一种基于硅片的单纳米级孔道的制备方法

本发明属于硅基底微纳加工，具体涉及一种基于硅片的单纳米级孔道的制备方法。

背景技术：

1、近年来，随着人类对生命科学的不断探索，对生物大分子的识别、基因测序和蛋白质谱分析等方面的研究越发深入，纳米孔传感技术作为一种有效检测生物小分子的手段越发受到科学家们的关注。纳米孔传感技术中的核心部件为固态纳米孔，固态纳米孔的性能直接决定着检测生物分子中的性能指标。

2、目前制备固态纳米孔，多采用透射电镜产生的电子束或者聚集离子束显微镜产生的离子束进行制备，其制做成本高、效率低且易破损。因此，亟需开发出具有成本低、稳定性好、效率快和生物兼容性好的固态纳米孔。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低廉、孔道形状可调的基于硅片的单纳米级孔道的制备方法。

2、本发明在制备纳米孔道的前期使用扫描电镜的电子束辐照金属纳米颗粒。在扫描电镜的视野范围内，保证只有一个或者多个金属纳米粒子，经过一段时间辐照后，金属纳米颗粒表面的保护剂和环境碳会被电子束碳化，从而在单个或多个金属纳米粒子表面形成一层致密保护层，从而选择性的保护单个或者多个金属纳米粒子，然后经过王水浸泡后，除有保护层外的金属颗粒外，其余金属颗粒均被溶解成金属离子溶液，从而仅保留所选择的单个或者多个金属纳米粒子。后续对硅基底上存在的单个或多个具有保护层的金属颗粒进行高温煅烧，可以将其表面的保护层除去，进而使得在随后的刻蚀过程中，只在硅基底上刻蚀单个纳米孔道。

3、本发明提供的技术方案如下：

4、一种基于硅片的单纳米级孔道的制备方法，步骤如下：

5、(1)制备覆有有机保护剂的金属纳米粒子；

6、(2)将金属纳米粒子超声分散至溶剂后，滴在硅基底表面；

7、(3)将步骤(2)的硅基底置于电子束下选择性照射单个或多个金属纳米粒子，形成包裹金属纳米粒子的保护层；

8、(4)除去未被致密保护层保护的金属纳米粒子；

9、(5)对步骤(4)的硅基底煅烧处理；

10、(6)煅烧处理后的硅基底转移到刻蚀液中进行刻蚀，刻蚀完毕后经清洗、烘干即得纳米级别的单个或多个硅纳米孔道。

11、进一步，所述步骤(1)中，金属纳米粒子为金、银或者铂的纳米粒子。

12、进一步，所述步骤(1)中，有机保护剂包括柠檬酸三钠、十六烷基三甲基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵中的一种或多种。

13、进一步，所述步骤(1)中，金属纳米粒子的粒径大小为20-150nm，粒子数目为1×107个/l～1×1011个/l。

14、进一步，所述步骤(2)中，溶剂包括水、丙酮和n,n-二甲基甲酰胺。

15、进一步，所述步骤(3)中，所述电子束为扫描电镜产生的电子束，加速电压为1-20kv，照射时间为1-20分钟。优选的，加速电压为5kv，照射时间为5分钟。

16、进一步，所述步骤(4)中，去除未被致密保护层保护的金属纳米粒子的方法包括使用王水浸泡后烘干。

17、更进一步，去除未被致密保护层保护的金属纳米粒子的方法为：将步骤(3)的硅基底转移到新鲜王水中，浸泡后烘干。优选的，浸泡时间为2小时。

18、进一步，所述步骤(5)中，煅烧温度为300-600℃，煅烧时间为1-6小时。优选的，煅烧温度为400℃，煅烧时间为2小时。

19、进一步，所述步骤(6)中，刻蚀液为刻蚀液为氢氟酸、过氧化氢和二次水的混合溶液。

20、更进一步，所述刻蚀液中氢氟酸的浓度为2-20m，过氧化氢的浓度为0.1-8m。优选的，所述刻蚀液中氢氟酸的浓度为4-15m，过氧化氢的浓度为0.5-5m。

21、进一步，所述步骤(6)中，刻蚀时间为1-7小时。

22、更进一步，所述步骤(6)中，刻蚀时间为3-6小时。优选的，刻蚀时间为4小时。

23、本发明的有益效果：

24、本发明通过电子辐照金属纳米粒子，可选择性的在单个或者多个金属纳米粒子表面形成致密的保护层，再控制所选择的单个或者多个金属纳米粒子刻蚀，即可在硅基底上得到单个或多个纳米尺度上的纳米孔道。本发明工艺简单，打破了传统化学刻蚀只能在硅基底上无法选择性的刻蚀单个或者多个纳米孔道的缺点，实现了纳米孔道结构的调控。同时，其制备工艺简单，孔道形状可调，有望在医学、光学、传感和微纳加工等领域有着广泛的应用。

技术特征：

1.一种基于硅片的单纳米级孔道的制备方法，其特征在于，步骤如下：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，金属纳米粒子为金、银或者铂纳米粒子；有机保护剂包括柠檬酸三钠、十六烷基三甲基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，金属纳米粒子的粒径大小为20-150nm，粒子数目为1×107个/l～1×1011个/l。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，溶剂包括水、丙酮、和n,n-二甲基甲酰胺。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述电子束为扫描电镜产生的电子束，加速电压为1-20kv，照射时间为1-20分钟。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，去除未被致密保护层保护的金属纳米粒子的方法包括使用王水浸泡后烘干。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)中，煅烧温度为300-600℃，煅烧时间为1-6小时。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，刻蚀液为刻蚀液为氢氟酸、过氧化氢和二次水的混合溶液，混合液中氢氟酸的浓度为2-20m，过氧化氢的浓度为0.1-8m。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述刻蚀液中氢氟酸的浓度为4-15m，过氧化氢的浓度为0.5-5m。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，刻蚀时间为1-7小时。

技术总结本发明公开了一种基于硅片的单纳米级孔道的制备方法，步骤如下：(1)制备表面覆有有机保护剂的金属纳米粒子；(2)将金属纳米粒子超声分散至溶剂后，滴在硅基底表面；(3)将步骤(2)的硅基底置于电子束下选择性照射单个或多个金属纳米粒子，形成包裹金属纳米粒子的致密保护层；(4)除去未被致密保护层保护的金属纳米粒子；(5)对步骤(4)的硅基底煅烧处理；(6)煅烧处理后的硅基底转移到刻蚀液中进行刻蚀，刻蚀完毕后经清洗、烘干即得纳米级别的单个或多个硅纳米孔道。本发明工艺简单，实现了纳米孔道结构的调控。同时，其制备工艺简单，孔道形状可调，有望在医学、光学、传感和微纳加工等领域有着广泛的应用。技术研发人员：翟月明,苗龙飞,柴佳受保护的技术使用者：武汉大学技术研发日：技术公布日：2024/1/15