[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

说明书

技术领域

本发明涉及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。

背景技术

在以硅为基础的半导体器件微小化的潮流中，在半导体器件内在物理尺寸的量子效应限制的推动下，分子电子学的研究取得了一系列重大进展，被普遍认为是二十一世纪的主要研究领域之一。分子电子学的基础研究主要包括分子材料的电子学和分子尺度的电子学两个方面的相关内容。而分子尺度器件是目前国际科技界竞争最为激烈的几个领域之一，在分子尺寸上构筑电子器件，实现对单个分子或若干分子聚集体的光电子行为的控制，可以实现器件的高度微小化和集成，是下一代电子器件的奋斗目标。这方面的研究具有明显的科学意义和广阔的应用前景。因此，发展一种普适性的测量方法和手段去探测单个或少数几个分子的电学性质尤其是它们在多重刺激下的响应，对于实现分子电子器件的应用尤为重要。

石墨烯是一种二维平面材料，它由碳原子按照sp²成键形成稳定的蜂巢状结构。石墨烯有很多优良的性质，比如它有很高的电子迁移率、室温下表现出长程弹道输运性质，它的这些性质引起了物理学家、材料学家甚至工业界的广泛关注(Geim，A.K.；Novoselov，K.S.Nature.Mater.2007，6，183.)。石墨烯由于其良好的导电性和化学稳定性可以作为一种理想的电极材料，同时石墨烯的平面二维结构与传统的平板加工技术兼容，在分子电子器件功能化和集成化方面具有巨大的潜在应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于石墨烯电极的分子电子器件及其高产率、批量制备该器件的方法。

本发明所提供的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(纳米间隙)，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。

其中，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。

制备上述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(见图6左)，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。所述有机溶剂为常用的有机溶剂如吡啶等。

当上述步骤2)中进行氧等离子体刻蚀后，对于没有形成所述纳米间隙的部位可以利用电流烧断法继续处理，逐渐缓慢增大通过电流，石墨烯会在氧化切割的缺陷部位优先断裂，直至得到所述的纳米间隙。

其中，步骤1)中构建石墨烯晶体管器件的方法包括三个步骤：