[发明专利]基于石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔的DNA测序装置及制作方法

权利要求书

1.基于石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔的DNA测序装置，其特征在于：包括SOI硅片（1），置于SOI硅片（1）内的二氧化硅埋层（2），在二氧化硅埋层（2）上部的SOI硅片（1）上刻蚀有倒金字塔形微腔（21），在二氧化硅埋层（2）下部的SOI硅片（1）上刻蚀有直径大于倒金字塔形微腔（21）塔底直径的柱状孔，倒金字塔形微腔（21）的塔顶为固态纳米孔（20），二氧化硅薄膜（5）包覆在SOI硅片（1）外部，在柱状孔底部的二氧化硅薄膜（5）外部包覆有金属铂薄膜（6），在SOI硅片（1）上部有通过金电极（12）固定于二氧化硅薄膜（5）上的石墨烯（8），在石墨烯（8）中央刻蚀有石墨烯纳米孔（19），石墨烯纳米孔（19）和固态纳米孔（20）同轴，在金电极（12）两端的SOI硅片（1）外部上下采用聚二甲基硅氧烷（10）包围形成空腔，空腔中填充有电解液（18），置于SOI硅片（1）上部的铂电极（13）接负电位，置于SOI硅片（1）下部的铂电极（13）接正电位，铂电极（13）和纵向微弱电流测量装置（15）以及电源（14）构成纵向微弱电流测量回路，金电极(12)和横向微弱电流测量装置(16)以及电源（22）构成横向微弱电流测量回路。

2.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述二氧化硅埋层（2）的厚度为400nm。

3.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述固态纳米孔（20）的直径为1.5～10nm。

4.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述石墨烯（8）为单原子层或多原子层。

5.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述石墨烯纳米孔（19）的直径为1.5～7nm。

6.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述二氧化硅薄膜（5）厚度为5～30nm。

7.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述纵向微弱电流测量装置（15）和横向微弱电流测量装置（16）均为皮安级电流表。

8.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述电解液（18）为KCl、NaCl或LiCl溶液，其浓度为0.8～1.5mol/L,pH值为8.0。

9.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述电源（14）的偏置电压为0.05～0.2V，硅片上方的铂电极（13）接电源（14）负极，硅片下方铂电极（13）接电源（14）正极。

10.权利要求1至9任一项所述的DNA测序装置的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：在SOI硅片（1）的正面覆盖一层300nm厚的保护材料铬（3），在SOI硅片（1）的背面覆盖一层700nm厚的保护材料铝（4），所述SOI硅片（1）为P型SOI硅片；

步骤2：采用光刻技术将需要在SOI硅片（1）上刻蚀出的图形加工到正面保护材料铬（3）上和背面保护材料铝（4）上，图形的深度到达SOI硅片（1）的表面；

步骤3：以保护材料铝（4）作为掩模，在SOI硅片（1）的背面运用感应耦合等离子体刻蚀的方法刻蚀出垂直的正方形柱状孔，正方形刻蚀窗口的边长为0.8～1.5mm，感应耦合等离子体刻蚀过程直到遇到SOI硅片（1）的二氧化硅埋层（2）时自停止；

步骤4：以保护材料铬（3）作为掩模，在SOI硅片（1）的正面采用KOH溶液各向异性湿法刻蚀的方法刻蚀出倒锥形的腔，根据SOI硅片（1）顶层硅的厚度H来设计KOH溶液各向异性湿法刻蚀窗口正方形的边长W，其关系式为：W＝2H/tanα，其中α是单晶硅100晶面与111晶面之间的夹角，为54.74°，KOH溶液配比为KOH：H2O：IPA=50g:100mL:10mL，其中IPA为异丙醇，刻蚀温度为60℃，精度控制在±1℃；

步骤5：使用氢氟酸溶液除去SOI硅片（1）的氧化埋层（2），释放纳米孔，得到直径为10～30nm的固态纳米孔（20）；

步骤6：使用硝酸铈铵溶液除去SOI硅片（1）正面的保护材料铬（3），使用磷酸溶液除去SOI硅片（1）背面的保护材料铝（4）；

步骤7：将制作有固态纳米孔（20）的SOI硅片（1）表面热氧化生长一层厚度为5～30nm的致密的二氧化硅薄膜（5），此步骤既能够使固态纳米孔（20）直径收缩至1.5～10nm，又能够保证SOI硅片（1）与下一步中的石墨烯（8）保持良好的绝缘；

步骤8：在硅衬底背面感应耦合等离子体刻蚀区域溅射一层厚度为200～400nm的金属铂薄膜（6），以此作为离子刻蚀石墨烯（8）形成石墨烯纳米孔（19）的掩模；

步骤9：把以铜基（9）CVD方法制备的石墨烯（8）转移到SOI硅片（1）表面：首先以铜基（9）为基底通过CVD生长制备石墨烯（8），并在石墨烯（8）表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯（7）；然后使用聚二甲基硅氧烷（10）自然粘合在聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/铜基表面；接下来先把聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/铜基置于FeCl3溶液（11）中腐蚀掉铜基（9），并多次在去离子水中清洗，去除石墨烯（8）表面残存的金属离子；然后利用聚二甲基硅氧烷（10）把聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯转移到准备好的SOI硅片（1）上；再去除聚甲基丙烯酸甲酯（7）和聚二甲基硅氧烷（10）；

步骤10：在石墨烯（8）两端淀积金电极（12），以此可将石墨烯固定在SOI硅片（1）上。

步骤11：以金属铂薄膜（6）为掩模，运用离子自对准刻蚀在微尺寸石墨烯（8）上制备直径为1.5～7nm的石墨烯纳米孔（19）。

步骤12：在两个金电极（12）之间接入横向微弱电流测量装置（16）和电源（22），在两个铂电极（13）之间接入纵向微弱电流测量装置（15）和提供驱动单链DNA（17）穿过石墨烯纳米孔（19）和固态纳米孔（20）电场的电源（14），最后制得基于石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔的DNA测序装置。