[发明专利]在纳米固态材料中受控地制作纳米孔

说明书

交叉参考的相关申请 

本申请要求2011年3月15日申请的美国临时申请No.61／452704的权益，其整个内容在此引入作为参考。 

关于联邦赞助研究的声明 

本发明是在国家健康协会(National Institutes ofHealth)授权的合同No.R01HG003703下，借助于政府支持进行的。政府在本发明中具有某些权利。 

发明背景 

本发明一股涉及纳米级的制作技术，更具体地涉及在纳米固态材料中产生纳米孔的技术。 

纳米固态材料(即，可以以仅仅纳米的厚度平衡存在的固态材料)包括宽范围的材料，如单层、少数单层和单分子材料，其在广泛的应用中变得越来越重要，包括例如电子、生物和化学应用。许多这样的应用需要高精度的纳米级特征和结构来运行。例如界限清楚的纳米孔或直径小于约100纳米的纳米级的孔是许多应用特别需要的，这归因于应用本身或该纳米孔在其中运行的环境的纳米尺度。 

例如纳米孔-连接的纳米级装置对于实现分子(如单个DNA分子或蛋白质分子)的定位、检测和表征而言是非常令人感兴趣的。纳米孔过滤器和纳米级孔膜对于许多关键的生物分离和表征程序以及过滤方法而言同样是重要的。许多其他的微流体和纳米流体加工和控制应用类似地依赖于纳米材料中的纳米级特征。 

为了产生纳米级结构，如纳米级的薄材料中的纳米孔，通常需要以单个原子的精度操作材料。这与大部分常规的微电子制作方法形成对比，其特征仅仅是需要接近于微米级的精度。但是在没有原子水平的特征解析度和制作精度的情况下，通常不可能以开发纳米级的具体特征的方式来操作纳米级的薄材料。 

高精度纳米级加工过去需要一次一个的制作范式，其往往是昂贵的和低效的。通常，常规的微电子生产的大容量分批制作技术与纳米级特征生产和材料操作是不相容的。但是没有精确的、可再现的和廉价的大规模生产纳米级特征例如纳米孔的能力的情况下，许多纳米级系统不能开发用于许多重要的纳米级应用的商业实施。 

发明内容

提供了方法和对应的结构，其克服了以前的方法的局限来可控地形成纳米孔。在纳米材料中形成纳米孔的方法的一个例子中，在纳米材料的侧边缘内部的材料位置上如下来形 成纳米孔成核位置：将选自离子束和中性原子束的第一能量束引导到该内部位置持续第一持续时间，其施加了第一束剂量，这导致从该内部位置上除去不超过5个内部原子以在该内部位置处产生具有多个边缘原子的纳米孔成核位置。然后通过将选自电子束、离子束和中性原子束的第二能量束引导到该纳米孔成核位置在该纳米孔成核位置上形成纳米孔，该第二能量束具有除去该纳米孔成核位置上的边缘原子但是不从该纳米材料中除去体原子的束能量。 

使用这种方法可以产生具有纳米孔的纳米结构。该结构是由厚度不超过约5nm的不可渗透的自持性纳米材料形成的。在该纳米材料中有至少约1000纳米孔／cm²的多个纳米孔。每个纳米孔的直径不超过约10nm。该多个纳米孔的直径是单分散的，具有约±30％的偏差。 

这种纳米孔的纳米结构和制造该纳米孔的方法使得许多各种不同的微流体和纳米流体应用成为可能，包括分子检测和分析、流体过滤和分离以及流体反应。 

其他特征和优点将从下面的说明和附图以及从权利要求中变得显而易见。 

附图说明

图1是用于在纳米材料中产生纳米孔的两步法的流程图； 

图2A和2B是用于进行图1的流程图的方法的，分别跨支撑框架上的开口布置和跨支撑框架上的开口阵列布置的纳米材料的示意图； 

图3A-3E是作为在图1流程图的步骤中加工的纳米材料的纳米材料的示意性侧视图； 

图4是在图1的流程图的纳米孔制作方法过程中，用于选择性掩蔽纳米材料的图案化的遮蔽材料的示意性侧视图； 

图5A-5B是通过图1的流程图的方法所产生的，在分别跨支撑框架上的开口布置和跨支撑框架上的开口阵列布置的纳米材料中所形成的纳米孔的示意图； 

图6A是5个实验纳米孔的作为电子剂量的函数的平均纳米孔半径图； 

图6B是采集用于图6A的图的数据的每个纳米孔的作为电子剂量的函数的纳米孔半径图； 

图7是其中已经通过图1的流程图的方法形成了纳米孔阵列的石墨烯区域的电子显微图；和图8是图7的电子显微图的纳米孔半径分布图。 

具体实施方式