用于石墨烯纳米结构的dna定义的蚀刻的方法

用于石墨烯纳米结构的dna定义的蚀刻的方法
【专利摘要】本发明提供了利用有预定DNA形状的DNA样品来蚀刻石墨烯的方法。将DNA样品优选置于一块高定向热解石墨(HOPG)的反应区上，然后优选将DNA样品和HOPG置于湿度控制室内。向HOPG优选应用湿度以产生横跨DNA样品表面的水膜。还向HOPG施加电势以产生用于蚀刻过程的电势能。蚀刻完成后，通常用去离子水漂洗反应区。
【专利说明】用于石墨烯纳米结构的DNA定义的蚀刻的方法
[0001]优先权要求第13/630,975号美国非临时专利申请，其提交于2012年9月28日，题为“用于石墨烯纳米结构的DNA定义的蚀刻的方法”,发明人Michael James Darling,其的内容明确并入本文作为参考。优先权还要求第61/588，556号美国临时专利申请，其提交于2012年I月19日，题为“石墨烯的DNA定义的蚀刻”,发明人Michael James Darling,其的内容明确并入本文作为参考。
发明领域
[0002]本发明通常涉及用于蚀刻石墨烯的方法。特别地，本发明为纳米级基于石墨烯的材料的蚀刻方法，其利用DNA样品并通过施加电势。
[0003]发明背景
[0004]自从在2004年被发现后，由于独特的电性质、机械性质及物理性质，石墨烯迅速受到显著的关注。此类性质的实例包括低电阻率和高载流子迁移率。例如，研究人员已经发现，由于石墨烯的低电阻率，电子在石墨烯中的行进比在硅中基本快约一百倍。例如，单原子厚度的石墨片提供了约1.0微欧/cm的电阻率，这比铜的电阻率低约35%，铜是以前所知的在室温下电阻率最低的材料。因此，石墨烯中这种低电阻率为基于石墨烯的应用提供了更高的传导率，这对于要求迅速转换的半导体应用而言是一个很大的优势。
[0005]对于载流子迁移率，石墨烯对电子迁移率的限度也优于硅。通过原子的热振动来设置石墨烯中电子迁移率的限度，并且其在室温下为约200，OOOcmVVs0另一方面，硅为约1400cm2/Vso因为目前的石墨烯应用只利用了 10，000cm2/Vs，所以存在电势以使基于石墨烯的应用最大化，从而达到200，OOOcmVVs限度。
[0006]尽管有这些优势，但石墨烯通常与具有纳米级线宽度的通道一起构筑。因此，为了利用这些基于石墨烯的应用，石墨烯的制造通常需要生产线宽为约l_2nm的纳米线，以便具有硅带隙(即约1.1leV)。这引起了问题，因为目前可用的半导体加工技术不可能将石墨烯切割成如此狭窄的纳米级线宽(典型小于3nm)。此外，常规方法更加缓慢，需要通过以串行方式的电化学反应来蚀刻掉每一位点。另外，这些常规方法通常依靠通过掩模的蚀刻，所述掩模利用自上而下的光刻技术而制造，这已知防止了纳米级分辨率的图案。
[0007]因此，亟需用于制造纳米级的石墨烯的方法。优选的方法应是更快的，利用“自下而上”的途径，并且将DNA样品用于蚀刻。
[0008]发明概述
[0009]为了使现有技术中的局限性减到最小，并且为了使阅读和理解本说明书后变得显而易见的其他局限性减到最小，本发明公开了利用DNA样品蚀刻石墨烯的方法。
[0010]本发明的一实施方案为用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，所述步骤包括:提供一块高定向热解石墨；其中所述高定向热解石墨块具有第一窗口、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个或多个配置为接收电压的电极接头；其中所述第三窗口的一部分包括配置为接收DNA样品的反应区；将DNA样品沉积至反应区；将所述高定向热解石墨块置于湿度控制室内；向所述高定向热解石墨块应用相对湿度；并且横跨所述第一窗口和第二窗口施加电压。优选地，用抗蚀剂涂覆所述高定向热解石墨块。优选地，利用电子束光刻通过扫描电子显微镜来蚀刻所述第一窗口、所述第二窗口和所述第三窗口。所述第一窗口与所述第二窗口通常布置为相距约600-1000微米(微米或微米)，但是优选布置为相距约800微米。用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法还包括步骤:用原子力显微镜分析所述第一窗口、所述第二窗口和所述第三窗口。用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法还包括步骤:加热及融化所述DNA样品并且将该DNA样品冷却至室温。用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法还包括将DNA样品稀释于缓冲溶液的步骤。通常，所述缓冲溶液为约0.5-1.5摩尔氯化钾(优选I摩尔)；约8-12毫摩尔三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐(优选10毫摩尔)；以及约8-12毫摩尔乙二胺四乙酸(优选10毫摩尔)(但是任何类型的缓冲溶液都可以用于提供用于稳定DNA样品的离子，这归因于DNA样品的强负电荷及其固定pH水平的能力)。优选地，电压为约2-6V/mm (优选4V/mm)的电压梯度。所述DNA样品优选为双链未甲基化的XDNA。用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法还可包括在温的去离子水中漂洗所述DNA样品的步骤。
[0011]本发明的另一实施方案为用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，所述步骤包括:提供一块高定向热解石墨；其中所述高定向热解石墨块具有第一窗口，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个或多个配置为接收施加的电压的电极接头；其中所述第三窗口的一部分包括配置为接收DNA样品的反应区；将所述DNA样品沉积于反应区；加热及融化所述DNA样品；将所述DNA样品冷却至室温；将所述DNA样品稀释于缓冲溶液；将缓冲溶液应用至反应区；孵育所述反应区；用去离子水漂洗所述反应区以去除缓冲溶液和过量的DNA样品；将所述闻定向热解石墨块置于湿度控制室内；向所述闻定向热解石墨块应用相对湿度；并且横跨所述第一窗口和第二窗口施加电压约1-2分钟；并且在温的去离子水中漂洗所述高定向热解石墨块。优选地，利用电子束光刻通过扫描电子显微镜蚀刻所述第一窗口 、所述第二窗口和所述第三窗口。优选地，用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法还可包括步骤:用原子力显微镜分析所述第一窗口、所述第二窗口和所述第三窗口。所述第一窗口和第二窗口优选布置为相距约600-1000微米。优选地,所述DNA样品为双链未甲基化的XDNA。所述加热和融化步骤可以在约70-110°C (优选90°C )下进行约8_12分钟(优选8分钟)(但是可使用任何时间量，诸如I分钟至I小时)。优选地，缓冲液为约0.5-1.5摩尔氯化钾；约8-12毫摩尔三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐；以及约8-12毫摩尔乙二胺四乙酸(但是任何类型的缓冲溶液都可以用于提供用于稳定DNA样品的离子，这归因于DNA样品的强负电荷及其固定pH水平的能力)。应用的相对湿度可为约60 % -90 %，但是优选75% (但是可使用任何量的相对湿度(例如0-100% )和/或温度(例如0-200°C ))。
[0012]本发明的另一实施方案为用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，所述步骤包括:提供一块闻定向热解石墨；其中用聚甲基丙稀酸甲酯抗蚀剂涂覆所述闻定向热解石墨块；其中所述高定向热解石墨块具有第一窗口，第二窗口和第三窗口 ；其中利用电子束光刻通过扫描电子显微镜来蚀刻所述第一窗口、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个或多个配置为接收电压的电极接头；其中所述第一窗口和第二窗口布置为相距约600-1000微米；用原子力显微镜分析所述第一窗口、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个或多个配置为进行电接触的电极；其中所述第三窗口的一部分包括配置为接收双链未甲基化的XDNA的反应区；将所述双链未甲基化的λ DNA沉积于所述反应区；在约70-110°C加热及融化所述双链未甲基化的λ DNA约8-12分钟(但是可使用任何的时间量，诸如I分钟至I小时)；将所述双链未甲基化的λ DNA冷却至室温；用缓冲溶液稀释所述双链未甲基化的λ DNA ;其中所述缓冲溶液为约0.5-1.5摩尔氯化钾；约8-12毫摩尔三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐；以及约8-12毫摩尔乙二胺四乙酸(但是任何类型的缓冲溶液都可以用于提供用于稳定DNA样品的离子，这归因于DNA样品的强负电荷及其固定PH水平的能力)；将所述缓冲溶液应用至所述反应区；孵育所述反应区约20-40秒(优选30秒)；用去离子水漂洗所述反应区以去除所述缓冲溶液和过量的DNA;用原子力显微镜分析所述第三窗口 ；将所述高定向热解石墨块置于湿度控制室内；向所述高定向热解石墨块应用约60-90%的相对湿度(但是可使用任何量的相对湿度(例如0-100% )和/或温度(例如0-200°C ));横跨所述第一窗口和第二窗口施加约2-6V/mm的电压梯度约1-2分钟；并且在温的去离子水中漂洗所述高定向热解石墨块。
[0013]本发明的目的是提供基于石墨烯的材料的受控蚀刻的方法。所述方法或过程优选在环境条件下于数秒内以纳米级来发挥作用，但也可耗时几分钟或甚至一个或多个小时，并且可应用任何温度量，诸如0-200°C。
[0014]本发明的一个目的是提供纳米级石墨烯材料的受控蚀刻的方法，其通过使用自下而上的途径并借助由DNA样品构建的自组装的蚀刻掩模。
[0015]本发明的一个目的是克服现有技术的局限性。
[0016]这些及其他组分、步骤、特征、目的、益处和优势根据以下示例性实施方案的详述、附图以及权利要求而会变得明确。
[0017]附图简述
[0018]附图为示例性实施方案。它们没有示例所有的实施方案。另外或代替地，可使用其他实施方案。为了节省空间或为了更有效地示例，可省略很明显的或不必要的细节。一些实施方案可用其他组分或步骤和/或在没有所有示例组分或步骤的情况下实践。当相同的数字出现在不同的附图中时，其指代相同的或相似的组分或步骤。
[0019]图1为用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法的一个实施方案的框图。
[0020]图2为用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法的一个实施方案的示例并且示出布置在高定向热解石墨的第一窗口和第二窗口之上的电引线。
[0021]图3为用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法的一个实施方案的示例并且示出向反应区应用电压和相对湿度后第三窗口的反应区的详细视图。
[0022]图4为用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法的一个实施方案的石墨烯表面和DNA样品的不意图并且不出当向闻定向热解石墨应用湿度时的双层形成。
[0023]图5为用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法的一个实施方案的图表并且示出水膜相对于相对湿度水平的距离。
[0024]图6为用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法的一个实施方案的图表并且示出水膜相对于电压电势的厚度。
[0025]附图详述
[0026] 在本发明的各实施方案的以下详述中，阐述许多具体细节以提供对本发明的一个或多个实施方案的各方面的透彻理解。然而，可在没有一些或所有的这些具体细节的情况下实践本发明的一个或多个实施方案。在其他情况下，没有详述公知的方法、程序和/或组分，以免不必要地混淆本发明实施方案的方面。
[0027]尽管公开了多种实施方案，对本领域技术人员而言，根据示出并描述本发明示例性实施方案的以下详述，本发明的其他实施方案会变得显而易见。应意识到，本发明能够修改各种明显的方面，均未背离本发明的精神和范围。因此，图表、图形及其详述都被认为本质上为示例的，而非限制的。此外，本发明的特定实施方案的参考或非参考不应被解释为限制本发明的范围。
[0028]本发明的方法利用DNA样品蚀刻基于石墨烯的材料。特别地，DNA样品通常被置放在一块高定向热解石墨(HOPG)的反应区上，其中随后将DNA样品和HOPG置放在湿度控制室内。通常向HOPG和DNA样品应用湿度以产生水膜，其通常横跨DNA的表面形成，而不是在HOPG的表面上。然后，向HOPG优选施加电压，由此产生电压和水膜以为蚀刻过程提供电势能。一旦完成蚀刻，可用去离子水漂洗反应区。
[0029]向DNA样品和HOPG应用湿度是优选的，因为其通常为蚀刻过程提供电势。例如，置放于包含正离子和负离子的水中的带负电荷的物体通常获得筛选层，该筛选层构成通常包含第一层和第二层(即双层)的电化学电容。固定化正离子的第一层(即内部亥姆霍兹平面)形成于带负电荷的DNA样品的表面的附近，并且电压电势通常线性递增直到该平面。另一方面，带负电荷的离子聚集在第二层(即外部亥姆霍兹平面)处，并且电压电势通常线性递减直到该平面。形成最后一层(即扩散层)，其通常使第二层(即外部亥姆霍兹平面)与大部分水连接。该最后一层通常具有以指数方式趋向于零的电压电势。
[0030]然而，在本发明中，与将全部HOPG置于液体或水中不同，通常在DNA样品的分子上形成薄的水膜。水膜优选形成在DNA上，但是通常并不形成在石墨烯表面上。通常发生这一现象是因为DNA为亲水性的而石墨烯表面为疏水性的。因此，本发明的水膜提供了有限的电压，其被用作用于蚀刻过程的电压电势。尽管本发明中湿度的使用可具体是指水，但应理解任何蒸汽类物质可用于产生电压电势(例如，氮蒸汽)而没有背离本发明的范围。
[0031]在以下描述中，某些术语被用于描述本发明一个或多个实施方案的某些特征。例如，术语“石墨稀”或“闻定向热解石墨”(“H0PG”)是指由相对于另一者闻度对齐或定向的微晶组成的且具有完全有序的碳层或高度的优选微晶定向的石墨材料，甚至还是指石墨烯的任何单层或多层，包括但不限于热学热解石墨和退火热解石墨。术语“石墨烯”或“石墨烯膜”表示在石墨中堆积以形成“可开裂”层(或类似云母的开裂)的原子厚度的碳片或层。术语“DNA样品”是指由用于石墨烯蚀刻过程的脱氧核糖核酸构建的任何经加工和/或可设计的成形物，包括但不限于双链未甲基化的λ DNA。
[0032]图1为用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法的一个实施方案的框图。如图1所示，用于蚀刻石墨稀纳米结构的方法100优选包括以下步骤:提供一块闻定向热解石墨103 ;在闻定向热解石墨上创建第一窗口、第二窗口以及第三窗口 106 ;加热及融化DNA样品109 JfDNA样品冷却至室温112 ;用缓冲溶液稀释DNA样品115 ;将DNA样品沉淀入反应区118 ;向反应区应用缓冲溶液121 ;孵育反应区124 ;用去离子水漂洗反应区127 ;分析第三窗口 130 ;向第一窗口和第二窗口施加电压139以及在温的去离子水中漂洗H0PG142。应理解，方法100可省略某些步骤并且也可包括其他步骤。
[0033]图1示出用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法100的第一步骤，其是提供一块高定向热解石墨103。闻定向热解石墨(HOPG) 205 (图2所不)通常是由许多石墨稀层组成的疏松物质，并且石墨的暴露表面为石墨衬底上的模型石墨烯表面，但也可是指单层或多层的石墨烯。优选地，用电子束抗蚀剂旋涂H0PG205。抗蚀剂通常为用于将电路图案转移至半导体衬底的薄层，并且还优选是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。虽然H0PG205是用于本发明的主要材料，但应理解，任何类型的石墨都可使用，诸如热学热解石墨和退火热解石墨。
[0034]图1示出用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法100的一个实施方案的下一步骤——即，在高定向热解石墨上创建第一窗口 220、第二窗口 225以及第三窗口 230106。优选地，通过经由扫描电子显微镜在H0PG205上应用电子束光刻来进行第一窗口 220、第二窗口 225以及第三窗口 230的创建。特别地，扫描电子显微镜应以构图方式发射横跨HOPG表面的电子束，从而创建三个窗口，其优选形状上大体为正方形或矩形。然而，应理解，所述三个窗口可为任何形状或形成诸如圆形、三角形、八边形和/或六边形。另外，还应理解，本发明不要求窗口的使用，并且可替代地，可允许创建任何窗口数目，诸如4个、5个和6个。优选地，电子束光刻选择地移除抗蚀剂的暴露的或非暴露的区域。通常实现在抗蚀剂中创建非常小的结构，其随后通过蚀刻过程可以被转移到衬底材料。然而，着重注意，本发明不要求在HOPG上使用抗蚀剂。另外，第一窗口 220通常与第二窗口 225间隔约600-1000微米，但是优选间隔800微米。一旦创建三个窗口，可用异丙醇清洗窗口并吹干。优选地，用原子力显微镜成像窗口以确定它们的清洁度。还优选地，配置第一窗口 220和第二窗口 225以进行电接触，而第三窗口 230可用作反应区。
[0035]图1还示例了用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法100的一个实施方案的第三和第四步骤，其为:加热及融化DNA样品109以及将DNA样品冷却至室温112。优选地加热及融化通常为双链未甲基化的XDNA的DNA样品，从而在图案配置中制备构图的DNA。通常加热、融化及冷却DNA样品，从而分离DNA样品的双链并且产生单链DNA的一个或多个节段。尽管双链DNA通常与石墨烯的粘合性较差，但单链DNA通常具有与石墨烯表面的高粘合性。另外,虽然该实施方案利用双链未甲基化的λ DNA，但还可以使用其他类型的DNA。
[0036]通常通过将DNA样品置于热控室内来进行加热及融化过程。当在约70-110°C (优选90°C)下加热DNA样品8-12分钟时，通常也可融化DNA样品。然而，应理解，DNA样品可通过任何方法或手段来融化，并且可接受任何的持续时间和温度。在融化步骤完成后，通常将DNA样品冷却至室温。
[0037]图1还示出用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法100的一个实施方案的第五和第六步骤，其为:用缓冲溶液稀释DNA样品115以及将DNA成形物沉积至反应区118。具体地，当H0PG205 (与DNA样品一起)冷却至室温时，通常将DNA样品在缓冲溶液中稀释。缓冲溶液通常为当添加少量酸或碱时减少pH变化的任何水溶液。例如，本发明的一实施方案的缓冲溶液通常由约0.5-1.5摩尔氯化钾(优选I摩尔氯化钾);约8-12毫摩尔三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐(优选10毫摩尔三(羟甲基)氨基甲烷)；以及约8-12毫摩尔乙二胺四乙酸(优选10毫摩尔乙二胺四乙酸)。然而，应理解，任何类型的缓冲溶液都可使用。一旦用缓冲溶液稀释DNA样品，DNA样品优选地沉淀到HOPG的反应区。
[0038]图1还示出用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法100的一个实施方案的接下来四个步骤，其为:向反应区应用缓冲溶液121 ;孵育反应区124 ;用去离子水漂洗反应区127 ;以及分析第三窗口 100。具体地，缓冲溶液优选地应用于反应区并且通常允许孵育。孵育期可以为20-40秒(优选30秒)，但是可使用任何时间长度，诸如I分钟或半小时。孵育期终结后，反应区优选用去离子水漂洗以帮助除去缓冲溶液和任何过量的DNA。优选地，成像该反应区以确定其清洁度。
[0039]用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法100的第^ 和十二步骤为将高定向热解石墨置于湿度控制室内133以及向高定向热解石墨应用相对湿度136。具体地，在分析第三窗口的任何过量DNA和/或缓冲溶液130之后，H0PG205优选被置于湿度控制室内。通常向H0PG205应用预设的相对湿度，由此通常导致薄水膜的形成。优选地，相对湿度为70%，但是可应用任何水平的相对湿度，诸如0-100%。另外,可使用任何温度,诸如0-200°C,特别是因为任何类型的极性蒸汽可形成在DNA样品/HOPG上。
[0040]图1还示出用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法100的最后两个步骤，其为向第一窗口和第二窗口施加电压139以及在温的去离子水中漂洗H0PG142。当H0PG205被置于温度控制室内时，两个电引线210、215(如图2所示)通常分别接触H0PG205的第一窗口 220和第二窗口 225。优选地，向H0PG205施加约5-15V(优选10V)的电压，并且所施加的电压梯度为约2-6V/mm(优选4V/mm)。然而，应理解，可向H0PG205施加任何电压而没有背离本发明的范围。一旦完成蚀刻周期，可在温的去离子水中漂洗H0PG205。蚀刻周期优选持续I分钟，但是可将任何持续时间用于蚀刻。另外，漂洗周期优选持续约20分钟，但是可将任何持续时间用于漂洗。
[0041]图2为用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法的一个实施方案的示例并且示出布置在高定向热解石墨的第一窗口和第二窗口之上的电引线。如图2所示，用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法100的一个实施方案优选包括:高定向热解石墨(HOPG) 205和电引线210、215。电引线210、215优选是向H0PG205提供电压的任何导电机构。在H0PG205被置于湿度控制室内之后，电引线2 10、215优选接触H0PG205。然而，在H0PG205被置于湿度控制室内之前，电引线210、215也可提供电接触。电引线210、215通常提供约1V的电源，但是可供应其他各种电压，诸如5-25V。电引线210优选向第一窗口 220提供接地，而电引线215向第二窗口 225供应正电压电荷(例如10V)。然而，应理解，电引线210可提供正电压电荷，而电引线215可提供接地。此外，通常提供接地的电引线210优选包括连接在地面与HOPG之间的电阻器。尽管对1V电源而言通常使用8.9ohm电阻器，但可将任何类型的电阻器连接至地面。
[0042]而且，如上所述，H0PG205优选包含第一窗口 220、第二窗口 225以及第三窗口 230。第一窗口 220优选包括一个或多个配置为提供导电性的电极接头并且优选与电引线210连接。相似地，第二窗口 225同样地优选包括一个或多个电极接头并且也优选与另一电引线215连接。着重注意，尽管本发明叙述了电极的使用，但对本发明而言电极并不是必须的，因为任何导电子层可布置在一层或多层石墨烯之下，而这对于制造过程而言是优选的方法。
[0043]另外，虽然图2示出接触第一窗口 220的电引线210和接触第二窗口 225的电引线215，但应理解，电引线215可接触第一窗口 220并且电引线210可接触第二窗口 225。另外，虽然图2示出在第一窗口 220和第二窗口 225之间的第三窗口 230，但第三窗口 230可布置在HOPG上的任何位置，诸如，第一窗口 220和/或第二窗口 225的左侧或右侧。如上所述，第一窗口 220和第二窗口 225优选间隔约600-1000微米，但可隔开任何距离。第三窗口 230优选包括反应区，并且优选位于DNA样品插入之处。
[0044]图3为用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法的一个实施方案的示例并且示出向反应区应用电压和相对湿度之后第三窗口的反应区的详细视图。如图3所示，用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法100的H0PG205的一个实施方案优选包括:第一窗口 220、第二窗口 225以及第三窗口 230。第三窗口 230的反应区可包括一个或多个发生蚀刻的区域305，以及一个或多个未被洗掉或除去的过量DNA的部分310。出于图3的目的，可用三角形代表发生蚀刻的区域305，并且过量DNA的部分的厚度可为约14纳米。然而，本发明允许任何形状的蚀刻或形成诸如圆圈、正方形以及直线，并且过量DNA的部分可具有任何厚度，诸如约8-12纳米。
[0045]图4为用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法的一个实施方案的石墨烯表面和DNA样品的示意图并且示出当向高定向热解石墨应用湿度时的双层形成。如图4所示，用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法100的一个实施方案的表面优选包括:石墨烯表面403 ;带负电荷的DNA样品405 ;以及双层408。石墨烯表面403优选为HOPG的表面区域，但可为任何金属或材料的表面。带负电荷的DNA样品405优选为带有一个或多个带电的原子或原子团的DNA样品。双层408或双电层通常为当物体置于液体中时出现在该物体表面上的结构，并通常是指带电物体周围的三层显著的水膜。双层408优选包括内部亥姆霍兹平面410、外部亥姆霍兹平面415以及扩散区420。内部亥姆霍兹平面410优选地为包含在石墨烯表面403附近部分溶解的离子的层的内层或表面平面。外部亥姆霍兹平面415优选为居留在内层之上的完全溶解的离子的平面并且通常由经由库仑力与表面电荷相吸的离子组成，电筛选内部亥姆霍兹平面410。扩散层420优选为居留在内部亥姆霍兹平面410和外部亥姆霍兹平面415之外的区域并且通常与大部分液体连接。标识w优选代表与带负电荷的DNA样品405的距离并且在本文中优选以纳米为单位表示。
[0046]通常，置于包含正离子和负离子的水中的带负电荷的物体获得构成电化学电容的筛选层。双层408的这种电化学电容通常较大，并且出于闸门目的，可以有效地利用碳纳米管(其经常具有与DNA可比较的尺寸)。固定化正离子层形成于内部亥姆霍兹平面410附近并且电压通常线性增加直到该平面，如图6所示。另一方面，带负电荷的离子经常聚集在外部亥姆霍兹平面415处并且电压电势通常线性递减直到该平面。在该层中的带负电荷的离子还优选有助于离子导电性。在扩散层420 (其使外部亥姆霍兹平面415与大部分水连接)处，电压电势以指数方式趋向于零。然而，因为本发明通常倾向于产生极薄的水膜，所述通常从未达到体积限度(bulk limit)，因此，横跨水膜通常存在有限的电压差。这种有限的电压优选是为蚀刻过程提供能量的电势。
[0047]图5为用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法的一个实施方案的图表并且示出水膜相对于相对湿度水平的距离。如图5所示，该图表示例了相对于内部亥姆霍兹平面430 ;外部亥姆霍兹平面435 ；以及扩散区域440的相对湿度。当H0PG205与DNA样品一起置于湿度控制室内时，水膜通常形成在DNA样品上，但是通常不形成于石墨烯表面上。通常发生这种情况是因为DNA样品的表面为亲水的——即与水或其他极性物质相互作用。另一方面，石墨烯表面通常为疏水的-即不与水相互作用。通常通过Branauer-Emmett-Teller (BET)
模型给出这种水膜厚度。例如，根据图5，在本发明的一实施方案中，随着距离w增加，相对湿度同样在内部亥姆霍兹平面430处增加直到约50%，在外部亥姆霍兹平面435处增加直到约70%，并且在扩散区域440处增加直到约80%。距离w在这些区域也增加，分别约为0.3nm、0.45nm 以及 0.65nm。
[0048]图6为用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法的一个实施方案的图表并且示出水膜相对于电压电势的厚度。如图6所示，该图表例示了当向内部亥姆霍兹平面445 ;外部亥姆霍兹平面450 ;以及扩散区域455施加时，相对于距离w的电压电势ψ0如上所述，随着距离w的增加，电压电势Ψ同样增加直到内部亥姆霍兹平面445。这通常归因于在内部亥姆霍兹平面445的带负电荷的表面处形成固定化正离子。然而，电压电势Ψ在外部亥姆霍兹平面450之外递减并且还在扩散区域455处递减。通常发生这种情况是因为带负电荷的离子聚集在外部亥姆霍兹平面450处，其通常有助于离子导电性。
[0049]除非另有说明，本发明书中(包括在随附的权利要求书)所提到的所有测量、数值、等级、位置、量级、尺寸、定位以及其他技术参数均为近似的，而非精确的。它们旨在具有与其所涉及的功能相一致的以及其所涉及的领域内常规的合理范围。另外，本申请中所提到的数值也极大地依赖于相对于微晶而使用的石墨烯的品质。
[0050]出于示例和描述的目的，已提供本发明的优选实施方案的以上描述。虽然公开了许多实施方案，但依据示出和描述本发明示例性实施方案的上述详述，本发明的其他实施方案对于本领域技术人员而言是显而易见的。应意识到，本发明能够修改各种明显的方面，均未背离本发明的精神和范围。因此，详述被认为在本质上是示例的，而非限制的。而且，尽管没有明确叙述，本发明的一个或多个实施方案都可以彼此组合或联合实践。此外，本发明的特定实施方案的参考或非参考都不应该被解释为限制本发明的范围。本发明的范围旨在不被这种详述所限制，而是被随附的权利要求及权利要求的等同物所限。
[0051] 除了上文所述之外，说明或示例的内容不旨在或不应解释为使任何组分、步骤、特征、目的、益处、优势或等同物对公众而言是捐献的，无论其是否在权利要求中叙述。
【权利要求】
1.用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，步骤包括: 提供一块闻定向热解石墨； 将DNA样品沉积至所述闻定向热解石墨块； 将所述高定向热解石墨块置于湿度控制室内； 向所述高定向热解石墨块应用湿度；以及 横跨所述第一窗口和所述第二窗口施加电压。
2.如权利要求1所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其中用抗蚀剂涂覆所述高定向热解石墨块。
3.如权利要求2所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其中所述高定向热解石墨块具有第一窗口、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个或多个配置为接收电压的电极接头；并且 其中所述第三窗口的一部分包括配置为接收所述DNA样品的反应区； 将所述DNA样品沉积至所述高定向热解石墨块的所述反应区。
4.如权利要求3所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其中所述第一窗口和所述第二窗口布置为相距约600-1000微米。
5.如权利要求4所 述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其还包括步骤: 用原子力显微镜分析所述第一窗口、所述第二窗口以及所述第三窗口。
6.如权利要求5所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其还包括步骤: 加热及融化所述DNA样品；以及 将所述DNA样品冷却至室温。
7.如权利要求6所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其还包括步骤: 用缓冲溶液稀释所述DNA样品。
8.如权利要求7所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其中所述缓冲溶液为约0.5-1.5摩尔氯化钾；约8-12毫摩尔三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐；以及约8-12毫摩尔乙二胺四乙酸。
9.如权利要求8所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其中所述电压为约2-6V/_的电压梯度。
10.如权利要求9所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其中所述DNA样品为双链未甲基化的ADNA。
11.如权利要求10所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其还包括步骤: 在温的去离子水中漂洗所述DNA样品。
12.用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，步骤包括: 提供一块闻定向热解石墨； 其中所述高定向热解石墨块具有第一窗口、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个或多个配置为接收电压的电极接头； 其中所述第三窗口的一部分包括配置为接收DNA样品的反应区； 将所述DNA样品沉积至所述反应区； 加热及融化所述DNA样品； 将所述DNA样品冷却至室温；用缓冲溶液稀释所述DNA样品； 向所述反应区应用所述缓冲溶液； 孵育所述反应区； 用去离子水漂洗所述反应区以除去所述缓冲溶液和过量的所述DNA样品； 将所述高定向热解石墨块置于温度控制室内； 向所述高定向热解石墨块应用相对湿度； 横跨所述第一窗口和所述第二窗口施加电压约1-2分钟；以及 在温的去离子水中漂洗所述高定向热解石墨块。
13.如权利要求12所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其中使用电子束光刻通过扫描电子显微镜来蚀刻所述第一窗口、所述第二窗口以及所述第三窗口。
14.如权利要求13所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其还包括步骤: 用原子力显微镜分析所述第一窗口、所述第二窗口以及所述第三窗口。
15.如权利要求14所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其中所述第一窗口和所述第二窗口布置为相距约600-1000微米。
16.如权利要求15所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其中所述DNA样品为双链未甲基化的XDNA。
17.如权利要求16所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其中在约70-110°C下进行所述加热及融化步骤约8-12分钟。
18.如权利要求17所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其中所述缓冲溶液为约0.5-1.5摩尔氯化钾；约8-12毫摩尔三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐；以及约8-12毫摩尔乙二胺四乙酸。
19.如权利要求18所述的用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，其中所述应用的相对湿度为约 60-90%。
20.用于蚀刻石墨烯纳米结构的方法，步骤包括: 提供一块闻定向热解石墨； 其中用聚甲基丙烯酸甲酯抗蚀剂涂覆所述高定向热解石墨块； 其中所述高定向热解石墨具有第一窗口、第二窗口和第三窗口 ； 其中使用电子束光刻通过扫描电子显微镜来蚀刻所述第一窗口、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个或多个配置为接收电压的电极接头； 其中所述第一窗口和所述第二窗口布置为相距约600-1000微米； 用原子力显微镜分析所述第一窗口、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个或多个配置为进行电接触的电极； 其中所述第三窗口的一部分包括配置为接收双链未甲基化的XDNA的反应区； 将所述双链未甲基化的λ DNA沉淀于所述反应区； 在约70-110°C下加热及融化所述双链未甲基化的λ DNA约8-12分钟； 将所述双链未甲基化的λ DNA冷却至室温； 用缓冲溶液稀释所述双链未甲基化的λ DNA; 其中所述缓冲溶液为约0.5-1.5摩尔氯化钾；大约8-12毫摩尔三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐；以及约8-12毫摩尔乙二胺四乙酸； 向所述反应区应用所述缓冲溶液； 孵育所述反应区约20-40秒； 用去离子水漂洗所述反应区以除去所述缓冲溶液和过量的DNA ； 用所述原子力显微镜分析所述第三窗口； 将所述高定向热解石墨块置于湿度控制室内； 向所述高定向热解石墨块应用约60-90%的相对湿度； 横跨所述第一窗口和所述第二窗口施加约2-6V/_的电压梯度约1-2分钟；以及 在温的去离子水中漂洗所述高定向热解石墨块。
【文档编号】B82B3/00GK104080927SQ201280067561
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2012年10月1日 优先权日:2012年1月19日
【发明者】迈克尔·詹姆斯·达令 申请人:迈克尔·詹姆斯·达令