JP2021047189A - グラフェン系マルチモーダルセンサー - Google Patents

Abstract

【課題】グラフェン系マルチモーダルセンサーを提供する。【解決手段】複合膜構造物を製造するための方法は、複合膜構造物の金属層にとって所望の形態を決定するステップ、決定に基づいて、第１の金属基板を選択するステップ、第１の金属基板上にグラフェン層を転写するステップ、グラフェン層上に金属層を堆積させて所望の形態を得るステップ、ならびに、グラフェンおよび堆積させた金属層から第１の金属基板を除去して、複合膜構造物を形成するステップを含む。第１の金属基板と堆積させた金属層の間の表面エネルギーの相違が、金属層の所望の形態をもたらす。【選択図】なし

Description

関連出願の相互参照
本出願は、「Ｇｒａｐｈｅｎｅ−ｂａｓｅｄ Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄａｌ Ｓｅｎｓｏｒ
ｓ」の名称で２０１５年１０月７日に出願された米国仮特許出願第６２／２３８，４８９
号明細書および「Ｇｒａｐｈｅｎｅ−ｂａｓｅｄ Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄａｌ Ｓｅｎｓｏ
ｒｓ」の名称で２０１５年１０月７日に出願された米国仮特許出願第６２／２３８，４９
５号明細書の優先日の利益を主張する。これらの仮出願の全内容は、本明細書に、参照に
より組み込まれる。

本発明は、センサーに関する。

グラフェンは、いくつかの魅力的な特徴を有する。これは、金属膜と比較して可撓性か
つ伸張可能であり、導電性かつ透明であり、大面積での成長および多くの基板への転写に
適しており、その結晶粒は、１ｃｍに達する寸法におよび得る。

開示するマルチモーダルセンサーは、機械的刺激（引張ひずみ、圧縮ひずみ）に対して
電気的な応答を発生することができるだけでなく、ラマン分光法による局所的な化学的環
境を評価する表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）の基板としての役割を果たすことができる
。

本明細書に開示するセンサーおよび方法は、前例のない高感度（１％のひずみでのゲー
ジ率が約７００）、０．００１％のひずみ〜１０％を上回るひずみの有効範囲、および良
好なサイクル性を有する、ひずみセンサーに関する。

開示するセンサーおよび方法は、リモートラマンセンシングへの適用が可能な、光ファ
イバーの先端上に堆積したグラフェン支持ＳＥＲＳ基板も含む。

本明細書に開示するシステムおよび方法は、力学的ひずみセンサーを使用して、心筋細
胞の収縮を測定する、最初の実証を提供する。センサー基板上に心筋細胞を培養すること
により、本明細書に開示するセンサーおよび方法を使用して、自発的および刺激による心
筋細胞の収縮を、記録および分析することが可能である。本明細書に開示するひずみセン
サーは、構造ヘルスモニタリング（土木工学、航空学）、バイオメトリクスの取得（心拍
数、動き検出）、地下水汚染の試験、インビボの生化学分析（光ファイバーカテーテル法
）および創薬（新規薬物のスクリーニング、心臓毒性の研究）のために使用することもで
きる。

１つの態様において、複合膜構造物を製造するための方法は、複合膜構造物の金属層に
とって所望の形態を決定するステップ、決定に基づいて、第１の金属基板を選択するステ
ップ、第１の金属基板上にグラフェン層を転写するステップ、グラフェン層上に金属層を
堆積させて所望の形態を得るステップ、ならびに、グラフェンおよび堆積させた金属層か
ら第１の金属基板を除去して、複合膜構造物を形成するステップを含む。第１の金属基板
と堆積させた金属層の間の表面エネルギーの相違が、金属層の所望の形態をもたらす。

実施は、以下の特徴のうち１つまたは複数を含むことができる。所望の形態は、ナノア
イランドを含むことができる。金属層中のナノアイランドの縁部の間の間隔は、分子寸法
のオーダーであり得る。金属層を堆積させるステップは、金属原子の蒸着フラックスの堆
積を含むことができる。金属原子の蒸着フラックスは自己集合して、所望の形態を得るこ
とができる。金属原子の蒸着フラックスは、電子ビーム蒸着、熱蒸着またはスパッタリン
グにより生成することができる。第１の金属基板上にグラフェン層を転写するステップは
、第２の金属基板上に成長させたグラフェンを剥離すること、および第１の金属基板上に
グラフェン層を配置することを含むことができる。グラフェンは、単層のグラフェンを含
むことができる。グラフェンは、化学蒸着を使用して第２の金属基板上に成長させること
ができる。第１の金属基板は、遷移金属を含むことができる。遷移金属は、金、銀または
ニッケルを含むことができる。

実施は、以下の特徴のうち１つまたは複数を含むことができる。表面増強ラマン散乱の
ための基板を形成する方法は、第１の金属基板上にグラフェン層を堆積させるステップ、
グラフェン層上に複数の金属ナノアイランドを堆積させるステップ、グラフェンおよび堆
積させた複数の金属ナノアイランドから、第１の金属基板を除去して、表面増強ラマン散
乱のための基板を形成するステップを含むことができる。被験物質の表面増強ラマン散乱
を行う方法は、表面増強ラマン散乱のための基板を形成するステップ、光ファイバー上に
、基板を転写するステップ、基板上の被験物質を被覆するステップ、および被験物質から
の表面増強ラマン散乱のシグナルを記録するステップを含むことができる。複数の金属ナ
ノアイランドは、プラズモン的に活性な金属を含むことができる。プラズモン的に活性な
金属は、銅、銀、パラジウム、金または白金のナノアイランドを含むことができる。

別の態様において、薄膜ひずみセンサーを製造する方法は、第１の金属基板上にグラフ
ェン層を堆積させるステップ、グラフェン層上に金属層を堆積させるステップ、グラフェ
ン層および金属層上にポリマーを適用するステップ、および第１の金属基板をエッチング
して、４桁にわたるひずみを検出することができるひずみセンサーを形成するステップを
含む。

実施は、以下の特徴のうち１つまたは複数を含むことができる。金属層は、パラジウム
を含むことができ、第１の金属基板は、銅を含み、ポリマーは、ポリジメチルシロキサン
を含む。

別の態様において、試料における力学的運動を検出する方法は、試料を複合膜構造物と
接触させること、および複合膜構造物を使用して、力学的運動により引き起こされる電気
的シグナルを測定することを含む。複合膜構造物は、グラフェン層上に堆積させた金属層
、ならびにグラフェン層および金属層上のポリマー層を含む。

実施は、以下の特徴のうち１つまたは複数を含むことができる。試料は、航空機の構成
要素を含むことができ、力学的運動は、航空機の構成要素の屈曲を含むことができる。力
学的運動の検出は、構造物中の亀裂の検出を含むことができる。試料は、生体試料を含む
ことができ、複合膜構造物は、身体の外側で使用される。生体試料は、器官を含むことが
でき、器官は、周囲空気との接触面を有する。力学的運動は、生理学的情報を伝達するこ
とができる。生理学的情報は、心拍数、脈圧、筋肉の動き、呼吸のうち１つまたは複数を
含むことができる。身体は、ヒトの身体の一部であり、ヒトの身体の一部は、周囲空気と
の接触面を有する。力学的運動は、生理学的情報を伝達することができる。生理学的情報
は、心拍数、脈圧、筋肉の動きおよび呼吸のうち１つまたは複数を含むことができる。複
合膜構造物は、皮膚または衣服へのウェアラブルセンサーの一部であり得る。ウェアラブ
ルセンサーは、触覚への適用のために使用することができる。ウェアラブルセンサーは、
機器を備えたプロテーゼにおいて使用することができる。

複合膜構造物は、ヒトの身体の外側での適用において使用することができる。複合膜構
造物は、ヘルスケア適用において使用することができる。

グラフェン層は、金属層がグラフェン層上に堆積する前に、第１の金属基板上に堆積さ
せることができ、ポリマーは、グラフェン層および金属層上に適用することができる。

本方法は、試料を複合膜構造物と接触させる前に、第１の金属基板をエッチングするこ
とをさらに含むことができる。

試料を複合膜構造物と接触させることは、複合膜構造物を試料上に転写することによっ
て試料を複合膜構造物で被覆することを含むことができる。

試料は、生体細胞を含む。生体細胞は、心筋細胞、ニューロン、筋細胞および上皮細胞
のうち１つまたは複数を含む。金属層は、金ナノアイランドを含み、ポリマーは、ポリメ
チルメタクリレートを含む。

別の態様において、基板は、グラフェン層、グラフェン層上の複数の金属ナノアイラン
ドを含み、複数のナノアイランド中のナノアイランドの縁部の間の間隔は、分子寸法のオ
ーダーである。基板は、表面増強ラマン散乱のために構成することができる。

実施は、以下の特徴のうち１つまたは複数を含むことができる。グラフェンは、単層の
グラフェンを含み、複数の金属ナノアイランドは、金ナノアイランドを含む。

別の態様において、ひずみセンサーは、グラフェン層、グラフェン層上の金属層、なら
びにグラフェン層および金属層上のポリマーを含む。ひずみセンサーのピエゾ抵抗は、４
桁にわたるひずみを検出することを可能にし得る。

実施は、以下の特徴のうち１つまたは複数を含むことができる。金属層は、パラジウム
を含むことができ、第１の金属基板は、銅を含むことができ、ポリマーは、ポリジメチル
シロキサンを含むことができる。グラフェン層は、金属層を通じた亀裂伝搬を抑制するよ
うに構成することができる。ひずみセンサーの１％のひずみでのゲージ率は、少なくとも
１３００であり得る。

別の態様において、生体試料における力学的運動を検出する方法は、複合膜構造物を生
体試料上に転写することにより、生体試料を複合膜構造物で被覆することを含む。本方法
は、複合膜構造物を使用して、力学的運動により引き起こされる電気的シグナルを測定す
ることを含む。複合膜構造物は、グラフェン層上に堆積させた金属層、ならびにグラフェ
ン層および金属層上のポリマー層を含み、生体試料は、設計され、培養され、もしくは採
取された、細胞または組織、および／あるいは内部器官を含む。

実施は、以下の特徴のうち１つまたは複数を含むことができる。生体試料は、培養細胞
を含み、培養細胞は、心筋細胞、ニューロン、筋細胞および上皮細胞のうち１つまたは複
数を含む。生体試料は、培養組織を含む。培養組織は、筋細胞を含む。生体試料は、内部
器官を含む。内部器官は、心臓を含む。グラフェン層は、金属層が、グラフェン層上に堆
積する前に、第１の金属基板上に堆積させる。ポリマーは、グラフェン層および金属層上
に適用される。本方法は、生体試料を複合膜構造物で被覆する前に、第１の金属基板をエ
ッチングすることを含む。第１の金属基板は、遷移金属を含む。金属層は、金ナノアイラ
ンドを含み、ポリマーは、ポリメチルメタクリレートを含む。

別の態様において、生体試料における力学的運動を測定するためのシステムは、チャン
バー、生体試料が上に配置された複合膜構造物を含み、複合膜構造物は、グラフェン層と
接触している金属層、金属層またはグラフェン層のいずれかと接触しているポリマー層を
有する。システムは、複合膜構造物に電気的にアクセスするための電気的接続を含む。シ
ステムは、チャンバー内の中央開口部を含み、中央開口部は、複合膜構造物上に配置され
た生体試料を受け取るように構成される。生体試料は、培養細胞または組織を含む。金属
層は、複数の金属ナノアイランドを含む。

実施は、以下の特徴のうち１つまたは複数を含むことができる。ポリマー層は、金属層
と接触しており、生体試料は、グラフェン層上に直接成長する。ポリマー層は、グラフェ
ン層と接触しており、生体試料は、金属層上に直接成長する。ポリマー層は、透明なポリ
マーを含む。透明なポリマーは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリメチルメタ
クリレート（ＰＭＭＡ）およびパリレンのうち１つまたは複数を含む。グラフェン層は、
単層グラフェンを含み、培養細胞は、基板上に培養された心筋細胞を含む。複数の金属ナ
ノアイランドは、プラズモン的に活性な金属を含む。プラズモン的に活性な金属は、金ナ
ノアイランドを含み、電気的接続は、電極を含む。複合膜構造物は、培養細胞の収縮活動
に起因するひずみに基づく電気的シグナルを発生させるように構成される。システムは、
培養細胞を有する複合膜構造物を挟み込むように構成された基板の第２のペアを含む。複
合膜構造物は、４０を超えるシグナル対ノイズ比を有するシグナルを発生させるように構
成される。複合膜構造物は、サブミリ秒の応答時間を示す。システムは、培養細胞の力学
的運動の振幅および時間的プロファイルを提供するように構成される。システムは、培養
細胞の活動に関連する電気インピーダンスプロファイルを提供するように構成される。シ
ステムは、複数の電極を含み、第１の電極は、培養細胞の片側に位置し、第２の電極は、
培養細胞の逆側に位置する。システムは、時間分解法で、高速の電流−電圧シグナルを記
録することができる増幅器をさらに含む。システムは、培養細胞の活動に起因する細胞膜
電位プロファイルを提供するように構成される。システムは、複数の金属ナノアイランド
中の金属ナノアイランドの間の間隔の変化の光学的観測により、細胞の収縮性のプロファ
イルを提供するように構成される。金属ナノアイランドの間の間隔の変化は、光学的観測
のように使用される可視光の波長を変化させるように構成される。システムは、暗視野顕
微鏡データを提供するように構成される。システムは、培養細胞からラマン散乱データを
提供するように構成される。

１つまたは複数の本発明の実施形態の詳細を、添付の図面および以下の明細書において
説明する。本発明の他の特徴、目的および利点は、明細書および図面、ならびに特許請求
の範囲から明らかになるであろう。

ナノアイランド（ＮＩ）を生成させるために使用するプロセスの模式図（上側）、およびグラフェン／金属基板（ｘ軸）上の蒸着物（ｙ軸）の電子ビーム蒸着により得られた様々な基板上の金属ナノアイランドの走査型電子顕微鏡写真（下側）である。（左から右に）銅箔上のグラフェン（成長させたまま）、ニッケル上にＭＡＥ転写されたグラフェン、金上にＭＡＥ転写されたグラフェン、銀上にＭＡＥ転写されたグラフェンの上に蒸着された、１０ｎｍの金（１行目）および１０ｎｍの銀（２行目）。それぞれの蒸着物は、同じチャンバー内で同時に基板上に堆積させた。スケールバー：２００ｎｍ。挿入図におけるスケールバー：５０ｎｍ。 分子力学シミュレーションにより予測されるナノアイランドの微細構造の発達を示す図である。ａ：銅上のグラフェン上への１．５ｎｍの金のシミュレーションした蒸着。ｂ：５００Ｋでの２０ナノ秒の真空アニーリング中の金ナノアイランドの全表面積の変化のプロット。ナノアイランドの融合は、結晶整列およびネッキング（表面積の増加）に先行する。ｃ：銅上のグラフェン上に蒸着させた１ｎｍの金の走査型電子顕微鏡写真。スケールバー：５０ｎｍ。 ナノアイランドの適用を示す図である。ａ：光ファイバーの先端上への浮遊性金ナノアイランド／グラフェンＳＥＲＳ基板の堆積の模式図。ｂ：光ファイバーの先端上のグラフェン／ＡｕＮＩ ＳＥＲＳ基板の走査型電子顕微鏡写真（金は、疑似色である）。スケールバー：１５０μｍ、左挿入図では２μｍ、右挿入図では５００ｎｍ。ｃ：グラフェン／ＡｕＮＩ被覆光ファイバー（灰色）および１００ｎｍ厚さの非構造化金膜（黒色）からの１−ブタンチオレートのラマンスペクトル。ｄ：パルスの検出のために橈骨動脈の上に置かれたＰＤＭＳ／グラフェン／ＰｄＮＩひずみセンサーの写真（図中に重ねた）。ｅ：１、２、３、・・・９％のひずみまで周期的（それぞれのひずみについて２０サイクル）に伸ばされたＰＤＭＳ／グラフェン／ＰｄＮＩひずみセンサーの正規化された抵抗プロット。ｆ：１３０μｍ厚さのガラスカバースリップの表面上で０．００１％の引張ひずみを感知するために使用されるグラフェン／ＰｄＮＩひずみセンサーの模式図（１３μｍに等しい振幅の偏位を有するカンチレバーとして使用した）。カンチレバー表面上のひずみの有限要素解析（ＦＥＡ）モデル（左挿入図）。０．００１％の周期的な引張ひずみ下でのグラフェン／ＰｄＮＩひずみセンサーの正規化された抵抗プロット（右挿入図）。ｇ：約０．００１％の引張ひずみ下でのガラス／グラフェン／ＰｄＮＩひずみセンサーの走査型電子顕微鏡写真。スケールバー：１００ｎｍ。挿入図におけるスケールバー：２５ｎｍ。ｈ：約３％の引張ひずみ下でのＰＤＭＳ／グラフェン／ＰｄＮＩひずみセンサーの走査型電子顕微鏡写真。スケールバー：１００ｎｍ。挿入図におけるスケールバー：２５ｎｍ。 細胞電気生理学のための基板としてのグラフェン上のナノアイランドを示す図である。ａおよびｂ：ＰＭＭＡ／ＡｕＮＩ／グラフェン基板上の固定細胞培養の走査型顕微鏡画像（細胞は、緑の疑似色であり、金は、黄色の疑似色である）。スケールバー：それぞれ、５μｍおよび２００ｎｍ。ｃ：心筋細胞の収縮を記録するために使用される電気生理学チャンバーの模式図。ｄ：細胞の自発収縮中の、ＰＭＭＡ／ＡｕＮＩ／グラフェン上の細胞培養から得られたシグナルの変調。シグナルの増加段階のプロファイル（左挿入図）。シグナルの減少段階のプロファイル（右挿入図）。 単層グラフェンを示す図である。９０ｎｍの熱酸化物でシリコンウエハーにウェット転写された単層ＣＶＤグラフェンの光学顕微鏡写真（上側）。スケールバー：１００μｍ。９０ｎｍの熱酸化物でシリコンウエハーにウェット転写された単層ＣＶＤグラフェンのラマンスペクトル（下側）。突出したグラフェンのピークの比は、高品質で、大部分が単層グラフェンであることを示す（Ｄ／Ｇ比：０．０１９、２Ｄ／Ｇ比：３．１）。 異なる粒子配向基板上のＮＩを示す図である。銅上のグラフェン上のＡｇＮＩ（１０ｎｍ堆積）の走査型電子顕微鏡写真。スケールバー：１μｍ。銅の粒子境界は、画像の対角線方向（左下から右上）にあること、およびそれぞれの銅粒子上のＡｇＮＩの形態の相違（パーコレーション、異方性のレベル）が分かる。 多層グラフェン上のＮＩを示す図である。パリレン−Ｃ上に転写された、グラフェン上のＡｕＮＩ（銅上のグラフェン上に１０ｎｍ堆積）の走査型電子顕微鏡写真（パリレンＣの１μｍ厚さの膜の堆積後の銅のエッチング（グラフェンは、この画像の上側であり、金アイランドで覆われている））。銅上の１、２および３層のグラフェン上に堆積した金アイランドにおけるパーコレーションの量の変化が分かる。スケールバー：２μｍ。 高蒸着速度でのＮＩ堆積を示す図である。２Å／秒の速度で堆積させた、銅上のグラフェン上のＡｕＮＩ（１０ｎｍ堆積）の走査型電子顕微鏡写真。低速での堆積（０．１Å／秒、図１、下側）と比較すると、金アイランドの構造は、顕著に高い粒状性、完全なパーコレーション、および顕著に高い被覆面積を実証する。スケールバー：２００ｎｍ。 高温で堆積させたＮＩを示す図である。０．１Å／秒の速度および基板の温度が約５００Ｋ（図１におけるＳＤＣより１００Ｋ高い）で堆積させた、銅上のグラフェン上のＡｕＮＩ（８ｎｍ堆積）の走査型電子顕微鏡写真。 ＡｕＮＩの熱アニーリングを示す図である。６００Ｋで１時間の真空アニーリング後の、銅箔上のグラフェン上のＡｕＮＩ（１０ｎｍ堆積）の走査型電子顕微鏡写真。非アニール試料（図２、左上）との比較において、アイランドの融合および拡張が分かる。スケールバー：２００ｎｍ。挿入図におけるスケールバー：５０ｎｍ。 ウェット転写がＡｕＮＩを変形させることを示す図である。銅箔上のグラフェン上に合成され、およびガラススライド上に転写された、ＡｕＮＩ（１０ｎｍ堆積）の走査型電子顕微鏡写真。スケールバー：２００ｎｍ。挿入図におけるスケールバー：５０ｎｍ。非転写試料（図１、左下）との比較において、完全にパーコレーションされたネットワークへのアイランドの融合および結晶面の平滑化が分かる。変質は、ウェット転写プロセス中に、水（表面エネルギー７２ｍＪ／ｍ^２）の表面上に離れて浮遊しているＡｕアイランド／グラフェン膜の銅基板（表面エネルギー１６５０ｍＪ／ｍ^２）のエッチングに潜在的に起因する。スケールバー：２００ｎｍ。挿入図におけるスケールバー：５０ｎｍ。 薄膜成長モデルを示す図である。蒸着物／基板の表面エネルギーのミスマッチ（縦軸）対蒸着物／基板（グラフェン）の格子ミスマッチ（横）のプロット。膜成長の３つの主要な様式の安定領域をプロット上に示す：層ごと（網状）、層／アイランド（灰色）、アイランド（淡灰色）。グラフェンの湿潤透明性に起因して、基板の表面エネルギーが、基板金属の表面エネルギーの２％未満として計算されたことが分かる（したがって、同じ蒸着物／同じ金属基板（Ａｕ／Ｇｒ上のＡｕおよびＡｇ／Ｇｒ上のＡｇ）の垂直位置が−０．０２であることが分かる）。基板の格子定数は、グラフェンの格子定数（２．４６Å）とした（下にある基板によるグラフェンにおけるひずみ（およそ０．５％）の効果は、無視でき、主要因ではない）。このモデルは、ナノアイランドの形態に影響を及ぼす可能性があり得る、モアレパターン（一次：基板／グラフェン、および二次：基板／グラフェン／蒸着物）を考慮していない。モデルと実験結果の良好な一致が分かる（図１、下側）：高度のナノアイランドのパーコレーションおよびグラフェンの被覆面積は、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ様式（Ｃｕ／Ｇｒ、Ｎｉ／Ｇｒ基板）を示唆しているが、Ｖｏｌｍｅｒ−Ｗｅｂｅｒ安定域（Ａｇ／Ｇｒ上のＡｇ、Ａｇ／Ｇｒ上のＡｕおよびＡｕ／Ｇｒ上のＡｕ）に位置した系は、明確に、純粋なナノアイランドの形態を有する。 グラフェン／金の接触面の事象のモニタリングを示す図である。銅上のグラフェン上の金ナノアイランドの熱アニーリング（５００°Ｋ）のＬＡＭＭＰＳシミュレーション。アニーリング中、５ナノ秒の時間にわたる、下層の金（グラフェンと接触している）の再構築を示す。融合したアイランドの間の粒子境界の再構築および点欠陥の移動が分かる。 堆積中のＡｕＮＩの高さ分布のモニタリングを示す図である。２層の単分子層の金の堆積中の、ＡｕＮＩ（グラフェンおよび金）の高さのシミュレーションした分布。 小さなひずみ下でのガラスのＦＥＡを示す図である。カンチレバーの端部に０．１Ｎの力をかけた後、グラフェン／ＰｄＮＩひずみセンサーを有するガラスカンチレバーにおける、同等のひずみの有限要素解析シミュレーション。カンチレバーのフォップ（fop）表面は、０．００１％の最大引張ひずみを受ける。 グラフェン／ＰｄＮＩセンサーの３つのセンシング様式を示す図である。グラフェン／ＰｄＮＩひずみセンサーについてのゲージ率対ひずみ％のプロットは、３つの主要なセンシング様式を示す：粒子間トンネル抵抗の調節（＜＜１％のひずみ）、ＰｄＮＩ膜の亀裂（＜６％のひずみ）、グラフェンの亀裂（＞６％のひずみ）。０．００１％のひずみに対する最低値は、グラフェン／ＰｄＮＩ膜を有する１３０μｍ厚さのガラススライドを曲げることにより得られたが（図２２ａ）、残りの値は、ＰＤＭＳストリップに転写されたセンサーを用いて得られた（図２２ｂ）ことが分かる。 ひずみセンサーとしてのグラフェンを示す図である。１、２、３、・・・９％のひずみまで周期的（それぞれのひずみについて２０サイクル）に伸ばされたＰＤＭＳ上のグラフェンの正規化された抵抗プロット。２０回のひずみサイクルのセット内のベースラインは、６％のひずみに達するまで（グラフェンの亀裂の開始）、安定であることが分かる。異なるサイクルのセット間の段階的なベースラインのシフトは、ＰＤＭＳ基板の粘弾性応答に起因する。 ５％のひずみ下でのグラフェン／ＰｄＮＩセンサーを示す図である。約５％（ｈ）の引張ひずみ下でのＰＤＭＳ／グラフェン／ＰｄＮＩひずみセンサーの走査型電子顕微鏡写真。スケールバー：２００ｎｍ。 固体Ｐｄ薄膜センサー対グラフェン／ＰｄＮＩセンサーを示す図である。０．００３％の周期的な引張ひずみ下でのガラスカバースリップ上の固体（１００ｎｍ）膜Ｐｄひずみセンサー（ａ）および０．００３％の周期的な引張ひずみ下でのガラスカバースリップ上のグラフェン／ＰｄＮＩひずみセンサー（ｂ）の正規化された抵抗プロット。０．００３％で同様のゲージ率（約１７）では、ＰｄＮＩセンサーは、安定な挙動を実証するが（１秒のひずみサイクル中、抵抗値を持続する）、固体Ｐｄ膜センサーは、適用されたひずみを記録するが、抵抗値は持続せず、ベースラインに戻る（非ひずみ位置にセンサーが戻ると、抵抗値は低下し、その後、１秒の非ひずみサイクル中に、ベースラインに戻る）。この観測は、非常に小さなひずみ（＜＜１％）では、固体Ｐｄ膜における粒子境界が再構築されて、粒子間の分離が最小化し、これが、このようなセンサーによる静的ひずみの記録を不可能にすることを示唆している。逆に、ＰｄＮＩセンサーは、静的ひずみの測定のための良好な安定性を実証する。 浮遊性のグラフェン／ＮＩ膜。銅のエッチングおよび、ＤＩ水浴へ転写させた後の浮遊性のグラフェン／ＰｄＮＩ／ＰＭＭＡ膜の写真を示す図である。 グラフェン／ＮＩ転写。最終的な受け取り基板上への浮遊性のグラフェン／ＮＩ／ポリマー支持体（または非ポリマー）の堆積を表示する概略図である。 固い基板、可撓性の基板、および伸張可能な基板の、グラフェン／ＰｄＮＩセンサーを示す図である。ガラスカバースリップ上に転写され、ＥＧａＩＮおよび銅線で電気アドレスされたグラフェン／ＰｄＮＩ膜（ａ）、引張ひずみの周期的な負荷の下、ＰＤＭＳのストリップ上に転写されたグラフェン／ＰｄＮＩ膜（ｂ）、非ひずみＰＥＴ／ＰｄＮＩ／グラフェンひずみセンサー（ｃ）、ならびに約１％の引張ひずみ下でのトゥースピック周辺の耐久力（ｄ）の光学写真。 金アイランドを堆積させるにつれての配位数の確率分布の進化を示す図である。 センサーのベースライン安定性を示す図である。ＰＤＭＳ上のＰｄＮＩセンサー（黒三角）およびＰＤＭＳ上のグラフェン（四角）についての、１％のひずみの増加後（増加あたり２０サイクル）のベースラインシフトのプロット（正規化された抵抗）。ＰｄＮＩセンサーの安定性が分かる（ベースラインの正規化された抵抗は、３〜４％のひずみに達するまで、Ｐｄ粒子の再パッキングに潜在的に起因して、０．１１まで減少し；その後、９％のひずみサイクル後、１．１８まで、最小限上昇する）。グラフェン対照のベースラインは、５〜６％に達するまで、徐々に上昇し（グラフェンの亀裂の開始）、その後、ベースラインは、急激に上昇して、９％のひずみサイクル後、６．８０に達した。これは、ＰｄＮＩ膜における亀裂が、効果的に再び閉じ得、したがって、高いひずみでのセンサーの安定性を保証することを示す。 シミュレーションボックスを示す図である。グラフェン／銅基板の配置を示す概略図。

別々の図面における同様の参照符号は、同様の要素を示す。

金属薄膜の物理的蒸着（ＰＶＤ）は、製造および研究において使用することができる。
これは、物理的な自己集合のプロセスとして理解することができる。すなわち、ＰＶＤに
おける堆積チャンバー内で生成された金属原子の蒸着フラックスは、基板上に堆積した薄
膜になることができ、薄膜の構造は、圧力、温度および堆積の速度と連動した、金属およ
び基板の複合関数である。ガラス、ポリマーフィルムなどの典型的な基板、ケイ素、窒化
ホウ素および炭化ケイ素などの単結晶基板などにおける低い呼び厚さ（例えば、＜５０ｎ
ｍ）で、最も頻繁に生成される形態は、分離したアイランドである。一般に、アイランド
は、単離された膜の領域に存在する。この形態は、一般に、薄膜の電子機器に適合すると
は見なされない。しかしながら、アイランドが、再現可能に、任意の他の表面に容易に転
写することを可能にする支持体上に生成させることができるならば、これらのアイランド
の様々な特徴を活用することができる用途がある。

グラフェンの湿潤透明性（すなわち、グラフェンによる、その下の基板の表面エネルギ
ーの取り込み）は、蒸着によりグラフェン上に堆積した金属薄膜（例えば、≦２０ｎｍ、
≦１０ｎｍ）の形態を、グラフェンを支持する基板の同一性に基づいて、変更することを
可能にする。例えば、形態は、グラフェンを支持する基板に強く依存し得る。

この方法では、グラフェンは、ある範囲の幾何形状の形成の制御を可能にする：隙間な
く充填されたナノスフェア、十分な面を持つナノ結晶、および３ｎｍまで、または約２Å
〜数ナノメートルの間のような分子寸法のオーダーで制御可能な間隙を有するアイランド
様の形成。隙間のない充填は、最大数のすぐそばの隣接物を有するナノ粒子の単分子層を
指し得る。ナノスフェアは、球状の形状をとる、ナノアイランドの１種である。

これらのグラフェン支持構造物は、任意の表面に転写することができ、表面増強ラマン
散乱（ＳＥＲＳ）のための基板として（例えば、光ファイバーの先端上を含む）、ならび
に構造ヘルスモニタリング、電子皮膚、および細胞、例えば、心筋細胞における収縮の測
定における適用のために広い有効範囲（例えば、少なくとも４桁のひずみ）の超高感度の
機械的シグナル変換器として、機能し得る。したがって、これらの金属およびグラフェン
の複合膜構造物は、マルチモーダルセンシングのためのプラットフォーム技術として、扱
うことができる。

構造ヘルスモニタリングは、ひずみの測定、ならびに橋、建築基礎、航空機翼およびタ
ービン翼などでの亀裂伝搬のモニタリングを含むことができる。電子皮膚は、皮膚に装着
可能で、皮膚の機械的性質に類似の機械的性質を有する、表皮センサーを指す。これらの
センサーは、例えば、接触、温度および近接を感知することができる。

さらに、これらは、薄型、例えば、２０ｎｍ以下の厚さで、機械的ロバスト性があって
半透明であり、広い面積にわたって再現可能な製造のための可能性を有する。また、半透
明であるので、これらのセンサーは戦闘機のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の窓ガ
ラス上に設置することができる。半透明性は、顕微鏡下、センサーにより、細胞（または
他の試料）の画像化も可能にする。

グラフェンは、機能性ナノ複合薄膜構造物に組み込まれた場合に、いくつかの魅力的な
特徴を有する。これは、可撓性で（かつ、金属膜と比較して、５〜６％のひずみへと伸張
可能である）、導電性かつ透明であり、大面積での成長および多くの基板への転写に適し
ており、その結晶粒は、１ｃｍに達する寸法におよび得る。

グラフェンは、湿潤透明性を生じさせることができる、最も薄い入手可能な２Ｄ材料で
ある。湿潤透明性は、主に、液体に関して、以前に検討されており、接触角などの大きさ
は、グラフェンを支持する層または基板の表面エネルギーに強く依存し得る。

本明細書に開示するシステムおよび方法は、この概念が、蒸着フラックスの原子に拡張
されることを実証する。金属／グラフェンの２層構造物または金属／グラフェンの複合膜
構造物は、電子ビーム（ｅビーム）蒸着による、多様で制御可能な形態のナノ粒子である
、ナノスフェア、ナノ結晶およびパーコレーションされたネットワークの自己集合のため
の鋳型として働くことができる。図１は、この概念、ならびに、他の全てのパラメーター
を一定に維持しながら、蒸着させた金属（金および銀）および基板のみを変更した場合に
（銅、ニッケル、金および銀）、得られる形態の範囲を説明する。これらのグラフェン／
ナノアイランド（ＮＩ）膜は、ほぼあらゆる表面に転写するために十分なロバスト性を示
した。膜は、それらを化学的、光学的および機械的刺激のセンシングに適するようにする
、分子寸法に近い、鋭い先端および間隙（すなわち、ナノアイランドの縁部の間の間隔）
によっても特徴付けられる。

ナノアイランドは、図５に示すように、化学蒸着（ＣＶＤ）により銅箔上に合成された
単層グラフェン上に、自己集合することができる。他の金属（金、銀およびニッケル）上
に銅からグラフェンを転写するために、金属補助剥離（metal-assisted exfoliation、Ｍ
ＡＥ）を使用することができる。

様々な基板（例えば、銅、ニッケル、金および銀）上のグラフェン上への薄い（例えば
、１０ｎｍ）金属膜（例えば、金、銀またはパラジウム）の単独での同時堆積において、
見かけの結晶化度、得られたナノアイランドの形状およびサイズ分布、パーコレーション
の程度、ならびにアイランド間の間隙のサイズは、それぞれの基板について異なり得る。
パーコレーションの程度は、アイランド間の連結性の量である。

例えば、得られた形態は、図６に示すように、基板材料の性質、例えば、その表面エネ
ルギーおよび結晶方位に直接依存し得る。得られた形態は、蒸着させた金属の特徴、例え
ば、その表面エネルギーおよびグラフェンとの格子ミスマッチ（図１の下側に示す）、グ
ラフェン層の数（図Ｓ３に示す）、ならびに堆積の速度（図Ｓ４に示す）および量、基板
の温度（図Ｓ５に示す）などの処理パラメーター、堆積後の熱アニーリング（図Ｓ６に示
す）および最終的な受け取り基板への転写（図Ｓ７に示す）にも依存し得る。

グラフェンを支持する金属の同一性に対するアイランドの最終的形態の強い依存は、エ
ピタキシャル成長のために発達するものと類似の規則に従い得る成長を示唆する。一般に
、膜成長のための３つの主要な様式は、２つの要素（例えば、蒸着物および金属基板）の
系中に存在し得る：層ごと（Ｆｒａｎｋ−Ｖａｎ ｄｅｒ Ｍｅｒｖｅ）、層／アイラン
ド（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）および厳密なアイランド（Ｖｏｌｍｅｒ−
Ｗｅｂｅｒ）。

これらの様式は、格子寸法のミスマッチ、ならびに蒸着物および基板の間の表面エネル
ギーにより、主に決定される。より大きな格子ミスマッチは、アイランドの成長に有利で
あるが、正の表面エネルギーの相違である、（γ_基板−γ_膜）／γ_基板は、層ごとの成長
に有利である。したがって、蒸着物および基板の間にグラフェンを挿入することにより、
基板金属の変更による表面エネルギーの調節が可能になり、ある程度のグラフェンの湿潤
透明性が推測された。蒸着物およびグラフェンの間の格子ミスマッチは、実質的に固定す
ることができる（グラフェンにおける基板が誘導するひずみに起因する、ミスマッチ値の
±０．５％）。格子ミスマッチは、２つの材料の１つ（例えば、基板）の周期的な原子間
距離で割った、それらの材料の（結晶質の材料における）周期的な原子間距離の間の算術
差である。

拡散障壁（Ｅ_ｄ）は、吸着した原子が、１つの格子サイトから隣接する格子サイトに移
動するために、克服しなければならないエネルギーの量である。金のＥ_ｄは、０．０５±
０．０１ｅＶである。グラフェン上の金および銀の非常に低い拡散障壁および低速での堆
積を考慮すると（速度論的とは対照的に、熱力学的な制御と一致する）、グラフェンを有
する系は、アイランドの成長様式に偏向しているが、依然として、モデルと非常に良く相
関する（図Ｓ８に示す）。第１の生成物（例えば、生成物Ａ）が、第２の生成物（例えば
、生成物Ｂ）より早く形成する場合、生成物Ａの活性化エネルギーは、生成物Ｂがより安
定であったとしても、生成物Ｂの活性化エネルギーより低いので、したがって、生成物Ａ
は、速度論的制御の下で有利な生成物であり、生成物Ｂは、熱力学的生成物であって、熱
力学的制御の下で有利である。

堆積の超並列原子論的シミュレーションおよびグラフェン被覆銅（１１１）表面上の金
原子のアニーリングは、ナノアイランド形成のメカニズムを明らかにするために行うこと
ができる。正確な原子間ポテンシャルは、銅／グラフェン／金に対して可能であり、その
ような構造の実験的な製造は、最小限のステップ数で達成することができる。

４００Ｋでの１５０ナノ秒の過程にわたる、３×３の銅／グラフェンのモアレスーパー
セル（約２４０，０００原子）上への５層の金の単分子層（約３０，０００原子）の堆積
を、検討した。シミュレーションされた堆積速度は、実験の速度（１層あたり３０秒）よ
り約９桁速く、図２ａに示すように、速度論的に制御された、シミュレーションされた堆
積において、最初の形態を生成した。

５００Ｋでの２０ナノ秒間の銅上のグラフェン上の金ナノアイランド（堆積した３層の
金の単分子層）の熱アニーリングのシミュレーションを、実験と比較するために、熱力学
的に制御された形態を発生させるために行った。図２ｂは、アニーリング中の金の全表面
積の減少を示す。最初の１５ナノ秒中、アイランドの融合が生じ、金の正味の表面積の減
少により分かるように、その後、アイランド形態の変化の速度は減少した。この観測は、
シミュレーションされた堆積プロセスが、実際に、短い（ナノ秒）時間スケールにわたっ
て凝集した、速度論的に捕捉されたクラスターを発生させることを示唆した。図２ａおよ
び２ｂにおけるシミュレーションにより予測される形態は、図２ｃにおける１ｎｍの金の
堆積について、実験的に検証された。実験がシミュレーション後に行われたこと、および
シミュレーションに使用されたパラメーターを、実験に適合するように調整しなかったこ
とを考慮すると、シミュレーションされた形態および実験の形態の間の類似点は著しい。

形態を予測するための能力およびグラフェンに支持されたナノアイランドの可操作性は
、化学的および機械的センシングにおける適用を可能にし得る。

例えば、貴金属の膜は、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）のための基板として幅広く使
用される。プラズモン周波数ω_ｐの周波数と共鳴する周波数を有する放射線の照射の際の
金属ナノ構造体間の間隙における電界の大きな増加は、ラマン散乱を増強し、ナノ構造の
周辺の分子の無標識での同定を可能にする。プラズモン周波数は、フィルムを構成する材
料に加えて、粒子の幾何形状の関数でもあり得る。ナノ構造は、例えば、基板上へのスパ
ッタリングにより、貴金属の膜中に提供され、溶液／空気の界面から膜へ自己集合し、例
えば、固体膜の外側でパターン形成された、Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ膜とし
て調製される。

光ファイバー上へＳＥＲＳ活性な基板を配置することにより、リモートセンシングを可
能にし得る。リモートセンシングは、分析装置から物理的に取り除かれた化学的環境のセ
ンシングを含むことができる。例えば、分析のために試料を抽出する必要なく、リアルタ
イムで、地下１００フィートの深さの水圧破砕に起因する水の汚染を感知するために、１
００フィートの光ファイバーを使用する。

いくつかの実施形態において、グラフェン／ＡｕＮＩ膜は、１−ブタンチオレート（Ｂ
Ｔ）の単分子層が、グラフェン／ＡｕＮＩ膜中のＡｕＮＩにより形成される表面構造上に
堆積する前に、光ファイバーの先端上に転写することができる（図３ａおよび３ｂに示す
）。大きなラマンシグナルが、改良した光ファイバー上に堆積した単分子層のＢＴから観
察された。対照的に、シリコン層により支持された非構造化金膜上に堆積したＢＴは、シ
グナルを生じなかった（図３ｃに示す）。固い基板、可撓性の基板または伸張可能な基板
により支持されたグラフェン上の複合金属ナノアイランドのピエゾ抵抗は、ひずみセンサ
ーとしての使用のために、非常に適切である。固い基板の例は、ガラスを含み、可撓性の
基板の例は、ポリマーのポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）を含み、伸張可能な
ポリマーの例は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を含む。

いくつかの実施形態において、ヒトの心拍数を表皮で測定する能力がある高感度のひず
みセンサーは、金属（例えば、パラジウム）の薄層（例えば、８〜１０ｎｍ）を、金属基
板（例えば、銅基板）上のグラフェン上に堆積させ、ポリマーのスピンコーティングによ
る薄い（例えば、約８μｍ）ポリマー（例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ））
上に複合膜構造物を転写することにより、製造することができる。次いで、銅基板をエッ
チングして、高感度ひずみセンサーを得ることができる（図３ｄに示す）。例えば、１％
のひずみでのゲージ率は、少なくとも１３３５であり得る。ゲージ率ＧＦは、

（式中、εはひずみである）であり、

は、正規化された抵抗である。ＧＦは、数回の伸張／解放サイクル後に、減少し得る（例
えば、図３ｅに示すように、１９回の伸張／解放サイクル後、７４３）。

０．００１％程度の小さなひずみは、１３０μｍ厚さのガラスカバースリップ上に堆積
したグラフェン／ＰｄＮＩセンサーを用いて測定することができる。このような小さなひ
ずみは、固い基板上にセンサーを配置することにより、正確かつ繰り返し誘導することが
できる。固い基板は、図３ｆに示すように、特定の厚さ（例えば、１３μｍ厚さ）を有す
る接着テープ（例えば、ポリイミドテープ）を有することができ、テープは、カバースリ
ップの半分を支持する（他の半分は、カンチレバーを形成する）。カンチレバーへ小さな
力（例えば、約０．１Ｎ）をかけること、および遠端を基板と接触させることにより、ガ
ラス表面における０．００１％の引張ひずみ（図１５に示す）を得て、センサーで繰り返
し測定することができる。

グラフェン／ＰｄＮＩひずみセンサーは、少なくとも４桁にわたるひずみを検出するこ
とができる。センサーは、図１６に示すように、少なくとも２つの変曲点とともに、抵抗
対ひずみ（すなわち、ゲージ率）の非線形の変化率を示すことができ、これは、異なるセ
ンシング様式の存在を示し得る。

最も低いひずみの方式（約０．００１％〜約０．１％）におけるピエゾ抵抗の効果は、
おそらく、図３ｇに示すように、ＰｄＮＩが、分離中に小さな変化を受ける場合、トンネ
ル電流の変化に起因する。この方式におけるゲージ率１０は、例えば、（０．０２％〜０
．２７％の間で）＜＜１％のひずみでのトンネル抵抗における変化についての文献値と類
似している。本明細書に開示するグラフェン／ＰｄＮＩ膜は、（例えば、固い基板上に）
支持され、したがって、界面での自己集合により調製される非支持センサーと比較して、
より高い機械的ロバスト性であり得る。

より低い１桁のひずみで、亀裂は、ＰｄＮＩ膜中に出現し得る（図３ｈに示す）。Ｐｄ
ＮＩは、球状で、別々の球状ナノ粒子の連続的な単分子層を含むフィルムを形成する、ナ
ノアイランドである。

サイクル負荷への応答におけるこれらの亀裂の開閉は、例えば、０．１％〜５％の間の
ひずみの最も感度が高い方式において観測されたピエゾ抵抗の主要因であってもよい。サ
イクル負荷は、繰り返し変形を生じるセンサーへ力を繰り返しかけることである。

任意の特定の理論に縛られることなく、ＰｄＮＩ膜での亀裂伝搬は、下にあるグラフェ
ンの剛性により抑制されてもよく、これは、７３５〜３１６のゲージ率（それぞれ、１％
および５％のひずみ）の減少を示し得る。５〜６％周辺のひずみで、感度は再び増加し得
、これは、下にあるグラフェンの亀裂の開始（図１７、１８、２４に示す）、したがって
ＰｄＮＩ膜での亀裂伝搬の増加により、説明することができる。

グラフェン／金属ナノアイランド複合膜構造物は、幅広い試料をモニターするために使
用することができる。例えば、航空機翼などの航空機の部品の曲げ、橋などの構造物の亀
裂のモニタリングである。

グラフェン／金属ナノアイランド複合膜構造物は、生物学的環境に展開することもでき
る。例えば、生物学的環境におけるグラフェン／ＡｕＮＩセンサーの性能は、複合ポリメ
チルメタクリレート（ＰＭＭＡ）／ＡｕＮＩ／グラフェン膜構造物で被覆されたカバース
リップ上の新生仔ラットの心筋細胞（ＣＭ）を培養することにより、試験される。

図４ａおよび４ｂに示すように、光学顕微鏡法および走査型電子顕微鏡法は、追加の接
着プロモーターの必要なく、生ＣＭを有する基板の優れた生体適合性を示す。図４ｃおよ
び以下で詳細に示す特殊チャンバーを使用すると、図４ｄに示すように、心筋細胞の自発
活動と関連するセンサーのシグナルの可逆変化を、検出することができる。

電気的活動ではなく、ミオシン循環を阻害して細胞の収縮を停止する、ブレビスタチン
などの興奮収縮脱共役剤は、ひずみセンサーにより検出されたシグナルが、細胞の収縮活
動または電気的活動に関連していたか否かを識別するために使用することができる。シグ
ナルの目に見える調節は、細胞の周囲の溶液中の１０μＭのブレビスタチンの存在中では
見出されず、センサーが、細胞の電気的活動ではなく収縮に応答したという仮説を支持し
ている。

ひずみセンサーは、サブミリ秒（ｍｓ）の応答時間（ｔｏｎ＝０．８±０．２ミリ秒、
ｎ＝１７３）を示し、図４ｄの左上部分に示すように、非常に高いシグナル対ノイズ比（
異なる強さのＣＭ収縮について、４２および１００の間）を示した。指数関数的減衰プロ
ファイルは、全ての収縮について類似し、図４ｄの右上部分に示すように、単一指数関数
（ｔｏｆｆ＝６８．６±１．５ミリ秒、ｎ＝１７３）と一致した。ひずみセンサーにより
検出されたＣＭ収縮の振幅および時間的プロファイルは、ＣＭ応答の詳細な特徴付けを可
能にし得、創薬への適用のために様々な薬理的化合物を試験することを可能にし得る。

グラフェンの表面上に堆積した金属ナノアイランドの形態は、グラフェンを支持する基
板の同一性により制御することができ、マルチモーダルセンシングのための有望なプラッ
トフォームシステムを提供するコンピューターの使用により予測することができる。他の
手順により形成された金属ナノ粒子の膜とは対照的に、グラフェン支持ナノアイランドは
、ほとんどの任意の表面への操作性および容易な転写の能力を有する。グラフェン支持ナ
ノアイランドの操作は、転写を含み、例えば、ピックアップ、浮遊、整列、パターニング
および配置も含む。この性質は、ＳＥＲＳによるリモートセンシングのための光ファイバ
ーの先端上に、直接、構造物を取り付け、地下水または血流などのこれらの系への光ファ
イバーの挿入を可能にし得る。

相対的に固い基板（ガラス）、可撓性の基板（ＰＭＭＡ）または伸張可能な基板（ＰＤ
ＭＳ）上へのこれらの構造物の堆積は、実証された感度が、少なくとも４桁にわたり得、
いまだに報告されていない任意の薄膜ひずみセンサーの最も高いゲージ率を有し得る、ヒ
トおよび構造ヘルスモニタリングにおける適用を可能にする。これらの構造物の感度およ
び生体適合性は、非侵襲的な心筋細胞の収縮の測定を可能にし、幹細胞由来の心筋細胞の
機能的な特徴付け、ならびに心臓毒性および心臓血管薬の創薬のための新規薬物候補剤の
マルチモーダルスクリーニングのための非常に貴重なツールであり得る。

グラフェンを、１０ｃｍ×１１ｃｍの寸法を有する、２５μｍ厚さの銅箔（Ａｌｐｈａ
Ａｅｓａｒ、１３３８２、９９．８％）上に合成した（１８ｃｍ×２０ｃｍの大きさの
グラフェンシートを合成し、下記に記載する金属補助剥離（ＭＡＥ）により転写した）。
グラフェンの成長の前に、銅箔を、浅いアセトン浴中に浸漬し、それを、（アセトン中で
）Ｋｉｍｗｉｐｅティッシュでふき取ることにより、洗浄した。箔をアセトンですすぎ、
イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で満たした同様の浴中に移した後、この溶媒中で、機
械的洗浄を繰り返した。機械的洗浄は、アセトンおよびＩＰＡ中での超音波処理により洗
浄された箔と比較して、より汚れていないグラフェンをもたらすことができる。この方法
は、（大面積の銅箔を超音波処理するために使用される大容積を考慮すると）多量の両方
の溶媒を節約することもできる。ＩＰＡ中での機械的洗浄後、箔をＩＰＡですすぎ、圧縮
空気流中で乾燥した。

銅箔の電解研磨。グラフェン合成の前の銅箔の電解研磨は、ほぼ単層のグラフェンを生
じさせるのに役立ち得る。洗浄な、乾燥した銅箔を、ビーカーの側壁の外形に従って、２
５０ｍＬのビーカー内に置き、アノードとして使用した。銅管（ｄ＝２．５４ｃｍ、ｌ＝
１５ｃｍ）を、円柱軸に沿って、ビーカー内に挿入し、カソードとして使用した。カソー
ドの円筒状の形状およびアノードの湾曲した表面が、電解研磨中に、均一な電界を発生し
た。濃リン酸（Ｈ_３ＰＯ_４、１５Ｍ）を、電解質として使用し、カソードおよびアノード
を、それぞれクランプとワニ口クリップで固定した後、ビーカー内に注いだ。２０ＷのＤ
Ｃ電源を、電流および電圧を発生させるために使用することができる。電圧を１．６Ｖに
設定し、電流が初期値から５０％低下してプラトーになるまで、電解研磨を進めた（通常
、５〜１０分の間）。電解研磨の後、カソードおよび電解質を、ビーカーから取り除き、
銅箔を、ＤＩ水で十分にすすいだ（３分）。次いで、銅箔を、ＩＰＡですすぎ、圧縮空気
流下、風乾し、すぐに、化学蒸着（ＣＶＤ）反応器の石英管の中央に入れた。

グラフェンの合成。大気圧のＣＶＤグラフェン合成を、以下の管寸法：ｄ＝７．６ｃｍ
、ｌ＝１００ｃｍを有する石英管炉（ＭＴＩ ＯＴＦ−１２００Ｘ−ＨＶＣ−ＵＬ）中で
行った。ＣＶＤチャンバーおよび反応器ガス供給ラインを、ダイアフラム真空ポンプで、
チャンバーを真空に吸引しながら、全ての合成ガス（水素、メタンおよびアルゴン）の混
合物をそれらの最大流速で流すことにより、５分間、空気をパージした。５分後、ガス流
を停止し、チャンバーを、ターボ分子真空ポンプで、約１０^−４トールまで真空にして、
ガス混合および反応器チャンバーからメタンおよび水素を除去し、同時に、銅箔の表面か
ら、可能性がある有機汚染物質を脱着させ、次いで、炉を７３０℃超に加熱した。次いで
、チャンバーを、超高純度アルゴン（７００ＳＣＣＭ）で、大気圧まで再加圧して、これ
を、グラフェン合成の全手順中にわたって、常に流した。銅箔を、アルゴン流中、１０５
０℃に加熱した（３０分）。この温度に達したら、追加の水素（６０ＳＣＣＭ）を、６０
分間流して、銅基板を、アニーリングおよび活性化した。６０分のアニーリング後、水素
の流速を、５ＳＣＣＭに低下させた。３０分後、０．３ＳＣＣＭのメタンを、グラフェン
の合成のために、４０分間流した（総ガス流速：７００ＳＣＣＭアルゴン＋５ＳＣＣＭ水
素＋０．３ＳＣＣＭメタン＝７０５．７ＳＣＣＭ）。４０分後、メタンの流速を、０．７
ＳＣＣＭまで増加させた。６０分の（メタン流による）総グラフェン成長時間の後、炉を
止め、５ｃｍ開けた（同じガス流を継続する）。炉が７００℃に冷えた時点で（約５分）
、炉を１０ｃｍ開けた。３５０℃で（約３０分）、炉を完全に開けた。２００℃で、水素
およびメタン流を切断し、反応器チャンバーを、アルゴン流中で、室温まで放冷した（総
冷却時間は約１時間であった）。合成されたグラフェンを、図５に示すように、光学顕微
鏡法およびラマン分光顕微鏡により分析した。グラフェンは、高品質で、わずかな付加層
を有する単層を含む。付加層は、層の数が１を超えるグラフェンのエリアである。グラフ
ェン合成が完了したら、グラフェンを有する銅箔を、（周囲空気からの外来性の吸着剤に
よるグラフェンの汚染を避けるために）酸素プラズマ処理パイレックス皿に移し、クリー
ンルーム環境で金属の蒸着をすぐに行った。

金属補助剥離（ＭＡＥ）。金属補助剥離（ＭＡＥ）を使用して、他の金属（金、銀およ
びニッケル）上に銅からグラフェンを転写した。簡潔には、グラフェンを、銅基板上に成
長させ、次いで、他の金属（例えば、金、銀および／またはニッケル）のシートを用いて
、上に積層される。グラフェンは、銅よりも金に良く付着するので、グラフェン単層の全
体を容易に取り外すことができ、大面積にわたって、損傷を受けずに残る。ＭＡＥ中の高
真空環境におけるコンフォーマルなグラフェン／受け取り金属の接触面の形成は、接触面
を、酸化物および他の汚染物質がない状態にするのを助けることができる。コンフォーマ
ルは、１００％のグラフェンの表面原子と接触する蒸着させた金属を含むことができる。
例えば、銅上のグラフェンは顕著な表面粗さを有し得るので、適合性は、転写にとって重
要であり得る。

したがって、次のナノアイランドの堆積後に生じる形態は、関連する材料（例えば、蒸
着物および金属基板）および処理パラメーターの関数のみであり得る。

金属の堆積およびＮＩの自己集合。下にある基板の選択からもたらされるＮＩの形態を
比較するために、Ｔｅｍｅｓｃａｌ ＢＪＤ−１８００ ｅ−ビーム蒸着機を使用して、
１０ｎｍの蒸着物（金または銀）を、銅、ニッケル、金および銀により支持されたグラフ
ェン上に堆積させた。グラフェンを有する基板を、試料ステージに固定し、蒸着物源の下
に直接、配置した（４０ｃｍの距離）。金属の蒸着速度を低く保ち（０．１Åｓ^−１、水
晶振動子微量天秤によりモニターした）、チャンバーの圧力を、蒸着中、７×１０^−７ト
ールに保った。蒸着の最後の時点での基板の温度は、４００Ｋであった（標準的な堆積条
件−ＳＤＣとも言う）。蒸着速度および基板の温度は、得られたＮＩの形態を決定する重
要なパラメーターであり得る。

銅により支持されたグラフェン上の１０ｎｍの金の対照の蒸着を、２Å／秒、４００Ｋ
、および０．１Å／秒、５００Ｋで実施した。グラフェンが、金および銀原子について非
常に低い拡散障壁を示すとしても、より速い速度での蒸着（０．１Å／秒に対して、２Å
／秒）は、図Ｓ４に示すように、プロセスを、より速度論的制御に偏らせ、構造化がより
少ない形態をもたらす。反対に、より高いプロセス温度（４００Ｋに対して、５００Ｋ）
は、図Ｓ５に示すように、より高い結晶度の形態およびより低い被覆面積をもたらすこと
ができる。

全ての試料を、ＸＬ３０ ＦＥＩ ＳＦＥＧ ＵＨＲ走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使
用して、分析した。ＳＥＭ画像は、ＮＩの形態が、下にある基板の結晶方位に依存するこ
とを示す。図６は、２つの隣接する銅粒の異なる方位との、銅基板上のグラフェン上への
１０ｎｍの銀の（ＳＤＣでの）堆積から得られるＡｇＮＩの形態の相違を実証する。ＳＤ
Ｃでの１０ｎｍの金を、より大きな密度の付加層を伴うグラフェンを有する銅基板上に堆
積させて、基板および蒸着物の間のグラフェン層の数が、ＮＩの自己集合に影響を与える
かを決定した。さらに、銅／グラフェン／ＡｕＮＩを、ＰＤＳ ２０１０パリレン塗工機
を使用して、１μｍのパリレンＣで被覆した。下にある銅のエッチングにおいて、パリレ
ン／ＡｕＮＩ／グラフェンを、ＳＥＭを使用して画像化した（ＡｕＮＩを、下にあるグラ
フェンを通して画像化した）。図Ｓ３において、ＡｕＮＩにおけるパーコレーションの量
は、漸次多くの層を有するグラフェンで減少したことが分かる。これは、追加のグラフェ
ン層が、銅の表面エネルギーを連続的に低下させるので、薄膜成長のモデルと良く相関し
た。

グラフェン／ＮＩの転写。多くの適用のために、ＮＩは、その上にＮＩが生成した基板
から、最終的な受け取り基板（光ファイバー、ガラススライド、ＰＤＭＳ、ＰＥＴ，ヒト
の皮膚など）上に、転写することができる。ガラスカバースリップ、シリコンウエハーお
よびＰＤＭＳのストリップへの転写は、グラフェンを転写するための標準的な方法論を使
用して行った。最初に、ＰＭＭＡの支持層（例えば、１００ナノメートル厚さ）を、銅／
グラフェン／ＮＩ上にスピンコートし、続いて、１Ｍの塩化鉄（ＩＩＩ）（ＦｅＣｌ_３）
中で、１時間、銅基板をエッチングした。この後、グラフェン／ＮＩ／ＰＭＭＡ膜を、エ
ッチング液の表面に浮遊させ、脱イオン水を含有するビーカー内に、すくい集めて、移し
て（３回、それぞれのビーカーで５分）、銅のエッチングで残った汚染物質を除去した。
次いで、グラフェン／ＮＩ／ＰＭＭＡを、ＳＥＭ分析のためのシリコンウエハーの一片で
すくい集めた（図Ｓ７）。

際だったことに、シリコンウエハーに転写されたグラフェン／ＡｕＮＩの形態は、図１
に示す転写前のものと非常に相違していた。ＡｕＮＩは、完全にパーコレーションされた
ネットワークを形成し、曲線的な特徴に有利に、鋭い結晶のエッジおよび角を失っていた
。この効果は、低い表面エネルギー（７２ｍＪ／ｍ^２）を有する水のために、グラフェン
／ＡｕＮＩの下から、高い表面積（銅、１６５０ｍＪ／ｍ^２）を有する基板と（断続的に
）置き換わることに起因し得る。安定化した基板の結晶化度も、銅のエッチングにより消
失する。この段階で、ＡｕＮＩは、一見したところ、最も熱力学的に有利な構成に再構築
され、最終的な受け取り基板上に、それらが配置される際に維持される可能性がある。こ
の急激な再構築は、ＳＴＰ条件において起こり得る。グラフェン／ＮＩ／ポリマーを含む
浮遊性膜（図２０）は、最終的な受け取り基板を、グラフェンと接触させること、または
逆に支持ポリマーと接触させることの２つの方法の１つで、基板上に堆積させることがで
きる。最初の場合において、基板は、最初に、ＤＩ水に沈められ、水の中からゆっくりと
持ち上げて、浮遊した複合膜構造物をＬａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔの方法で取り
出すことができる。光ファイバー、ガラスカバースリップおよびＰＤＭＳストリップは、
ラマンセンシングのために、この方法で被覆することができる。ひずみセンシングのため
の固い基板および可撓性の基板も、この方法で被覆することができる。

２番目の場合において、基板を、浮遊したグラフェン／ＮＩ／ポリマー膜に投入し、さ
らに、水中に沈める（図２１）。心筋細胞の培養および収縮実験、ならびに心拍数のモニ
タリングのための基板は、この方法で被覆することができる。センサーが、転写中にＰＭ
ＭＡにより支持されている場合、この支持ポリマー膜は、アセトンで容易に除去すること
ができる。注目すべきことに、先端の面積（約０．０３ｍｍ^２）は、非支持グラフェン／
ＮＩ膜の破損から生じるフラグメントよりも著しく小さいので（発生する場合）、グラフ
ェン／ＡｕＮＩ膜で光ファイバーの先端を被覆するのに支持ポリマーは使用しなかった。

上述の転写方法に加えて、ポリマー膜を、銅／グラフェン／ＮＩ膜の上に、（例えば、
市販のラミネーターで）ラミネートすることができ、したがって、銅のエッチングの際に
、支持および最終的な受け取り基板としての役割を果たす。^８このような転写は、１２５
μｍ厚さのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）により支持された可撓性のひずみセン
サーを生成することができる（図２２ｃ、ｄ）。

原子論的物理的蒸着シミュレーション。全てのシミュレーションは、Ｓａｎ Ｄｉｅｇ
ｏ Ｓｕｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒ ＣｅｎｔｅｒのＣｏｍｅｔ ｓｕｐｅｒｃｏｍｐｕｔ
ｅｒで入手可能な、オープンソースのシミュレーションパッケージであるＬＡＭＭＰＳ（
２０１４年１２月９日）^９を使用して行った。シミュレーションは、全部で４８個のＩｎ
ｔｅｌ Ｘｅｏｎプロセッサーを含有する２つの計算ノードで分散されたメッセージパッ
シングインターフェイスを使用して、動的な負荷が分散されたドメイン分割で加速した。
約５ナノ秒／日の効率性に相当する、約２０倍のパラレル形式のスピードアップを達成し
た。視覚化および処理後の分析を、オープンソースの視覚化ツールであるＯＶＩＴＯを、
カスタムｐｙｔｈｏｎモジュールと併せて使用して行った。

グラフェン／銅（１１１）表面の最初の構成を、Ｓｕｌｅらの手順に従って、生成およ
び平衡化した。具体的には、厚い銅の支持体（３０層）を有する３×３のモアレスーパー
セルを、その最下層として使用して、効率的に、バルクの銅表面のモデルを作製した。４
ｍｍの高さの真空層を、表面の上に挿入して、金原子を堆積させ、アイランドが成長する
ための空間を与えた。反射する境界条件を、水平方向に周期的境界を有する、垂直方向に
課した。最初のシミュレーションセルの概略図を、図２５に示す。

シミュレーションされた金の堆積。堆積プロセスをシミュレーションするために、金原
子を、真空領域の挿入平面内のランダムな位置に、表面に対する速度がナノ秒あたり２０
０粒子の速度で導入した。この堆積速度は、コンピューターによる制約に起因して選択し
た。これは、実験速度よりも数桁大きいが、選択した速度は、シミュレーションを現行の
コンピューターで妥当な時間内に行うことを可能にするものであり、あらゆる文献での標
準的な慣行である。粒子の速度は、実験の蒸着温度と同等の温度で、マクスウェル−ボル
ツマン分布からサンプリングした。システム全体の温度は、０．０１ピコ秒の時定数を有
するＮＶＴアンサンブルにおけるＮｏｓｅ−Ｈｏｏｖｅｒ型サーモスタットを使用して、
堆積プロセス中を通じて４００Ｋで維持した。運動方程式は、時間可逆な測度保存Ｖｅｒ
ｌｅｔアルゴリズムで１フェムト秒の時間ステップを使用して積分し、数値的に安定なシ
ミュレーションが得られることを見出した。

熱アニーリングのシミュレーション。堆積プロセスに続いて、実験的な真空アニーリン
グプロセスを、温度を５００Ｋまで上昇させ、金のアイランドが、拡散して、形態が安定
になるまで（約１５ナノ秒）、凝集することを可能にすることにより、シミュレーション
した。アニーリング中、金クラスターの表面積は、２．５Åのプローブ球半径および２０
の平滑レベルで、ＯＶＩＴＯソフトウェアパッケージからの表面メッシュ修正を使用して
モニターした。

システムがハイブリッド性であるため、それぞれのペア−ワイズ相互作用は、適切な原
子間ポテンシャルを用いて独立して処理した。金属−金属相互作用は、金属系に対して文
献を通じて広く使用され検証されている原子挿入法を使用して、全てコンピューターで計
算した。炭素−炭素相互作用は、グラフェンのための良好なモデルとして示されている、
ＡＩＲＥＢＯポテンシャル^２を使用して、処理した。炭素−銅相互作用は、高レベルの密
度汎関数理論計算を使用して、このシステムのために具体的にパラメーター化された、角
度に依存したＡｂｅｌｌ−Ｔｅｒｓｏｆｆポテンシャルを使用して、処理した。最後に、
炭素−金相互作用は、本明細書の場合のように、欠陥または粒子境界が存在しない限り、
グラフェン上の金の結合および拡散の正確な説明を与えることが示されている、Ｌｅｎｎ
ａｒｄ−Ｊｏｎｅｓポテンシャル（イプシロン＝０．０３４１ｅＶ、シグマ＝３．００３
オングストローム）を使用して、処理した。使用した原子間ポテンシャルの概要は表Ｓ１
で分かる。

アイランドの成長の統計分析。物理的蒸着のシミュレーションから出力された軌道ファ
イルは、形態の進化およびナノアイランドの成長を定量的に特徴付けるために使用するこ
とができる大量の情報を提供する。これらの計量は、異なるシステムと比較するための基
準を提供し、実験単独では達成不可能なアイランドの成長に内在する物理的メカニズムへ
の洞察を与えることができる。非常に容易にモニターすることができる１つの量は、個々
の金原子の配位数である。軌道ファイルのスナップ写真を、完全に解析し、全ての最近接
の隣接物を、距離のカットオフとして結合距離を使用して、全ての金粒子について計算し
た。図２３は、アイランドの成長として、金粒子の配位数の可能性のある分布の進化を示
す。これらの結果は、０．５ｎｍのＡｕが堆積した後、金原子の大部分が、クラスターの
表面に相当する、配位数６を有することを示す。金原子の大部分は、１ｎｍ堆積した後に
、クラスターのバルクに相当する、配位数１２を有する。

金アイランドの成長を特徴付けるために使用することができる別の定量的な計量は、金
粒子の高さの分布である。これらは、それらの鉛直高さに関する軌道のスナップ写真から
金粒子をビニングし、分布を正規化することにより、計算した。図１４は、堆積プロセス
中のこの可能な分布の進化を示す。０．５ｎｍの堆積したＡｕのみ、アイランドの最大高
さは、６層である（２２Å）。この結果は、表面全体に拡散する代わりに、１カ所に集ま
る金クラスターの選択が、金／基板の相互作用に対してより好ましい金／金の相互作用に
起因する可能性があることを示す。上記の分析を使用して、将来のコンピューターによる
実験のアイランドの成長における、下にある基板および堆積した金属の効果を比較する。

光ファイバーラマンセンサー。非支持グラフェン／ＡｕＮＩを、新たに切断した３００
μｍ厚さの光ファイバー（コア：半径が５０μｍ、５０μｍ厚さのクラッディング、５０
μｍ厚さのシース）の先端上に転写して、ラベルフリーセンシングのためのＳＥＲＳ基板
としてのグラフェン／ＮＩ複合膜構造物の使用の実現可能性を検討した。７．５ｎｍの金
を、銅上のグラフェン上に蒸着させて、それらの間の最小間隙（例えば、３〜２０ｎｍ）
を有する、パーコレーションされていないＡｕＮＩを得た（図３ｂ、右挿入図）。７．５
〜８ｎｍのＡｕの堆積を、ＡｕＮＩのためのパーコレーションの閾値として定める。フィ
ルムの転写およびファイバーの周囲空気中での終夜乾燥後、これらを、１０ｍＭの１−ブ
タンチオール（ＢＴ）のエタノール性溶液を含有するビーカー内に、（対照の基板として
）蒸着させた１００ｎｍ厚さの金の膜を有する１ｃｍ^２のシリコンウエハー片（対照の基
板として）と一緒に置いて、金の表面上にＢＴの自己集合単分子層（ＳＡＭ）を形成した
。この厚さでは、金は透明ではないので、基板のＳｉＯ_２またはＳｉ／ＳｉＯ_２の同一性
は重要ではない。

２４時間後、試験基板を、ＤＩ水およびイソプロパノール（ＩＰＡ）中で徹底的にすす
ぎ、周囲空気中で乾燥した。

ラマン分光法分析。試験基板からラマンスペクトルを得るために、逆位ステージ（inve
rted stage）および７８５ｎｍの励起源を有するラマン顕微鏡（Ｒｅｎｉｓｈａｗ ｉｎ
Ｖｉａ）を使用した。試験試料および対照の両方について、レーザービームを、２μｍの
ビームスポットに収束させ、露出を、０．５ｍＷの出力で、６０秒に設定した。はっきり
と異なるＢＴシグナルが、１秒程度の少ない露出でさえも、（低いシグナル対ノイズ比に
もかかわらず）被覆された光ファイバーの先端から得られたが、ＢＴシグナルは、ビーム
出力を５ｍＷに上げ、次いで、５０ｍＷに上げることによってさえ、６０秒の露出で、得
られなかった。これは、グラフェン／ＡｕＮＩが、適切なＳＥＲＳ基板であり、非構造化
金膜にはるかに勝っていることを示す。この実施形態は、複合グラフェン／ＮＩ膜構造物
の可操作性を実証する。これらは、光ファイバーの先端のような小さな物体上に転写する
ことができ、リモートセンシングにおいて非常に将来有望な適用を可能にする。

ひずみセンサーとしてのグラフェン／ＰｄＮＩ膜。ＳＤＣ下で、銅上のグラフェン上へ
約１０ｎｍのＰｄを堆積させることで、球状粒子（直径４〜５ｎｍ）の均一な単分子層の
形成をもたらした。これらの球状粒子は、非常に異なる形状であっても、今もなお材料選
択の機能であり、本明細書に開示する他のナノアイランドと同じ方法で製造することがで
きる。したがって、これらのグラフェン／ＰｄＮＩは、広い範囲のひずみにわたって、そ
れらのピエゾ抵抗性を試験するために、固い基板（ガラス）、可撓性の基板（ＰＥＴ）お
よび伸張可能な基板（ＰＤＭＳ）上に転写した（図２２）。

固い基板上のＰｄＮＩセンサー。非常に低い＜＜１％のひずみの下、ひずみセンサーと
してのＰｄＮＩの性能を評価するために、３〜５×２５ｍｍのグラフェン／ＰｄＮＩ／Ｐ
ＭＭＡストリップを、１３０μｍ厚さの１インチ×１インチのガラスカバースリップ上に
転写した。ＰＭＭＡを除去するために、スライドをアセトンですすいだ。センサーに電気
アドレスさせるために、銅線（３６ゲージ）を、導電接着剤を有する銅テープを用いて、
ＰｄＮＩおよびガラスカバースリップに接着し、ＥＧａＩｎ滴を、ほどいた銅線の末端上
に置いて、図２２ａの安定な電気的接触を確実にした。全ての場合において、電極の接続
後のＰｄＮＩセンサーのアスペクト比は、３〜１０の間であり得、６４４〜２０１５オー
ムの間の緩和抵抗であり得る。

ＰｄＮＩセンサーを用いて非常に小さなひずみ（０．００１％〜０．００３％）を誘発
および記録するために、１３μｍ厚さのポリイミド（ＰＩ）テープ（０．００１％ひずみ
については１層、および０．００３％ひずみについては３層）を、２インチ×３インチの
ガラススライド上に置いた。ＰＩテープを、制御可能な高さの段として使用して、テープ
上のＰｄＮＩ被覆ガラスカバースリップの半分を置いて固定することにより、カバースリ
ップおよびカバースリップの他の半分の下のガラススライドの間に間隙を作りながら、カ
ンチレバーを作った（図３ｆ）。カンチレバーの自由端に小さな力（約０．１Ｎ）をかけ
、それをガラススライドと接触させることにより、ガラススライドを曲げて、そのＰｄＮ
Ｉ被覆表面上に引張ひずみを誘発し、カスタム生成ＬａｂＶＩＥＷコードを使用して、Ｋ
ｅｉｔｈｌｅｙ ２４００ソース／メートルを有する抵抗の変化を記録した（図３ｆ、右
挿入図）。固体ＰｄＮＩ膜の対照試料を、同様の方法で分析した（図１９）。

伸張可能な基板上のＰｄＮＩセンサー。より高いひずみ（＞１％）でＰｄＮＩセンサー
のピエゾ抵抗を測定するために、ＰｄＮＩセンサーを、ＰＤＭＳのストリップ（３ｍｍ×
１０ｍｍ×１００ｍｍ）上に転写し、それを銅線およびＥＧａＩｎ（共晶ガリウムインジ
ウム）でアドレスし、ＰＤＭＳを伸張するために高精度線形アクチュエータを使用した（
図２２ｂ）。グラフェン（ＰｄＮＩなし）対照試料を、同様の方法で分析した。センサー
を、１％の間隔で、０％および９％のひずみの間でサイクルした（それぞれ１％の間隔あ
たり２０サイクル）（図３ｅ）。センサーは、安定なベースラインを維持しながら、非常
に高いゲージ率およびサイクル性を示した（図２４）。

心拍数の測定。バイオメトリクスシグナルを得るために、８μｍ厚さのＰＤＭＳ膜を、
銅／グラフェン／ＰｄＮＩ上にスピンコートし、ＰＤＭＳを、１００℃で１０分間、ホッ
トプレート上に硬化させた。銅を、１Ｍの塩化鉄（ＩＩＩ）中で、１時間エッチングした
。浮遊性のグラフェン／ＰｄＮＩ／ＰＤＭＳ膜を、ＤＩ水に転写し（３回）、ＤＩ水およ
びセンサーを有する容器内に手首を入れることにより、手首の皮膚上に（橈骨動脈上部に
）センサーを正確に置いた（図３ｄ）。

ＰＤＭＳ表面は疎水性のため、皮膚との良好な接触面を形成した。センサーを置く前に
、接着テープのストリップを、テープがない橈骨動脈の上の皮膚の部分を残しながら、手
首の周囲に接着した。接着テープは２つの目的を果たす：それは、電気接触ワイヤの取り
付けおよび保持を助け、かつテープで覆われた皮膚を伸張できないようにすることによっ
て皮膚のテープがない部分にひずみを局在化させた。１つのセンサーは心拍数を測定する
ことができるが、転写プロセス中にＰＤＭＳ中でしわを発生させた２つの他のセンサーは
、十分な感度ではなかった（３つのセンサーは全て手首および個々の指の動作を、高い忠
実性で記録することが可能であった）。

ＰｄＮＩセンサーに対するインサイチュＳＥＭ。０．００１％、３％および５％のひず
み下、ＰｄＮＩセンサーの膜の形態を記録するために、センサーを、ＸＬ３０ ＦＥＩ
ＳＦＥＧ ＵＨＲ走査型電子顕微鏡を用いて画像化した。固い基板上の小さなひずみ下で
センサーを画像化するために、ＰＩテープ段方法を使用した。ここで、カンチレバー上に
断続的な力をかけることに代えて、カンチレバーの自由端を、導電性銅テープを用いてガ
ラススライドに、取り外せないようにテープで固定した。このテープはまた、試料を、Ｓ
ＥＭステージに放電するための電気的な接地電極としての役割を果たした。

３％および５％のひずみ下でセンサー膜の画像を得るために、１ｍｍ厚さのＰＤＭＳス
トリップにより支持されたセンサーを、ＳＥＭステージへの試料の電気的な接地の役割も
果たす接着銅テープを使用することにより、それぞれ、１５ｍｍおよび１０ｍｍの曲率半
径を有する３Ｄプリントされた半円筒の曲面に接着した（特定の半径にＰＤＭＳストリッ
プを曲げることにより、３および５％の引張ひずみを表面に発生させた）。

電気生理学。新生仔ラット心室の心筋細胞を、新生仔ラット心筋細胞単離キット（Ｗｏ
ｒｔｈｉｎｇｔｏｎ）を使用して単離し、３７℃、５％ＣＯ_２で培養した。つまり、心室
を、１日齢のＨｓｄ：ＳＤラット（Ｓｐｒａｇｕｅ Ｄａｗｌｅｙ）から切断し、次いで
、トリプシンで、４℃で終夜、消化した。翌朝、消化を、コラゲナーゼで、３７℃で約６
０分間、継続した。細胞を、９０分間、予め蒔いて、線維芽細胞を除去し、高血清培地（
ＤＭＥＭ／Ｆ１２［１：１］、０．２％のＢＳＡ、３ｍＭのピルビン酸ナトリウム、０．
１ｍＭのアスコルビン酸、４ｍｇ／リットルのトランスフェリン、２ｍＭのＬ−グルタミ
ン、１０％のウマ血清および５％のウシ胎仔血清を追加した１００ｎＭの甲状腺ホルモン
（Ｔ３））中、細胞２×１０^５個／ｃｍ^２で、ＰＭＭＡ／ＡｕＮＩ／グラフェンで被覆さ
れた１２ｍｍのガラスカバースリップ上に蒔いた。２４時間後、培地を、低血清培地（０
．２５％のウシ胎仔血清のみを含む以外は上記と同じ）に交換した。３つの細胞培養物を
、それぞれの細胞培養物について、少なくとも８個の基板を有するＰＭＭＡ／ＡｕＮＩ／
グラフェン上に蒔いた。いくつかのＰＭＭＡ／ＡｕＮＩ／グラフェン基板は、それぞれの
細胞培養物の平板培養中に、Ｍａｔｒｉｇｅｌで被覆して、むき出しのＰＭＭＡ／ＡｕＮ
Ｉ／グラフェン基板と、Ｍａｔｒｉｇｅｌで被覆されたＰＭＭＡ／ＡｕＮＩ／グラフェン
基板に対する細胞の接着を比較した。試料間の細胞の接着および生存率の相違は観察され
なかった。

走査型電子顕微鏡法。最初に、細胞を、０．１Ｍのリン酸緩衝液（ｐＨ７．４）で洗浄
し、次いで、４％のホルムアルデヒド溶液で、室温で２時間、固定し、同じ緩衝液で、３
回、それぞれ５分間、洗浄した。アルコールの一連の勾配（３０％エタノールを１０分、
５０％エタノールを１０分、７０％エタノールを１０分、８０％エタノールを１０分、９
５％エタノールを１０分で２回交換、１００％エタノールを１５分で３回交換）による脱
水の後、全ての試料を、真空チャンバー中で凍結乾燥し、スパッタリングされたイリジウ
ムで被覆した。走査型電子顕微鏡法の画像を、ＸＬ３０ ＦＥＩ ＳＦＥＧ ＵＨＲで、
１０ｋＶのエネルギービームを使用しながら、５ｍｍの作動距離で、得た。

電気生理学測定。ＰＤＭＳ（Ｓｙｌｇａｒｄ １８４）が硬化した型の３Ｄプリンティ
ングにより、カスタム電気生理学チャンバーを構築した。出来上がったチャンバーは、中
央開口部（細胞培養および培地のため）および側面開口部（共晶電極の配置のため）を有
し、ＡｕＮＩ基板の中央部分が中央開口物に位置し、かつＡｕＮＩ基板の端部が側面開口
部を通して、ＥＧａＩｎを使用する電気アドレスのためにアクセス可能な方法で、ＰＭＭ
Ａ／ＡｕＮＩ／グラフェンおよびＣＭ培養物を有するガラスカバースリップの上に配置さ
れた（図４ａ）。次いで、組み立て物を、１インチ×３インチの２枚のガラススライドの
間に挟み込み、良好な密封性を確実にするためにバインダクリップで固定した。ガラスス
ライドの上に予め５ｍｍのアパーチャを開けて、培地およびブレビスタチンを、チャンバ
ーの中央開口部に添加することを可能にした。チャンバーの開口部の間のＰＤＭＳ壁は、
細胞の培地（ＮａＣｌが１３５ｍＭ；ＫＣｌが２．５ｍＭ；ＣａＣｌ_２が２ｍＭ；ＮａＨ
ＣＯ_３が１ｍＭ；Ｎａ_２ＨＰＯ_４が０．３４ｍＭ；ＫＨ_２ＰＯ_４が０．４４ｍＭ；グルコ
ースが２０ｍＭ；およびＨＥＰＥＳが１０ｍＭ（ｐＨ７．４））から、ＥＧａＩｎ電極を
分離する役割を果たした。電気生理学の記録を、Ｄｉｇｉｄａｔａ １３２２インターフ
ェイス、Ａｘｏｐａｔｃｈ ２００Ｂ増幅器およびｐＣｌａｍｐソフトウェア（Ｍｏｌｅ
ｃｕｌａｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｃｏｒｐ．）を使用して、電流−クランプの構成において
行った。データを、５０ｋＨｚで、デジタル処理でサンプリングし、２ｋＨｚでフィルタ
ー処理した。実験は室温で行った。ブレビスタチン（１０ｕＭ、Ｔｏｃｒｉｓ）およびＫ
Ｃｌ（３０ｍＭ）を、ＣＭ収縮の速度に影響を与えるために、実験チャンバーに直接添加
した。個々の収縮を表す全ての痕跡を、Ｃｌａｍｐｆｉｔ１０．３およびＯｒｉｇｉｎＰ
ｒｏ２０１５を使用して、指数関数に適合させた。

本明細書に開示する方法およびシステムは、細胞（例えば、培養細胞）の活動の電気イ
ンピーダンスプロファイルを提供することもできる。インピーダンスのための一般方程式
は、Ｚ＝Ｒ＋ｊＸ（式中、Ｒは、「通常の」抵抗であり、虚数部であるｊＸは、回路のリ
アクタンスの位相シフトに関する）である。インピーダンスは、ＡＣ電流測定のために関
連があり得る。ＤＣ電流測定に関しては、インピーダンスは、回路の抵抗に等しい。記録
された抵抗を超えるインピーダンスを使用すると、電極の位相シフトしたキャパシタンス
放電−再充電に関する、細胞の追加の構成要素の挙動により、追加情報を収集することを
可能にし得る。

一般に、インピーダンスは、電圧の変化と電流の変化の周波数−ドメインの比を加える
。収縮する細胞（例えば、収縮する培養細胞）のためのインピーダンスプロファイルを測
定するための方法は、細胞層の逆側上に２つの電極を含んでいてもよい。システムは、複
数の電極を有する記録回路を含むことができ、少なくとも１つの電極は、細胞層のそれぞ
れの側に位置する。

例えば、インピーダンス測定は、電気生理学様の増幅器で収集することができ、これは
、時間分解法で、電流−電圧シグナルを迅速に記録する能力がある。

細胞（例えば、培養細胞）が電極を覆うと、電極および溶液の間の電気インピーダンス
は、増加し得る。それらが収縮すると（すなわち、面積が縮小する）、露出した電極の面
積が増加し、インピーダンスは低下し、こうして、拍動（およびその振幅）を記録する。

本明細書に開示するシステムおよび方法は、細胞膜のキャパシタンスを超える電圧プロ
ファイルの第１の微分係数を含む、いくつかのパラメーターを測定することができる。細
胞膜電位は、細胞膜の内側（細胞質）の小葉および外側（細胞外）の部分の間の電圧の差
である。電極が細胞膜と接触すると、細胞膜電位プロファイルをモニターすることにより
、細胞（例えば、培養細胞）の活動（例えば、収縮活動）を追跡することができる。例え
ば、本明細書に開示するシステムおよび方法は、細胞活動に起因する電圧の動的変化のい
くつかの構成要素を測定することができる。

本明細書におけるシステムおよび方法は、例えば、暗視野顕微鏡法を使用する、ナノア
イランドの間の粒子間距離の変化の光学的観測により、細胞の収縮性のプロファイルを提
供することができる。暗視野顕微鏡法は、画像のコントラストを強くする照明技術を含む
ことができる。照明光は、非常に強くてよく、試料の照明後、直接照明の光ビームは、試
料を調査するために使用される対物レンズへの進入を阻止される。結果として、対物レン
ズに進入する唯一の光は、試料からの散乱光になる。この顕微鏡技術は、暗い背景に対し
て明るく光る画像とともにほぼ黒色の背景を生成する。

ナノアイランドのサイズは、光学顕微鏡法についての回折限界未満であり得る。しかし
ながら、より大きなサイズのアイランド（例えば、さらに大きい）および局在化した表面
プラズモン共鳴により引き起こされる効果により、暗視野像を検出することができる。

このようなシステムの利点は、金属ナノアイランドの追跡および分析の容易さであろう
。細胞、例えば、培養心筋細胞は、ナノアイランドに収縮力をかけることができ、それら
を周囲にシフトさせることができる。シフトおよび他のパラメーター（色の変化／光波長
の変化）の量を、検出のために使用することができる。

本明細書に開示する方法およびシステムは、カルシウムイオン濃度の光学的観測による
細胞収縮性のプロファイルを提供するように構成することができる。心筋細胞内のカルシ
ウムイオン濃度の動的変化は、心筋細胞の活動を検出するために使用することができる。
例えば、特別に配合された蛍光カルシウム指示染料の使用による。それぞれの染料分子は
、カルシウムイオンと結合すると、その蛍光を変化させることができる。この染料は、例
えば、従来の蛍光顕微鏡法により、記録する前に、培養細胞（例えば、心筋細胞または任
意の他の種類の細胞）内にロードしなければならない。細胞内のカルシウム濃度の上昇は
、細胞収縮をもたらすアクチン／ミオシンカップリングを惹起することができる。したが
って、（金属ナノアイランド付近のイオンとは対照的に）細胞内カルシウム濃度の動的変
化は、細胞の収縮活動の適切な「代替的測定値」であり得る。記録されたシグナルは、良
好なダイナミックレンジを伴って、高速かつ明るくあり得る。

本明細書に開示する方法およびシステムは、培養細胞からラマン散乱データを提供する
ように構成される。細胞からのラマンスペクトルデータは、主要なセンサーモダリティへ
の追加である。細胞表面上の生化学的に活性な構造物からのラマンシグナルは、収縮活動
中の膜化学の組成における変化を反映することが可能であってもよい。

細胞は、プラズモン的に活性なナノアイランド（例えば、金アイランド）と直接接触す
ることができるので、後者は、発現した膜タンパク質、細胞の被験物質、サイトカインな
ど、ならびに細胞体内の数十ナノメートルの化学構造からのラマンシグナルを増強するこ
とができる。本明細書に開示する方法およびシステムは、ミトコンドリアの運動を検出す
る非構造化金膜よりも、よりプラズモン的な活性が桁違いの大きさなので、開示するシス
テムの分解能およびシグナル対ノイズ比は、大きくなり得る。データ分析は、細胞生化学
から得られた複雑なシグナルの解析を含むことができる。

本明細書に開示するシステムおよび方法は、細胞活動を電気的に刺激するように構成す
ることができる。電気的に細胞を刺激する方法は、細胞層の両側の上で２個の別個の電極
を使用することを含み、これらの２個の電極間に電圧を加えることができる。本明細書に
開示する方法およびシステムは、１個の電極を細胞の上に、１個の電極を細胞の下に有す
る、不活性電極として使用することができる。

本明細書に開示する方法およびシステムは、細胞活動を光学的に刺激することができる
。例えば、金ナノアイランドは、プラズモン的に活性であり得、１つのバンドの光により
、光学的に細胞活動を読み取ることを可能にしながら、別のバンドの光を使用して、細胞
の収縮を刺激することができる。例えば、光を、ナノアイランド（例えば、金アイランド
）上に成長した細胞に照らすと、これらは、非常に迅速に収縮し得る。強い照明により、
これらは、強縮（連続的な収縮の状態）になる。光は、金ナノアイランド中で、プラズモ
ニクスモードを活性化してもよく、表面上および間隙における電界を変化させてもよい。
これは、細胞膜の脱分極および細胞活動を引き起こしてもよい。

本明細書に開示する方法およびシステムは、皮膚または衣服へのウェアラブルセンサー
を含むことができる。このようなシステムのための適用は、ヘルスケア、ウェルネス、触
覚技術、機器を備えたプロテーゼ、およびナノアイランドセンサーが身体の外部で使用さ
れる他の適用を含むことができる。

本発明の多数の実施形態を記載してきた。それにもかかわらず、本発明の精神および範
囲から逸脱することなく、様々な改変を行ってもよいことが理解されよう。したがって、
他の実施形態は、以下の特許請求の範囲の範囲内である。

Claims (30)

1. 複合膜構造物を製造するための方法であって、
   前記複合膜構造物の金属層にとって所望の形態を決定するステップ、
   前記決定に基づいて、第１の金属基板を選択するステップ、
   前記第１の金属基板上にグラフェン層を転写するステップ、
   前記グラフェン層上に前記金属層を堆積させて前記所望の形態を得るステップ、ならびに
   前記グラフェンおよび堆積させた前記金属層から前記第１の金属基板を除去して、前記複
   合膜構造物を形成するステップ
   を含み、前記第１の金属基板と前記堆積させた金属層の間の表面エネルギーの相違が、前
   記金属層の前記所望の形態をもたらす、方法。
2. 前記所望の形態が、ナノアイランドを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記金属層中のナノアイランドの縁部の間の間隔が、分子寸法のオーダーである、請求
   項２に記載の方法。
4. 前記金属層を堆積させるステップが、金属原子の蒸着フラックスの堆積を含む、請求項
   １に記載の方法。
5. 前記金属原子の前記蒸着フラックスが自己集合して、前記所望の形態が得られる、請求
   項４に記載の方法。
6. 前記金属原子の前記蒸着フラックスが、電子ビーム蒸着、熱蒸着またはスパッタリング
   により生成する、請求項４に記載の方法。
7. 前記第１の金属基板上に前記グラフェン層を転写するステップが、第２の金属基板上に
   成長させた前記グラフェンを剥離すること、および前記第１の金属基板上に前記グラフェ
   ン層を配置することを含み、前記グラフェンが、単層のグラフェンを含む、請求項１に記
   載の方法。
8. 前記グラフェンは、化学蒸着を使用して前記第２の金属基板上に成長させる、請求項７
   に記載の方法。
9. 前記第１の金属基板が、遷移金属を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記遷移金属が、金、銀またはニッケルを含む、請求項９に記載の方法。
11. 表面増強ラマン散乱のための基板を形成する方法であって、
    第１の金属基板上に、グラフェン層を堆積させるステップ、
    前記グラフェン層上に、複数の金属ナノアイランドを堆積させるステップ、
    前記グラフェンおよび堆積させた前記複数の金属ナノアイランドから、前記第１の金属基
    板を除去して、前記表面増強ラマン散乱のための基板を形成するステップ
    を含む、方法。
12. 被験物質の表面増強ラマン散乱を行う方法であって、
    請求項１１に記載の方法に従って、表面増強ラマン散乱のための基板を形成するステップ
    、
    光ファイバー上に、前記基板を転写するステップ、
    前記基板上の前記被験物質を被覆するステップ、および
    前記被験物質からの表面増強ラマン散乱のシグナルを記録するステップ
    を含む、方法。
13. 被験物質の表面増強ラマン散乱を行う方法であって、
    請求項１１に記載の方法に従って、表面増強ラマン散乱のための基板を形成するステップ
    、
    光ファイバー上に、前記基板を転写するステップ、
    前記被験物質内に前記基板を配置するステップ、および
    前記被験物質からの表面増強ラマン散乱のシグナルを記録するステップ
    を含む、方法。
14. 前記複数の金属ナノアイランドが、プラズモン的に活性な金属を含む、請求項１２に記
    載の方法。
15. プラズモン的に活性な金属が、銅、銀、パラジウム、金または白金のナノアイランドを
    含む、請求項１４に記載の方法。
16. グラフェン層、
    前記グラフェン層上の金属層、および
    前記グラフェン層および前記金属層上のポリマー
    を含むひずみセンサーであって、前記ひずみセンサーのピエゾ抵抗が、４桁にわたるひず
    みを検出することを可能にする、ひずみセンサー。
17. 前記金属層が、パラジウムを含み、第１の金属基板が、銅を含み、前記ポリマーが、ポ
    リジメチルシロキサンを含む、請求項１６に記載のひずみセンサー。
18. 前記グラフェン層が、前記金属層を通じた亀裂伝搬を抑制するように構成される、請求
    項１６に記載のひずみセンサー。
19. 前記ひずみセンサーの１％のひずみでのゲージ率が、少なくとも１３００である、請求
    項１６に記載のひずみセンサー。
20. 生体試料における力学的運動を測定するためのシステムであって、
    チャンバー、
    生体試料が上に配置された複合膜構造物であって、グラフェン層と接触している金属層、
    および前記金属層または前記グラフェン層のいずれかと接触しているポリマー層を含む、
    複合膜構造物、
    前記複合膜構造物に電気的にアクセスするための電気的接続、および
    前記チャンバー内の中央開口部であって、前記複合膜構造物上に配置された前記生体試料
    を受け取るように構成された中央開口部
    を含み、前記生体試料は、培養細胞または組織を含み、前記金属層は、複数の金属ナノア
    イランドを含む、システム。
21. 前記ポリマー層が、前記金属層と接触しており、前記生体試料は、前記グラフェン層上
    に直接成長する、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記ポリマー層が、前記グラフェン層と接触しており、前記生体試料は、前記金属層上
    に直接成長する、請求項２０に記載のシステム。
23. 前記培養細胞の前記力学的運動の振幅および時間的プロファイルを提供するように構成
    される、請求項２０に記載のシステム。
24. 前記培養細胞の活動に関連する電気インピーダンスプロファイルを提供するように構成
    される、請求項２０に記載のシステム。
25. 複数の電極をさらに含み、第１の電極が、前記培養細胞の片側に位置し、第２の電極が
    、前記培養細胞の逆側に位置する、請求項２０に記載のシステム。
26. 前記培養細胞を有する前記複合膜構造物で挟み込むように構成された基板の第２のペア
    をさらに含む、請求項２０に記載のシステム。
27. 前記複数の金属ナノアイランド中の金属ナノアイランドの間の間隔の変化の光学的観測
    により、細胞の収縮性のプロファイルを提供するように構成される、請求項２０に記載の
    システム。
28. 前記培養細胞の活動に起因する細胞膜電位プロファイルを提供するように構成される、
    請求項２０に記載のシステム。
29. 前記複数の金属ナノアイランド中の金属ナノアイランドの間の間隔の変化の光学的観測
    により、細胞の収縮性のプロファイルを提供するように構成される、請求項２０に記載の
    システム。
30. 前記培養細胞からラマン散乱データを提供するように構成される、請求項２０に記載の
    システム。
    

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