最新成果|代尔夫特理工大学V. Giagka团队：采用无转移工艺的多层CVD石墨烯电极，用于下一代光学透明和MRI兼容的神经接口

多模态平台技术可受益于其电极的光学透明和导电材料。代尔夫特理工大学Vasiliki Giagka教授团队以石墨烯的导电性和光学透明度作为电极材料，采用晶圆尺度无转移工艺制备石墨烯电极。引入的制造过程允许在制造过程结束时添加聚合物。此外，采用无转移工艺可以减少缺陷、错位和提高良率。在基于CVD的石墨烯电极中，使用的多层石墨烯电极具有最高的电荷存储能力，这是由于量子电容的增加和高表面粗糙度。本研究中制备的石墨烯电极(具有不同的层数)在10hz蓝色LED照射下没有光诱导伪影。这使得这些电极可以用于光学成像和光遗传学应用，并结合电生理学和电刺激。在3T核磁共振扫描仪中对聚二甲苯- c封装的石墨烯电极进行了测试，未显示任何图像伪影。这为在需要无伪影成像的应用中替代传统的金属电极提供了可能。

本文亮点

1、石墨烯神经界面的制备采用无晶圆尺度转移工艺；

2、在CVD基石墨烯电极中，多层石墨烯电极的电荷存储能力最强；

3、用蓝色LED照射不同厚度的石墨烯电极不会产生光诱导伪影；

4、基于CVD的多层石墨烯电极封装二甲苯- c，在3T扫描仪中没有MRI伪影。

研究背景

神经接口是能够与人类神经系统进行双向交互的工具。传统的神经记录和刺激方法无法为神经科学研究提供足够的时空分辨率。此外，系统地监测神经活动对揭示神经元和神经簇之间的相互联系是至关重要的。近年来，光学成像、光遗传学、磁共振成像(MRI)等方法相继出现，帮助神经科学家破译神经结构和功能。这些，结合电神经记录和多模态刺激方式，可以为更深入地理解和绘制神经系统铺平道路。传统的金属电极由于其良好的电性能、高的生物相容性和化学稳定性，是记录神经活动和刺激神经元的最常用工具。

然而，由于其不透明的性质，他们阻止任何在体内的光学成像在刺激的位置。此外，由于光电化学效应，Au电极在用于光遗传器件的电生理时可能会产生光诱导伪影。另一方面，铂铱(Pt- ir)合金电极由于铂的磁化率与周围组织不同，在MRI中会造成图像伪影。因此，需要光学透明和mri兼容电极。铟锡氧化物(ITO)和碳基电极是目前最常用的透明导电电极。然而，ITO由于其脆性，可能导致裂纹的形成而不能用于柔性器件。

在所有透明碳基电极中，石墨烯因其高导热/导电性、广谱透明性和柔韧性而成为最具吸引力的材料。此外，石墨烯包覆铜线和石墨氧化物制成的石墨烯纤维电极已被证明是MRI兼容的，因为它们的磁化率接近于组织。因此，石墨烯有潜力成为下一代光学透明、核磁共振兼容的多模态神经界面的理想电极材料。石墨烯相关材料的研究主要集中在氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(rGO)材料上。然而，由于氧化石墨烯的电绝缘特性，其与其他导电材料(如导电聚合物和金属)的结合是制造电极的必要条件。rGO的有效表面积大，导致低阻抗和高电荷注入容量(CIC)，这对神经记录和刺激都很重要。然而，它的导电性还达不到原始石墨烯的导电性。

生长石墨烯最常见的制备方法是化学气相沉积(CVD)，该方法具有简单的优点，并且可以在金属催化剂上制备高质量的石墨烯。然而，所需的高石墨烯生长温度(通常≥900◦C)阻止石墨烯直接生长在具有聚合物的晶圆上，聚合物是柔性植入物的基本组成部分。因此，目前最先进的石墨烯电极制造技术主要集中在石墨烯转移过程，即石墨烯生长在铜催化剂上，然后转移到用于植入的所需聚合物上。牺牲聚合物支撑层，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，促进转移过程。

尽管这种方法很受欢迎，但在保存转移后的材料质量、支撑层上的聚合物残留物或额外的清除任何聚合物残留物的清洁过程方面，它存在可靠性和结垢问题。最后，来自非生物相容性铜催化剂的金属颗粒会影响植入物的生物相容性。除此之外，在这种工艺中，第一聚合物层是在石墨烯转移之前出现的。这限制了电极后处理的选择，有可能提高电导率。其他制备石墨烯电极的技术也有报道，如在聚酰亚胺衬底上直接激光热解多孔石墨烯，或激光炭化对苯二烯- c以制备石墨碳作为金属电极涂层。然而，迄今为止，激光热解制备技术仅成功应用于电极相对较大的器件(直径200-700 μm)。与光刻技术相比，该技术的主要局限性在于激光分辨率，而激光分辨率对于小型化和高密度阵列的形成至关重要。此外，这些低质量的碳基电极的光学透明度不高，并遭受重现性问题。

因此，目前为止，使用CVD石墨烯似乎是最好的方法。CVD石墨烯本身可以被制成单层或多层，这取决于所使用的金属催化剂和工艺参数。虽然单层石墨烯在神经成像和光遗传学方面表现出了兼容性，但此前报道的工作表明，未掺杂状态下的单层石墨烯具有较低的片层电导率。这就阻止了石墨烯的使用，而不是长长的金属轨道，降低了整个植入物的透明度。此外，层数较少的石墨烯在制备和注入过程中更容易受到损伤。另一方面，增加石墨烯层数会降低薄片电阻，同时也会降低光学透明度。超级电容器领域的最新研究表明，多层石墨烯(最高可达4 ~ 6层的阈值)可以产生更高的电化学电容，此前报道的堆叠4个单层石墨烯神经电极显示出良好的电化学特性。然而，文献表明，在基于转移的过程中添加石墨烯层需要更多的转移步骤，这反过来导致层之间有更多的聚合物残留物，从而降低光学透明度。

研究的目的是利用CVD多层石墨烯制造出具有更好电化学性能的全透明、mri兼容的神经电极。为了防止转移过程中聚合物残留的存在，同时也为了使该过程与传统的晶圆级制备和后处理技术更兼容，作者采用了一种无转移的方法在钼(Mo)催化剂上生长石墨烯，以制造神经电极。这种方法可以在不涉及任何转移的情况下制备多层石墨烯电极。对电极的阻抗、电荷存储容量(CSC)和CIC进行了评估，并与相同尺寸和几何形状的Pt和Au电极进行了比较。

此外，研究人员还分别评估了所开发电极与光遗传刺激和MRI的兼容性，以及Au和Pt电极的兼容性。石墨烯电极在1 kHz时显示出较低的阻抗(27.4 kΩ)，与相同尺寸和几何形状的Au和Pt电极相当。在100 mV/s扫描速率下，石墨烯的CV测量得到了3.5 mC/cm2的CSC，这是迄今为止报道的CVD石墨烯电极的最高值。利用电压瞬态测量法计算了石墨烯电极的CIC (44 μC/cm2)。作者的石墨烯电极被重复频率为10hz的光脉冲照亮，但没有显示所有厚度测量的光诱导工件。此外，在3t MRI扫描仪中，完全透明的电极没有显示任何图像伪影。这些结果表明，具有高CSC和低阻抗的石墨烯多层电极可用于下一代神经接口，实现多模态电和光记录和刺激，并取代目前的标准金属电极，进一步允许对神经系统进行MRI研究。所提出的制造工艺也可用于制造用于光电子应用的石墨烯基器件。

图文导读

图1：制备工艺步骤(a)氧化物沉积在DSP Si晶圆的两面，背面图案和蚀刻，(b) Mo沉积和图案，(c)石墨烯生长，(d) Al (1%Si)/Ti沉积和图案在电极和接触垫上，(e) Parylene- c沉积，(f) Al/Ti硬掩膜沉积和图案用于二甲苯蚀刻，然后是DRIE工艺，(g)正面去除氧化物，然后是Mo湿蚀刻，背面二次二甲苯沉积，正面对苯二甲酸蚀刻，(h)硬掩模湿蚀刻，(i)切割样品。

这张图显示了制备聚对苯二烯- c封装石墨烯电极的工艺步骤。制造过程从在双面抛光硅晶圆的正面和背面沉积等离子体增强化学气相沉积(PECVD)氧化物开始。对背面氧化物进行刻印和刻蚀，以确定用于后续深度反应离子刻蚀(DRIE)步骤的区域。接下来，在晶圆正面溅射钼(Mo)作为石墨烯生长的催化剂金属层。石墨烯然后在约935◦C的温度下，使用CVD工艺在图案Mo上选择性生长。为了保护石墨烯电极不受后续聚合物蚀刻的影响，将Al (1%Si)/Ti堆叠在现有的石墨烯层上并形成图案。然后，在室温下用CVD法沉积对二甲苯- c。接下来，为了准备即将到来的聚合物蚀刻步骤，一个硬掩膜的Al (1%Si)/Ti溅射沉积和图案。最后，晶圆背面的DRIE工艺放置在正面的氧化物上，然后等离子体蚀刻。Mo在这一阶段通过过氧化氢(H2O2)湿法腐蚀去除。随后，在封装植入物的晶圆的两侧沉积第二对二甲苯层。为了暴露电极和接触垫，对正面的二甲苯进行等离子蚀刻，落在Al保护层上，然后在0.55% HF中去除Al保护层和硬面罩。此时，夹在两层聚对苯二烯- c之间的石墨烯层，以及暴露在电极和接触垫上的石墨烯就可以从硅框架中切割出来了。

图2: (a)二甲苯- c衬底的悬浮石墨烯电极，(b) PDMS衬底的悬浮石墨烯电极，(c)除钼前(黄色)和除钼后(蓝色)的光学图像，(d)石墨烯电极的拉曼光谱。

这张图显示了最终的悬浮石墨烯电极与二甲苯和PDMS衬底。在这项工作中使用的晶圆尺度无转移过程允许在制造步骤的最后添加任何聚合物封装目的。图2 (c)为340 μm直径电极除钼前后的光学图像。电极表面的孔洞与掩模设计有关。去除钼后，在电极表面使用633 nm波长的激光进行拉曼光谱，以确认电极表面存在石墨烯。如图2 (d)所示，可以观察到三个明显的峰:1337 cm−1处的d峰(灰色)，全宽半高宽为61.02 cm−1;1586 cm−1处的G峰(绿色)，与形成石墨烯晶格的sp2 C-C键有关，半高宽为33.32cm−1;以及2670 cm−1附近的2D峰(黄色)，半高宽为62.20cm−1。D峰和G峰强度之比(ID /IG = 0.38)表明石墨烯层中存在缺陷，在这种情况下，Mo去除后缺陷数量较少。该比值与用于气敏应用的石墨烯Mo上的值[46]相匹配。二维强度与G峰强度之比(I2D /IG = 0.74)小于1，证实了多层石墨烯的存在。此外，从单峰二维带的形状，可以假设石墨烯是涡轮增压的。

图5: (a)石墨烯、Pt和Au电极在扫描速率分别为1 V/s、0.6 V/s、0.2 V/s和0.1 V/s时从左到右的CV曲线，(b)石墨烯、(c) Au和(d) Pt电极的电压瞬态测量。

循环伏安法在相同的15个石墨烯电极上进行。图5 (a)显示了石墨烯(生长20分钟)、Au和Pt在不同扫描速率下的CV曲线。CSC值是根据CV曲线的时间积分计算的。Au的CSC比Pt和石墨烯低得多。另一方面，石墨烯的CSC值与Pt相当。然而，石墨烯在较慢的扫描速率下的CSC值要高于Pt。这可能与石墨烯在20分钟内测量的高平均表面粗糙度(6.75 nm)有关。在高扫描速率下，对于具有高表面粗糙度的电极，只有一小部分电极表面的孔隙可以进行电化学过程。另一方面，较慢的扫描速度导致较慢的反应物通量，因此，增加了电极表面的可及性。石墨烯、Au和Pt的电压瞬态测量结果如图5 (b-d)所示。石墨烯、Au和Pt在超过安全电位窗口前的最大电流幅值分别为30 μA、8 μA和46 μA。计算得到石墨烯、Au和Pt电极的CICs分别为44、11.7和67.33 μC/cm2。

图6: 金和石墨烯电极记录的信号经过10hz频率的光照后归一化功率谱(放大)。

当光线照射在金属电极上时，金属表面的电子可能会被喷射出来，并产生一个小的瞬态电位，可能会干扰来自神经元的记录信号。这种信号是由于光电化学效应而产生的，被称为光诱导伪影。在这里，作者使用光纤耦合470纳米LED测试多层石墨烯与金电极的对比。对于0.5 – 50ms的短脉冲，在体内实验中安全的光刺激强度范围可达~ 75mw /mm2。在本实验中，石墨烯和Au电极浸泡在PBS溶液中，在10 Hz和50 mW/mm2光强度下，采用脉冲持续时间为10 ms的节奏矩形脉冲刺激。对记录信号的功率谱进行了光诱导伪影的研究。此外，作者还对三种不同厚度的石墨烯进行了测试，以比较厚度对工件的影响。金和石墨烯电极表面照射10hz光脉冲时记录信号的功率谱如图6所示。The480光谱归一化到金电极的一谐波。在石墨烯电极的功率谱中未检测到伪影。另一方面，对于Au电极，除了基频分量外，还观察到了20、30、40、50 Hz等处的谐波分量。重复测量不同厚度的石墨烯，没有发现伪影。

图7: (a)将铂电极和石墨烯电极浸入模体中，(b) T2∗电极无伪影的加权图像，(c) T2∗EPI读数获得的无伪影的加权图像，(d) T2∗电极无伪影的基线幅值图像、B0图和电极B0图的高通滤波图像。

如图7 (a)所示，作者在3t MRI扫描仪上对石墨烯和Pt电极进行了MRI相容性测试。在这个测试中，最终引入的磁化率伪影，然后会导致信号衰减被研究。为此，作者获得了T2∗加权图像，因为它们强调了局部的敏感性效应。然而，在这些图像中没有检测到与电极相关的图像伪影(图7 (b))。因此，获得了对B0不均匀性更为敏感的EPI图像，以及实际的T2∗。在图7 (c)所示的T2 *加权图像中，电极周围也未检测到图像伪影。图7 (d)所示的T2∗图也没有显示电极周围有任何伪影。铂电极周围没有任何伪影可能与铂电极的厚度非常小(100 nm)有关。然而，在矢状视图下获得的高分辨率B0图显示了Pt和石墨烯电极周围的微分场响应(图7 (e))。电极引起的场移比主磁场的空间不均匀性小得多。因此，需要利用BFR去除来自ROI外部的场畸变。然后，电极引起的场畸变变得模糊可见，很明显，这种效应对Pt的影响要比石墨烯强得多。在15次重复中，Pt和石墨烯周围的场畸变平均值分别为63.33±67.02和3.4±5.42 Hz，在主磁场值(B0 = 3 T)附近。这表明，由于铂电极比周围组织具有更高的磁化率，其造成的磁场畸变约为石墨烯电极的18.6倍。

作者及实验室简介

第一作者：

Nasim Bakhshaee Babaroud，代尔夫特理工大学电子工程、数学和计算机科学学院微电子系。主要研究方向为生物电子工程，微细加工，神经植入，封装等。

通讯作者：

Vasiliki Giagka，代尔夫特理工大学电子工程、数学和计算机科学学院微电子系教授。主要研究方向为主动神经接口、神经刺激和无线能量传输、植入物小型化、微系统集成、封装和封装的设计与制造等。

实验室简介：

实验室提供通过电药物成功监测、诊断和治疗皮质、神经、心脏和肌肉疾病的技术；设计和制造活跃的神经接口；将小型定制设计的电子设备集成到微系统中，用于神经组织的刺激和记录；微系统通常是灵活的植入物，基于为中枢或周围神经系统量身定制的生物相容性材料；设计，制造，包装和测试植入物的长期使用；研究神经刺激和无线能量转移的新方法。