[论文解读] 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 12

一句话总结

本文提出一种可扩展的电化学方法，通过选择性地从缺陷位点去除原子，在单层二硫化钼（MoS2）膜上制造出亚纳米精度的纳米孔。该过程可实现DNA穿孔的原位检测，并通过阶梯状离子电流反馈实现原子级控制，为高性能固态纳米孔的大规模生产提供了可行路径。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展且可控的方法，用于在二维材料中制造超薄纳米孔，以实现固态DNA测序。
• 克服传统聚焦离子束铣削方法的局限性，该方法速度慢、成本高，且难以将孔径缩小至1 nm以下。
• 利用电化学反应在单层MoS2上实现亚纳米精度的纳米孔尺寸控制。
• 通过所制备的纳米孔实现实时DNA穿孔检测，以支持实时测序应用。
• 展示利用电化学蚀刻大规模生产高灵敏度、高稳定性纳米孔的可行性。

提出的方法

• 该方法利用单层MoS2的电化学活性，在本征缺陷或单原子空位处引发反应。
• 电化学蚀刻以原子或单元胞为单位逐步进行，在外加电位下受控地去除硫和钼原子。
• 实时监测生长中纳米孔的离子电流，阶梯状特征表明孔径的离散变化。
• 利用电导率与孔径的关系模型，从离子电流阶跃推断纳米孔直径。
• 该过程在电化学池中进行，通过控制电解质和外加电压，实现对蚀刻动力学的精确调节。
• 后处理阶段，通过离子电流测量测试纳米孔在DNA穿孔检测中的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 电化学蚀刻能否在单层MoS2中实现亚纳米精度的纳米孔形成？
• RQ2 在电化学蚀刻过程中，离子电流响应如何与纳米孔的增量式生长相关联？
• RQ3 能否通过该电化学方法制备的纳米孔实现实时检测DNA穿孔？
• RQ4 该电化学制备工艺是否具备可扩展性和可控性，适用于纳米孔测序的实际应用？
• RQ5 缺陷或空位在启动和引导电化学蚀刻过程中的作用是什么？

主要发现

• 电化学蚀刻过程可在单层MoS2中实现亚纳米精度的纳米孔形成，达到原子级控制。
• 离子电流中的阶梯状特征为纳米孔尺寸提供了直接反馈，实现了原子级精度的孔径生长实时监测。
• 电导率与孔径关系模型成功将离子电流阶跃与纳米孔直径的增量变化相关联。
• 成功在原位检测到通过所制备MoS2纳米孔的DNA穿孔，证实其在测序应用中的功能性。
• 该方法具备可扩展性，避免了聚焦离子束或电子束技术的高成本和复杂性。
• 该过程利用本征缺陷或空位作为成核位点，实现了确定性和可控的孔洞形成。