[논문 리뷰] Electrochemical reaction in single layer MoS2: nanopores opened atom by atom

Jiandong Feng, K. Liu외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 20.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies참고 문헌 4인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 결함 부위에서 원자를 선택적으로 제거함으로써 단일층 디모리브데니움 디티오네이트(MoS₂) 막에 서브-나노미터 정밀도의 나노포어를 제작할 수 있는 확장 가능한 전기화학적 방법을 제시한다. 이 과정은 DNA 전이 검출을 실시간으로 가능하게 하고, 단계적 이온 전류 피드백을 통해 원자 크기의 제어를 가능하게 하여 고성능 고체 상태 나노포어의 대량 생산로 이르는 길을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 2차원 재료에 초박공 나노포어를 제작하기 위한 확장 가능하고 제어 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 집중된 전자선 빔 연마 기술의 한계를 극복하기 위해, 이는 느리고 비싸며 1 nm 이하로 확장하기 어려운 점이다.
• 단일층 MoS₂에서 전기화학 반응을 이용해 나노포어 크기 제어를 서브-나노미터 정밀도로 달성하기 위해.
• 제작된 나노포어를 통해 DNA 전이의 실시간 검출을 가능하게 하여 실시간 시퀀싱 응용을 위한 것이다.
• 전기화학 에칭을 통해 고감도이고 안정된 나노포어의 대량 생산 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 단일층 MoS₂의 전기화학적 활성도를 활용하여 고유 결함 또는 단일 원자 빈약 부위에서 반응을 시작한다.
• 적용된 전압 하에서 황과 모리브덴 원자가 제어된 방식으로 원자 단위 또는 격자 단위로 제거되는 전기화학적 에칭이 진행된다.
• 성장 중인 나노포어를 통과하는 이온 전류를 실시간으로 모니터링하며, 이는 이산적인 크기 변화를 나타내는 단계적 특징을 보인다.
• 나노포어 직경을 이온 전류 단계에서 유추하기 위해 전도도 대 나노포어 크기 모델을 사용한다.
• 에칭 동역학을 정밀하게 조절할 수 있도록 제어된 전해질과 적용 전압을 갖춘 전기화학 세포에서 과정을 수행한다.
• 공정 후, 이온 전류 측정을 통해 DNA 전이 검출을 위한 나노포어의 테스트를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기화학적 에칭을 이용해 단일층 MoS₂에서 나노포어 형성 시 서브-나노미터 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 전기화학적 에칭 중에 이온 전류 반응은 나노포어의 점진적 성장과 어떻게 관련되는가?
• RQ3 이 전기화학적 방법으로 제작된 나노포어를 통해 DNA 전이가 실시간으로 검출될 수 있는가?
• RQ4 이 전기화학적 공정은 나노포어 시퀀싱 응용 분야에서 실용적으로 확장 가능하고 제어 가능한가?
• RQ5 결함 또는 빈약 부위는 전기화학적 에칭 과정의 시작과 지도에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 전기화학적 에칭 공정은 단일층 MoS₂에서 서브-나노미터 정밀도로 나노포어를 형성할 수 있으며, 원자 크기의 제어를 가능하게 한다.
• 이온 전류의 단계적 특징은 나노포어 크기의 직접적인 피드백을 제공하여 원자 수준에서의 포어 성장 실시간 모니터링이 가능하다.
• 전도도 대 나노포어 크기 모델은 이온 전류 단계와 나노포어 직경의 점진적 변화 사이의 관련성을 성공적으로 유추한다.
• 실시간으로 제작된 MoS₂ 나노포어를 통해 DNA 전이가 성공적으로 검출되어 시퀀싱 응용을 위한 기능성을 확인하였다.
• 이 방법은 확장 가능하며 집중된 이온 빔 또는 전자 빔 기술의 고비용 및 고복잡성 문제를 피한다.
• 공정은 고유 결함 또는 빈약 부위를 핵심으로 삼아 결정적인 제어 가능한 포어 형성을 가능하게 한다.