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

1.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：2.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。3.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。4.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。技术实现要素：5.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。6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：7.1.一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：8.(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；9.(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；10.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。11.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。12.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。13.优选的，步骤(1)中，所述吹干采用氮气吹干。14.优选的，步骤(1)中，所述镓离子束进行加工过程中镓离子束加工的参数为：离子束每剂量体积为2.7e‑1μm2/nc，持续时间为1～100ms。15.优选的，步骤(1)中，所述纳米级沟道的宽度为30～500nm、长度为0.1～5μm、深度为10～500nm；16.所述薄膜基底上纳米级沟道相交之处的薄膜基底的厚度为2～5nm。17.优选的，步骤(2)中，所述等离子体清洗去除表面有机污染的具体方法为：将所述双面刻蚀纳米沟道超薄薄膜依次置入乙醇和去离子水中静置1h，以10～30w的功率进行等离子体清洗10～40s，去除所述限域纳米级薄膜窗口表面的污染物、杂质以及降低样品电容。18.优选的，步骤(2)中，所述制备纳米孔具体为：使用介电击穿法的电流模式制备纳米孔，所述电流模式中初始电流值为1e‑9～1e‑7a、步长为1e‑9～1e‑8a。19.2.根据上述制备方法制备得到的限域介电击穿固态纳米孔器件。20.3.上述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。21.本发明的有益效果在于：22.1、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，是一种先使用离子束打薄薄膜再进行介电击穿打孔的方式。本发明的制备方法在较厚的体材料上也可以进行；并不是大面积直接打薄，这样更确保了结构整体的稳定性；使用的正反面纳米级矩形条形结构能很好的确保结构整体的机械稳定性，克服了厚度薄的大面积薄膜的缺陷。另外，相比起传统的大面积正方形打薄区域结构用于后续纳米孔制备，本发明制备单发允许定位孔的范围变得更加准确。23.2、本发明制备了一种限域介电击穿固态纳米孔器件，具有极高的机械稳定性。纳米孔检测常用的体材料有二维材料所不具有的许多材料优势，例如氮化硅材料本身在dna检测方面有信噪比极高的优势，这是其他二维材料所没有的；其次，由于介电击穿的击穿原理是缺陷的累积，虽然缺陷的形成是随机的，然而缺陷形成的位置与膜厚是紧密相关的。在离子束加工的正反面沟道的相交处的厚度远远小于薄膜上其他位置，这样就很好的限制了纳米孔形成的具体位置，而且根据已知研究，离子束加工会对材料本身造成损伤，而所造成的损伤无疑已经为后续介电击穿积累了缺陷，使得加工时间大大缩短，极大的提高时间经济成本；最后，由于介电击穿所设置的最高输出电压为30v，根据击穿电压与不同材料膜厚的关系计算，对于氮化硅和二氧化硅材料，此时能击穿的最大厚度分别约为29.4以及20.0nm，除进行离子束加工的沟道相交处，其余位置的膜厚均无法达到小于此最大厚度的条件，进一步证实了本发明的限域介电击穿固态纳米孔器件对于纳米孔加工位置的限制作用。24.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明25.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：26.图1为实施例1中限域介电击穿固态纳米孔器件加工流程图；27.图2为实施例1(a)和实施例3(b)中制备的限域介电击穿固态纳米孔器件纳米沟道刻蚀后器件的stem表征图；28.图3为实施例1中制备的限域介电击穿固态纳米孔器件的噪声性能分析，其中(a)固态纳米孔器件在1m的kcl、ph＝8的电解液中、100mv时的噪声功率谱，(b)实施例1制备的器件在1m的kcl、ph＝8的电解液中、100mv时与传统纳米孔(15nm厚氮化硅所制备的相似孔径的纳米孔)在低频波段的噪声性能对比图；29.图4为实施例1中制备的限域介电击穿固态纳米孔器件的g4联体分子检测，其中(a)固态纳米孔背景电流轨迹(上方)及g4联体固态纳米孔易位时的电流轨迹，g4联体固态纳米孔内易位时的电流轨迹细节放大，(b)在100mv时电流幅度与易位停留时间的对应散点图，(c)g4结构示意图和固态纳米孔器件中g4易位的典型事件，(d)g4分子易位的一些代表性事件；30.图5为实施例1中制备的限域介电击穿固态纳米孔联体的时间稳定性测试，电导和g4易位事件与纳米孔器件测试时间之间的关系；31.图6为实施例1中制备的限域介电击穿固态纳米孔器件对λdna分子检测，在100mv时电流幅度与易位停留时间的对应散点图；32.图7为实施例1中制备的限域介电击穿固态纳米孔器件的整流效应，(a)iv曲线图及其直线拟合图；(b)在不同ph下的整流比。具体实施方式33.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。34.实施例135.制备以二氧化硅薄膜衬底为薄膜基底的限域介电击穿固态纳米孔器件，制备流程图如图1所示，具体方法如下所示：36.1、进行薄膜基底预处理：37.选用厚度为130nm的二氧化硅薄膜衬底为薄膜基底，在进行薄膜加工前，需先进行预处理，具体预处理的步骤包括：将该二氧化硅薄膜衬底在乙醇和去离子水分别浸泡1h后用等离子体处理10min以去除该二氧化硅薄膜衬底表面的有机污染以及杂质，然后用氮气吹干保持表面干燥，放入干燥柜备用。38.2、制备纳米沟道双面刻蚀超薄薄膜：将上述制备的经过预处理的二氧化硅薄膜衬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(每剂量体积2.7e‑1μm2/nc，持续时间8ms)，在薄膜基底(二氧化硅薄膜衬底)正面及反面进行加工，在背面形成宽为50nm、深度为60nm、长度500nm的竖向纳米沟道，在正面形成一条与背面加工的竖向纳米沟道正交的宽为50nm、深度为60nm、长度为500nm的横向纳米沟道，导致在薄膜基底(二氧化硅薄膜衬底)上形成一个约50nm×50nm的正方形相交区域(其stem图如图2中a所示)。39.3、制备限域介电击穿固态纳米孔器件：将上述形成了正方形相交区域的纳米沟道双面刻蚀超薄薄膜等离子体清洗(将该纳米沟道双面刻蚀超薄薄膜依次置入乙醇和去离子水中静置1h，以30w的功率进行等离子体清洗10s，去除该纳米沟道双面刻蚀超薄薄膜表面的污染物、杂质以及降低样品电容)去除表面有机污染和杂质，载入flow cell腔室(腔室的体积为200μl)，在腔室两侧分别注入体积为200μl的电解液(电解液为浓度为1m的kcl溶液)，利用电压源表，使用定制化labview程序制备纳米孔(使用介电击穿法的电流模式制备纳米孔，其中电流模式的初始电流值为1e‑9a、步长为1e‑9a)，当拟合孔径显示为3nm时，停止打孔，将纳米孔放置于清水中静置1h即可得到限域介电击穿固态纳米孔器件。40.实施例241.测试实施例1中制备的以二氧化硅薄膜衬底为薄膜基底的限域介电击穿固态纳米孔器件的性能测试：42.1、电学性质表征：43.将实施例1中制备的以二氧化硅薄膜衬底为薄膜基底的限域介电击穿固态纳米孔器件载入flow cell腔室，在腔室两侧分别注入体积为200μl的电解液；使用1m的kcl作为电解液(ph＝8)，使用膜片钳放大器对纳米孔在100mv下的噪声功率谱进行记录(如图3中a所示)。与传统的15nm厚氮化硅所制备的相似孔径的纳米孔进行低频波段噪声性能的对比，结果如图3中b所示，根据噪声功率谱反应的结果说明实施例1中制备的期间展现了更低的低频噪声。44.2.生物样品为g4四联体的纳米孔生物分子传感实验：45.将实施例1中制备的以二氧化硅薄膜衬底为薄膜基底的限域介电击穿固态纳米孔器件载入flow cell腔室，在腔室两侧分别注入体积为200μl的电解液以及在电解液中配制好的浓度为90nm的生物样品，使用膜片钳放大器记录生物分子经过纳米孔时产生的电流阻塞信号(如图4中a所示)，其中生物样品选用g4联体，利用其微小的二级结构差异检测纳米孔检测灵敏度。检测中，在100mv时电流幅度与易位停留时间的对应散点图如图4中b所示，g4结构示意图和固态纳米孔器件中g4易位的典型事件如图4中c所示，g4分子易位的一些代表性事件如图4中d所示。证实了实施例1中制备的器件具有足够高的灵敏度，g4联体在1m的kcl电解液中会形成许多构象不同的结构，多种的二级信号证实了所制备纳米孔对于不同构象的分辨能力，证实了纳米孔器件的高灵敏度。46.3.纳米孔生物分子长时间传感实验：47.将实施例1中制备的以二氧化硅薄膜衬底为薄膜基底的限域介电击穿固态纳米孔器件载入flow cell腔室，在腔室两侧分别注入体积为200μl的电解液以及在电解液中配制好的浓度为90nm的生物样品，使用膜片钳放大器记录生物分子经过纳米孔时产生的电流阻塞信号。使用g4联体作为待测生物样本进行了长达1h、总事件量超过60000个的纳米孔生物过孔事件检测，在长时间的检测过程中，纳米孔电导基本保持不变，同时基线持续保持稳定，证实了所制备结构的时间稳定性(如图5所示)。48.4、将上述生物样品为g4四联体的纳米孔生物分子传感实验中的生物样品替换成λdna，检测中，纳米孔基线稳定，检测到λdna由于在电解液中形成不同结构从而产生的不同阻塞幅值与阻塞时间的过孔信号(如图6所示)，验证了实施例1中制备的限域介电击穿固态纳米孔器件的生物分子检测能力。49.实施例350.制备以氮化硅薄膜衬底为薄膜基底的限域介电击穿固态纳米孔器件，具体方法如下所示：51.1、进行薄膜基底预处理：52.选用厚度为30nm的氮化硅薄膜衬底为薄膜基底，在进行薄膜加工前，需先进行预处理，具体预处理的步骤包括：将该氮化硅薄膜衬底在乙醇和去离子水分别浸泡2h后用等离子体处理5min以去除该氮化硅薄膜衬底表面的有机污染以及杂质，然后用氮气吹干保持表面干燥，放入干燥柜备用。53.2、制备纳米沟道双面刻蚀超薄薄膜：将上述制备的经过预处理的氮化硅薄膜衬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(每剂量体积2.7e‑1μm2/nc，持续时间4ms)，在薄膜基底(氮化硅薄膜衬底)正面及反面进行加工，在背面形成宽为50nm、深度为20nm、长度1000nm的竖向纳米沟道，在正面形成一条与背面加工的竖向纳米沟道正交的宽为50nm、深度为23nm、长度为1000nm的横向纳米沟道(其stem图如图2中b所示)，导致在薄膜基底(氮化硅薄膜衬底)上形成一个约50nm×50nm的正方形相交区域。54.3、制备限域介电击穿固态纳米孔器件：将上述形成了正方形相交区域的纳米沟道双面刻蚀超薄薄膜等离子体清洗(将该纳米沟道双面刻蚀超薄薄膜依次置入乙醇和去离子水中静置1h，以10w的功率进行等离子体清洗40s，去除该纳米沟道双面刻蚀超薄薄膜表面的污染物、杂质以及降低样品电容)去除表面有机污染和杂质，载入flow cell腔室(腔室的容积为200μl)，在腔室两侧分别注入体积为200μl的电解液(电解液为浓度为1m的kcl溶液)(电解液注满flow cell腔室)，利用电压源表，使用定制化labview程序制备纳米孔(介电击穿纳米孔制造使用电流模式进行打孔，初始电流值为1e‑9a、步长为1e‑8a)，当拟合孔径显示为3nm时，停止打孔，将纳米孔放置于清水中静置1h即可得到限域介电击穿固态纳米孔器件。55.实施例456.对实施例3中制备的限域介电击穿固态纳米孔器件进行纳米孔整流效应传感实验：57.将实施例3中制备的限域介电击穿固态纳米孔器件载入flow cell腔室，在腔室两侧分别注入体积为200μl的电解液(电解液为1m的kcl溶液，ph分别为4、6、8)，使用膜片钳放大器记录不同ph电解液下的iv电流轨迹；使用1m的kcl溶液作为电解液检测其整流效应，观察到明显的不对称iv曲线；进一步使用不同ph值的1m的kcl溶液作为电解液检测其整流比的变化情况，由于氮化硅表面的等电点约为6～7，根据实验结果，此时整流比ph在6时达到最小值(如图7所示，其中a为iv曲线图及其直线拟合图；b为在不同ph下的整流比)，进一步验证了iv曲线不对称的内在原因是由于实施例3中制备的限域介电击穿固态纳米孔器件表面电荷的存在以及结构本身不对称性所导致的。58.在本发明的制备方法中，使用的电解液不仅可以为实施例中使用的浓度为1m的kcl溶液，还可以采用mgcl2溶液或cacl2溶液，其浓度可以在0.1～3m之间，并不影响制备的效果；另外本发明的制备方法中采用的镓离子束加工的持续时间可以为1～100ms之间，电流模式中初始电流值可以为1e‑9～1e‑7a之间、步长可以为1e‑9～1e‑8a之间；制备得到的正面与背面形成的沟道不仅可以呈正交分布，还可以以其它任意角度相交；制备的纳米级沟道的宽度为30～500nm、长度为0.1～5μm、深度为10～500nm，最终形成的薄膜基底的厚度在30～1000nm之间。59.综上所述，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。60.受控介电击穿(cbd)方法在水环境中原位制备纳米孔的应用促进了固体纳米孔在微流控网络中的集成，这是其他如fib、tem制备纳米孔技术所无法做到的；同时作为传统的固态孔材料，体材料在其材料性质上相比二维超薄材料有其独有的优势，如氮化硅在检测dna时的高信噪比。然而对于体材料，如何在最小的损伤下打出打薄材料一直是一个热点问题。传统的打薄技术基于大面积铣削，这样的方式会使得加工结构变得脆弱，消弱结构的机械稳定性；同时大面积铣削也会不便于纳米孔制备位置更精确的具体定位。本发明公开的制备方法解决了体材料过厚引起空间分辨率不足过薄结构不稳定的缺点，使得结构的厚度和机械稳定性都达到所需要的状态，并且离子束加工有批量生产的潜力，配合成本低廉的介电击穿，有成为未来在体材料上制备超薄纳米孔的技术潜力，弥补了介电击穿技术难以实现纳米孔定位以及不适合在厚膜材料上进行制备的缺陷，还大大缩短了加工时间，节约了时间经济成本，使得介电击穿制备纳米孔的技术更加富有实用性。61.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。