固態(tài)納米孔高能束制造方法

陳威　鄭李娟　艾思棋　劉佑明　王成勇　袁志山

關(guān)鍵詞 固態(tài)納米孔；高能束制造；制造方法

中圖分類號(hào) TB383; TN249 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號(hào) 1006-852X（2023）01-0001-09

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0009

收稿日期 2023-01-15 修回日期 2023-02-04

納米孔傳感器是近年來(lái)發(fā)展迅速的單分子級(jí)檢測(cè)生物傳感器。該傳感器的工作原理如圖1所示：利用納米孔薄膜隔絕兩側(cè)溶液，在納米孔薄膜兩側(cè)施加一定的電壓，驅(qū)動(dòng)帶電生物分子穿過(guò)納米孔，并引起物理占位，進(jìn)而反映在離子電流中，即形成阻塞電流[1]；通過(guò)分析阻塞電流信號(hào)間接獲得所測(cè)生物分子信息。KASIANOWIZ 等[1] 在COULTER 專利[2] 的基礎(chǔ)上提出了納米孔檢測(cè)方法，首次使用直徑僅為2.6 nm 的α-溶血素生物孔，在電場(chǎng)的作用下讓單鏈DNA 分子穿過(guò)納米通道獲得阻塞電流信號(hào)。通過(guò)檢測(cè)阻塞電流的幅值與時(shí)間特性，原則上可以直接、快速實(shí)現(xiàn)單分子序列的檢測(cè)。這項(xiàng)研究展示了納米孔檢測(cè)技術(shù)在DNA 測(cè)序等單分子檢測(cè)上的巨大潛力，納米孔傳感器也隨之成為研究的熱點(diǎn)之一。

目前，用于單分子傳感檢測(cè)的納米孔可根據(jù)材料分為固態(tài)納米孔和生物納米孔。生物納米孔主要有-HL[5]、MspA[6]、FraC[7] 和Phi29[8] 等。生物納米孔是一種天然的蛋白質(zhì)離子通道，具有重復(fù)性好、成本低、易修飾的特點(diǎn)。自1996 年開(kāi)啟了生物納米孔檢測(cè)新篇章后，AKESON 等[9] 利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通過(guò)-HL 的離子電流信號(hào)來(lái)區(qū)別核苷酸類型的思路。之后，出現(xiàn)了噬菌體Phi29 連接器[10]、MspA 蛋白[6， 8] 等通過(guò)控制DNA易位速度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基因測(cè)序的方法，豐富了生物納米孔分析技術(shù)的研究。除實(shí)驗(yàn)室研究外，Oxford NanoporeTechnologies 公司已經(jīng)基于生物納米孔研發(fā)出商用DNA 測(cè)序儀平臺(tái)MinION，實(shí)現(xiàn)了生物孔測(cè)序技術(shù)的商業(yè)化[11]。

除生物納米孔外，固態(tài)納米孔具有穩(wěn)定性強(qiáng)、機(jī)械性能好、形狀易控等優(yōu)點(diǎn)，且固態(tài)納米孔尺寸可調(diào)空間大、材料種類多。這些卓越的特性顯著地拓寬了固態(tài)納米孔的多功能性和適用性，固態(tài)納米孔制造及其應(yīng)用也因此得到快速發(fā)展。目前，常見(jiàn)的固態(tài)納米孔材料有氮化硅（Si₃N₄）[4， 12-13]、二氧化硅（SiO₂）[13-14]、氧化鋁（ Al₂O₃） [15]、石墨烯（ Graphene） [16]、氧化鉿（HfO₂）[17-18]、二硫化鉬（MoS₂）[19]、過(guò)渡金屬硫化物（Transition metal sulfide）[20] 以及聚合物薄膜[21] 等，如圖2 所示。LI等[4] 首次使用氬離子制造出直徑僅為1.8 nm的氮化硅納米孔，并利用該納米孔對(duì)雙鏈DNA 分子進(jìn)行了過(guò)孔檢測(cè)分析；STORM 等[13] 用透射電鏡高能電子束實(shí)現(xiàn)直徑為2 nm 的氧化硅納米孔，并提出了基于高能電子束納米孔最小表面能原理得到納米孔直徑調(diào)整原則。由于該方法集合了TEM 高分辨成像反饋，實(shí)現(xiàn)了制造過(guò)程與表征同步，開(kāi)創(chuàng)了固態(tài)納米孔制造的新方法，因此引起了極大關(guān)注。DENG 等[22] 利用氦離子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了直徑為5 nm 以下石墨烯納米孔制造。氦離子技術(shù)的問(wèn)世，克服了傳統(tǒng)聚焦離子束（focused ionbeam， FIB）無(wú)法制作直徑小于10 nm 納米孔的難題。隨后，XIA 等[23] 利用氦離子顯微鏡（helium ion microscope，HIM）實(shí)現(xiàn)了Si3N4 納米孔的高重現(xiàn)性和大面積的快速制造。

目前，固態(tài)納米孔已經(jīng)廣泛應(yīng)用于單分子檢測(cè)，如基因檢測(cè)[1]、蛋白質(zhì)測(cè)序[24]、腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)[25]、物質(zhì)分離[26]、能量轉(zhuǎn)換[27] 等研究。上述應(yīng)用也推動(dòng)了固態(tài)納米孔制造技術(shù)的發(fā)展。固態(tài)納米孔制造方法主要有高能電子束[14， 28]、聚焦離子束[ 29]、離子徑跡刻蝕法[30]、電介質(zhì)擊穿法[31-32]、納米壓印[33]、掩膜刻蝕法[34]、電化學(xué)沉積[35] 等，其中以電子束、離子束和激光為代表的高能束制造方法在固態(tài)納米孔及其陣列制造方法具有高效率、高精度、高可控制造優(yōu)點(diǎn)，日后有望發(fā)展成為固態(tài)納米孔制備方法的主流技術(shù)。因此本文詳述高能電子束、聚焦離子束加工法、激光刻蝕法和離子徑跡刻蝕的制造方法、原理及其優(yōu)缺點(diǎn)。

1 高能電子束制造方法

1.1 高能電子束縮孔技術(shù)

利用高能電子束制造技術(shù)制備的各種固態(tài)納米孔的SEM 圖和TEM 圖如圖3 所示。高能電子束收縮方法源于DEKKER 等提出的納米孔表面能最小原理[13]，即納米孔相對(duì)薄膜的表面能變化量ΔF = 2π（rh-r²） r h，其中為液體表面張力， 為納米孔半徑， 為納米孔長(zhǎng)度。當(dāng)納米孔直徑小于納米孔薄膜厚度時(shí)，納米孔在接受高能電子束輻照的時(shí)候會(huì)收縮；反之，納米孔直徑則會(huì)增大。STORM 等[14] 在DEKKER 研究的基礎(chǔ)上，原位觀察氧化硅納米孔在接受電子束輻照縮孔后的最小直徑為2 nm，如圖3a 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)固態(tài)納米孔表面能最小原理。此外，經(jīng)能量色散X 射線光譜儀（EDX）和電子能量損失譜（EELS）檢測(cè)證實(shí)是納米孔邊緣材料（氧化硅）遷移導(dǎo)致納米孔縮小，而不是納米孔表面污染物[36-37]。納米孔表面能最小原理在橢圓形氧化硅納米孔、氮化硅/氧化硅復(fù)合孔等不同形態(tài)的氧化硅納米孔中都得到驗(yàn)證。隨后，KIM 等[38]通過(guò)改變Si₃N₄納米孔在TEM 中的暴露時(shí)間和電子束輻照強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了直徑為2～20 nm 的納米孔制造，并將制造精度提高到0.2 nm。盡管TEM 技術(shù)可以在亞納米分辨率下通過(guò)直接視覺(jué)反饋對(duì)納米孔直徑進(jìn)行高精度調(diào)控，但TEM 樣品腔送樣一次只能處理一個(gè)芯片，制約了固態(tài)納米孔制造的效率。

為了提升固態(tài)納米孔制造效率，ZHANG 等[28， 39]提出利用具有較大樣品腔的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM） ， 使用其電子束輻照將初始直徑為40～200 nm 的Si3N₄和50～200 nm 的SiO₂納米孔的直徑縮小到10 nm 以下。這種SEM 電子束輻照與TEM 輻照的收縮機(jī)制不同。CHANG 等[39] 認(rèn)為收縮機(jī)制可能是由輻射分解和隨后硅原子向孔周邊的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的表面缺陷造成的，ZHANG 等[28] 則提出了焦耳熱輔助輻照誘導(dǎo)擴(kuò)散是造成孔收縮的原因。

YUAN 等[40] 使用SEM 中的電子束輻照將初始直徑約為90 nm 氮化硅納米孔縮小到5.3 nm（圖3b）。利用納米孔橫截面材料元素與孔型變化分析，提出了Si3N4 納米孔收縮的烴類（碳?xì)浠衔铮┏练e和Si3N4分解機(jī)理。當(dāng)使用高能電子束照射Si3N4 納米孔時(shí)，納米孔表面將沉積一層碳?xì)浠衔?，由于在大的傾斜角處產(chǎn)生更多二次電子[41]，誘導(dǎo)的碳沉積在納米孔的尖銳邊緣處變得更加明顯。該積碳層將在固有壓縮應(yīng)力下移動(dòng)，以減小納米孔的直徑。同時(shí)，在電子束照射下Si3N4 獲得足夠的能量以引發(fā)分解，N 原子由于重量較輕大部分逸散到腔室中，而部分Si 原子則擴(kuò)散到烴層中并流入納米孔；此外，少量N 原子會(huì)與共價(jià)Si 重新結(jié)合，并與碳?xì)浠衔镆黄鹨苿?dòng)，從而使Si3N4 納米孔收縮。隨著電子束的去除，碳?xì)浠衔锍练e和Si3N4的分解均在納米孔區(qū)域附近停止。

與TEM 的電子束收縮法相比，SEM 具有腔體大的特點(diǎn)，可以一次載入多個(gè)樣品，提高了納米孔加工效率。此外，SEM 電子束收縮法存在遷移材料的競(jìng)爭(zhēng)[40]，可以實(shí)現(xiàn)漸變尺寸納米孔陣列制造。盡管電子束收縮方法已經(jīng)應(yīng)用于在絕緣體[14， 38]、半導(dǎo)體[42-43]、導(dǎo)體[13] 薄膜上制造固態(tài)納米孔，但是最終獲得的固態(tài)納米孔材料與本征納米孔薄膜材料的差別，可能對(duì)應(yīng)用帶來(lái)影響。

1.2 高能電子束鉆孔技術(shù)

高能電子束制造主要機(jī)理是動(dòng)能轉(zhuǎn)移引起的伴隨直接原子位移的彈性散射和電子?電子碰撞引起的電離或激發(fā)的非彈性散射[44]，是一種直接在懸空薄膜上制造所需尺寸的納米孔的方法。由于其廣泛的適用性、很高的分辨率以及良好的可重復(fù)性，高能電子束鉆孔已逐漸成為直接制備固態(tài)納米孔的主要技術(shù)。SHIM等[18] 利用TEM 在二氧化鉿（HfO2）薄膜上鉆取了尺寸為2 nm 的納米孔。PATTERSON 等[45] 使用高能電子束鉆孔技術(shù)在石墨烯薄膜上制備直徑約3.5 nm 的納米孔。WU 等[46] 利用電子束在Mg 薄膜上鉆取了不同形狀的多邊形納米孔（ 3～ 8 nm） 。RIGO 等[47] 利用TEM 實(shí)現(xiàn)在10 nm 厚的氮化硅薄膜上刻蝕直徑小于1 nm 的納米孔。SPINNEY 等[48] 利用掃描電子顯微鏡（SEM）中的水蒸氣輔助電子束，也成功制備了直徑小于5 nm 的絕緣納米孔。目前，高能電子束直接鉆孔技術(shù)已經(jīng)成為在包括金屬[46， 49]、金屬氧化物[18]、Si3N4[47]及石墨烯[45， 50] 等各種薄膜上制造超小尺寸納米孔的首選技術(shù)。

2 聚焦離子束加工法

與高能電子束制造法不同的是，聚焦離子束加工固態(tài)納米孔的原理是通過(guò)聚焦離子束（FIB）轟擊樣品表面的目標(biāo)原子，并將它們從其原始位置移開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)在懸空薄膜表面納米孔的加工[51]。近年來(lái)，F(xiàn)IB 制造已經(jīng)廣泛用于在不同材料（絕緣材料、導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料）的薄膜上制造納米孔，常見(jiàn)用于固態(tài)納米孔制造的離子束有氖離子（Ne + ）、氬離子（Ar + ）、稼離子（Ga + ）、氦離子（He + ）等[4， 39， 52-53]。以聚焦離子束制造技術(shù)制備的固態(tài)納米孔的SEM 和TEM 圖如圖4 所示。

LI 等首次利用聚焦Ar + 離子束在500 nm 厚的氮化硅薄膜上加工出了孔徑為61 nm 的納米孔，然后通過(guò)縮孔技術(shù)將孔徑縮小到了1.8 nm， 如圖4a 所示。KUAN 等[54] 對(duì)室溫下離子雕刻成形的納米孔內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其是一個(gè)邊緣半徑為5.6 nm 的典型火山結(jié)構(gòu)。由于火山結(jié)構(gòu)會(huì)限制納米孔傳感器的時(shí)空分辨率，因此這種結(jié)構(gòu)并不理想，于是他們提出利用冷離子束雕刻方法來(lái)改善原先的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了邊緣半徑小至1 nm 的超薄氮化硅納米孔[54]。但FIB 無(wú)法直接制造小尺寸納米孔，因此GIERAK 等[55] 改進(jìn)了Ga +直寫(xiě)系統(tǒng)，利用Ga + 離子源在20 nm 厚的SiC 膜上加工出亞10 nm 的納米孔，如圖4b 所示。同時(shí)，Ga + 離子源FIB 系統(tǒng)已用于加工Si₃N₄[56-57] 納米孔、石墨烯納米孔和六方氮化硼（hBN） 納米孔[58] 等。Ga + 離子源FIB 系統(tǒng)相較于TEM 能夠一次同時(shí)加工多個(gè)芯片，加工效率高。

與傳統(tǒng)的氬離子、鎵離子源FIB 系統(tǒng)相比，氦離子顯微鏡（HIM）具有原子大小尖端的氦離子源，可以制造直徑更小、精度更高的納米孔[59]。YANG 等[53] 使用HIM 成功制造出直徑小于4 nm 的氮化硅納米孔，并成功應(yīng)用于DNA 分子的檢測(cè)。SAWAFTA 等[60] 通過(guò)HIM 實(shí)現(xiàn)氮化硅納米孔長(zhǎng)度和直徑的調(diào)控，證明HIM技術(shù)在尺寸控制方面的可重復(fù)性。除了氮化硅膜之外，HIM 技術(shù)還可以用在其他薄膜材料和二維材料上快速制造納米孔， 如石墨烯[61] 和二硫化鉬[62] 等。EMMRICH等[29] 使用氦離子顯微鏡在1 nm 厚的碳納米膜上進(jìn)一步將加工的納米孔直徑縮小至1.3 nm。與SEM 納米孔陣列制相似，HIM 不僅能夠快速、高精度制造納米孔，還能夠?qū)崿F(xiàn)高重復(fù)性的納米孔陣列制造。XIA等[23] 利用HIM 實(shí)現(xiàn)了Si3N4 納米孔的高重現(xiàn)性和大面積的快速制造，如圖4e 所示，證明在固態(tài)納米孔的制造中，氦離子束提供了易于控制的孔徑、出色的可重復(fù)性和大面積的快速制造工藝?；贖IM 的離子束刻蝕技術(shù)具備快速制造、高重現(xiàn)性和加工精度高等優(yōu)點(diǎn)，在納米孔可控制造方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

3 激光刻蝕法

激光刻蝕是一種能夠使用低功率（約10 mW）、高聚集激光和共聚焦顯微鏡制造直徑為單個(gè)納米的納米孔技術(shù)[63]。激光加工技術(shù)是用高能量密度的激光束使工件材料表面局部升溫、熔化或氣化來(lái)逐層移走材料[63]。因此激光加工既可以加工導(dǎo)電材料也可以加工不導(dǎo)電材料，特別適合加工陶瓷、玻璃、金剛石、碳化硅、藍(lán)寶石等超硬材料。作為一種低損傷的微納加工技術(shù)，它在微納制造領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。

激光刻蝕加工技術(shù)最初是由日本理化研究所（RIKEN）提出的[64]。近年來(lái)，激光刻蝕已經(jīng)在光敏聚合物[65-66]、半導(dǎo)體[67] 或一些電解質(zhì)薄膜[68] 上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸約10 nm 的納米結(jié)構(gòu)。GILBOA 等[63] 用約45 mW 強(qiáng)度藍(lán)色（波長(zhǎng)為488 nm）激光器刻蝕獨(dú)立的氮化硅膜，通過(guò)逐漸減薄薄膜直到形成納米孔，制造出孔徑為6.5 nm 的單個(gè)氮化硅納米孔。WU 等[69] 使用激光燒蝕和電流反饋控制方法應(yīng)用于熱塑性材料制造納米孔，利用低強(qiáng)度激光束制造出直徑小于10 nm 的孔。LU 等[70] 用緊密聚焦的貝塞爾光束加工二氧化硅表面，通過(guò)精確控制二氧化硅的內(nèi)部和表面的相互作用獲得了直徑約為20 nm 的納米孔。圖5 所示為以激光刻蝕技術(shù)制備的固態(tài)納米孔的SEM和TEM圖。

激光刻蝕也可以用于創(chuàng)建高密度的納米孔陣列。GILBOA 等[71] 利用超快激光在特定位置刻蝕出納米孔陣列，如圖5d 所示。與其他高能束刻蝕相比，激光刻蝕技術(shù)在光路設(shè)置和尺寸控制精度上還有待提高。

4 離子徑跡刻蝕法

化學(xué)刻蝕是微納加工制造最常見(jiàn)且通用的方法之一，可以實(shí)現(xiàn)低成本高效率以及大批量制備。它不需要昂貴的設(shè)備且可以一次性并行制備大量的納米孔（納米孔陣列）。離子徑跡刻蝕法的原理是通過(guò)將高能重金屬離子射入聚合物膜來(lái)產(chǎn)生徑跡，然后用刻蝕劑刻蝕被重離子輻照的薄膜，軌道區(qū)域的刻蝕速率大于非軌道區(qū)域的刻蝕速率，從而形成孔隙[30]。通過(guò)離子徑跡刻蝕法，已經(jīng)成功在許多相對(duì)便宜的材料中制備了納米孔，如聚酰亞胺[72]、聚碳酸酯[73] 和氮化硅[28]。此外，由于聚合物膜的厚度通常為幾微米，因此孔隙形態(tài)通常為具有高縱橫比的圓錐形。然而，用于通過(guò)聚焦離子束和高能電子束刻蝕方法制造納米孔的Si₃N₄、SiO₂ 和石墨烯膜的厚度范圍從亞納米到數(shù)百納米。具有高縱橫比的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)已被用于模擬蛋白質(zhì)或生物通道，并研究離子電流整流特性[74]。利用離子徑跡刻蝕法制備的固態(tài)納米孔如圖6 所示。

ZHANG 等[28] 用高能Br + （81 MeV）刻蝕氮化硅納米孔，納米孔直徑可以通過(guò)改變二氧化硅重離子徑跡的氫氟酸刻蝕時(shí)間來(lái)控制。APEL 等[75] 制造了平均尺寸為51 nm、孔密度為3 × 109 cm?2 的錐形納米孔陣列，如圖6b 所示。SIWY 等[30] 使用離子徑跡刻蝕方法獲得了最小直徑為2 nm 的錐形納米孔。

納米孔的形狀主要依賴于制備過(guò)程中輻照及刻蝕的條件參數(shù)，適用于制備通道較長(zhǎng)（約在微米級(jí)別）的高密度柔性納米孔陣列。然而，離子徑跡刻蝕法只能在聚合物膜中制造納米孔，對(duì)于聚合物納米孔而言，在刻蝕過(guò)程中可能會(huì)在聚合物薄膜表面引入負(fù)電荷，因此會(huì)排斥帶同種電荷的生物分子（如DNA、BSA等），導(dǎo)致納米孔捕獲生物分子的效率下降。由于離子軌道的不可控，容易出現(xiàn)孔徑分布不均勻現(xiàn)象。此外，它需要昂貴的重離子加速度計(jì)，制約了固態(tài)納米孔的制造與應(yīng)用。

常見(jiàn)的高能束加工固態(tài)納米孔的方法如表1 所示，包括適用材料、可加工的孔徑及方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了高能電子束、聚焦離子束、激光刻蝕、離子徑跡刻蝕等4 種高能束固態(tài)納米孔制備的工作原理及其制造方法的優(yōu)缺點(diǎn)。高能電子束和聚焦離子束的優(yōu)點(diǎn)在于高精度，具有原子分辨率，制造的納米孔有望應(yīng)用于DNA 測(cè)序、蛋白質(zhì)測(cè)序、分子篩選、光調(diào)制、離子邏輯器件以及海水淡化，但其制造依賴于昂貴的設(shè)備。激光刻蝕是一種以無(wú)污染、高效率的方式在薄膜中制備納米孔的方法，但尺寸精度控制較差。離子徑跡刻蝕法具有低成本、高效率的特點(diǎn)，能滿足可擴(kuò)展大批量制造的要求，但其孔徑分布不均勻。

每一種制造方法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，也有不同的應(yīng)用場(chǎng)景。電子束和離子束制造方法是最具特點(diǎn)和最直接的方法，已經(jīng)被幾個(gè)獨(dú)立的研究小組應(yīng)用于廣泛的材料。但對(duì)于批量生產(chǎn)，激光刻蝕和離子徑跡刻蝕更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@些技術(shù)只需要低成本的設(shè)備，因此在經(jīng)濟(jì)上是可并行的。

隨著大規(guī)模并行檢測(cè)和小分子檢測(cè)的需求，應(yīng)開(kāi)發(fā)和優(yōu)化一種快速且經(jīng)濟(jì)高效的可擴(kuò)展技術(shù)，用于制造具有小尺寸（<10 nm）和更好均勻性的有序納米孔陣列。盡管仍有許多挑戰(zhàn)，但固態(tài)納米孔將繼續(xù)是一個(gè)活躍和有吸引力的研究領(lǐng)域。隨著先進(jìn)微納制造技術(shù)和新理論研究的開(kāi)展，固態(tài)納米孔制造將成本更低、效率更高、應(yīng)用范圍更廣。