本發(fā)明屬于環(huán)境污染物檢測(cè)，更具體的說是涉及一種二硫化鉬納米孔芯片及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、銅(cu)-硫氰酸鹽復(fù)合物是環(huán)境中常見的一類重金屬污染物，廣泛存在于工業(yè)廢水、礦區(qū)排水以及農(nóng)業(yè)和化學(xué)工業(yè)中。這類復(fù)合物對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)、土壤質(zhì)量以及人體健康均會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。尤其是在冶金、礦業(yè)開采以及農(nóng)藥生產(chǎn)過程中，銅(cu)與硫氰酸鹽反應(yīng)形成的復(fù)合物，往往在環(huán)境中具有較長(zhǎng)的滯留時(shí)間，導(dǎo)致長(zhǎng)期污染，增加了水源治理的難度。因此，對(duì)銅(cu)-硫氰酸鹽復(fù)合物的檢測(cè)顯得尤為重要。

2、傳統(tǒng)的銅離子檢測(cè)方法，如化學(xué)分析法、電化學(xué)法和光譜法，雖然可以提供一定的檢測(cè)能力，但其往往需要復(fù)雜的樣品前處理步驟，且存在檢測(cè)靈敏度、選擇性差等問題。因此，開發(fā)一種高靈敏度、快速、實(shí)時(shí)且無標(biāo)記的檢測(cè)方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種二硫化鉬納米孔芯片及其制備方法與應(yīng)用，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明首先制備pmma-mos2薄膜，然后將其轉(zhuǎn)移至氮化硅表面。通過氦離子束刻蝕(hiv)技術(shù)和掃描電子顯微鏡(sem)技術(shù)結(jié)合在二硫化鉬薄膜上形成納米孔。此芯片裝配成的傳感器可用于高效檢測(cè)環(huán)境中的銅(cu)-硫氰酸鹽復(fù)合物，具備高靈敏度、快速響應(yīng)和良好的選擇性的特點(diǎn)，適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和污染物檢測(cè)等領(lǐng)域。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、本發(fā)明技術(shù)方案之一：提供一種二硫化鉬納米孔芯片的制備方法，包括如下步驟：

4、在基底表面先沉積mos2層然后在mos2層表面涂覆聚甲基丙烯酸甲酯溶液，經(jīng)固化，得到附著pmma-mos2薄膜的基底；

5、將附著pmma-mos2薄膜的基底置于堿液中浸泡使pmma-mos2薄膜和基底分離；

6、將pmma-mos2薄膜轉(zhuǎn)移至氮化硅芯片上，順次經(jīng)退火和pmma去除，得到二硫化鉬芯片；

7、對(duì)二硫化鉬芯片進(jìn)行納米孔加工和尺寸調(diào)控，得到所述二硫化鉬納米孔芯片。

8、本發(fā)明首先制備pmma-mos2薄膜，然后將其轉(zhuǎn)移至氮化硅表面。通過氦離子束刻蝕(hiv)技術(shù)和掃描電子顯微鏡(sem)技術(shù)結(jié)合在二硫化鉬薄膜上形成納米孔。其中，在mos2薄膜表面設(shè)置pmma，pmma作為轉(zhuǎn)移介質(zhì)，保證將pmma-mos2薄膜順利轉(zhuǎn)移至氮化硅表面；另外，pmma具有良好的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度，可作為mos2薄膜的保護(hù)層，防止制備過程中mos2薄膜出現(xiàn)裂紋或破損。氦離子束刻蝕技術(shù)具有極高的空間分辨率和刻蝕精度，能夠在納米尺度上精確雕刻出所需的孔洞形狀和尺寸；而掃描電子顯微鏡技術(shù)不僅用于實(shí)時(shí)監(jiān)控刻蝕過程，確保納米孔的形成符合設(shè)計(jì)要求，還能對(duì)納米孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率的成像和表征，同時(shí)還能參與納米孔的加工過程。本發(fā)明通過氦離子束刻蝕(hiv)技術(shù)和掃描電子顯微鏡(sem)技術(shù)結(jié)合進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度、響應(yīng)能力和選擇性。

9、優(yōu)選地，所述mos2層的厚度為1～3nm；所述涂覆的用量為120～400g/m2；所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2～4％；所述固化的溫度為120～150℃，時(shí)間為5～10min。

10、優(yōu)選地，所述堿液包括氫氧化鈉；所述堿液的濃度為2mol/l；所述浸泡的時(shí)間為2～3h。

11、優(yōu)選地，所述氮化硅芯片包括硅基底和氮化硅層；所述退火的溫度為100～120℃，時(shí)間為1～2h；所述pmma去除包括：將退火后的產(chǎn)物置于丙酮中重復(fù)浸泡3次，第一次和第二次浸泡的時(shí)間獨(dú)立的為30～60min，第三次浸泡的時(shí)間為8h。

12、進(jìn)一步地，pmma去除后還包括將產(chǎn)物順次進(jìn)行清洗和干燥的步驟。

13、優(yōu)選地，通過氦離子束刻蝕(hiv)對(duì)二硫化鉬芯片進(jìn)行納米孔加工和尺寸調(diào)控；所述氦離子束刻蝕(hiv)的參數(shù)包括：光闌尺寸為5μm，離子束流為3pa，圓形圖案，圖案直徑為30nm，駐留時(shí)間為1000μs，像素大小為1nm2，離子劑量為20～60nc/μm2，間隔為80nm，所形成的納米孔呈橢圓形，橢圓形長(zhǎng)短軸比為1.05～1.15。

14、本發(fā)明對(duì)二硫化鉬芯片采用5μm光闌尺寸和3pa的離子束流進(jìn)行加工的步驟，可以避免直接進(jìn)行氦離子束刻蝕對(duì)mos2薄膜的損害，并確保納米孔尺寸符合要求。

15、在本發(fā)明中，光闌尺寸為5μm有助于聚焦離子束，減少離子散射，從而提高刻蝕的空間分辨率和精度；離子束流為3pa則在確?？涛g速率適中的同時(shí)避免因過高的離子流導(dǎo)致的mos2薄膜損傷；圓形圖案和30nm的圖案直徑確保納米孔的形狀和尺寸符合設(shè)計(jì)要求，提供一致的孔徑以實(shí)現(xiàn)均一的傳感性能；駐留時(shí)間為1000μs控制了每個(gè)納米孔的刻蝕深度，確?？讖降纳疃扰c預(yù)期相符；像素大小為1nm2提高了刻蝕過程的分辨率，使得納米孔的邊緣更加光滑和精確；離子劑量為20～60nc/μm2通過調(diào)整劑量范圍，優(yōu)化了刻蝕的能量輸入，確保納米孔形成的可靠性和一致性；間隔為80nm則保證了納米孔在薄膜中的均勻分布，防止孔與孔之間的相互干擾；最后，納米孔呈橢圓形，長(zhǎng)短軸比為1.05～1.15確保了孔徑形狀的穩(wěn)定性和重復(fù)性，有助于提高傳感器對(duì)特定分子的選擇性識(shí)別。通過對(duì)上述各參數(shù)的精確調(diào)控，本發(fā)明能夠在mos2薄膜上實(shí)現(xiàn)高度可控且均勻分布的納米孔結(jié)構(gòu)，從而顯著提升二硫化鉬芯片的整體性能，滿足高靈敏度和高選擇性的檢測(cè)需求。

16、優(yōu)選地，通過掃描電子顯微鏡(sem)對(duì)二硫化鉬芯片進(jìn)行納米孔加工和尺寸調(diào)控；所述掃描電子顯微鏡(sem)的參數(shù)包括：加速電壓為0.5～5kv，加工高度為8mm，放大倍數(shù)為100000倍，掃描范圍為1300nm×950nm，電流為2μa，每次輻照的時(shí)長(zhǎng)為3s。

17、在本發(fā)明中，加速電壓為0.5～5kv能夠優(yōu)化電子束的穿透深度和分辨率，避免對(duì)mos2薄膜造成過度損傷；加工高度為8mm確保電子束在樣品表面的準(zhǔn)確聚焦，提升刻蝕的精細(xì)度和一致性；放大倍數(shù)為100000倍有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)納米孔的高精度定位和精細(xì)刻蝕，確?？讖胶托螤罘显O(shè)計(jì)要求；掃描范圍為1300nm×950nm覆蓋所需的刻蝕區(qū)域，確保納米孔的分布和密度均勻，滿足傳感器性能的需求；電流為2μa提供適當(dāng)?shù)碾娮邮鴱?qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)高效的刻蝕過程，同時(shí)控制能量輸入，防止薄膜過熱或損傷；每次輻照的時(shí)長(zhǎng)為3s確保每個(gè)納米孔的刻蝕深度和形狀的一致性，避免因輻照時(shí)間不均導(dǎo)致的孔徑差異。

18、進(jìn)一步地，本發(fā)明通過氦離子束刻蝕(hiv)和掃描電子顯微鏡(sem)對(duì)二硫化鉬芯片進(jìn)行納米孔加工和尺寸調(diào)控，使得制備的二硫化鉬納米孔芯片的納米孔孔徑為30～45nm。

19、優(yōu)選地，所述二硫化鉬納米孔芯片的制備方法還包括在遠(yuǎn)離pmma的一端采用化學(xué)氣相沉積(cvd)技術(shù)進(jìn)行碳沉積，形成均勻且致密的碳層；

20、具體參數(shù)為：碳沉積的參數(shù)設(shè)置包括沉積溫度為500～700℃，沉積時(shí)間為20～40min，氣體流量為40～60sccm，沉積速率為0.1～0.3nm/s，氣體壓力為0.8～1.2torr，碳源采用乙炔氣體。

21、這些參數(shù)的設(shè)定范圍確保了碳層的高質(zhì)量沉積，提供優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。顯著提升二硫化鉬納米孔芯片的導(dǎo)電性、機(jī)械穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，芯片背面的沉底設(shè)計(jì)進(jìn)一步增強(qiáng)了芯片的結(jié)構(gòu)支撐，確保其在實(shí)際應(yīng)用中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和高效性能。

22、溫度(500～700℃)控制：在此溫度范圍內(nèi)，碳原子能夠有效擴(kuò)散并在mos2薄膜上形成高質(zhì)量的碳層。較高的溫度有助于提高碳層的結(jié)晶質(zhì)量和致密度，而較低的溫度則有助于控制沉積速率，避免過快的碳沉積導(dǎo)致的缺陷。

23、時(shí)間(20～40min)是為了調(diào)控厚度：通過調(diào)整沉積時(shí)間，可以精確控制碳層的厚度。較長(zhǎng)的沉積時(shí)間有助于形成更厚、更致密的碳層，增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性；較短的時(shí)間則適用于需要較薄碳層的應(yīng)用場(chǎng)景。

24、氣體(乙炔氣體，氣體流量為40～60sccm)供應(yīng)穩(wěn)定性：適當(dāng)?shù)臍怏w流量確保乙炔氣體穩(wěn)定供應(yīng)，維持沉積過程中反應(yīng)氣氛的均勻性，避免氣體濃度波動(dòng)對(duì)碳層質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

25、沉積速率(0.1～0.3nm/s)保證層均勻性：控制沉積速率有助于實(shí)現(xiàn)碳層的均勻生長(zhǎng)，避免因沉積過快導(dǎo)致的粗糙表面或沉積過慢引起的工藝效率低下。

26、氣體壓力(0.8～1.2torr)是對(duì)沉積環(huán)境優(yōu)化：適當(dāng)?shù)臍怏w壓力有助于控制反應(yīng)氣氛中的粒子碰撞頻率，優(yōu)化碳原子的遷移路徑，提高碳層的致密性和結(jié)晶質(zhì)量。

27、本發(fā)明技術(shù)方案之二：提供上述制備方法制備得到的二硫化鉬納米孔芯片。

28、本發(fā)明技術(shù)方案之三：提供所述的二硫化鉬納米孔芯片在銅-硫氰酸鹽復(fù)合物檢測(cè)中的應(yīng)用。

29、本發(fā)明技術(shù)方案之四：提供一種提高檢測(cè)的靈敏度、選擇性和實(shí)時(shí)性的銅-硫氰酸鹽復(fù)合物的檢測(cè)方法，包括如下步驟：通過所述的二硫化鉬納米孔芯片對(duì)銅-硫氰酸鹽復(fù)合物進(jìn)行檢測(cè)。

30、本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

31、1、高靈敏度與精確控制：

32、本發(fā)明通過氦離子束刻蝕(hiv)和掃描電子顯微鏡(sem)對(duì)二硫化鉬芯片進(jìn)行納米孔加工和尺寸調(diào)控，使得納米孔的尺寸能夠精確控制在30～45nm之間，滿足銅(cu)-硫氰酸鹽復(fù)合物的精確檢測(cè)需求。相比于傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)，mos2納米孔能夠提供更高的靈敏度，特別適用于低濃度銅(cu)-硫氰酸鹽復(fù)合物的檢測(cè)。

33、2、廣泛的檢測(cè)范圍：

34、本發(fā)明制備的二硫化鉬納米孔芯片能夠準(zhǔn)確檢測(cè)濃度在1～12mmol/l范圍內(nèi)的銅(cu)-硫氰酸鹽復(fù)合物，相比傳統(tǒng)方法，具備了更廣泛的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍，適用于不同污染物濃度下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

35、3、無標(biāo)記、無干擾檢測(cè)：

36、本發(fā)明基于納米孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)銅(cu)-硫氰酸鹽復(fù)合物的無標(biāo)記檢測(cè)，無需使用任何額外的標(biāo)記或試劑，避免了常規(guī)檢測(cè)中可能出現(xiàn)的干擾因素，能夠提供更為可靠的檢測(cè)結(jié)果。

37、4、簡(jiǎn)化的操作流程與更高的重復(fù)性：

38、本發(fā)明通過膜片鉗技術(shù)和精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)銅(cu)-硫氰酸鹽復(fù)合物進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了快速且高效的信號(hào)分析。相比傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法，操作流程更加簡(jiǎn)便且無需復(fù)雜的樣品前處理，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率和重復(fù)性，能夠確保多次實(shí)驗(yàn)中的穩(wěn)定性與一致性。

39、5、低成本且可擴(kuò)展性強(qiáng)：

40、由于本發(fā)明使用的mos2薄膜制備工藝簡(jiǎn)單且成本較低，且氦離子束技術(shù)能夠精確控制納米孔的制備過程，因此相較于傳統(tǒng)的復(fù)雜的檢測(cè)儀器和化學(xué)分析方法，本發(fā)明具有更高的成本效益，并具備良好的可擴(kuò)展性，能夠廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、廢水處理等多個(gè)領(lǐng)域。

41、6、對(duì)環(huán)境污染物的多重應(yīng)用潛力：

42、本發(fā)明基于mos2納米孔的傳感器可廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染物的檢測(cè)，特別是在復(fù)雜環(huán)境樣品中的污染物檢測(cè)中，展現(xiàn)出較傳統(tǒng)方法更高的應(yīng)用靈活性和適應(yīng)性。