二硫化鉬薄膜制備及其DNA納米孔測序技術(shù)的研究進(jìn)展

張青云，鞏將利，李梓伸，李靜，趙彩云*

（1.甘肅省隴南市公安局，甘肅隴南 746000；2.四川省廣安市公安局，四川廣安 638000）

以二硫化鉬（MoS2）為代表的二維原子薄層材料具有優(yōu)異的理化、生物效應(yīng)和柔性導(dǎo)電特性，因此被廣泛應(yīng)用于納米孔檢測技術(shù)，快速觸發(fā)了其在生物檢測技術(shù)中的研究熱潮。該技術(shù)是在單層的二維薄層材料制作一個(gè)引導(dǎo)和檢測生物分子的納米孔，通過測量DNA分子過孔時(shí)的離子電流行為，實(shí)現(xiàn)識別不同DNA片段及單生物分子信息的目的。本文從實(shí)驗(yàn)的角度綜述MoS2薄層的制備及納米孔在生物分子檢測中的研究進(jìn)展。

1 二硫化鉬納米孔工作原理及優(yōu)勢

20世紀(jì)90年代，納米孔作為生物傳感器首次被提出之后[1]，快速引起了生物電子技術(shù)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。納米孔傳感器可分為固態(tài)納米孔和生物納米孔兩大類，二者均能夠?qū)崿F(xiàn)生物和化學(xué)分子的單分子精準(zhǔn)檢測[2-4]。常見的固態(tài)納米孔通常是采用硼、鋁、硅、石墨烯以及混合材料制備而成，具有較穩(wěn)定的環(huán)境適應(yīng)性，其化學(xué)、物理性質(zhì)優(yōu)異，可以在各種實(shí)驗(yàn)條件下工作，在DNA測序和蛋白質(zhì)檢測中取得良好應(yīng)用[5]。而生物納米孔是通過改變蛋白質(zhì)通道的特定位點(diǎn)氨基酸殘基的分子生物學(xué)技術(shù)，隸屬于高技術(shù)、高成本的基因編輯與改造技術(shù)，也是目前可靠性較高的DNA檢測方法[6]?；诙S原子薄層材料的納米孔測序無需酶染色和熒光基團(tuán)修飾，去除了熒光檢測環(huán)節(jié)，可以直接進(jìn)行測序，是目前單分子測序技術(shù)領(lǐng)域的焦點(diǎn)之一。

納米孔測序原理是在直徑為1～3 nm的納米孔兩端施加一個(gè)恒定電壓，當(dāng)帶電生物分子（如DNA或RNA）通過納米孔時(shí)，會產(chǎn)生不同變化特征的電流，通過監(jiān)測和分析過孔的電流波動(dòng)信號可以得到生物分子的大小、濃度、結(jié)構(gòu)、分子傳感和堿基序列標(biāo)識（圖1）[7]。二維原子薄層MoS2具有出色的電學(xué)、機(jī)械和結(jié)構(gòu)等特性，其單原子層的厚度約為0.65 nm，與DNA分子鏈的堿基對之間的間距接近，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的空間分辨率。與此同時(shí)，MoS2膜結(jié)構(gòu)中存在著親水的Mo原子，減弱了DNA與膜的相互作用，可以大幅度提高檢測的信噪比。LIU等[8]通過實(shí)驗(yàn)方法測得MoS2納米孔的信噪比為10，大約是石墨烯納米孔的3倍。因此，MoS2納米孔在DNA檢測技術(shù)中具有重要的應(yīng)用潛力。

圖1 基于二硫化鉬納米孔的DNA測序原理

2 二硫化鉬薄膜的制備與轉(zhuǎn)移

MoS2是繼石墨烯之后最重要的二維材料之一。單分子層MoS2具有直接帶隙（1.9 eV），有可能用于后硅材料電子產(chǎn)品，其合成技術(shù)發(fā)展較快，主要分為自頂向下和自底向上兩種方法。液相剝離和化學(xué)合成適合低成本大規(guī)模生產(chǎn)，獲得的材料大多是不同形狀、大小和層數(shù)的粉體。大面積生長高度均勻的MoS2是開發(fā)原子薄層器件和電路的前提，以高端納米電子為目標(biāo)的MoS2薄膜應(yīng)用通常是采用化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）制備，與半導(dǎo)體行業(yè)具有很好的兼容性，本文重點(diǎn)介紹化學(xué)氣相沉積制備二硫化鉬薄膜的最新進(jìn)展。

CVD合成過程采用自下而上的方法，對形貌、結(jié)晶度和缺陷進(jìn)行控制。CVD是通過氣體在襯底上的化學(xué)反應(yīng)而形成的大面積薄膜，該方法通過結(jié)合不同的前驅(qū)體，促進(jìn)了新型二維納米片及其雜化體的形成，擴(kuò)展了控制不同的工藝參數(shù)，從而獲得性能可控的高質(zhì)量、高純二維納米材料，生長過程如圖2所示[9]。

圖2 二硫化鉬薄膜材料的化學(xué)氣相沉積原理示意圖

目前，許多氣相化學(xué)沉積方法已被開發(fā)用于大面積MoS2薄膜生長，并成功獲得大的三角形MoS2薄膜[10-12]。CVD方法通常采用3種不同類型的前體，分別是（NH4）2MoS4[11,13]、粉末 MoO3[10,14-17]和元素鉬[12,18]。當(dāng)使用第一類前體時(shí)，化合物在不同的分解過程中生成二硫化鉬薄膜，晶粒大小取決于用于生長MoS2薄膜的襯底類型，一般來說采用藍(lán)寶石襯底比采用SiO2襯底更能獲得大的晶粒尺寸，利用二硫化鉬制備了具有n型行為的場效應(yīng)管，其場效應(yīng)遷移率為6 cm2/V，開關(guān)率約為105。另外，當(dāng)（NH4）2MoS4浸涂在絕緣襯底時(shí)，產(chǎn)生可轉(zhuǎn)移的高結(jié)晶三層MoS2。

BALENDHRAN等[10]以MoO3為前驅(qū)體采用兩步法開發(fā)了一種批量合成方法。MoO3首先在任意基底上蒸發(fā)，然后在石英管內(nèi)進(jìn)行硫化過程。該方法具有較高的電子遷移率，制備的n型場效應(yīng)晶體管的遷移率為0.02 cm2/V。當(dāng)用粉末MoS2[19]代替 MoO3，得到的MoS2薄片呈三角形，結(jié)晶度高。進(jìn)一步以MoCl5和單質(zhì)硫?yàn)榍膀?qū)體，制備了均勻、高質(zhì)量的單層和雙層MoS2晶粒膜，尺寸范圍從微米到幾納米[20]。

當(dāng)使用第三種前驅(qū)體時(shí)，在SiO2襯底上制作一層薄薄的鉬膜，并在較高的溫度下硫化惰性氣體[12,17]。該方法制備的薄膜n型和p型的遷移率為0.004～0.040 cm2/V，晶粒尺寸為5～30 nm。這個(gè)過程通過三角形單晶的聚結(jié)生長，得到大尺寸、高結(jié)晶度、少層的MoS2。但是這種方法由于隨機(jī)成核而缺乏定向生長能力，在長時(shí)間的反應(yīng)條件下，橫向生長之間的競爭增加了產(chǎn)品垂直生長和層數(shù)。通常情況下，MoS2薄膜的形成需要1 000 ℃的高溫，為了更好地降低襯底承受的溫度，建立了等離子體輔助合成工藝合成[21]和原子層沉積（ALD）[22]，利用MoO3氣相結(jié)合H2S等離子體在基底上生長少量層MoS2[23]?？偠灾?，目前報(bào)道的制備技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了低溫、大面積、高結(jié)晶度二硫化鉬薄膜的制備，能夠滿足各類器件的應(yīng)用開發(fā)。

3 二硫化鉬納米孔的制備研究進(jìn)展

固態(tài)納米孔的制作與半導(dǎo)體工藝的結(jié)合使得DNA測序芯片的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。最常見的納米孔制作方法是采用高能電子束或者聚焦離子束在指定位置直接鉆出納米尺寸的孔。目前，電子束是加工制作直徑小于10 nm孔的主要技術(shù)手段，而聚焦離子束鉆孔在制作尺寸和材料選擇上具有更好的靈活性，人們已使用 Ga+、He+、Ne+、Ar+、Kr+和 Xe+成功制作出尺寸合適的固態(tài)納米孔。典型的MoS2薄膜轉(zhuǎn)移與納米孔制作流程如圖3所示。

圖3 二硫化鉬薄膜的轉(zhuǎn)移過程（a）和電子束或離子束制備MoS2納米孔原理（b）示意圖

FARIMANI等[24]利用單層MoS2薄膜制備的納米孔的信噪比達(dá)到了15，可以區(qū)分3個(gè)單堿基。GRAF等[25]成功地在小塊方形區(qū)域中制作出了MoS2薄膜的納米孔，實(shí)現(xiàn)了在100 MHz頻率下的高信噪比。SHANKLA等[26]利用MoS2納米孔兩邊不同溶液體系產(chǎn)生的電壓差，實(shí)現(xiàn)了分子堿基的識別。THAKUR等[27]報(bào)道了7.62 cm晶圓級制備MoS2納米孔的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了70%的器件制作效率，為規(guī)?；瘑畏肿覦NA測序提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

納米孔也可以通過在離子溶液中應(yīng)用高電位差來創(chuàng)建，在材料表面觸發(fā)電化學(xué)刻蝕行為，刻蝕點(diǎn)往往出現(xiàn)在MoS2膜的缺陷或單原子空位的位置，然后從MoS2單層上連續(xù)去除一個(gè)或幾個(gè)MoS2單元，它可以在離子電流中觀察到階梯形的特征。這種技術(shù)有兩種變體：應(yīng)用一系列短暫的高壓脈沖[28]或電壓逐步升高，直到達(dá)到某一閾值[29]，通常情況下使用第二種方法能夠創(chuàng)建2 nm納米孔。從200 mV左右的低電壓開始，步長幅度為100 mV，在某一電壓值下，泄漏電流通常是恒定的，一旦達(dá)到臨界電壓，電流就開始急劇增加，孔隙增長。因此，可以通過觀察來監(jiān)控生長過程，當(dāng)孔隙達(dá)到電導(dǎo)閾值時(shí)，立即停止施加電壓。閾值很大程度上取決于數(shù)量材料中的活性部位（即缺陷）、材料的厚度和清潔度，閾值電壓可以在800 mV～2.5 V變化。該方法的優(yōu)點(diǎn)有以下3個(gè)方面：（1）孔隙生成可以在現(xiàn)場進(jìn)行，避免TEM污染；（2）鉆孔技術(shù)上可以用相同的納米孔設(shè)置來完成，與瞬變電磁法相比，它是一種低成本、簡單易行的技術(shù)；（3）過程是可擴(kuò)展的，能夠并行的進(jìn)行納米孔制造。圖4是一個(gè)典型的電化學(xué)打孔的過程示意圖。

圖4 電打孔技術(shù)在SiNx薄膜上制作MoS2納米孔的工藝流程

4 結(jié)語

目前，二硫化鉬的納米孔測序技術(shù)還處在原理驗(yàn)證與原型器件制作的階段，測序原理到制造工藝都存在眾多的科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)有待突破，未來納米孔測序技術(shù)仍面臨一系列技術(shù)與科學(xué)上的挑戰(zhàn)：（1）單個(gè)納米孔的制作與性能測試目前只是在實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)崿F(xiàn)，信號的一致性與可靠性仍需諸多研究，并進(jìn)一步完善；（2）3～5 nm孔徑的陣列納米孔的制備技術(shù)亟需突破，打破目前單一造孔的技術(shù)局限，尤其需要在造孔與縮孔技術(shù)方面需要快速突破；（3）造孔技術(shù)之外的系統(tǒng)技術(shù)也需要同步發(fā)展，包括納米孔、電極、探針、微流體系統(tǒng)、電流放大等系統(tǒng)的高密度集成，實(shí)現(xiàn)眾多功能器件的片上集成和DNA測序系統(tǒng)的組裝。