基于自组装和交联法的纳米结构、其电极及制备方法

1.本发明属于纳米材料技术的合成以及应用领域，具体涉及一种基于自组装和交联法的纳米结构、其电极及制备方法。


背景技术：

2.随着半导体技术的飞速发展，集成电路的尺寸不断减小，已经到达小型化技术的极限，人们对于在分子尺度上形成器件的需求越来越高。基于分子的器件在电子应用中具有低成本、低功耗的特点以及独特的光学和电学特性，分子尺度的器件在生物传感器中受到了广泛的应用。要实现纳米级别的生物材料的检测，生物传感部分需要具有良好的耐用性和稳定性，能够适应多种测试环境，且须具备小型化，模块化，接口化的特点。碳纳米电极具有良好的导电性、极尖的结构且间隙足够小，能够实现纳米级别的生物分子的固定，以便能够在生物传感中得到良好的应用。
3.由于纳米间隙其电极之间间隔的尺度极小，具有极高的研究价值。但断裂结技术、光刻技术、电化学沉积等技术的制备方式不仅步骤繁琐，也难于进行精确的控制。


技术实现要素：

4.因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种基于自组装，交联，利用金属使其固定化，随后高温退火的制备方法来获得导电性高达106s/m的高导电性的包含纳米线的纳米结构。以及利用该纳米结构制备高性能的极尖的纳米间隙电极。基于极尖的纳米间隙电极的器件具有实现用于计算和生物传感的潜在能力。由于该间隙对于纳米级别的分子的检测非常合适，可以通过构建分子电路与分子器件，实现不同性能的纳米级别的生物分子的检测。通过电泳或类似的单个病毒的固定机制，在坚固、自清洁和可重复使用的碳纳米电极之间实现其在生物传感器方向的应用。拥有单个病毒检测能力、可重复使用、廉价且便携、与智能手机兼容的传感器有可能推动社会摆脱当前和未来的流行病。
5.在阐述本发明内容之前，定义本文中所使用的术语如下：
6.术语“pdms”是指：聚二甲基硅氧烷。
7.术语“dba-cooh”是指：溴化蒽羧酸。
8.为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种基于自组装和交联法的纳米结构，所述基于自组装和交联法的纳米结构包括：衬底、转移至衬底上的二维材料、导电的长链交联的纳米结构和金属电极；其中，
9.所述导电的长链交联的纳米结构包括纳米线；
10.优选地，所述纳米线为石墨烯纳米线；
11.优选地，所述纳米线的宽度为30～600nm，进一步优选为40～300nm；
12.优选地，所述纳米线的长度为3～20μm，进一步优选为7～10μm；和/ 或
13.优选地，同一根纳米线的不同部位具有不同的宽度。
14.根据本发明第一方面的基于自组装和交联法的纳米结构，其中，所述衬底选自以
下一种或多种：云母、金刚石、硅片、二氧化硅，最优选为云母；
15.所述二维材料选自以下一种或多种：石墨烯、氮化硼、金属硫化物、金属硒化物，最优选为氮化硼；和/或
16.所述金属电极选自以下一种或多种：金、银、铜、钛，最优选为金。
17.本发明的第二方面提供了一种纳米间隙电极，所述纳米间隙电极通过第一方面所述的基于自组装和交联法的纳米结构制备而成；
18.优选地，所述纳米间隙电极具有极尖的形状；和/或
19.优选地，所述纳米间隙电极的最小间隙小于30nm，更优选为小于 25nm，最优选为小于20nm。
20.本发明的第三方面提供了制备第一方面所述的基于自组装和交联法的纳米结构的方法，所述方法包括以下步骤：
21.(1)将二维材料转移至衬底上，并将前驱体分子生长至二维材料/衬底表面；
22.(2)使得步骤(1)中的前驱体分子单体之间相互交联，形成长链交联纳米结构；
23.(3)在步骤(2)制备的长链交联纳米结构上蒸镀金属电极以固化纳米结构；
24.(4)通过对步骤(3)固化的纳米结构高温退火，得到所述高电导率的包含纳米线的纳米结构；
25.优选地，所述步骤(1)中，还包括以下步骤：在铜箔上生长二维材料，将pdms贴在二维材料一侧，浸泡刻蚀铜箔后，用衬底将二维材料/pdms 捞起，烘烤蒸发得到所述二维材料/衬底；和/或
26.优选地，所述步骤(3)中，所述金属电极之间有纳米线相连，和/或所述金属电极之间的距离为1～10μm，更优选为3～8μm，进一步优选为4～7 μm。
27.根据本发明第三方面的方法，其中，所述步骤(1)中，还包括以下步骤：所述前驱体分子在真空腔体中通过外延生长的方式生长到衬底上；其中，
28.所述前驱体分子为多环芳烃，优选为分子水平方向上其中一侧具有能够与二维材料发生超分子相互作用的功能基团，垂直方向的两侧具有卤素原子的多环芳烃；所述功能基团优选选自以下一种或多种：羧基、醛基、氰基，进一步优选为羧基或醛基，最优选为羧基；
29.优选地，所述外延生长的升华温度为130～180℃，优选为150～170℃，最优选为160℃；
30.优选地，所述外延生长的时间为10～60min，优选为10～40min，最优选为30min；和/或
31.优选地，所述外延生长的环境压强为1
×
10-10
mbar～1
×
10-8
mbar，进一步优选为1
×
10-10
mbar。
32.根据本发明第三方面的方法，其中，所述步骤(2)中，所述前驱体分子单体之间相互交联是在真空腔体内通过辐射源照射的方式完成；
33.优选地，所述辐射源的波长为小于350nm，最优选为小于300nm；
34.优选地，当所述辐射源为紫外光时，功率大于250w，进一步优选为大于300w；照射时间大于10h，进一步优选为大于12h；和/或
35.优选地，所述辐射源照射的环境压强为1
×
10-10
mbar～1
×
10-8
mbar，进一步优选为1×
10-10
mbar。
36.根据本发明第三方面的方法，其中，所述步骤(4)中，还包括以下步骤：通过直流电源发射的电子束轰击衬底，对步骤(3)固化的纳米结构高温退火，使得多聚体中的碳碳单键转化成碳碳双键，形成高电导率的包含纳米线的纳米结构；
37.优选地，所述高温退火的温度需要达到1000℃，并维持8～12min，最优选为10min；
38.优选地，所述高温退火的升温过程速率需要保持1～5℃/s，更优选为 1～4℃/s，进一步优选为2～3℃/s；和/或
39.优选地，所述高温退火的环境压强为1
×
10-10
mbar～1
×
10-8
mbar，进一步优选为1
×
10-10
mbar。
40.本发明的第四方面提供了制备第二方面所述的纳米间隙电极的方法，所述方法包括：
41.(a).根据第三方面所述的方法制备的包含纳米线的纳米结构；
42.(b).对步骤(a)制备的包含纳米线的纳米结构进行离子束切割，形成所述的极尖的纳米间隙电极；
43.优选地，所述离子束切割的离子源为镓离子；
44.优选地，所述离子束切割的电压为10.0～50.0kev，优选为20.0～40.0 kev，最优选为30.0kev；和/或
45.优选地，所述离子束切割的电流为0.5～5pa，优选为0.5～2pa，最优选为1.1pa。
46.本发明的第五方面提供了一种分子器件电路，所述分子器件电路包括第二方面所述的纳米间隙电极或按照第四方面所述的方法制备的纳米间隙电极。
47.本发明的第六方面提供了一种纳米级别生物分子检测装置，所述检测装置包括第一方面所述的纳米间隙电极或按照第四方面所述的方法制备的纳米间隙电极或第五方面所述的分子器件电路；
48.所述纳米级别生物分子检测装置优选为生物传感器，和/或
49.所述纳米级别生物分子检测装置检测的样品优选选自以下一种或多种：细胞、病毒、纳米线、纳米带、纳米晶体管、聚合物、金属颗粒分子、烟雾颗粒分子；
50.进一步优选地，所述病毒检测为单个病毒检测。
51.根据本发明的一个具体实施例，本发明的高电导率的包含石墨烯纳米线的纳米结构的制备方法，包括：
52.转移法制备二维材料/衬底；
53.在二维材料/衬底上生长分子；
54.利用辐射法使得分子产生交联；
55.在交联的石墨烯交联纳米结构上蒸镀金属电极来固化纳米结构；
56.通过高温退火使得分子形成高电导率的包含石墨烯纳米线的纳米结构；
57.根据本发明的另一个具体实施例，本发明的基于该包含石墨烯纳米线的纳米结构制备的极尖的纳米间隙电极，采用如下制备方法：对该包含石墨烯纳米线的纳米结构进行离子束切割，形成极尖的纳米间隙电极。
58.通过本发明制备方法所制备出的纳米间隙电极，在以下方面有应用潜力：
①
量子计算；
②
在分子器件电路中的应用；
③
纳米级别的生物分子，诸如细胞以及病毒的检测；
④
用于纳米线、纳米管、聚合物等材料的传感器等。图5展示了一些该纳米间隙电极的可能的应用。
59.本发明的基于自组装和交联法的纳米结构及纳米间隙电极可以具有但不限于以下有益效果：
60.1、基于极尖的纳米间隙电极的器件具有实现用于计算和生物传感的潜在能力。
61.2、由于该间隙对于纳米级别的分子的检测非常合适，可以通过构建分子电路与分子器件，实现不同性能的纳米级别的生物分子的检测。通过电泳或类似的单个病毒的固定机制，在坚固、自清洁和可重复使用的碳纳米电极之间实现其在生物传感器方向的应用。拥有单个病毒检测能力、可重复使用、廉价且便携、与智能手机兼容的传感器有可能推动社会摆脱当前和未来的流行病。
62.3、本发明的制备方法简单，便于精确控制。
63.4、通过本发明制备方法制备出的包含纳米线的纳米结构，其导电率高达106s/m。
64.5.本发明的制备方法可以适用于不同大小的，例如聚合物、不同宽度的纳米带、纳米管，以及细胞等，都可以根据其大小而进行切割。不仅可以制备出非常窄间隙的纳米间隙电极，也可以根据其应用的材料或者分子不同而制备不同宽度的纳米间隙电极。
附图说明
65.以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
66.图1示出了本发明实施例1制备高电导的包含石墨烯纳米线的纳米结构和实施例2制备纳米间隙电极的流程图。
67.图2示出了本发明实施例1所制备的基于自组装和交联法的纳米结构的结构示意图，其宽度为30-600nm，长度为3-20μm。
68.图3示出了本发明实施例2制备的纳米间隙电极的结构示意图，其宽度为20-30nm。
69.图4示出了本发明实施例1制备高电导的包含石墨烯纳米线的纳米结构和实施例2制备纳米间隙电极的过程示意图。其中，
①
表示前驱体通过π
ꢀ‑
π堆积，进而通过层间及逐层生长形成连续的分子结构；
②
表示通过辐射源的照射使分子发生交联；
③
表示通过蒸镀电极形成金属电极，使交联纳米结构固定化；
④
高温退火形成高电导的包含石墨烯纳米线的纳米结构；
⑤
表示通过聚焦离子束切割形成极尖的纳米间隙电极结构。
70.图5示出了本发明实施例1制备的高电导包含石墨烯纳米线的纳米结构的扫描电子显微镜的照片以及原子力显微镜的照片。其中，图5a展示了扫描电子显微镜下同一根纳米线的不同部位具有不同的宽度；图5b-d展示了原子力显微镜下不同类型的纳米线，其中图5b展示了由多根纳米线捆绑形成的纳米线束，图5c展示了晶化程度不高的纳米线，图5d展示了晶化程度很高的纳米线。
71.图6示出了本发明实施例2制备的极尖的纳米间隙电极的扫描电子显微镜的照片，其中图6a和图6b分别表示在聚焦离子束切割之前以及之后的纳米线的图片。
72.图7示出了不同宽度的纳米线制备出的不同纳米间隙宽度的纳米间隙电极。其中，图7a-c展示了从50-300nm的不同宽度的纳米线都可以切割出20-30nm的纳米间隙电极。其中图7a展示了宽度小于20nm的极尖的纳米间隙电极。图7a-c分别展示了在宽度分别为40nm,80nm以及300nm 的纳米线上都可以获得20-30nm的纳米间隙电极。图7d展示了未采用
本发明制备方法制备的宽度较大的，为150nm的纳米间隙电极。。
73.图8示出了所制备的极尖的纳米间隙电极作为传感器检测不同分子或者材料的应用的示意图，其中图8a表示新冠病毒，图8b表示dna，图8c 表示纳米线或者晶体管，图8d表示烟雾颗粒分子。
具体实施方式
74.下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
75.本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
76.以下实施例中使用的试剂和仪器如下：
77.材料：
78.云母，购自长春泰元公司。
79.pdms、铜箔上生长的氮化硼，均购自graphene supermarket公司。
80.二溴蒽，购自阿尔法试剂有限公司。
81.试剂：
82.过硫酸铵溶液，购自北京通广试剂。
83.仪器：
84.紫外光源，购自欧司朗，型号hwl。
85.电子束蒸发系统，购自中国台湾富临科技，型号fu-12peb。
86.聚焦离子束系统，购自美国fei公司，型号helios 600i。
87.低温四探针电学平台，购自美国janis，型号keithley 4200scs。
88.超高分辨场发射扫描电镜，购自日本日立公司，型号regulus 8230。
89.扫描隧道显微镜，购自美国veco，型号brucker multimode 8。
90.实施例1
91.本实施例用于说明本发明的基于自组装和交联法的纳米结构的制备方法。
92.图1示出了本发明实施例1制备高电导的包含石墨烯纳米线的纳米结构和实施例2制备纳米间隙电极的流程图。图2示出了本发明实施例1所制备的基于自组装和交联法的纳米结构的结构示意图。图4示出了本发明实施例1制备高电导的包含石墨烯纳米线的纳米结构和实施例2制备纳米间隙电极的过程示意图。其中，
①
表示前驱体通过π-π堆积，进而通过层间及逐层生长形成连续的分子结构；
②
表示通过辐射源的照射使分子发生交联；
③
表示通过蒸镀电极形成金属电极，使交联纳米结构固定化；
④
高温退火形成高电导的包含石墨烯纳米线的纳米结构；
⑤
表示通过聚焦离子束切割形成极尖的纳米间隙电极结构。
93.所述制备方法包括以下步骤，示意图如图4所示：
94.步骤(1)：通过转移方式，将所选取的二维材料转移至所选取的衬底之上。其中二维材料需为绝缘体，具有耐高温的特点。包括但不限于石墨烯、氮化硼、金属硫化物、金属硒化物等二维材料。衬底应当选取一种硬度足够的材料，同时具有耐高温以及绝缘的特性，能
够满足后续制备过程的要求。本实施例所采用的材料如下：采用氮化硼作为二维材料，云母作为衬底。具体的方式为：采用铜箔上生长的氮化硼，将pdms贴在氮化硼一侧表面，与其充分接触，然后将其浸泡在用0.1mol/l的过硫酸铵溶液中 6个小时，铜箔会与过硫酸铵溶液反应而被刻蚀。铜刻蚀之后，只剩余pdms/ 氮化硼结构。随后，使用云母片将过硫酸氨溶液中的氮化硼/pdms捞起，并在80℃下烘烤2小时，蒸发残余的溶液，就得到了转移至云母衬底上的氮化硼。
95.步骤(2)：在真空腔体中将前驱体分子生长至衬底表面。所选取的分子前驱体需满足：属于多环芳烃(pahs)，且分子水平方向上其中一侧具有能够与二维材料发生超分子相互作用的功能基团，例如羧基、醛基、氰基等，垂直方向的两侧具有卤素原子。本实施例采用dba-cooh，该分子具有三联苯结构，且分子水平方向上的一侧具有羧基。该分子在真空腔体中通过有机蒸发源外延生长的方式生长到衬底上。所要求的升华温度为160 ℃，时间为30分钟，环境压强为1
×
10-9
mbar。在生长过程中，由于前驱体分子的羧基一侧与氮化硼衬底具有亲水作用，而联苯一侧与氮化硼衬底有疏水作用，该分子会倾向于以羧基结构向下而联苯结构向上的方向与衬底相结合，并持续形成有序的堆积结构。
96.步骤(3)：在真空腔体内通过辐射源照射的方式使得分子单体之间互相结合。该步骤要求分子在与其他分子相邻的的两侧具有卤素原子或者其它具有相互交联能力的分子，本实施例采用溴化蒽羧酸(dba-cooh)，合成该分子的过程为：将二蒽溴与四氢呋喃(thf)、甲醇混合成为溶液，通入溴气，进行重结晶得到溴化蒽羧酸(dba-cooh)，该分子在与衬底上的氮化硼发生超分子反应后会形成有序的方向，其分子在平行方向有溴原子连接。辐射源照射需要选取的辐射源的波长需要低于300nm，需要在真空度10-9
mbar量级进行辐射源照射。本实施例的辐射源为紫外光，功率需要大于300w，照射时间需要12小时以上。由于紫外光子波长小，能量大，能破坏碳与卤素原子之间的化学键，使得卤素原子升华脱离衬底表面，而由于卤素原子的脱离，碳原子具有多余的未成对电子，与相邻的碳原子之间形成共价键相互连接，进而从单体形成长链交联纳米结构。
97.步骤(4)：在形成交联纳米结构的衬底上进行金属电极的蒸镀来固化纳米结构。掩膜版的要求是通过其蒸镀的电极与电极之间的距离应当仅在几个微米，能确保电极与电极之间有纳米线相连。图3中采用tem网格作为掩膜版，掩膜版的网格宽度为36微米，网格与网格之间的距离为6微米。也即以其作为掩膜版所蒸镀的电极大小为36微米，电极之间距离为6微米。本实施例采用金作为金属电极。由于在步骤(5)中，部分交联纳米结构会随着高温退火过程升华，先蒸镀电极能对交联纳米结构起到固定作用，能够使交联纳米结构结构稳定，有利于其转化为石墨烯纳米线结构。
98.步骤(5)：在真空腔体内通过高温退火的方式使得碳碳单键转化形成碳碳双键。由于上一步中该单体形成的交联纳米结构仍不具备良好的导电性质，无法在纳米间隙电极中应用，需要对其进行进一步的处理。通过直流电源发射电子束轰击衬底，对衬底进行高温退火，此时该多聚体中的碳碳单键逐渐转化成碳碳双键，进而形成所述的高电导包含石墨烯纳米线的纳米结构，其长度在微米级别，宽度在百纳米级别，同一根纳米线的长度和宽度都有所区别。本实施例以dba-cooh作为分子，需在真空度10-9 mbar量级进行高温退火。高温退火需达到1000℃，升温过程速率需要保持每秒钟2-3摄氏度，需维持1000℃在10分钟。
99.图5示出了本发明实施例1制备的高电导包含石墨烯纳米线的纳米结构的扫描电
子显微镜的照片以及原子力显微镜的照片。其中，图5a展示了扫描电子显微镜下同一根纳米线的不同部位具有不同的宽度；图5b-d展示了原子力显微镜下不同类型的纳米线，其中图5b展示了由多根纳米线捆绑形成的纳米线束，图5c展示了晶化程度不高的纳米线，图5d展示了晶化程度很高的纳米线。
100.实施例2
101.本实施例用于说明本发明的极尖的纳米间隙电极的制备方法。
102.图1示出了本发明实施例1制备高电导的包含石墨烯纳米线的纳米结构和实施例2制备纳米间隙电极的流程图。图3示出了本发明实施例2制备的纳米间隙电极的结构示意图。图4示出了本发明实施例1制备高电导的包含石墨烯纳米线的纳米结构和实施例2制备纳米间隙电极的过程示意图。在实施例1制备的高电导的包含石墨烯纳米线的纳米结构的基础上，通过步骤
⑤
，通过聚焦离子束切割形成极尖的纳米间隙电极结构。
103.在实施例1制备的高电导的包含石墨烯纳米线的纳米结构的基础上，在蒸镀有电极的衬底上利用离子束聚焦对石墨烯纳米线进行切割。应当采用镓离子作为离子源，采用的电压为30.0kev，电流为1.1pa。在聚焦离子束进行单次切割之后，可以获得极尖的间隙小于20nm的纳米间隙电极。切割前与切割后的原子力显微镜照片如图6所示，不同宽度的纳米线以及不同宽度的纳米间隙电极的扫描电子显微镜图片如图7所示。
104.图6示出了本发明实施例2制备的极尖的纳米间隙电极的扫描电子显微镜的照片，其中图6a和图6b分别表示在聚焦离子束切割之前以及之后的纳米线的图片。
105.图7示出了不同宽度的纳米线制备出的不同纳米间隙宽度的纳米间隙电极。其中，图7a-c展示了从50-300nm的不同宽度的纳米线都可以切割出20-30nm的纳米间隙电极。其中图7a展示了宽度小于20nm的极尖的纳米间隙电极。图7a-c分别展示了在宽度分别为40nm,80nm以及300nm 的纳米线上都可以获得20-30nm的纳米间隙电极。图7d展示了未采用本发明制备方法制备的宽度较大的，为150nm的纳米间隙电极。。
106.由上图可知，本发明制备的极尖的纳米间隙电极，其间隙在20 nm-30nm，且非常锐利。相比其他宽度较大的纳米间隙电极，如图7d所示的间隙在150nm的纳米间隙电极，本发明的极尖的纳米间隙电极由于间隙较小，当被检测的粒子通过电极之间时，可检测到的电流值更大，从而相对于间隙较大的电极，具备更高的灵敏度。
107.实施例3
108.本实施例用于说明通过实施例1制得的基于自组装和交联法的纳米结构的导电率。
109.使用四探针电学测试平台(型号keithley 4200scs)，测试电极之间的 i-v曲线，再通过公式：σ＝l/rs(其中r为i-v曲线得到的电阻，l为电极之间的宽度，s为横截面积)计算出电导率。
110.经测试，实施例1制备出的石墨烯纳米线电极与电极之间的电导率能够达到106s/m。
111.实施例4
112.本实施例用于说明通过实施例2制备的纳米间隙电极的应用。
113.通过实施例2所制备出的纳米间隙电极，当其应用到传感器中时，如图8所示。
114.图8示出了所制备的极尖的纳米间隙电极作为传感器检测不同分子或者材料的应
用的示意图，其中图8a表示新冠病毒，图8b表示dna，图8c 表示纳米线或者晶体管，图8d表示烟雾颗粒分子。
115.本发明制备出极尖的纳米间隙电极及其制备方法，可以适用于不同大小的，例如聚合物、不同宽度的纳米带、纳米管，以及细胞等，都可以根据其大小而进行切割。不仅可以制备出非常窄间隙的纳米间隙电极，也可以根据其应用的材料或者分子不同而制备不同宽度的纳米间隙电极。
116.尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

技术特征：
1.一种基于自组装和交联法的纳米结构，其特征在于，所述基于自组装和交联法的纳米结构包括：衬底、转移至衬底上的二维材料、导电的长链交联的纳米结构和金属电极；其中，所述导电的长链交联的纳米结构包括纳米线；优选地，所述纳米线为石墨烯纳米线；优选地，所述纳米线的宽度为30～600nm，进一步优选为40～300nm；优选地，所述纳米线的长度为3～20μm，进一步优选为3～20μm；和/或优选地，同一根纳米线的不同部位具有不同的宽度。2.根据权利要求1所述的基于自组装和交联法的纳米结构，其特征在于：所述衬底选自以下一种或多种：云母、金刚石、硅片、二氧化硅，最优选为云母；所述二维材料选自以下一种或多种：石墨烯、氮化硼、金属硫化物、金属硒化物，最优选为氮化硼；和/或所述金属电极选自以下一种或多种：金、银、铜、钛，最优选为金。3.一种纳米间隙电极，其特征在于，所述纳米间隙电极通过如权利要求1或2所述的基于自组装和交联法的纳米结构制备而成；优选地，所述纳米间隙电极具有极尖的形状；和/或优选地，所述纳米间隙电极的最小间隙小于30nm，更优选为小于25nm，最优选为小于20nm。4.制备如权利要求1或2所述的基于自组装和交联法的纳米结构的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将二维材料转移至衬底上，并将前驱体分子生长至二维材料/衬底表面；(2)使得步骤(1)中的前驱体分子单体之间相互交联，形成长链交联纳米结构；(3)在步骤(2)制备的长链交联纳米结构上蒸镀金属电极以固化纳米结构；(4)通过对步骤(3)固化的纳米结构高温退火，得到所述高电导率的包含纳米线的纳米结构；优选地，所述步骤(1)中，还包括以下步骤：在铜箔上生长二维材料，将pdms贴在二维材料一侧，浸泡刻蚀铜箔后，用衬底将二维材料/pdms捞起，烘烤蒸发得到所述二维材料/衬底；和/或优选地，所述步骤(3)中，所述金属电极之间有纳米线相连，和/或所述金属电极之间的距离为1～10μm，更优选为3～8μm，进一步优选为4～7μm。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，还包括以下步骤：所述前驱体分子在真空腔体中通过外延生长的方式生长到衬底上；其中，所述前驱体分子为多环芳烃，优选为分子水平方向上其中一侧具有能够与二维材料发生超分子相互作用的功能基团，垂直方向的两侧具有卤素原子的多环芳烃；所述功能基团优选选自以下一种或多种：羧基、醛基、氰基，进一步优选为羧基或醛基，最优选为羧基；优选地，所述外延生长的升华温度为130～180℃，优选为150～170℃，最优选为160℃；优选地，所述外延生长的时间为10～60min，优选为10～40min，最优选为30min；和/或优选地，所述外延生长的环境压强为1
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10-10
mbar～1
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10-8
mbar，进一步优选为1
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10-10
mbar。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述前驱体分子单体之间相互交联是在真空腔体内通过辐射源照射的方式完成；优选地，所述辐射源的波长为小于350nm，最优选为小于300nm；优选地，当所述辐射源为紫外光时，功率大于250w，进一步优选为大于300w；照射时间大于10h，进一步优选为大于12h；和/或优选地，所述辐射源照射的环境压强为1
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10-10
mbar～1
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10-8
mbar，进一步优选为1
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10-10
mbar。7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，还包括以下步骤：通过直流电源发射的电子束轰击衬底，对步骤(3)固化的纳米结构高温退火，使得多聚体中的碳碳单键转化成碳碳双键，形成高电导率的包含纳米线的纳米结构；优选地，所述高温退火的温度需要达到1000℃，并维持8～12min，最优选为10min；优选地，所述高温退火的升温过程速率需要保持1～5℃/s，更优选为1～4℃/s，进一步优选为2～3℃/s；和/或优选地，所述高温退火的环境压强为1
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10-10
mbar～1
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10-8
mbar，进一步优选为1
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10-10
mbar。8.制备如权利要求3所述的纳米间隙电极的方法，其特征在于，所述方法包括：(a).根据权利要求4至7中任一项所述的方法制备的包含纳米线的纳米结构；(b).对步骤(a)制备的包含纳米线的纳米结构进行离子束切割，形成所述的极尖的纳米间隙电极；优选地，所述离子束切割的离子源为镓离子；优选地，所述离子束切割的电压为10.0～50.0kev，优选为20.0～40.0kev，最优选为30.0kev；和/或优选地，所述离子束切割的电流为0.5～5pa，优选为0.5～2pa，最优选为1.1pa。9.一种分子器件电路，其特征在于，所述分子器件电路包括如权利要求3所述的纳米间隙电极或按照权利要求8所述的方法制备的纳米间隙电极。10.一种纳米级别生物分子检测装置，其特征在于，所述检测装置包括如权利要求3所述的纳米间隙电极或按照权利要求8所述的方法制备的纳米间隙电极或如权利要求9所述的分子器件电路；所述纳米级别生物分子检测装置优选为生物传感器；和/或所述纳米级别生物分子检测装置检测的样品优选选自以下一种或多种：细胞、病毒、纳米线、纳米带、纳米晶体管、聚合物、金属颗粒分子、烟雾颗粒分子；进一步优选地，所述病毒检测为单个病毒检测。

技术总结
本发明提供了一种基于自组装和交联法的纳米结构、其电极及制备方法。该纳米结构具有超高的导电性，电导率一般能达到106S/m。进而通过对该纳米结构进行离子束聚焦切割，制备宽度小于20nm且非常锐利的纳米间隙电极。本发明的包含石墨烯纳米线的纳米结构和高电导率的纳米间隙电极，在用于计算以及生物传感的分子级别的器件中具有良好的应用前景。由于该间隙对于纳米级别的分子的检测非常合适，可以通过构建分子电路与分子器件，实现不同性能的纳米级别的生物分子的检测。拥有单个病毒检测能力、可重复使用、廉价且便携、与智能手机兼容的传感器有可能推动社会摆脱当前和未来的流行病。病。病。


技术研发人员：卡洛斯
受保护的技术使用者：中国科学院物理研究所
技术研发日：2022.01.27
技术公布日：2023/8/8