Характеризация графеновых пленок для разработки физикотехнологических основ бионаносенсоров Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №7/2015 ISSN 2410-6070

14. S.P. Tsybenko, J. Plasma Physics 62, 117 (1999).

15. С.П. Цыбенко, Препринт №24, ФИАН (Физический институт им. П.Н. Лебедева, РАН, 2004) .

16. В.Я. Никулин, С.А. Старцев, С.П. Цыбенко. Краткие сообщения по физике 42, №5, 21 (2015).

17. A. Bernard, H. Bruzzone, P. Choi et al., J. Moscow Phys. Soc. 8, 93 (1998).

©В.Я. Никулин, С.А. Старцев, С.П. Цыбенко,2015

УДК 539.23

Т.Е.Тимофеева, Д.В.Николаев, В.Б.Тимофеев

Физико-технический институт Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова г.Якутск, Республика Саха (Якутия), Российская федерация

ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ГРАФЕНОВЫХ ПЛЕНОК ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ФИЗИКОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ БИОНАНОСЕНСОРОВ

Аннотация

В настоящей работе сообщается о результатах подбора оптимальных условий синтеза графеновых пленок методом химического газофазного осаждения и исследования их основных параметров. Данные будут использованы при анализе условий, необходимых для успешной иммобилизации тромбиновых аптамеров на поверхность графеновых пленок.

Ключевые слова

Химическое газофазное осаждение, графен, аптасенсор

Биосенсоры используются для обнаружения глюкозы, белков, антител, и ДНК, с целью диагностики и мониторинга потенциально опасных заболеваний, таких как сахарный диабет, генные мутации, гемофилия и др. Известные методики диагностики с использованием различных меток требуют длительного процесса маркировки и дорогостоящего оборудования [1-3].

В настоящее время развивается подход, основанный на безмаркерном обнаружении целевых молекул. Традиционными материалами для создания биосенсоров являются углеродные нанотрубки (УНТ) и кремниевые нанопроволоки [4,5]. В последнее время в качестве чувствительных элементов биосенсоров все чаще рассматриваются графен и его производные.

В частности, разрабатываются аптасенсоры для безмаркерного обнаружения тромбинового аптамера. Конструкция таких аптасенсоров представляет собой графеновый полевой транзистор с жидким затвором [6]. Графен для такого устройства выращивается методом химического газофазного осаждения. Преимуществом таких транзисторов, основанных на монослое графена с большой площадью, являются высокая проводимость и низкое соотношение сигнал-шум. Для исследования проводимости графенового аптасенсора, в частности, представляет интерес синтез образцов графена толщиной в 2-3 слоя с запрещенной зоной, индуцируемой полем затворного напряжения. Открытие запрещенной зоны с управляемой шириной позволяет упростить задачу контроля проводимости.

Эксперимент

Графеновые пленки синтезированы методом химического газофазного осаждения на медной фольге. В качестве источника углерода использовался метан. Исследованы и определены условия осаждения тонких пленок толщиной не более 1-5 нм. Серия экспериментов показала, что оптимальными условиями для роста пленок графена на медной подложке являются предварительный отжиг фольги при температуре 970-990°С в атмосфере смеси аргона с водородом в течение 30-40 мин, подача метана со скоростью 10 см3/мин в течение 5-10 мин и последующее охлаждение в атмосфере смеси аргона и водорода. Выращенные пленки переносились на подложки SiO2. Перенос осуществлялся нанесением фоторезиста на графен/медь с последующим вытравливанием меди в водном растворе соляной кислоты и гидроперита. После удаления

18

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №7/2015 ISSN 2410-6070

меди и очистки была получены прозрачные тонкие пленки фоторезист/графен, которые были перенесены на подложки SiO2(300 нм)^й Затем фоторезист удалялся при помощи травления в ацетоне. Наличие графеновой пленки определялось с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) на установке «Интегра Спектра» (НТ-МДТ) на длине волны возбуждающего лазера 532 нм.

Для измерения вольтамперных характеристик образцов изготовлялись структуры с двумя медными контактами. Измерения проводились на пленках с латеральными размерами ~2х4 мм в двухконтактной конфигурации на установке ASEC-03. Измерения Холловской подвижности и постоянной Холла проводились на образцах 9х9 мм с серебряными контактами в конфигурации Ван-дер Пау на установке Ecopia HMS-5500. Морфология и химический состав образцов исследовались на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-7800F с системой микроанализа компании Oxford Insruments Nano Analisis (OINA) на основе метода энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС). Для электронного пучка использовалось ускоряющее напряжение 3-5 кВ.

Результаты

Методами оптической микроскопии и СЭМ установлено, что графеновая пленка вырастает по всей поверхности медной фольги. Размеры выращенных образцов составляют несколько сантиметров со 100%-ным покрытием медной подложки (рис.1). По спектрам КРС установлено, что пленки представляют собой монослой графена с островками мультиграфена, латеральные размеры которых составляют 1-5 мкм, согласно рис.2, где показан участок медной фольги с осажденной графеновой пленкой. Видно, что степень однородности мультиграфена сильно отличается на различных доменах меди. Возможно, это связано с различной ориентацией кристаллов меди в доменах. Анализ графеновой пленки на медной фольге методом ЭДС (на рис.2 область сканирования выделена прямоугольником) позволил определить элементный состав образцов - углерод (—5-15 ат.%), медь (~95-85 ат.% ). Количественное содержание углерода позволяет оценить относительную толщину графеновой пленки на различных участках (рис.3).

На рис.4 представлено изображение графеновой пленки с увеличением в 10000 раз, где видно тонкую пленку с разрывами и неоднородностями структуры. На рис.5 можно увидеть спектр КРС для графеновой пленки, перенесенной на кремниевую подложку. Пик на 1340 см-1 связан со структурными дефектами пленки (D-пик), 1573 см-1 - G-пик, характерный для углерода, а 2686 см-1 - 2D^m, связанный с sp2-гибридизацией. Отношение интенсивностей пиков Ьб/Ig — 2,75, показывает, что пленка монослойная.

По данным атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии, толщина перенесенных пленок составляет 1-5 нм. Вольт-амперные характеристики образцов измерялись в диапазоне напряжений от -80 до +80 мВ, ток менялся от -40 до +40 мкА. Наблюдается линейная зависимость тока от напряжения (рис.6). Удельное поверхностное сопротивление образцов составило —2 кОм/^. По результатам измерений эффекта Холла определены тип носителей заряда, холловская подвижность и концентрация носителей заряда в образцах графеновых пленок при комнатной температуре. Для измеренных образцов наблюдается дырочная проводимость с концентрацией дырок p—1012 1/см2. Холловская подвижность носителей заряда составила 400-430 см2В/с в магнитном поле 0,5 Тл и толщине образцов 1-5 нм, удельное поверхностное сопротивление —2 кОм.

Заключение

Проведено исследование характеристик графеновых пленок, полученных методом химического газофазного осаждения при оптимизации условий синтеза. Параметры пленок подбирались с целью разработки физико-технологических основ аптасенсоров - устройств для обнаружения тромбиновых аптамеров.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №15-08-01977.

Рисунок 1 - Изображение графеновой пленки на подложке SiO2/Si, полученное с помощью оптического

микроскопа (x100).

19

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №7/2015 ISSN 2410-6070

50мял 1 Электронное изображение 1

Рисунок 2 - Изображение участка графеновой пленки на медной фольге, полученное с помощью СЭМ. Увеличение в 1000 раз, ускоряющее напряжение 3 кВ. Прямоугольником выделена область для сканирования ЭДС.

Рисунок 3 - Спектрограмма элементного состава графеновой пленки

Рисунок 4 - Графеновая пленка на SiO2/Si, снятая с увеличением в 10000 раз.

Рисунок 5 - Спектры КРС графеновой пленки, перенесенной на подложку SiO2/Si.

20

международный научный журнал «инновационная наука»

№7/2015

ISSN 2410-6070

I, mkA

АП

~>П

О .1

' ' -100 -50* ">0 ( 50 100

40

со

" V,mV

Рисунок 6 - Вольт-амперная характеристика графеновой пленки, перенесенной на подложку SiO2/Si. Список использованной литературы

1. H. Chang, L. Tang, Y. Wang, J. Jiang, J. Li / Graphene Fluorescence Resonance Energy Transfer Aptasensor for the Thrombin Detection // Analytical Chemistry. - 2010. - Vol.82(6). - P.2341-2346.

2. Y. Ohno, K. Maehashi, K. Matsumoto / Label-Free Biosensors Based on Aptamer-Modified Graphene Field-Effect Transistors // Journal of the American Chemical Society. 2010. - Vol. 132(51). - P.18012-18013.

3. A. Sassolas, B.D. Leca-Bouvier, L.J. Blum / DNA biosensors and microarrays // Chemical Reviews. - 2008. -Vol.108(1). - P.109-139.

4. К.Ф. Ахмадишина, И.И. Бобринецкий, И.А.Комаров, А.М.Маловичко, В.К. Неволин, В.А.Петухов, А.В.Головин, А.О.Залевский / Гибкие биологические сенсоры на основе пленок углеродных нанотрубок // Российские нанотехнологии. - 2013. - Т.8. - №11-12. С.35-39.

5. G. Zheng, F. Patolsky, Y. Cui, W.U. Wang, C.M. Lieber / Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays // Nature

Biotechnology. - 2005. - Vol.23(10). - P.1294-1301.

6. T.Y. Chen et al. / Label-free detection of DNA hybridization using transistors based on CVD grown graphene // Biosensors and Bioelectronics. 2012. - Vol.41. - P.103-109.

© Т.Е.Тимофеева, Д.В.Николаев, В.Б.Тимофеев, 2015

21