[发明专利]一种基于石墨烯电极的功能化分子电子器件及其制备方法与应用

权利要求书

1.一种基于石墨烯电极的分子电子器件，包括：

a)石墨烯晶体管器件阵列，所述石墨烯晶体管器件阵列中每个石墨烯晶体管器件均包括栅极、源极、漏极和导电沟道，所述导电沟道为石墨烯；其中，在所述石墨烯上设有由氧等离子体刻蚀石墨烯得到的一个通道，所述通道上间隔设有长度为1-10nm的分子连接部位，所述分子连接部位与所述石墨烯晶体管器件中的源极和漏极垂直；

b)经末端氨基修饰的具有光电响应或质子、离子响应性质的功能分子或经末端氨基修饰的核酸适体，其连接于所述分子连接部位。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯电极的分子电子器件，其特征在于：所述栅极为含有厚度为100-1000nm二氧化硅层的硅基底，其电阻率为5-20ohm·cm^-1；所述源极和漏极均由Cr电极层和设于所述Cr电极层上的Au电极层组成，所述Cr电极层厚度为1-10nm，所述Au电极层厚度为20-100nm。

3.根据权利要求1或2所述的基于石墨烯电极的分子电子器件，其特征在于：所述经末端氨基修饰的具有光电响应或质子、离子响应性质的功能分子为含偶氮苯基团的分子或钴络合物，所述含偶氮苯基团的分子优选结构式如式I所示的化合物；所述钴络合物优选结构式如式III或式VI所示的络合物；

4.一种制备权利要求1所述的基于石墨烯电极的分子电子器件的方法，包括下述步骤：

1)构建石墨烯晶体管器件阵列；

2)在所述石墨烯晶体管器件阵列的每个石墨烯晶体管器件的石墨烯上旋涂正性电子束光刻胶，用电子束对所述电子束光刻胶进行曝光，得到虚线形状的曝光图案，然后进行氧等离子体刻蚀，使所述石墨烯晶体管器件的源极和漏极之间得到一组锯齿形电极对，所述锯齿形电极由氧等离子体刻蚀形成的两段石墨烯的切割端构成，所述锯齿形电极之间齿尖相对处都得到一系列纳米间隙；

每个所述纳米间隙的长度均为1-10nm，所述纳米间隙与所述石墨烯晶体管器件中的源极和漏极垂直；

所述虚线形状的曝光图案中，线条宽度为2-10nm，每段实线的长度为150-500nm、实线间距为20-50nm；

3)将步骤2)得到的具有纳米间隙的锯齿形石墨烯电极对的末端羧基与经末端氨基修饰的具有光电响应或质子、离子响应性质的功能分子或经末端氨基修饰的核酸适体进行纳米间隙中的酰胺键共价连接，得到所述基于石墨烯电极的分子电子器件；

或在步骤2)得到的具有纳米间隙的锯齿形石墨烯电极对的纳米间隙中，与石墨烯电极末端羧基通过酰胺缩合反应原位合成溶解性差、长度较长且易自身缩合的具有光电响应或质子、离子响应性质的功能分子，得到所述基于石墨烯电极的分子电子器件；所述功能分子在每毫升有机溶剂中的溶解度小于0.1mmol。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述方法还包括在步骤2)中进行氧等离子体刻蚀后，对所述氧等离子体刻蚀没有形成所述纳米间隙的部位，利用电流烧断法继续处理，得到所述一系列的纳米间隙。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于：步骤1)中构建石墨烯晶体管器件的方法包括三个步骤；

a)在石墨烯上旋涂光刻胶，记为光刻胶1，对光刻胶1进行曝光得到标记图案，在标记图案处依次蒸镀厚度为1-10nm Cr层、20-100nm Au层，除去光刻胶1，在石墨烯曝光位置处留下了蒸镀的金属标记，所述金属标记用于下两步光刻的位置对准标记；所述石墨烯附着于表面具有二氧化硅层的硅基底上；

b)在步骤a得到的有金属标记的石墨烯上旋涂光刻胶2，通过步骤a的标记定位，曝光，留下条带状的光刻胶将部分石墨烯保护起来，其它部分通过曝光显影将石墨烯曝露出来，用氧等离子体刻蚀掉其它部分曝露的石墨烯，保护在条带状光刻胶下面的石墨烯不被刻蚀得以保留，除去光刻胶2，得到条带状石墨烯，将所述条带状石墨烯在氢气和氩气气氛下于400-450度退火，清洁石墨烯条带的表面；

c)在步骤b得到有石墨烯条带的硅片上旋涂光刻胶3，通过步骤a的标记定位在石墨烯条带上曝光出源极和漏极电极图案，所述源极和漏极之间的间距为4-7微米，在所述电极图案上依次蒸镀厚度为1-10nm的Cr层、厚度为20-100nm的Au层作为器件的源极和漏极，除去光刻胶3，得到所述石墨烯晶体管器件。