一种各向异性固态纳米孔的制备方法及其纳米片和应用

本发明涉及纳米结构制造，具体涉及一种各向异性固态纳米孔的制备方法及其纳米片和应用。

背景技术：

1、固态纳米孔因其稳定性高、机械性能好、尺寸可调，在dna测序、蛋白质检测、能量转换、水净化等方面具有广阔的应用前景。调节固态纳米孔的尺寸和形状对调控纳米孔性质、拓宽应用范围尤为重要。自2001年li等人(nature,2001,412:166-169)利用离子束雕刻技术制备出第一个固态纳米孔以来，科研工作者陆续研发了许多固态纳米孔制造技术，包括碳纳米管切割、掩膜刻蚀、离子束雕刻和电子束刻蚀等。在上述各种方法中，电子束刻蚀是最受欢迎的方法之一，它不仅可以提供实时的视觉反馈，还能够通过操纵电子束参数实现可控制备，同时该方法清洁无污染、不会引入杂质。目前，利用电子束雕刻技术已在多种材料中成功制备出纳米孔，包括sio2、si3n4、bn、石墨烯和mg等。这些工作不仅可以实现不同尺寸和形态的纳米孔的制备，也为纳米孔的生长和自修复机制提供了深入的见解。然而，由于非晶材料的各向同性特征，大多数报道的纳米孔都是圆形的。或者，由于电子的选择性刻蚀，晶体材料中制备出的纳米孔多为由平行晶面围成的对称多边形。

2、目前，针对各向异性固态纳米孔的制备和研究却鲜有报道。各向异性固态纳米孔对于控制材料在几何、导热、离子阻挡和物质传输等方面的各向异性至关重要，在许多现代设备和技术中发挥着关键作用。然而，由于缺乏直接的实验证据，各向异性固态纳米孔的制备仍是亟待解决的难题。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的不足，本发明提供一种各向异性固态纳米孔的制备方法及其纳米片和应用。

2、本发明第一个目的是提供一种各向异性固态纳米孔的制备方法，包括以下步骤：

3、将固态样品利用聚焦离子束技术获得微米量级的样品片；

4、利用双束电镜中的镓离子源将样品片厚度减薄至纳米量级，获得纳米片；

5、将纳米片置于场发射高分辨透射电子显微镜的腔室中，设置实验参数，调整电子束入射方向平行于纳米片的低指数晶带轴方向，将电子束光斑汇聚至最小，利用聚焦电子束对纳米片进行辐照，辐照纳米片一段时间后，在辐照区域形成参考纳米孔；同理在纳米片上位于参考纳米孔一定位置间隔和方向处，制备出目标纳米孔；

6、调整电子束同时对参考纳米孔和目标纳米孔边缘的样品原子进行刻蚀，即可在纳米片上获得各向异性固态纳米孔。

7、优选的，所述固态样品为面心立方金属。

8、优选的，所述纳米片的厚度≤50nm。

9、优选的，所述晶带轴方向为[110]；所述辐照纳米片的时间为30～60秒；所述位于参考纳米孔一定位置间隔为12～20nm，位于参考纳米孔一定方向处为沿<111>或<200>晶面。

10、优选的，所述设置实验参数包括：电子束束斑尺寸为1，电子枪光阑为3，放大倍数为105万倍。

11、优选的，调整电子束包括：散开电子束光斑，使电子束以平行光模式工作；其中，平行光模式下电子束的束流密度为

12、本发明第二个目的是提供一种含有各向异性固态纳米孔的纳米片。

13、本发明第三个目的是提供一种含有各向异性固态纳米孔的纳米片在dna测序、蛋白质检测、能量转换或水净化中的应用。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

15、本发明提供的一种各向异性固态纳米孔的制备方法及其纳米片和应用，具体提供一种利用电子束刻蚀效应和应力诱导作用可控制备各向异性固态纳米孔的方法，填补了各向异性固态纳米孔制备领域的空白。本发明通过调整参考纳米孔和目标纳米孔的相对位置控制目标纳米孔的生长方向，通过实时操控纳米孔制备过程控制纳米孔的形状和尺寸，是一种普适性强、清洁无污染的各向异性固态纳米孔的制备方法，在纳米材料制备领域具有广阔的应用前景。

16、本发明提供的方法从机理上讲：在参考纳米孔和目标纳米孔周围均存在应力作用区域，当两孔之间的间隔达到特定值后，两孔应力区域相互影响，会诱导目标纳米孔靠近参考纳米孔一侧的区域快速生长，而远离参考纳米孔一侧的区域生长缓慢，不同区域生长速度的差异导致目标纳米孔最终演变为各向异性纳米孔。

17、本发明的优势在于：(1)不会引入额外的杂质和污染；(2)可以通过控制两个纳米孔在原子尺度的相对位置，控制各向异性纳米孔的生长方向；(3)可以根据纳米孔的形状和生长速度，实时控制制备过程的开始和停止，有助于实现各向异性纳米孔的可控制备。

技术特征：

1.一种各向异性固态纳米孔的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的各向异性固态纳米孔的制备方法，其特征在于，所述固态样品为面心立方金属。

3.根据权利要求1所述的各向异性固态纳米孔的制备方法，其特征在于，所述纳米片的厚度≤50nm。

4.根据权利要求1所述的各向异性固态纳米孔的制备方法，其特征在于，所述晶带轴方向为[110]；所述辐照纳米片的时间为30～60秒；

5.根据权利要求1所述的各向异性固态纳米孔的制备方法，其特征在于，所述设置实验参数包括：电子束束斑尺寸为1，电子枪光阑为3，放大倍数为105万倍。

6.根据权利要求1所述的各向异性固态纳米孔的制备方法，其特征在于，调整电子束包括：散开电子束光斑，使电子束以平行光模式工作；其中，平行光模式下电子束的束流密度为

7.一种权利要求1～6任一项所述的方法制得的含有各向异性固态纳米孔的纳米片。

8.一种权利要求7所述的含有各向异性固态纳米孔的纳米片在dna测序、蛋白质检测、能量转换或水净化中的应用。

技术总结本发明公开了一种各向异性固态纳米孔的制备方法及其纳米片和应用，涉及纳米结构制造技术领域。该方法包括将固态样品利用聚焦离子束技术获得微米量级的样品片；利用双束电镜中的镓离子源将样品片厚度减薄至纳米量级，获得纳米片；利用聚焦电子束对纳米片进行辐照，在辐照区域形成参考纳米孔；同理在纳米片上位于参考纳米孔一定位置间隔和方向处，制备出目标纳米孔；调整电子束同时对参考纳米孔和目标纳米孔边缘的样品原子进行刻蚀，即可在纳米片上获得各向异性固态纳米孔。本发明通过调整参考纳米孔和目标纳米孔的相对位置控制目标纳米孔的生长方向，实现了各向异性固态纳米孔的形成。技术研发人员：夏委委,傅茂森,黄斌,鹿芹芹受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/5/19