[发明专利]用于石墨烯纳米结构的DNA定义的蚀刻的方法

说明书

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1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

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。

发明背景

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。

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200,000cm²/Vs。另一方面，硅为约1400cm²/Vs。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200,000cm²/Vs限度。

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1-2nm的纳米线，以便具有硅带隙(即约1.11eV)。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。

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。

发明概述

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。

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1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λDNA。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。