石墨烯转移工艺对石墨烯传感器检测汞离子的影响

李小晴, 叶 辰, 林正得, 江 南

(1.中国科学院 宁波材料技术与工程研究所 表面工程事业部，浙江 宁波 315201；2.中国科学院 大学材料科学与光电技术学院，北京 100049)

石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维材料，具有正六边形的蜂窝状晶格结构[1].研究者们发现，石墨烯具有优越的物理化学性质，包括高的载流子迁移率[2]、高的导热系数[3]、杰出的机械性能[4]、好的化学稳定性[5]和大的比表面积[6]等.由于这些独特的性质，石墨烯被认为是一种性能优异的传感材料.石墨烯及其衍生物已被用于制备不同类型传感器件，对有害气体[7]、应力应变[8]、重金属离子[9]、生物材料[10]等进行检测.在众多待测物中，Hg2+是一种在环境中难以降解，会损害人体健康、造成环境污染的重金属离子[11].根据世界健康组织规定，水溶液中Hg2+含量不得超过0.001 mg/L，因此，对水中微量Hg2+的检测具有重要意义.

传统的Hg2+检测技术包括X射线吸收光谱法[12]、电感耦合等离子体质谱法[13]、原子吸收光谱法[14]等，上述方法直接利用Hg2+的特征谱线进行测定，均耗时长，需要复杂的仪器设备.近年来，越来越多的检测技术通过电化学讯号[15]、荧光讯号[16]和电讯号[17]变化来检测Hg2+.其中，场效应晶体管(FET)作为一种电学方法，因其器件体积小、信号响应速度快、免标记等优点而受到青睐.

本工作在CVD石墨烯表面修饰探针DNA，滴加Hg2+溶液和五碱基错配的目标DNA.其中，Hg2+与胸腺嘧啶(T)形成T-Hg2+-T配合物结构，从而使原本无法杂化的寡聚核苷酸，杂化形成双股螺旋[18]，实现对石墨烯的掺杂.石墨烯具有双极性场效应[19]，正栅极电压促进沟道上的电子聚集形成n型沟道，负栅极电压则导致p型沟道.基于此，石墨烯晶体管具有独特的电流-电压转移曲线，电流最低点为狄拉克点，转移曲线从狄拉克点向两边展开，整条线呈谷状.石墨烯掺杂情况改变会导致狄拉克点位置变化，通过FET转移曲线中狄拉克点[17]的位置变化，可以获得石墨烯的被掺杂情况，检测溶液中Hg2+浓度.由于CVD石墨烯作为传感材料，其质量好坏对于传感器件的性能有重要的影响.在CVD石墨烯生长条件一致的情况下，石墨烯转移工艺直接影响石墨烯的质量.本工作中采用了PMMA转移后烧除PMMA、PMMA转移后丙酮洗除PMMA和Au转移后刻蚀液洗除Au的三种转移工艺，得到三种CVD石墨烯样品，并制备成相应的FET Hg2+传感器件.通过研究不同器件的传感性能，考察转移工艺对石墨烯传感性能的影响.

1 实 验

1.1 实验材料

铜箔(99.8%，阿法埃莎(天津)化学有限公司)，甲烷(99.999%)，氢气(99.999%)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，MicroChem Corp.)，去离子水(自制)，硅基板(表面270nm SiO2)，过硫酸铵((NH4)2S2O8，AR，98.0%)、丙酮(Acetone，CH3COCH3，AR，99.5%)、碘化钾(KI，AR，99.0%)、碘(I2，AR，99.8%)、硝酸汞(Hg(NO3)2·H2O，AR)购自国药集团化学试剂有限公司，高纯金(99.999%)，银导电胶(SPI)，硅胶(3140)，DNA(HPLC，5’-ACT-TCT-GTA-GCT-TT-3’，3’-TGT-AGT-CTT-CGT-TA-5’，错配点从左至右为第三、六、八、九、十位碱基)，PBS(NaCl，136.89 mM；KCl，2.67 mM；Na2HPO4，8.24 mM；KH2PO4，1.76 mM)购自生工生物工程(上海)股份有限公司.

1.2 测试方法及仪器

拉曼光谱检测采用共聚焦显微拉曼光谱仪(英国Renishaw公司，型号Renishaw inVia Reflex)，透射率测定采用紫外可见近红外分光光度计(美国Perkin-Elmer公司，型号Lambda 950)，样品表面粗糙度检测采用扫描探针显微镜(美国Vecco公司，型号Dimension 3100)，样品光学图像拍摄采用光学显微镜(德国Zeiss公司，型号LSM700)，场效应晶体管测试讯号使用数字源表(美国Tektronix公司，型号7709-308).

2 结果与分析

2.1 石墨烯的制备与转移

采用化学气相沉积法(CVD)，在铜箔上沉积单层石墨烯(Gr).将铜箔放入管式炉内，以甲烷为碳源，氢气为还原性气体，生长石墨烯.生长温度为1 000 ℃，炉管内压强为0.42 kPa，甲烷流量10 mL/min，氢气流量10 mL/min，生长时间为20 min.生长结束，采取快速降温的方法，将长有石墨烯的铜箔(Gr/Cu)冷却至室温后保存.

在Gr/Cu表面旋涂PMMA，低速500 rad/min，涂覆10 s；高速4 000 rad/min，涂覆60 s.将PMMA/G/Cu放入过硫酸铵溶液中刻蚀去Cu.用硅晶片将PMMA/G捞起，加热烘干.将样品置于管式炉内，450 ℃下，通入80 mL/min氩气、20 mL/min 氢气，退火1 h，得到样品Ⅰ.

在Gr/Cu表面旋涂PMMA，参照样品Ⅰ中工艺得到PMMA/G/Si，将样品镊入丙酮溶剂中，加热溶解PMMA，得到样品Ⅱ.

在G/Cu表面热蒸镀100 nm的Au膜，刻蚀去Cu，用硅晶片将Au/G捞起，加热烘干，将样品镊入Au刻蚀液中，溶去Au膜，得到样品Ⅲ.

2.2 石墨烯的表征

CVD生长的石墨烯质量直接决定所得器件的性能，因此我们通过拉曼光谱和透射光谱对石墨烯的质量进行了表征.图1(b)为样品Ⅰ、样品Ⅱ、样品Ⅲ的拉曼光谱图，石墨烯拉曼光谱紧密联系于石墨烯的能带结构[20].谱图中，样品Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ几乎观察不到位于1 350 cm-1附近的D峰，表明样品没有显著缺陷.同时，各样品均具有显著的G峰和2D峰，分别位于1 580 cm-1附近和2 700 cm-1附近，2D峰与G峰的比值(I2D/IG)分别为3.10、3.50、2.43，2D峰的半高宽分别为30.31 cm-1、21.08 cm-1、26.70 cm-1.由于3种样品的I2D/IG均大于2，2D峰的半高宽较窄，表明制备的石墨烯为高质量的单层石墨烯.图1(c)所示为3种样品的透射光谱，样品在550 nm处的透射率分别为97.27%、97.25%、97.30%，接近单层石墨烯的理论值97.7%[21].

图1(a)3种石墨烯转移方式示意图，(b)拉曼光谱，(c)透射光谱

Fig.1 (a) Schematic for graphene sensor；(b) Raman spectrum of samples；(c) Transmittance spectrum of samples

尽管3种样品所得的石墨烯均有较高的质量，但PMMA容易残留在所得石墨烯的表面导致石墨烯表面清洁度下降.而表面清洁程度对石墨烯的传感性能有显著的影响，因此我们通过光学显微镜和原子力显微镜对石墨烯的表面形貌进行了研究.图2(a)、(b)、(c)分别是样品Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的光学显微镜图.样品Ⅰ表面散布着较大的颗粒状杂质，样品Ⅱ表面杂质不再显著，样品Ⅲ表面均匀.图2(d)、(e)、(f)分别是各样品的扫描探针显微镜图.与光学显微镜图一致，样品Ⅰ表面任意分布着点状杂质，个别杂质面积较大，存在聚集成片的情况，这是由于PMMA在退火烧除过程中发生团聚.由(e)可以看出，样品Ⅱ表面相对平整，表面杂质尺寸较小，其中间杂着丝状PMMA残留，这是由于PMMA与丙酮充分接触，能够在石墨烯表面被均匀地去除，但是PMMA与石墨烯之间的结合力强，所以去除不彻底，存在普遍的PMMA残留.样品Ⅲ通过Au转移方法得到的表面清洁平整，观察不到残留物.各石墨烯样品表面形貌状态是广泛存在的，样品Ⅰ表面各处多有大面积残留；样品Ⅱ残留面积小，但是铺布整个表面；同样，样品Ⅲ清洁的表面也广泛存在.各样品表面粗糙度(Ra)分别为：9.83、1.15、0.45 nm，退火烧除PMMA的石墨烯表面形貌局域差异较大，丙酮清洗PMMA的石墨烯表面形貌整体平缓，但是杂质也广泛存在.Au转移的石墨烯表面最清洁，这是由于相较于石墨烯与PMMA之间强的结合力，石墨烯与Au之间的相互作用较弱，Au能被更彻底地从石墨烯表面去除.

图2 样品的光学显微镜(OM)和扫描探针显微镜(SPM)

Fig.2 OM and SPM of samples: (a) Sample I (b) Sample II (c) Sample III (d) Sample I (e) Sample II (f) Sample III

2.3 传感器的制备

将样品置于电路板上，用银胶将石墨烯与电极相连，并用硅胶将银胶和石墨烯边缘保护住，防止器件短路漏电.器件制备完成后，首先向器件上曝露出的石墨烯表面滴加PBS溶液，静置2 h，用无尘纸将溶液吸干，之后再向石墨烯表面滴加1 μM探针DNA(DNA1)进行修饰，静置16 h，使DNA1完全吸附并覆盖石墨烯表面.随后依次向样品内滴加100 pM、1、10、100 nM的Hg2+溶液，每次滴加Hg2+溶液均随之加入100 nM的五碱基错配的目标DNA(DNA2)，目标DNA与探针DNA在含Hg2+的环境中杂化形成双股螺旋链，以此测定不同浓度Hg2+溶液的FET转移曲线.上述操作均在30 ℃恒温条件下进行.

2.4 传感信号的检测

图3(a)为器件实物图与DNA碱基序列，(b)、(c)中每条曲线的最低点为狄拉克点.狄拉克点是石墨烯布里渊区六个转角位置，该位置上电子和空穴的物理行为符合狄拉克方程，故称为狄拉克点.该位置具有最小沟道电流，对应最小电导电压(VM).我们选取样品Ⅱ做对比实验，考察工作体系中非特异性掺杂的影响.

图3(b)中，在传感器表面修饰DNA1得到第一条曲线，随后滴加DNA2得到第二条曲线.再次同时滴加DNA2与Hg2+得到第三条曲线.图3(c)中，在传感器表面修饰DNA1得到第一条曲线，随后滴加Hg2+得到第二条曲线.再次同时滴加DNA2与Hg2+得到第三条曲线.本实验的目的在于，考察DNA2或者Hg2+是否会改变狄拉克点位置.

图3(a)石墨烯器件实物照片与DNA序列，红色标示的T碱基为错配位点，(b)样品Ⅱ中DNA2对信号的影响，(c)样品Ⅱ中Hg2+非特异性吸附对信号的影响，(d)图(b)、(c)中最小电导电位(狄拉克点)的变化

Fig.3 (a) Photograph of the graphene device and DNA sequences；(b) Output change because of DNA2 in sampleⅡ；(c) Output change because of nonspecific adsorption of Hg2+in sampleⅡ；(d) Change of Dirac point in (b)、(c)

图3(d)中，蓝色柱是DNA2或者Hg2+导致的VM变化量，红色柱是同时滴加DNA2与Hg2+时的VM变化量.结果表明，只有DNA2与Hg2+同时存在时，狄拉克点才会明显变化，VM变化量才会显著提高.上述行为是源于，缺少DNA2或Hg2+时，石墨烯表面的DNA无法形成双链结构，后续滴加的DNA2的碱基无法直接接触石墨烯表面，从而无法引入新的掺杂量.

对各样品进行传感性能的考察.样品Ⅰ中，随着Hg2+浓度的变化，从100 pM至100 nM，狄拉克点受n型掺杂影响而左移，变化量为-0.035 V；样品Ⅱ，狄拉克点左移，变化量提高为-0.073 V，是样品Ⅱ的两倍；样品Ⅲ，100 pM至100 nM的Hg2+浓度变化范围内，狄拉克点变化量进一步提高为-0.112 V.同时，检测限下降至10 pM，总体变化量为-0.132 V.传感性能的提高，是由于表面清洁情况的改善.Au转移获得的石墨烯表面清洁程度显著高于两种PMMA转移方法所得的石墨烯，石墨烯受到表面杂质对电学性质的影响最少，同时石墨烯表面曝露出的面积更大，DNA1在石墨烯表面直接吸附量更大，因而与DNA2协同作用形成双链结构，DNA2的碱基具有丰富的电子，电子直接接触石墨烯表面，引入n型掺杂，从而使狄拉克点讯号变化更大，传感器件性能表现更加优异，见图4.

图4 各样品中，不同Hg2+浓度溶液下FET转移曲线

Fig.4 Transfer curve with different concentration of Hg2+in different samples

3 结 论

1)铜催化CVD法制得石墨烯，I2D/IG大于2、缺陷峰小、透光率在97%以上，可看作单层石墨烯，样品没有显著缺陷.

2)Au转移石墨烯，相较传统PMMA工艺，转移样品更加清洁，检测限更低，传感性能更优越.

3)采用Au转移的CVD石墨烯制备得到的传感器对Hg2+检测性能好，检测限低至10 pM，传感灵敏度高，且器件体积小、信号响应速度快，在Hg2+检测工作方面具有发展前景.