[发明专利]一种限域介电击穿固态纳米孔器件的制备方法及其产品和应用

说明书

本发明涉及一种限域介电击穿固态纳米孔器件的制备方法及其产品和应用，属于纳米孔器件制备技术领域。本发明公开了一种限域介电击穿固态纳米孔器件的制备方法，该方法是基于聚焦离子束双面刻蚀沟道减薄薄膜的方法和限域介电击穿固态纳米孔器件制造方法，可以有效的限制电介质击穿法制备纳米孔的位置和数量；同时相比普通薄膜打薄技术对材料的损伤较小以及较高的材料稳定性，可以用于研究各种体材料形成的极薄的纳米孔传感性能；另外也可以了解不同化合物材料叠加在一起制备的超薄稳定纳米孔的传感性能，具有很大的应用发展潜力。

技术领域

本发明属于纳米孔制备技术领域，涉及一种限域介电击穿固态纳米孔器件的制备方法及其产品和应用。

背景技术

纳米孔传感技术由于其高通量、低成本、长读取等优势目前已经成为一种极具前景的生物传感技术。在纳米孔制备方面，目前固态纳米孔的制备方法主要有离子束刻蚀、电子束溅射刻蚀、电化学腐蚀，以及新兴的电介质击穿方法等，其中电介质击穿打孔的方法产生的孔隙直径可小至1nm、精度为0.5nm(精度为埃级)。由于电介质击穿打孔方法不需要光束视线来制造纳米孔，使其可以在现有纳米结构中制造平面纳米孔；由于电介质击穿打孔的方法具有成本效益并且可以通过使用廉价硬件进行最少的培训就可以轻松处理，所以电介质击穿打孔的方法成为目前许多实验室都在使用的一种打孔技术。

然而电介质击穿打孔无法控制膜上孔的确切位置，这对于某些基于电光纳米孔的平台至关重要。许多特殊的应用(包括纳米流体晶体管、电极嵌入器件、和等离子纳米孔)都需要在膜上现有结构的短距离内形成孔隙。这是一种电加工，其过程肉眼看不见，因此有时可能会产生不需要的额外孔。此外，介电击穿制备纳米孔的方法适用于在薄膜中制造小孔(≈30nm及以下的厚度和直径)，这可能会阻碍其在细胞或分子宏观结构检测中的应用。而使用TEM、FIB制孔虽然能够在一定位置进行定位，但此时结构必须处于真空腔体之中，是无法在电解质溶液中进行原位纳米孔制备的；其次，电介质击穿制备纳米孔对于膜厚大于30nm的薄膜并不适用。而对于纳米孔器件结构，膜厚越厚，器件稳定性越好，这限制了介电击穿技术在厚膜样品上的应用。

因此需要研究一种能够同时解决上述孔径和厚度两个问题的新方法来制备限域介电击穿固态纳米孔器件。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种限域介电击穿固态纳米孔器件的制备方法；本发明的目的之二在于提供一种限域介电击穿固态纳米孔器件；本发明的目的之三在于提供一种限域介电击穿固态纳米孔器件在单分子检测和电流调制分析方面的应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1.一种限域介电击穿固态纳米孔器件的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)双面刻蚀纳米沟道制备限域超薄薄膜：将预处理后吹干的薄膜基底置于聚焦离子束加工的真空腔内，采用镓离子束进行加工，在所述薄膜基底正面以及反面加工形成空间上相交的纳米级沟道，实现薄膜材料减薄，形成纳米级限域超薄薄膜；

(2)限域介电击穿制备固态纳米孔器件：将经过等离子体清洗去除表面有机污染和杂质的所述限域纳米级薄膜窗口载入flow cell腔室，在所述腔室两侧分别注满电解液，利用电压源表，采用介电击穿技术，使用定制化Labview程序制备纳米孔即可得到所述限域介电击穿固态纳米孔器件；

所述电解液为浓度为0.1～3M的KCl溶液、MgCl₂溶液或CaCl₂溶液中的任意一种或几种。

优选的，步骤(1)中，所述薄膜基底为氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜或氧化铝薄膜中的任意一种或任意两种的叠加，所述薄膜基底的厚度为30～1000nm。

优选的，步骤(1)中，所述预处理具体为：采用乙醇和去离子水分别将所述薄膜基底浸泡1～2h，然后等离子体处理5～10min，以去除样品表面的有机污染以及杂质。

优选的，步骤(1)中，所述吹干采用氮气吹干。