[論文レビュー] Electrochemical reaction in single layer MoS2: nanopores opened atom by atom

Jiandong Feng, K. Liu+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2015

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 4被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、欠陥部位からの原子選択的除去により、単層モリブデンジチリド（MoS2）膜にサブナノメートル精度のナノポアをスケーラブルに作製する電気化学的方法を提示する。このプロセスにより、DNA透過のイン・スイット検出が可能となり、段階的イオン電流フィードバックによる原子スケールの制御が実現され、DNAシーケンシング向けに高機能な固体状態ナノポアの大量生産への道筋が示される。

ABSTRACT

Ultrathin nanopore membranes based on 2D materials have demonstrated ultimate resolution toward DNA sequencing. Among them, molybdenum disulphide (MoS2) shows long-term stability as well as superior sensitivity enabling high throughput performance. The traditional method of fabricating nanopores with nanometer precision is based on the use of focused electron beams in transmission electron microscope (TEM). This nanopore fabrication process is time-consuming, expensive, not scalable and hard to control below 1 nm. Here, we exploited the electrochemical activity of MoS2 and developed a convenient and scalable method to controllably make nanopores in single-layer MoS2 with sub-nanometer precision using electrochemical reaction (ECR). The electrochemical reaction on the surface of single-layer MoS2 is initiated at the location of defects or single atom vacancy, followed by the successive removals of individual atoms or unit cells from single-layer MoS2 lattice and finally formation of a nanopore. Step-like features in the ionic current through the growing nanopore provide direct feedback on the nanopore size inferred from a widely used conductance vs. pore size model. Furthermore, DNA translocations can be detected in-situ when as-fabricated MoS2 nanopores are used. The atomic resolution and accessibility of this approach paves the way for mass production of nanopores in 2D membranes for potential solid-state nanopore sequencing.

研究の動機と目的

• 2次元材料における超薄型ナノポアのスケーラブルかつ制御可能な作製法を開発すること。
• 焦点化イオンビームや電子ビームマシニングの限界を克服すること。これらの手法は遅く、高価であり、1 nm未満へのスケーリングが困難である。
• 単層MoS2を用いた電気化学反応により、ナノポアサイズのサブナノメートル精度を達成すること。
• 作製されたナノポアを通じたDNA透過のイン・スイット検出を可能とし、リアルタイムシーケンシング応用を実現すること。
• 電気化学エッチングを用いた高感度で安定したナノポアの大量生産の可能性を実証すること。

提案手法

• 単層MoS2の電気化学的活性を利用し、内在的欠陥または単原子バケーションで反応を開始する。
• 印加電圧下で、硫黄およびモリブデン原子の制御された除去により、原子単位またはユニットセル単位で電気化学的エッチングが進行する。
• 成長中のナノポアを通過するイオン電流をリアルタイムでモニタリングし、段階的な特徴が離散的なサイズ変化を示す。
• ポアサイズとの伝導度モデルを用いて、イオン電流の段階的変化からナノポア径を推定する。
• 電解質と印加電圧を制御した電気化学セルでプロセスを実施し、エッチングキネティクスの精密なチューニングを可能にする。
• プロセス後、イオン電流測定を用いてナノポアのDNA透過検出を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気化学的エッチングを用いて、単層MoS2におけるナノポア形成でサブナノメートル精度を達成できるか？
• RQ2 電気化学的エッチング中に、イオン電流応答とナノポアの増加的成長の相関関係はいかなるものか？
• RQ3 本電気化学的プロセスで作製されたナノポアを通じて、DNA透過をリアルタイムで検出できるか？
• RQ4 電気化学的プロセスは、ナノポアシーケンシングにおける実用的応用のためにスケーラブルかつ制御可能か？
• RQ5 欠陥またはバケーションは、電気化学的エッチングの開始と誘導にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 電気化学的エッチングプロセスにより、サブナノメートル精度のナノポアが単層MoS2に形成され、原子スケールの制御が可能となった。
• イオン電流の段階的特徴が、ナノポアサイズの直接的フィードバックを提供し、原子レベルでのポア成長のリアルタイムモニタリングが可能となった。
• ポアサイズとの伝導度モデルは、イオン電流の段階的変化とナノポア径の増分的変化との相関を的確に示した。
• イン・スイット検出により、作製されたMoS2ナノポアを通じてDNA透過が成功裏に検出され、シーケンシング応用への機能性が確認された。
• 本手法はスケーラブルであり、焦点化イオンビームや電子ビーム技術の高コスト・高複雑性を回避した。
• プロセスは内在的欠陥またはバケーションを核形成サイトとして活用し、決定的で制御可能なポア形成を実現した。