CN102867851B

CN102867851B - 离子束流信号放大器及其制造方法

Info

Publication number: CN102867851B
Application number: CN201210328956.5A
Authority: CN
Inventors: 弓晓晶; 王建峰; 徐科; 刘争晖; 徐耿钊
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: CN102867851A

Abstract

本发明提供一种离子束流信号放大器，包括一支撑衬底及覆盖于支撑衬底表面的二维晶体薄膜覆盖层，在沿垂直支撑衬底与二维晶体薄膜覆盖层接触面的方向，具有一纳米孔道，纳米孔道贯穿支撑衬底及二维晶体薄膜覆盖层，纳米孔道允许离子通过。本发明的优点在于，利用覆盖支撑衬底表面的二维晶体薄膜覆盖层形成的场效应管（FET）效应，将穿过纳米管道的离子束流微弱pA级信号放大数倍，提高测量信噪比。本发明对于实现各种高性能探测的微纳半导体微流器件中的离子信号具有重要作用。

Description

离子束流信号放大器及其制造方法

技术领域

本发明涉及微纳流器件与工艺技术领域，尤其涉及一种离子束流信号放大器及其制造方法。

背景技术

由于在纳米孔道中的物质会表现出与宏观不同的新颖特性，因此基于纳米孔道的各种纳米器件在生物传感、诊断和分离等方面都存在巨大的应用前景。这些新奇的应用源于一个非常简单的概念：将单个分子穿过纳米级孔道，能够穿过纳米孔道的分子就可以被探测到，从而实现传感、诊断的功能，与不能穿过的分子实现分离的功能。

纳米孔道可以由无机固态、生物或者仿生材料组成。生物孔道是蛋白质分子，提取大量的这种复杂的蛋白分子并使得他们在适于工业用途的非正常生理环境下保持活性是相当困难的。与生物孔道相比，无机纳米孔道耐用的多，结构也比较简单，相对的可以大量制备。比如，碳纳米管，目前已经可以大批量生产，关于其他材料的纳米孔道的制备研究也在蓬勃开展。但是利用生长方法获得的纳米孔道尺寸控制、端口开口、工艺复杂等难题使得大规模集成这些由碳纳米管或者其他纳米孔道的微纳流器件还存在很多问题。聚焦离子束（FIB，Focused Ion Beam）技术可以加工出孔径均一的纳米孔道，对于形成纳米孔道阵列结构提供了技术支持。

流过纳米孔道中的离子束流一般在pA量级，这个量级可能落在测量仪器的误差范围内（0.1-1pA），造成信噪比低，因此除了研发更高测量精度的科学装备，如何在器件制备中利用放大器原理放大离子束流，提高信噪比是一个巨大的挑战。场效应晶体管（FET）是在称为门极端子（相当于双极性晶体管的基极）上加电压来控制漏极电流（相当于双极性晶体管的集电极电流）的电压控制型的放大元件，常集成在器件中作为放大元件。当DNA分子或者不同带电的离子穿过纳米孔道时（用来做DNA快速识别或者离子高效筛选），纳米孔道中的离子束流会发生变化，由于在纳米尺度效应作用下，分子或离子穿过管道的速度很快，引起管内离子束流的变化也非常快，已有的放大器的带宽通常在KHz范围，很难响应、分辨、记录管内电流变化，因此为了实现将纳米管道内电流快速变化记录、放大，放大器的带宽需要至少在MHz以上。

石墨烯、硫化钼、硒化铌等二维晶体薄膜层，由于在某一维度受到纳米尺度效应的影响，具有新奇的物理化学特性。其中以石墨烯为例，石墨烯是由碳原子组成的极薄层状材料，最薄可到单原子层，可利用化学气相沉积，机械解理等特定条件制得，是一种零带隙、半金属的二维材料。石墨烯中的载流子运动速度可达到光速的1/300，其电子迁移率实验测量值超过15000cm²/vs（载流子浓度n≈10¹³cm^-2），在10～100K范围内，迁移率几乎与温度无关。此外，石墨烯具有较低的载流子注入势垒，热力学稳定性强。这些性质是利用其形成带宽在MHz以上场效应晶体管（FET）的物理基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种带宽在MHz以上的离子束流信号放大器及其制造方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种离子束流信号放大器，包括一支撑衬底及覆盖于所述支撑衬底表面的二维晶体薄膜覆盖层，在沿垂直支撑衬底与二维晶体薄膜覆盖层接触面的方向，具有一纳米孔道，所述纳米孔道沿垂直支撑衬底与二维晶体薄膜覆盖层的接触面的方向贯穿所述支撑衬底及二维晶体薄膜覆盖层，所述纳米孔道允许离子通过。

进一步，所述支撑衬底的材料选自于III-V族化合物半导体、II-VI族化合物半导体、IV族化合物半导体以及单质半导体中的一种。

进一步，所述二维晶体薄膜覆盖层材料选自于单层或多层石墨烯、硫化钼、硒化铌中的一种。

一种上述的离子束流信号放大器的制备方法，包括以下步骤：

（1）提供一支撑衬底，所述支撑衬底由晶体材料构成；（2）在支撑衬底表面形成二维晶体薄膜覆盖层；（3）利用离子束聚焦在沿垂直支撑衬底与二维晶体薄膜覆盖层接触面的方向形成纳米孔道。

可选地，步骤（2）进一步包括如下方法：

（21）提供一生长衬底；（22）利用化学气相沉积的方法在生长衬底上制备二维晶体薄膜薄膜；（23）将生长衬底置于生长衬底的腐蚀液中，使二维晶体薄膜薄膜从生长衬底上剥离并漂浮在液面上；（24）用支撑衬底的支撑面将二维晶体薄膜从溶液中捞起，二维晶体薄膜材料的表面张力使得二维晶体薄膜铺展并吸附在支撑衬底上，从而在支撑衬底上形成二维晶体薄膜覆盖层。

可选地，步骤（2）进一步包括如下方法：

（21）提供一石墨片；（22）将石墨片的两面贴敷胶膜；（23）撕开胶膜从而将石墨片一分为二；重复上述（22）、（23）步骤，使石墨薄片越来越薄，最终获得石墨烯薄膜；（24）将石墨烯薄膜转移到支撑衬底上，从而在支撑衬底上覆盖石墨烯薄膜覆盖层。

可选地，步骤（2）进一步包括如下方法：

（21）提供一生长衬底；（22）利用化学气相沉积的方法在生长衬底上制备二维晶体薄膜；（23）在二维晶体薄膜上涂敷粘附层，形成粘附层与二维晶体薄膜的复合薄膜层；（24）将生长衬底置于生长衬底的化学腐蚀液中，使所述复合薄膜层从生长衬底上剥离并漂浮在液面上；（25）将所述复合薄膜层压印在支撑衬底上；（26）将粘附层去除，从而在支撑衬底上形成二维晶体薄膜覆盖层。

本发明的优点在于，利用覆盖支撑衬底表面的二维晶体薄膜覆盖层形成的场效应管（FET）效应，其纳米尺寸局域效应使得这种二维晶体薄膜FET对于局域电子变化非常敏感，响应带宽可达到GHz量级。将穿过纳米管道的离子束流微弱pA级信号放大数倍，提高测量信噪比。本发明对于实现各种高性能探测的微纳半导体微流器件中的离子信号具有重要作用。

附图说明

图1所示为本发明离子束流信号放大器结构示意简图；

图2A~图2F为本发明离子束流信号放大器的制备方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的离子流束信号放大器及其制备方法的具体实施方式做详细说明。

图1所示为本发明离子束流信号放大器结构示意简图。参见图1所示，离子束流信号放大器包括一支撑衬底1、二维晶体薄膜覆盖层2及纳米孔道3。所述支撑衬底1的材料选自于III-V族化合物半导体、II-VI族化合物半导体、IV族化合物半导体以及单质半导体中的一种。所述二维晶体薄膜覆盖层2覆盖于所述支撑衬底1的表面，在本实施方式中，所述支撑衬底1与二维晶体薄膜覆盖层2的接触面的面积小于支撑衬底1表面的面积，当然，若支撑衬底1与二维晶体薄膜覆盖层2的接触面的面积也可以等于支撑衬底表面的面积，在本发明中没有具体限制。所述二维晶体薄膜覆盖层2的材料选自于单层或多层石墨烯、硫化钼、硒化铌中的一种。在沿垂直支撑衬底与二维晶体薄膜覆盖层接触面的方向，一纳米孔道3贯穿所述支撑衬底1及二维晶体薄膜覆盖层2，所述纳米孔道3允许离子通过。当接触面的面积小于支撑衬底1表面的面积时，所述纳米孔道3可以但是不限于形成于支撑衬底1与二维晶体薄膜覆盖层2接触面的边缘，如附图1所示。

本发明离子束流信号放大器利用覆盖支撑衬底表面的二维晶体薄膜覆盖层形成的场效应管（FET）效应，其纳米尺寸局域效应使得这种二维晶体薄膜FET对于局域电子变化非常敏感，响应带宽可达到GHz量级。将穿过纳米管道的离子束流微弱pA级信号放大数倍，提高测量信噪比。

下面提供本发明所述方法的第一具体实施方式，包括如下步骤：步骤S10，提供一支撑衬底，所述支撑衬底由晶体材料构成；步骤S11，提供一生长衬底；步骤S12，采用化学气相沉积的方法在生长衬底上制备二维晶体薄膜层；步骤S13，将生长衬底置于生长衬底的腐蚀液中，使二维晶体薄膜从生长衬底上剥离并漂浮在液面上；步骤S14，用支撑衬底的支撑面将二维晶体薄膜从溶液中捞起，二维晶体薄膜层材料的表面张力使得二维晶体薄膜铺展并吸附在支撑衬底上，形成二维晶体薄膜覆盖层；步骤S15，利用离子束刻蚀技术，将二维晶体薄膜覆盖层加工为规则的条带状阵列结构；步骤S16，利用聚焦离子束技术（FIB），在沿垂直支撑衬底与二维晶体薄膜覆盖层接触面的方向制备纳米孔道。

步骤S10中，所述支撑衬底的材料可以但不限于是III-V族化合物半导体、II-VI族化合物半导体、IV族化合物半导体以及单质半导体中的一种。

步骤S11中，生长衬底的材料的要求非常宽泛，很多常见的衬底材料，例如单晶硅、蓝宝石、玻璃甚至于金属衬底都可以满足要求。

步骤S12中，关于化学气相沉积法的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙述。

步骤S13中，腐蚀液会首先腐蚀二维晶体薄膜和生长衬底的边缘接触部分，边缘的二维晶体薄膜受到腐蚀后受到液体的浮力作用而与生长衬底分离，促使腐蚀液进一步向中心部分腐蚀，最终将两者分离。

步骤S14中，二维晶体薄膜层会漂浮在液面上，将支撑衬底从溶液中由下而上的捞起，自然会将二维晶体薄膜铺展并吸附在支撑衬底上。

步骤S15中，此步骤为可选步骤。关于离子束刻蚀技术的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙述。

步骤S16中，关于FIB技术的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙述。

接下来提供本发明所述方法的第二具体实施方式，包括如下步骤：步骤S20，提供一支撑衬底，所述支撑衬底由晶体材料构成；步骤S21，提供一石墨片；步骤S22，将石墨片的两面贴敷胶膜；步骤S23，撕开胶膜从而将石墨片一分为二；步骤S24，重复步骤22、步骤23，使石墨薄片越来越薄，最终获得石墨烯薄膜；步骤S25，用将石墨烯薄膜转移到支撑衬底上，从而在支撑衬底上覆盖石墨烯薄膜覆盖层；步骤S26，利用离子束刻蚀技术，将石墨烯薄膜覆盖层加工为规则的条带状阵列结构；步骤S27，利用FIB技术，在沿垂直支撑衬底与石墨烯薄膜覆盖层接触面的方向制备纳米孔道。

步骤S20与前一具体实施方式相同，不再赘述。

步骤S21中，所述石墨片的分子结构是由呈六角形排列的单层原子层重叠构成的层状结构，可以作为采用物理法分离石墨烯的原料。

步骤S22中，所述胶膜的材料是以聚乙烯为胶膜的基材，另一面复合有胶粘剂，即普通所见的透明胶带。

步骤S23中，由于胶膜和石墨片之间的结合力大于石墨片层状结构之间的结合力，故可以将石墨片一分为二。

步骤S24中，重复操作，石墨片越来越薄，当胶膜表面的呈六角形排列的单层原子层的层数在数百层甚至更小时，即在胶膜表面通过物理分割的方法获得了石墨烯材料。

步骤S25中，由于半导体表面具有电荷的缘故会呈现亲水性，容易吸附水及水合碳。当达到步骤S24中所述情形时，胶膜表面粘附了数百层甚至更少层数时候，远离胶膜表面一侧的石墨烯受到半导体表面的亲水相互作用，这种亲水相互作用导致的石墨烯与半导体表面结合力大于胶膜上石墨片层结构之间的结合力，故可以将胶膜表面吸附的石墨烯转移到半导体的表面。具体实施方式已属于公知技术，非常成熟。

步骤S26与S27与前一具体实施方式相同，不再赘述，其中，步骤S26为可选步骤。

接下来提供本发明所述方法的第三具体实施方式，包括如下步骤：步骤S30，提供一支撑衬底，所述支撑衬底由晶体材料构成；步骤S31，提供一生长衬底；步骤S32，选用化学气相沉积的方法在生长衬底上制备二维晶体薄膜；步骤S33，在二维晶体薄膜上涂敷粘附层，形成粘附层与二维晶体薄膜的复合薄膜层；步骤S34，将生长衬底置于能够腐蚀生长衬底的化学腐蚀液中，使复合薄膜层从生长衬底上剥离并漂浮在液面上；步骤S35，将复合薄膜层压印在支撑衬底的支撑面上；步骤S36，将粘附层去除，从而在支撑衬底上形成二维晶体薄膜覆盖层；步骤S37，利用离子束刻蚀技术，将二维晶体薄膜覆盖层加工为规则的条带状阵列结构；步骤S38，利用FIB技术，在沿垂直支撑衬底与二维晶体薄膜覆盖层接触面的方向制备纳米孔道。

步骤S30与步骤S32与第一具体实施方式相同，不再赘述。

步骤S33中，粘附层的材料可以是二甲基硅氧烷（PDMS）。

步骤S34中，腐蚀原理请参考第一具体实施方式中的步骤S13。

步骤S35中，由于粘附层具有一定的机械强度，起到了支撑作用，因此可以采用压印的方法。

步骤S36中，除去粘附层可以采用溶解或者选择性腐蚀的方法，例如用酒精或丙酮等有机溶剂将PDMS材料溶解。

步骤S37与步骤S38与第一具体实施方式相同，不再赘述，其中步骤S37为可选步骤。

下面以GaN晶体作为支撑衬底，石墨烯作为二维晶体薄膜覆盖层为例给出一实施例。

步骤一，参考附图2A，石墨烯薄膜制备：选用化学气相沉积的方法在生长衬底100的表面制备石墨烯薄膜110，关于化学气相沉积法的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙述。本步骤需要为化学气相沉积工艺提供单独的生长衬底100。化学气相沉积法的工艺能够在生长衬底100表面形成石墨烯薄膜，且此工艺对生长衬底100材料的要求非常宽泛，很多常见的衬底材料，例如单晶硅、蓝宝石、玻璃甚至于金属衬底都可以满足要求。所述石墨烯薄膜110也可以采用湿化学法生长。

步骤二，参考附图2B，在石墨烯薄膜110上旋涂聚二甲基硅氧烷（PDMS）层130，由于PDMS有一定的粘性，可以粘附石墨烯薄膜层，并利用化学方法腐蚀石墨烯衬底，从而将石墨烯薄膜层从生长衬底上剥离。例如将生长衬底100置于能够腐蚀生长衬底的化学腐蚀液中，使石墨烯薄膜110与二甲基硅氧烷（PDMS）层130从生长衬底100上剥离并漂浮在液面上。

步骤三，GaN晶体的清洗：用丙酮、酒精等有机溶剂清洗GaN晶体的表面。

步骤四，参考附图2C，将石墨烯薄膜110与PDMS层130构成的复合薄膜层压印在GaN晶体120表面。

步骤五，参考附图2D，用酒精或丙酮等有机溶剂将PDMS层130溶解，从而实现了石墨烯薄膜110到GaN晶体120上的转移。

步骤六，参考附图2E, 利用离子束刻蚀技术，将石墨烯薄膜覆盖层110加工为规则的条带状阵列结构。

步骤七，参考附图2F, 利用聚焦离子束（FIB）技术，在沿垂直支撑衬底即GaN晶体120与条带状的石墨烯薄膜覆盖层110接触面的方向制备纳米孔道140。

下面以GaN晶体作为支撑衬底，石墨烯作为二维晶体薄膜覆盖层为例为例给出另一实施例。

步骤二，直接将带有石墨烯薄膜的生长衬底置于能够腐蚀生长衬底的化学腐蚀液中，使石墨烯薄膜从生长衬底上剥离并漂浮在液面上。

步骤三，清洗GaN晶体的表面。

步骤四，用GaN晶体将石墨烯薄膜从溶液中捞起，石墨烯材料的表面张力使得石墨烯薄膜铺展并吸附在GaN晶体的表面，从而在GaN晶体表面形成石墨烯薄膜覆盖层。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种离子束流信号放大器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）提供一支撑衬底，所述支撑衬底由晶体材料构成；（2）在支撑衬底表面形成二维晶体薄膜覆盖层；（3）利用离子束聚焦在沿垂直支撑衬底与二维晶体薄膜覆盖层接触面的方向形成纳米孔道；步骤（2）进一步包括如下方法：（21）提供一生长衬底；（22）利用化学气相沉积的方法在生长衬底上制备二维晶体薄膜；（23）在二维晶体薄膜上涂敷粘附层，形成粘附层与二维晶体薄膜的复合薄膜层；（24）将生长衬底置于生长衬底的化学腐蚀液中，使所述复合薄膜层从生长衬底上剥离并漂浮在液面上；

（25）将所述复合薄膜层压印在支撑衬底上；（26）将粘附层去除，从而在支撑衬底上形成二维晶体薄膜覆盖层。