二硫化钼薄膜制备及其DNA纳米孔测序技术的研究进展

张青云，巩将利，李梓伸，李静，赵彩云*

（1.甘肃省陇南市公安局，甘肃陇南 746000；2.四川省广安市公安局，四川广安 638000）

以二硫化钼（MoS2）为代表的二维原子薄层材料具有优异的理化、生物效应和柔性导电特性，因此被广泛应用于纳米孔检测技术，快速触发了其在生物检测技术中的研究热潮。该技术是在单层的二维薄层材料制作一个引导和检测生物分子的纳米孔，通过测量DNA分子过孔时的离子电流行为，实现识别不同DNA片段及单生物分子信息的目的。本文从实验的角度综述MoS2薄层的制备及纳米孔在生物分子检测中的研究进展。

1 二硫化钼纳米孔工作原理及优势

20世纪90年代，纳米孔作为生物传感器首次被提出之后[1]，快速引起了生物电子技术领域的广泛关注。纳米孔传感器可分为固态纳米孔和生物纳米孔两大类，二者均能够实现生物和化学分子的单分子精准检测[2-4]。常见的固态纳米孔通常是采用硼、铝、硅、石墨烯以及混合材料制备而成，具有较稳定的环境适应性，其化学、物理性质优异，可以在各种实验条件下工作，在DNA测序和蛋白质检测中取得良好应用[5]。而生物纳米孔是通过改变蛋白质通道的特定位点氨基酸残基的分子生物学技术，隶属于高技术、高成本的基因编辑与改造技术，也是目前可靠性较高的DNA检测方法[6]。基于二维原子薄层材料的纳米孔测序无需酶染色和荧光基团修饰，去除了荧光检测环节，可以直接进行测序，是目前单分子测序技术领域的焦点之一。

纳米孔测序原理是在直径为1～3 nm的纳米孔两端施加一个恒定电压，当带电生物分子（如DNA或RNA）通过纳米孔时，会产生不同变化特征的电流，通过监测和分析过孔的电流波动信号可以得到生物分子的大小、浓度、结构、分子传感和碱基序列标识（图1）[7]。二维原子薄层MoS2具有出色的电学、机械和结构等特性，其单原子层的厚度约为0.65 nm，与DNA分子链的碱基对之间的间距接近，能够实现较高的空间分辨率。与此同时，MoS2膜结构中存在着亲水的Mo原子，减弱了DNA与膜的相互作用，可以大幅度提高检测的信噪比。LIU等[8]通过实验方法测得MoS2纳米孔的信噪比为10，大约是石墨烯纳米孔的3倍。因此，MoS2纳米孔在DNA检测技术中具有重要的应用潜力。

图1 基于二硫化钼纳米孔的DNA测序原理

2 二硫化钼薄膜的制备与转移

MoS2是继石墨烯之后最重要的二维材料之一。单分子层MoS2具有直接带隙（1.9 eV），有可能用于后硅材料电子产品，其合成技术发展较快，主要分为自顶向下和自底向上两种方法。液相剥离和化学合成适合低成本大规模生产，获得的材料大多是不同形状、大小和层数的粉体。大面积生长高度均匀的MoS2是开发原子薄层器件和电路的前提，以高端纳米电子为目标的MoS2薄膜应用通常是采用化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）制备，与半导体行业具有很好的兼容性，本文重点介绍化学气相沉积制备二硫化钼薄膜的最新进展。

CVD合成过程采用自下而上的方法，对形貌、结晶度和缺陷进行控制。CVD是通过气体在衬底上的化学反应而形成的大面积薄膜，该方法通过结合不同的前驱体，促进了新型二维纳米片及其杂化体的形成，扩展了控制不同的工艺参数，从而获得性能可控的高质量、高纯二维纳米材料，生长过程如图2所示[9]。

图2 二硫化钼薄膜材料的化学气相沉积原理示意图

目前，许多气相化学沉积方法已被开发用于大面积MoS2薄膜生长，并成功获得大的三角形MoS2薄膜[10-12]。CVD方法通常采用3种不同类型的前体，分别是（NH4）2MoS4[11,13]、粉末 MoO3[10,14-17]和元素钼[12,18]。当使用第一类前体时，化合物在不同的分解过程中生成二硫化钼薄膜，晶粒大小取决于用于生长MoS2薄膜的衬底类型，一般来说采用蓝宝石衬底比采用SiO2衬底更能获得大的晶粒尺寸，利用二硫化钼制备了具有n型行为的场效应管，其场效应迁移率为6 cm2/V，开关率约为105。另外，当（NH4）2MoS4浸涂在绝缘衬底时，产生可转移的高结晶三层MoS2。

BALENDHRAN等[10]以MoO3为前驱体采用两步法开发了一种批量合成方法。MoO3首先在任意基底上蒸发，然后在石英管内进行硫化过程。该方法具有较高的电子迁移率，制备的n型场效应晶体管的迁移率为0.02 cm2/V。当用粉末MoS2[19]代替 MoO3，得到的MoS2薄片呈三角形，结晶度高。进一步以MoCl5和单质硫为前驱体，制备了均匀、高质量的单层和双层MoS2晶粒膜，尺寸范围从微米到几纳米[20]。

当使用第三种前驱体时，在SiO2衬底上制作一层薄薄的钼膜，并在较高的温度下硫化惰性气体[12,17]。该方法制备的薄膜n型和p型的迁移率为0.004～0.040 cm2/V，晶粒尺寸为5～30 nm。这个过程通过三角形单晶的聚结生长，得到大尺寸、高结晶度、少层的MoS2。但是这种方法由于随机成核而缺乏定向生长能力，在长时间的反应条件下，横向生长之间的竞争增加了产品垂直生长和层数。通常情况下，MoS2薄膜的形成需要1 000 ℃的高温，为了更好地降低衬底承受的温度，建立了等离子体辅助合成工艺合成[21]和原子层沉积（ALD）[22]，利用MoO3气相结合H2S等离子体在基底上生长少量层MoS2[23]。总而言之，目前报道的制备技术已经实现了低温、大面积、高结晶度二硫化钼薄膜的制备，能够满足各类器件的应用开发。

3 二硫化钼纳米孔的制备研究进展

固态纳米孔的制作与半导体工艺的结合使得DNA测序芯片的大规模生产成为可能。最常见的纳米孔制作方法是采用高能电子束或者聚焦离子束在指定位置直接钻出纳米尺寸的孔。目前，电子束是加工制作直径小于10 nm孔的主要技术手段，而聚焦离子束钻孔在制作尺寸和材料选择上具有更好的灵活性，人们已使用 Ga+、He+、Ne+、Ar+、Kr+和 Xe+成功制作出尺寸合适的固态纳米孔。典型的MoS2薄膜转移与纳米孔制作流程如图3所示。

图3 二硫化钼薄膜的转移过程（a）和电子束或离子束制备MoS2纳米孔原理（b）示意图

FARIMANI等[24]利用单层MoS2薄膜制备的纳米孔的信噪比达到了15，可以区分3个单碱基。GRAF等[25]成功地在小块方形区域中制作出了MoS2薄膜的纳米孔，实现了在100 MHz频率下的高信噪比。SHANKLA等[26]利用MoS2纳米孔两边不同溶液体系产生的电压差，实现了分子碱基的识别。THAKUR等[27]报道了7.62 cm晶圆级制备MoS2纳米孔的技术，实现了70%的器件制作效率，为规模化单分子DNA测序提供了技术基础。

纳米孔也可以通过在离子溶液中应用高电位差来创建，在材料表面触发电化学刻蚀行为，刻蚀点往往出现在MoS2膜的缺陷或单原子空位的位置，然后从MoS2单层上连续去除一个或几个MoS2单元，它可以在离子电流中观察到阶梯形的特征。这种技术有两种变体：应用一系列短暂的高压脉冲[28]或电压逐步升高，直到达到某一阈值[29]，通常情况下使用第二种方法能够创建2 nm纳米孔。从200 mV左右的低电压开始，步长幅度为100 mV，在某一电压值下，泄漏电流通常是恒定的，一旦达到临界电压，电流就开始急剧增加，孔隙增长。因此，可以通过观察来监控生长过程，当孔隙达到电导阈值时，立即停止施加电压。阈值很大程度上取决于数量材料中的活性部位（即缺陷）、材料的厚度和清洁度，阈值电压可以在800 mV～2.5 V变化。该方法的优点有以下3个方面：（1）孔隙生成可以在现场进行，避免TEM污染；（2）钻孔技术上可以用相同的纳米孔设置来完成，与瞬变电磁法相比，它是一种低成本、简单易行的技术；（3）过程是可扩展的，能够并行的进行纳米孔制造。图4是一个典型的电化学打孔的过程示意图。

图4 电打孔技术在SiNx薄膜上制作MoS2纳米孔的工艺流程

4 结语

目前，二硫化钼的纳米孔测序技术还处在原理验证与原型器件制作的阶段，测序原理到制造工艺都存在众多的科学问题与关键技术有待突破，未来纳米孔测序技术仍面临一系列技术与科学上的挑战：（1）单个纳米孔的制作与性能测试目前只是在实验室能够实现，信号的一致性与可靠性仍需诸多研究，并进一步完善；（2）3～5 nm孔径的阵列纳米孔的制备技术亟需突破，打破目前单一造孔的技术局限，尤其需要在造孔与缩孔技术方面需要快速突破；（3）造孔技术之外的系统技术也需要同步发展，包括纳米孔、电极、探针、微流体系统、电流放大等系统的高密度集成，实现众多功能器件的片上集成和DNA测序系统的组装。