[发明专利]基于PI的液栅型石墨烯场效应管的制备方法和检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种“液栅型”石墨烯场效应管的制备方法和检测方法，特别涉及利用聚酰亚胺(PI)材料以获得柔性器件的场效应管的制备方法及检测方法，所述的器件具有较好的生物相容性，可望用作医学检测中的植入性器件。

背景技术

基于“液栅型”的场效应管结构的生物传感器具有极高的灵敏度，在痕量生物信号检测领域得到了广泛的应用，但仍然存在明显不足。当前基于刚性基底的场效应管传感器，成本较高，而且不太适合用作医学检测中的植入式器件。与之相比，基于柔性材料的场效应管，能够适用于更多检测环境，而且选用合适的聚合物材料能大大降低基底材料对石墨烯的掺杂影响。因此，基于PI的石墨烯场效应管在生物信号检测方面具有良好的应用潜力。

在设计器件时，必须考虑器件材料的生物兼容性、绝缘性能及长期稳定性等因素。其中，如何通过简单快速的微细加工工艺加工生物兼容性良好的材料是需要解决的首要问题。目前用于加工柔性石墨烯场效应管的材料为聚对苯二甲酸乙二酯（PET）和聚苯乙烯（PS）两类聚合物材料。PET和PS材料绝缘性能好，能够避免电解质溶液渗入，性质相对稳定，但对其进行微加工相对困难。目前采用这两种材料作为基底的石墨烯场效应管的源极和漏极没有绝缘，溶液直接滴加在石墨烯部分进行检测，这妨碍了器件的封装和集成。

与上述两种材料相比，PI具有良好的生物相容性，可用于制作植入性电极，而且PI的最大优势在于性能稳定且与微加工工艺相兼容。光敏性的聚酰亚胺材料，可以通过光刻的方法，制作出微米级别的精细结构。该特点能够充分满足特定的应用如植入式检测的需要。

为了克服现有的石墨烯场效应管柔性基底的稳定性问题和加工工艺复杂问题，本发明拟提供一种基于PI柔性基底的石墨烯场效应管制备方法及检测方法，为可植入式器件的发展提供了新的思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PI柔性基底的石墨烯场效应管制备方法及检测方法，本发明的目的通过以下措施来达到：在硅基底上沉积铝层作为牺牲层；将PI光刻胶（Durimide7510）旋涂在铝层上作为柔性场效应管的基底；以商品化的石墨烯/聚甲基酸甲酯薄膜转移至预先沉积在PI基底上的钛/金电极，形成良好的欧姆接触；以一层AZ4620光刻胶作为石墨烯图形化的掩模层；以氧等离子体（Oxygen Plasma）对石墨烯进行刻蚀；利用PI光刻胶在图形化的石墨烯表面制作绝缘层，形成液栅型的结构。

所述的PI基底绝缘材料，①在特定位置经等离子体刻蚀，以便沉积大厚度的金电极，以减少器件电阻率；顶层PI绝缘材料为光敏材料，暴露出石墨烯和电极引线部位；②沉积于铝层表面，厚度为4-6微米；在氩氢混合气氛围中加热至350℃1小时，得到固化后的PI层。

所述的金电极，其特征在于厚度80-120微米，宽度为40-60微米，使用玻璃（lift-off）工艺制作。

所述的石墨烯，其特征在于将石墨烯薄膜转移至预先制作的金电极上，使用光刻和氧等离子体刻蚀的方法进行图形化。

所述的铝层，其特征在于厚度为1微米，底部预先沉积有10纳米的钛金属层。

依本发明工艺制备的基于PI柔性基底的石墨烯场效应管，其特征在于：场效应管的基底和制作的绝缘材料层均为具有生物相容性的PI；该器件能够从硬质基底上释放。

所述的石墨烯场效应管，其特征在于栅极为电解质溶液，与石墨烯直接接触。

作为本发明提供的方法制备的石墨烯场效应管上进行细胞的培养和观察试验（详见实施例3）结果表明器件表现出良好的生物相容性。

本发明的优点在于利用金电极与石墨烯直接接触，利用金较大的功函数减少了接触电阻；利用铝层作为牺牲层，方便于释放制作好的器件；利用PI柔性材料优越的生物相容性，使得该器件能够应用于在体研究。