH水平的能力)。應(yīng)用的相對(duì)濕度可為約60 % -90 %，但是優(yōu)選75% (但是可使用任何量的相對(duì)濕度(例如0-100% )和/或溫度(例如0-200°C ))。
[0012]本發(fā)明的另一實(shí)施方案為用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，所述步驟包括:提供一塊聞定向熱解石墨；其中用聚甲基丙稀酸甲酯抗蝕劑涂覆所述聞定向熱解石墨塊；其中所述高定向熱解石墨塊具有第一窗口，第二窗口和第三窗口 ；其中利用電子束光刻通過(guò)掃描電子顯微鏡來(lái)蝕刻所述第一窗口、所述第二窗口和所述第三窗口 ；其中所述第一窗口和第二窗口包括一個(gè)或多個(gè)配置為接收電壓的電極接頭；其中所述第一窗口和第二窗口布置為相距約600-1000微米；用原子力顯微鏡分析所述第一窗口、所述第二窗口和所述第三窗口 ；其中所述第一窗口和第二窗口包括一個(gè)或多個(gè)配置為進(jìn)行電接觸的電極；其中所述第三窗口的一部分包括配置為接收雙鏈未甲基化的XDNA的反應(yīng)區(qū)；將所述雙鏈未甲基化的λ DNA沉積于所述反應(yīng)區(qū)；在約70-110°C加熱及融化所述雙鏈未甲基化的λ DNA約8-12分鐘(但是可使用任何的時(shí)間量，諸如I分鐘至I小時(shí))；將所述雙鏈未甲基化的λ DNA冷卻至室溫；用緩沖溶液稀釋所述雙鏈未甲基化的λ DNA ;其中所述緩沖溶液為約0.5-1.5摩爾氯化鉀；約8-12毫摩爾三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽；以及約8-12毫摩爾乙二胺四乙酸(但是任何類型的緩沖溶液都可以用于提供用于穩(wěn)定DNA樣品的離子，這歸因于DNA樣品的強(qiáng)負(fù)電荷及其固定PH水平的能力)；將所述緩沖溶液應(yīng)用至所述反應(yīng)區(qū)；孵育所述反應(yīng)區(qū)約20-40秒(優(yōu)選30秒)；用去離子水漂洗所述反應(yīng)區(qū)以去除所述緩沖溶液和過(guò)量的DNA;用原子力顯微鏡分析所述第三窗口 ；將所述高定向熱解石墨塊置于濕度控制室內(nèi)；向所述高定向熱解石墨塊應(yīng)用約60-90%的相對(duì)濕度(但是可使用任何量的相對(duì)濕度(例如0-100% )和/或溫度(例如0-200°C ));橫跨所述第一窗口和第二窗口施加約2-6V/mm的電壓梯度約1-2分鐘；并且在溫的去離子水中漂洗所述高定向熱解石墨塊。
[0013]本發(fā)明的目的是提供基于石墨烯的材料的受控蝕刻的方法。所述方法或過(guò)程優(yōu)選在環(huán)境條件下于數(shù)秒內(nèi)以納米級(jí)來(lái)發(fā)揮作用，但也可耗時(shí)幾分鐘或甚至一個(gè)或多個(gè)小時(shí)，并且可應(yīng)用任何溫度量，諸如0-200°C。
[0014]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供納米級(jí)石墨烯材料的受控蝕刻的方法，其通過(guò)使用自下而上的途徑并借助由DNA樣品構(gòu)建的自組裝的蝕刻掩模。
[0015]本發(fā)明的一個(gè)目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的局限性。
[0016]這些及其他組分、步驟、特征、目的、益處和優(yōu)勢(shì)根據(jù)以下示例性實(shí)施方案的詳述、附圖以及權(quán)利要求而會(huì)變得明確。
[0017]附圖簡(jiǎn)述
[0018]附圖為示例性實(shí)施方案。它們沒(méi)有示例所有的實(shí)施方案。另外或代替地，可使用其他實(shí)施方案。為了節(jié)省空間或?yàn)榱烁行У厥纠墒÷院苊黠@的或不必要的細(xì)節(jié)。一些實(shí)施方案可用其他組分或步驟和/或在沒(méi)有所有示例組分或步驟的情況下實(shí)踐。當(dāng)相同的數(shù)字出現(xiàn)在不同的附圖中時(shí)，其指代相同的或相似的組分或步驟。
[0019]圖1為用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)實(shí)施方案的框圖。
[0020]圖2為用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)實(shí)施方案的示例并且示出布置在高定向熱解石墨的第一窗口和第二窗口之上的電引線。
[0021]圖3為用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)實(shí)施方案的示例并且示出向反應(yīng)區(qū)應(yīng)用電壓和相對(duì)濕度后第三窗口的反應(yīng)區(qū)的詳細(xì)視圖。
[0022]圖4為用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)實(shí)施方案的石墨烯表面和DNA樣品的不意圖并且不出當(dāng)向聞定向熱解石墨應(yīng)用濕度時(shí)的雙層形成。
[0023]圖5為用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)實(shí)施方案的圖表并且示出水膜相對(duì)于相對(duì)濕度水平的距離。
[0024]圖6為用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)實(shí)施方案的圖表并且示出水膜相對(duì)于電壓電勢(shì)的厚度。
[0025]附圖詳述
[0026] 在本發(fā)明的各實(shí)施方案的以下詳述中，闡述許多具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的各方面的透徹理解。然而，可在沒(méi)有一些或所有的這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案。在其他情況下，沒(méi)有詳述公知的方法、程序和/或組分，以免不必要地混淆本發(fā)明實(shí)施方案的方面。
[0027]盡管公開(kāi)了多種實(shí)施方案，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，根據(jù)示出并描述本發(fā)明示例性實(shí)施方案的以下詳述，本發(fā)明的其他實(shí)施方案會(huì)變得顯而易見(jiàn)。應(yīng)意識(shí)到，本發(fā)明能夠修改各種明顯的方面，均未背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，圖表、圖形及其詳述都被認(rèn)為本質(zhì)上為示例的，而非限制的。此外，本發(fā)明的特定實(shí)施方案的參考或非參考不應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明的范圍。
[0028]本發(fā)明的方法利用DNA樣品蝕刻基于石墨烯的材料。特別地，DNA樣品通常被置放在一塊高定向熱解石墨(HOPG)的反應(yīng)區(qū)上，其中隨后將DNA樣品和HOPG置放在濕度控制室內(nèi)。通常向HOPG和DNA樣品應(yīng)用濕度以產(chǎn)生水膜，其通常橫跨DNA的表面形成，而不是在HOPG的表面上。然后，向HOPG優(yōu)選施加電壓，由此產(chǎn)生電壓和水膜以為蝕刻過(guò)程提供電勢(shì)能。一旦完成蝕刻，可用去離子水漂洗反應(yīng)區(qū)。
[0029]向DNA樣品和HOPG應(yīng)用濕度是優(yōu)選的，因?yàn)槠渫ǔ槲g刻過(guò)程提供電勢(shì)。例如，置放于包含正離子和負(fù)離子的水中的帶負(fù)電荷的物體通常獲得篩選層，該篩選層構(gòu)成通常包含第一層和第二層(即雙層)的電化學(xué)電容。固定化正離子的第一層(即內(nèi)部亥姆霍茲平面)形成于帶負(fù)電荷的DNA樣品的表面的附近，并且電壓電勢(shì)通常線性遞增直到該平面。另一方面，帶負(fù)電荷的離子聚集在第二層(即外部亥姆霍茲平面)處，并且電壓電勢(shì)通常線性遞減直到該平面。形成最后一層(即擴(kuò)散層)，其通常使第二層(即外部亥姆霍茲平面)與大部分水連接。該最后一層通常具有以指數(shù)方式趨向于零的電壓電勢(shì)。
[0030]然而，在本發(fā)明中，與將全部HOPG置于液體或水中不同，通常在DNA樣品的分子上形成薄的水膜。水膜優(yōu)選形成在DNA上，但是通常并不形成在石墨烯表面上。通常發(fā)生這一現(xiàn)象是因?yàn)镈NA為親水性的而石墨烯表面為疏水性的。因此，本發(fā)明的水膜提供了有限的電壓，其被用作用于蝕刻過(guò)程的電壓電勢(shì)。盡管本發(fā)明中濕度的使用可具體是指水，但應(yīng)理解任何蒸汽類物質(zhì)可用于產(chǎn)生電壓電勢(shì)(例如，氮蒸汽)而沒(méi)有背離本發(fā)明的范圍。
[0031]在以下描述中，某些術(shù)語(yǔ)被用于描述本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的某些特征。例如，術(shù)語(yǔ)“石墨稀”或“聞定向熱解石墨”(“H0PG”)是指由相對(duì)于另一者聞度對(duì)齊或定向的微晶組成的且具有完全有序的碳層或高度的優(yōu)選微晶定向的石墨材料，甚至還是指石墨烯的任何單層或多層，包括但不限于熱學(xué)熱解石墨和退火熱解石墨。術(shù)語(yǔ)“石墨烯”或“石墨烯膜”表示在石墨中堆積以形成“可開(kāi)裂”層(或類似云母的開(kāi)裂)的原子厚度的碳片或?qū)?。術(shù)語(yǔ)“DNA樣品”是指由用于石墨烯蝕刻過(guò)程的脫氧核糖核酸構(gòu)建的任何經(jīng)加工和/或可設(shè)計(jì)的成形物，包括但不限于雙鏈未甲基化的λ DNA。
[0032]圖1為用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)實(shí)施方案的框圖。如圖1所示，用于蝕刻石墨稀納米結(jié)構(gòu)的方法100優(yōu)選包括以下步驟:提供一塊聞定向熱解石墨103 ;在聞定向熱解石墨上創(chuàng)建第一窗口、第二窗口以及第三窗口 106 ;加熱及融化DNA樣品109 JfDNA樣品冷卻至室溫112 ;用緩沖溶液稀釋DNA樣品115 ;將DNA樣品沉淀入反應(yīng)區(qū)118 ;向反應(yīng)區(qū)應(yīng)用緩沖溶液121 ;孵育反應(yīng)區(qū)124 ;用去離子水漂洗反應(yīng)區(qū)127 ;分析第三窗口 130 ;向第一窗口和第二窗口施加電壓139以及在溫的去離子水中漂洗H0PG142。應(yīng)理解，方法100可省略某些步驟并且也可包括其他步驟。
[0033]圖1示出用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法100的第一步驟，其是提供一塊高定向熱解石墨103。聞定向熱解石墨(HOPG) 205 (圖2所不)通常是由許多石墨稀層組成的疏松物質(zhì)，并且石墨的暴露表面為石墨襯底上的模型石墨烯表面，但也可是指單層或多層的石墨烯。優(yōu)選地，用電子束抗蝕劑旋涂H0PG205。抗蝕劑通常為用于將電路圖案轉(zhuǎn)移至半導(dǎo)體襯底的薄層，并且還優(yōu)選是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。雖然H0PG205是用于本發(fā)明的主要材料，但應(yīng)理解，任何類型的石墨都可使用，諸如熱學(xué)熱解石墨和退火熱解石墨。
[0034]圖1示出用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法100的一個(gè)實(shí)施方案的下一步驟——即，在高定向熱解石墨上創(chuàng)建第一窗口 220、第二窗口 225以及第三窗口 230106。優(yōu)選地，通過(guò)經(jīng)由掃描電子顯微鏡在H0PG205上應(yīng)用電子束光刻來(lái)進(jìn)行第一窗口 220、第二窗口 225以及第三窗口 230的創(chuàng)建。特別地，掃描電子顯微鏡應(yīng)以構(gòu)圖方式發(fā)射橫跨HOPG表面的電子束，從而創(chuàng)建三個(gè)窗口，其優(yōu)選形狀上大體為正方形或矩形。然而，應(yīng)理解，所述三個(gè)窗口可為任何形狀或形成諸如圓形、三角形、八邊形和/或六邊形。另外，還應(yīng)理解，本發(fā)明不要求窗口的使用，并且可替代地，可允許創(chuàng)建任何窗口數(shù)目，諸如4個(gè)、5個(gè)和6個(gè)。優(yōu)選地，電子束光刻選擇地移除抗蝕劑的暴露的或非暴露的區(qū)域。通常實(shí)現(xiàn)在抗蝕劑中創(chuàng)建非常小的結(jié)構(gòu)，其隨后通過(guò)蝕刻過(guò)程可以被轉(zhuǎn)移到襯底材料。然而，著重注意，本發(fā)明不要求在HOPG上使用抗蝕劑。另外，第一窗口 220通常與第二窗口 225間隔約600-1000微米，但是優(yōu)選間隔800微米。一旦創(chuàng)建三個(gè)窗口，可用異丙醇清洗窗口并吹干。優(yōu)選地，用原子力顯微鏡成像窗口以確定它們的清潔度。還優(yōu)選地，配置第一窗口 220和第二窗口 225以進(jìn)行電接觸，而第三窗口 230可用作反應(yīng)區(qū)。
[0035]圖1還示例了用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法100的一個(gè)實(shí)施方案的第三和第四步驟，其為:加熱及融化DNA樣品109以及將DNA樣品冷卻至室溫112。優(yōu)選地加熱及融化通常為雙鏈未甲基化的XDNA的DNA樣品，從而在圖案配置中制備構(gòu)圖的DNA。通常加熱、融化及冷卻DNA樣品，從而分離DNA樣品的雙鏈并且產(chǎn)生單鏈DNA的一個(gè)或多個(gè)節(jié)段。盡管雙鏈DNA通常與石墨烯的粘合性較差，但單鏈DNA通常具有與石墨烯表面的高粘合性。另外,雖然該實(shí)施方案利用雙鏈未甲基化的λ DNA，但還可以使用其他類型的DNA。
[0036]通常通過(guò)將DNA樣品置于熱控室內(nèi)來(lái)進(jìn)行加熱及融化過(guò)程。當(dāng)在約70-110°C (優(yōu)選90°C)下加熱DNA樣品8-12分鐘時(shí)，通常也可融化DNA樣品。然而，應(yīng)理解，DNA樣品可通過(guò)任何方法或手段來(lái)融化，并且可接受任何的持續(xù)時(shí)間和溫度。在融化步驟完成后，通常將DNA樣品冷卻至室溫。
[0037]圖1還示出用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法100的一個(gè)實(shí)施方案的第五和第六步驟，其為:用緩沖溶液稀釋DNA樣品115以及將DNA成形物沉積至反應(yīng)區(qū)118。具體地，當(dāng)H0PG205 (與DNA樣品一起)冷卻至室溫時(shí)，通常將DNA樣品在緩沖溶液中稀釋。緩沖溶液通常為當(dāng)添加少量酸或堿時(shí)減少pH變化的任何水溶液。例如，本發(fā)明的一實(shí)施方案的緩沖溶液通常由約0.5-1.5摩爾氯化鉀(優(yōu)選I摩爾氯化鉀);約8-12毫摩爾三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽(優(yōu)選10毫摩爾三(羥甲基)氨基甲烷)；以及約8-12毫摩爾乙二胺四乙酸(優(yōu)選10毫摩爾乙二胺四乙酸)。然而，應(yīng)理解，任何類型的緩沖溶液都可使用。一旦用緩沖溶液稀釋DNA樣品，DNA樣品優(yōu)選地沉淀到HOPG的反應(yīng)區(qū)。
[0038]圖1還示出用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法100的一個(gè)實(shí)施方案的接下來(lái)四個(gè)步驟，其為:向反應(yīng)區(qū)應(yīng)用緩沖溶液121 ;孵育反應(yīng)區(qū)124 ;用去離子水漂洗反應(yīng)區(qū)127 ;以及分析第三窗口 100。具體地，緩沖溶液優(yōu)選地應(yīng)用于反應(yīng)區(qū)并且通常允許孵育。孵育期可以為20-40秒(優(yōu)選30秒)，但是可使用任何時(shí)間長(zhǎng)度，諸如I分鐘或半小時(shí)。孵育期終結(jié)后，反應(yīng)區(qū)優(yōu)選用去離子水漂洗以幫助除去緩沖溶液和任何過(guò)量的DNA。優(yōu)選地，成像該反應(yīng)區(qū)以確定其清潔度。
[0039]用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法100的第^ 和十二步驟為將高定向熱解石墨置于濕度控制室內(nèi)133以及向高定向熱解石墨應(yīng)用相對(duì)濕度136。具體地，在分析第三窗口的任何過(guò)量DNA和/或緩沖溶液130之后，H0PG205優(yōu)選被置于濕度控制室內(nèi)。通常向H0PG205應(yīng)用預(yù)設(shè)的相對(duì)濕度，由此通常導(dǎo)致薄水膜的形成。優(yōu)選地，相對(duì)濕度為70%，但是可應(yīng)用任何水平的相對(duì)濕度，諸如0-100%。另外,可使用任何溫度,諸如0-200°C,特別是因?yàn)槿魏晤愋偷臉O性蒸汽可形成在DNA樣品/HOPG上。
[0040]圖1還示出用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法100的最后兩個(gè)步驟，其為向第一窗口和第二窗口施加電壓139以及在溫的去離子水中漂洗H0PG142。當(dāng)H0PG205被置于溫度控制室內(nèi)時(shí)，兩個(gè)電引線210、215(如圖2所示)通常分別接觸H0PG205的第一窗口 220和第二窗口 225。優(yōu)選地，向H0PG205施加約5-15V(優(yōu)選10V)的電壓，并且所施加的電壓梯度為約2-6V/mm(優(yōu)選4V/mm)。然而，應(yīng)理解，可向H0PG205施加任何電壓而沒(méi)有背離本發(fā)明的范圍。一旦完成蝕刻周期，可在溫的去離子水中漂洗H0PG205。蝕刻周期優(yōu)選持續(xù)I分鐘，但是可將任何持續(xù)時(shí)間用于蝕刻。另外，漂洗周期優(yōu)選持續(xù)約20分鐘，但是可將任何持續(xù)時(shí)間用于漂洗。
[0041]圖2為用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)實(shí)施方案的示例并且示出布置在高定向熱解石墨的第一窗口和第二窗口之上的電引線。如圖2所示，用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法100的一個(gè)實(shí)施方案優(yōu)選包括:高定向熱解石墨(HOPG) 205和電引線210、215。電引線210、215優(yōu)選是向H0PG205提供電壓的任何導(dǎo)電機(jī)構(gòu)。在H0PG205被置于濕度控制室內(nèi)之后，電引線2 10、215優(yōu)選接觸H0PG205。然而，在H0PG205被置于濕度控制室內(nèi)之前，電引線210、215也可提供電接觸。電引線210、215通常提供約1V的電源，但是可供應(yīng)其他各種電壓，諸如5-25V。電引線210優(yōu)選向第一窗口 220提供接地，而電引線215向第二窗口 225供應(yīng)正電壓電荷(例如10V)。然而，應(yīng)理解，電引線210可提供正電壓電荷，而電引線215可提供接地。此外，通常提供接地的電引線210優(yōu)選包括連接在地面與HOPG之間的電阻器。盡管對(duì)1V電源而言通常使用8.9ohm電阻器，但可將任何類型的電阻器連接至地面。
[0042]而且，如上所述，H0PG205優(yōu)選包含第一窗口 220、第二窗口 225以及第三窗口 230。第一窗口 220優(yōu)選包括一個(gè)或多個(gè)配置為提供導(dǎo)電性的電極接頭并且優(yōu)選與電引線210連接。相似地，第二窗口 225同樣地優(yōu)選包括一個(gè)或多個(gè)電極接頭并且也優(yōu)選與另一電引線215連接。著重注意，盡管本發(fā)明敘述了電極的使用，但對(duì)本發(fā)明而言電極并不是必須的，因?yàn)槿魏螌?dǎo)電子層可布置在一層或多層石墨烯之下，而這對(duì)于制造過(guò)程而言是優(yōu)選的方法。
[0043]另外，雖然圖2示出接觸第一窗口 220的電引線210和接觸第二窗口 225的電引線215，但應(yīng)理解，電引線215可接觸第一窗口 220并且電引線210可接觸第二窗口 225。另外，雖然圖2示出在第一窗口 220和第二窗口 225之間的第三窗口 230，但第三窗口 230可布置在HOPG上的任何位置，諸如，第一窗口 220和/或第二窗口 225的左側(cè)或右側(cè)。如上所述，第一窗口 220和第二窗口 225優(yōu)選間隔約600-1000微米，但可隔開(kāi)任何距離。第三窗口 230優(yōu)選包括反應(yīng)區(qū)，并且優(yōu)選位于DNA樣品插入之處。
[0044]圖3為用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)實(shí)施方案的示例并且示出向反應(yīng)區(qū)應(yīng)用電壓和相對(duì)濕度之后第三窗口的反應(yīng)區(qū)的詳細(xì)視圖。如圖3所示，用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法100的H0PG205的一個(gè)實(shí)施方案優(yōu)選包括:第一窗口 220、第二窗口 225以及第三窗口 230。第三窗口 230的反應(yīng)區(qū)可包括一個(gè)或多個(gè)發(fā)生蝕刻的區(qū)域305，以及一個(gè)或多個(gè)未被洗掉或除去的過(guò)量DNA的部分310。出于圖3的目的，可用三角形代表發(fā)生蝕刻的區(qū)域305，并且過(guò)量DNA的部分的厚度可為約14納米。然而，本發(fā)明允許任何形狀的蝕刻或形成諸如圓圈、正方形以及直線，并且過(guò)量DNA的部分可具有任何厚度，諸如約8-12納米。
[0045]圖4為用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)實(shí)施方案的石墨烯表面和DNA樣品的示意圖并且示出當(dāng)向高定向熱解石墨應(yīng)用濕度時(shí)的雙層形成。如圖4所示，用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法100的一個(gè)實(shí)施方案的表面優(yōu)選包括:石墨烯表面403 ;帶負(fù)電荷的DNA樣品405 ;以及雙層408。石墨烯表面403優(yōu)選為HOPG的表面區(qū)域，但可為任何金屬或材料的表面。帶負(fù)電荷的DNA樣品405優(yōu)選為帶有一個(gè)或多個(gè)帶電的原子或原子團(tuán)的DNA樣品。雙層408或雙電層通常為當(dāng)物體置于液體中時(shí)出現(xiàn)在該物體表面上的結(jié)構(gòu)，并通常是指帶電物體周圍的三層顯著的水膜。雙層408優(yōu)選包括內(nèi)部亥姆霍茲平面410、外部亥姆霍茲平面415以及擴(kuò)散區(qū)420。內(nèi)部亥姆霍茲平面410優(yōu)選地為包含在石墨烯表面403附近部分溶解的離子的層的內(nèi)層或表面平面。外部亥姆霍茲平面415優(yōu)選為居留在內(nèi)層之上的完全溶解的離子的平面并且通常由經(jīng)由庫(kù)侖力與表面電荷相吸的離子組成，電篩選內(nèi)部亥姆霍茲平面410。擴(kuò)散層420優(yōu)選為居留在內(nèi)部亥姆霍茲平面410和外部亥姆霍茲平面415之外的區(qū)域并且通常與大部分液體連接。標(biāo)識(shí)w優(yōu)選代表與帶負(fù)電荷的DNA樣品405的距離并且在本文中優(yōu)選以納米為單位表示。
[0046]通常，置于包含正離子和負(fù)離子的水中的帶負(fù)電荷的物體獲得構(gòu)成電化學(xué)電容的篩選層。雙層408的這種電化學(xué)電容通常較大，并且出于閘門(mén)目的，可以有效地利用碳納米管(其經(jīng)常具有與DNA可比較的尺寸)。固定化正離子層形成于內(nèi)部亥姆霍茲平面410附近并且電壓通常線性增加直到該平面，如圖6所示。另一方面，帶負(fù)電荷的離子經(jīng)常聚集在外部亥姆霍茲平面415處并且電壓電勢(shì)通常線性遞減直到該平面。在該層中的帶負(fù)電荷的離子還優(yōu)選有助于離子導(dǎo)電性。在擴(kuò)散層420 (其使外部亥姆霍茲平面415與大部分水連接)處，電壓電勢(shì)以指數(shù)方式趨向于零。然而，因?yàn)楸景l(fā)明通常傾向于產(chǎn)生極薄的水膜，所述通常從未達(dá)到體積限度(bulk limit)，因此，橫跨水膜通常存在有限的電壓差。這種有限的電壓優(yōu)選是為蝕刻過(guò)程提供能量的電勢(shì)。
[0047]圖5為用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)實(shí)施方案的圖表并且示出水膜相對(duì)于相對(duì)濕度水平的距離。如圖5所示，該圖表示例了相對(duì)于內(nèi)部亥姆霍茲平面430 ;外部亥姆霍茲平面435 ；以及擴(kuò)散區(qū)域440的相對(duì)濕度。當(dāng)H0PG205與DNA樣品一起置于濕度控制室內(nèi)時(shí)，水膜通常形成在DNA樣品上，但是通常不形成于石墨烯表面上。通常發(fā)生這種情況是因?yàn)镈NA樣品的表面為親水的——即與水或其他極性物質(zhì)相互作用。另一方面，石墨烯表面通常為疏水的-即不與水相互作用。通常通過(guò)Branauer-Emmett-Teller (BET)
模型給出這種水膜厚度。例如，根據(jù)圖5，在本發(fā)明的一實(shí)施方案中，隨著距離w增加，相對(duì)濕度同樣在內(nèi)部亥姆霍茲平面430處增加直到約50%，在外部亥姆霍茲平面435處增加直到約70%，并且在擴(kuò)散區(qū)域440處增加直到約80%。距離w在這些區(qū)域也增加，分別約為0.3nm、0.45nm 以及 0.65nm。
[0048]圖6為用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)實(shí)施方案的圖表并且示出水膜相對(duì)于電壓電勢(shì)的厚度。如圖6所示，該圖表例示了當(dāng)向內(nèi)部亥姆霍茲平面445 ;外部亥姆霍茲平面450 ;以及擴(kuò)散區(qū)域455施加時(shí)，相對(duì)于距離w的電壓電勢(shì)ψ0如上所述，隨著距離w的增加，電壓電勢(shì)Ψ同樣增加直到內(nèi)部亥姆霍茲平面445。這通常歸因于在內(nèi)部亥姆霍茲平面445的帶負(fù)電荷的表面處形成固定化正離子。然而，電壓電勢(shì)Ψ在外部亥姆霍茲平面450之外遞減并且還在擴(kuò)散區(qū)域455處遞減。通常發(fā)生這種情況是因?yàn)閹ж?fù)電荷的離子聚集在外部亥姆霍茲平面450處，其通常有助于離子導(dǎo)電性。
[0049]除非另有說(shuō)明，本發(fā)明書(shū)中(包括在隨附的權(quán)利要求書(shū))所提到的所有測(cè)量、數(shù)值、等級(jí)、位置、量級(jí)、尺寸、定位以及其他技術(shù)參數(shù)均為近似的，而非精確的。它們旨在具有與其所涉及的功能相一致的以及其所涉及的領(lǐng)域內(nèi)常規(guī)的合理范圍。另外，本申請(qǐng)中所提到的數(shù)值也極大地依賴于相對(duì)于微晶而使用的石墨烯的品質(zhì)。
[0050]出于示例和描述的目的，已提供本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的以上描述。雖然公開(kāi)了許多實(shí)施方案，但依據(jù)示出和描述本發(fā)明示例性實(shí)施方案的上述詳述，本發(fā)明的其他實(shí)施方案對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。應(yīng)意識(shí)到，本發(fā)明能夠修改各種明顯的方面，均未背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，詳述被認(rèn)為在本質(zhì)上是示例的，而非限制的。而且，盡管沒(méi)有明確敘述，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案都可以彼此組合或聯(lián)合實(shí)踐。此外，本發(fā)明的特定實(shí)施方案的參考或非參考都不應(yīng)該被解釋為限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍旨在不被這種詳述所限制，而是被隨附的權(quán)利要求及權(quán)利要求的等同物所限。
[0051] 除了上文所述之外，說(shuō)明或示例的內(nèi)容不旨在或不應(yīng)解釋為使任何組分、步驟、特征、目的、益處、優(yōu)勢(shì)或等同物對(duì)公眾而言是捐獻(xiàn)的，無(wú)論其是否在權(quán)利要求中敘述。
【權(quán)利要求】
1.用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，步驟包括: 提供一塊聞定向熱解石墨； 將DNA樣品沉積至所述聞定向熱解石墨塊； 將所述高定向熱解石墨塊置于濕度控制室內(nèi)； 向所述高定向熱解石墨塊應(yīng)用濕度；以及 橫跨所述第一窗口和所述第二窗口施加電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其中用抗蝕劑涂覆所述高定向熱解石墨塊。
3.如權(quán)利要求2所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其中所述高定向熱解石墨塊具有第一窗口、第二窗口以及第三窗口 ； 其中所述第一窗口和所述第二窗口包括一個(gè)或多個(gè)配置為接收電壓的電極接頭；并且 其中所述第三窗口的一部分包括配置為接收所述DNA樣品的反應(yīng)區(qū)； 將所述DNA樣品沉積至所述高定向熱解石墨塊的所述反應(yīng)區(qū)。
4.如權(quán)利要求3所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其中所述第一窗口和所述第二窗口布置為相距約600-1000微米。
5.如權(quán)利要求4所 述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其還包括步驟: 用原子力顯微鏡分析所述第一窗口、所述第二窗口以及所述第三窗口。
6.如權(quán)利要求5所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其還包括步驟: 加熱及融化所述DNA樣品；以及 將所述DNA樣品冷卻至室溫。
7.如權(quán)利要求6所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其還包括步驟: 用緩沖溶液稀釋所述DNA樣品。
8.如權(quán)利要求7所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其中所述緩沖溶液為約0.5-1.5摩爾氯化鉀；約8-12毫摩爾三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽；以及約8-12毫摩爾乙二胺四乙酸。
9.如權(quán)利要求8所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其中所述電壓為約2-6V/_的電壓梯度。
10.如權(quán)利要求9所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其中所述DNA樣品為雙鏈未甲基化的ADNA。
11.如權(quán)利要求10所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其還包括步驟: 在溫的去離子水中漂洗所述DNA樣品。
12.用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，步驟包括: 提供一塊聞定向熱解石墨； 其中所述高定向熱解石墨塊具有第一窗口、第二窗口以及第三窗口 ； 其中所述第一窗口和所述第二窗口包括一個(gè)或多個(gè)配置為接收電壓的電極接頭； 其中所述第三窗口的一部分包括配置為接收DNA樣品的反應(yīng)區(qū)； 將所述DNA樣品沉積至所述反應(yīng)區(qū)； 加熱及融化所述DNA樣品； 將所述DNA樣品冷卻至室溫；用緩沖溶液稀釋所述DNA樣品； 向所述反應(yīng)區(qū)應(yīng)用所述緩沖溶液； 孵育所述反應(yīng)區(qū)； 用去離子水漂洗所述反應(yīng)區(qū)以除去所述緩沖溶液和過(guò)量的所述DNA樣品； 將所述高定向熱解石墨塊置于溫度控制室內(nèi)； 向所述高定向熱解石墨塊應(yīng)用相對(duì)濕度； 橫跨所述第一窗口和所述第二窗口施加電壓約1-2分鐘；以及 在溫的去離子水中漂洗所述高定向熱解石墨塊。
13.如權(quán)利要求12所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其中使用電子束光刻通過(guò)掃描電子顯微鏡來(lái)蝕刻所述第一窗口、所述第二窗口以及所述第三窗口。
14.如權(quán)利要求13所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其還包括步驟: 用原子力顯微鏡分析所述第一窗口、所述第二窗口以及所述第三窗口。
15.如權(quán)利要求14所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其中所述第一窗口和所述第二窗口布置為相距約600-1000微米。
16.如權(quán)利要求15所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其中所述DNA樣品為雙鏈未甲基化的XDNA。
17.如權(quán)利要求16所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其中在約70-110°C下進(jìn)行所述加熱及融化步驟約8-12分鐘。
18.如權(quán)利要求17所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其中所述緩沖溶液為約0.5-1.5摩爾氯化鉀；約8-12毫摩爾三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽；以及約8-12毫摩爾乙二胺四乙酸。
19.如權(quán)利要求18所述的用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，其中所述應(yīng)用的相對(duì)濕度為約 60-90%。
20.用于蝕刻石墨烯納米結(jié)構(gòu)的方法，步驟包括: 提供一塊聞定向熱解石墨； 其中用聚甲基丙烯酸甲酯抗蝕劑涂覆所述高定向熱解石墨塊； 其中所述高定向熱解石墨具有第一窗口、第二窗口和第三窗口 ； 其中使用電子束光刻通過(guò)掃描電子顯微鏡來(lái)蝕刻所述第一窗口、所述第二窗口和所述第三窗口 ； 其中所述第一窗口和所述第二窗口包括一個(gè)或多個(gè)配置為接收電壓的電極接頭； 其中所述第一窗口和所述第二窗口布置為相距約600-1000微米； 用原子力顯微鏡分析所述第一窗口、所述第二窗口和所述第三窗口 ； 其中所述第一窗口和所述第二窗口包括一個(gè)或多個(gè)配置為進(jìn)行電接觸的電極； 其中所述第三窗口的一部分包括配置為接收雙鏈未甲基化的XDNA的反應(yīng)區(qū)； 將所述雙鏈未甲基化的λ DNA沉淀于所述反應(yīng)區(qū)； 在約70-110°C下加熱及融化所述雙鏈未甲基化的λ DNA約8-12分鐘； 將所述雙鏈未甲基化的λ DNA冷卻至室溫； 用緩沖溶液稀釋所述雙鏈未甲基化的λ DNA; 其中所述緩沖溶液為約0.5-1.5摩爾氯化鉀；大約8-12毫摩爾三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽；以及約8-12毫摩爾乙二胺四乙酸； 向所述反應(yīng)區(qū)應(yīng)用所述緩沖溶液； 孵育所述反應(yīng)區(qū)約20-40秒； 用去離子水漂洗所述反應(yīng)區(qū)以除去所述緩沖溶液和過(guò)量的DNA ； 用所述原子力顯微鏡分析所述第三窗口； 將所述高定向熱解石墨塊置于濕度控制室內(nèi)； 向所述高定向熱解石墨塊應(yīng)用約60-90%的相對(duì)濕度； 橫跨所述第一窗口和所述第二窗口施加約2-6V/_的電壓梯度約1-2分鐘；以及 在溫的去離子水中漂洗所述高定向熱解石墨塊。
【文檔編號(hào)】B82B3/00GK104080927SQ201280067561
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2012年10月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月19日
【發(fā)明者】邁克爾·詹姆斯·達(dá)令 申請(qǐng)人:邁克爾·詹姆斯·達(dá)令