固態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

關鍵詞 固態納米孔；高能束制造；制造方法

中圖分類號 TB383; TN249 文獻標志碼 A

文章編號 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發展迅速的單分子級檢測生物傳感器。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溶液，在納米孔薄膜兩側施加一定的電壓，驅動帶電生物分子穿過納米孔，并引起物理占位，進而反映在離子電流中，即形成阻塞電流[1]；通過分析阻塞電流信號間接獲得所測生物分子信息。KASIANOWIZ 等[1] 在COULTER 專利[2] 的基礎上提出了納米孔檢測方法，首次使用直徑僅為2.6 nm 的α-溶血素生物孔，在電場的作用下讓單鏈DNA 分子穿過納米通道獲得阻塞電流信號。通過檢測阻塞電流的幅值與時間特性，原則上可以直接、快速實現單分子序列的檢測。這項研究展示了納米孔檢測技術在DNA 測序等單分子檢測上的巨大潛力，納米孔傳感器也隨之成為研究的熱點之一。

目前，用于單分子傳感檢測的納米孔可根據材料分為固態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離子通道，具有重復性好、成本低、易修飾的特點。自1996 年開啟了生物納米孔檢測新篇章后，AKESON 等[9] 利用實驗驗證了通過-HL 的離子電流信號來區別核苷酸類型的思路。之后，出現了噬菌體Phi29 連接器[10]、MspA 蛋白[6， 8] 等通過控制DNA易位速度進而實現基因測序的方法，豐富了生物納米孔分析技術的研究。除實驗室研究外，Oxford NanoporeTechnologies 公司已經基于生物納米孔研發出商用DNA 測序儀平臺MinION，實現了生物孔測序技術的商業化[11]。

除生物納米孔外，固態納米孔具有穩定性強、機械性能好、形狀易控等優點，且固態納米孔尺寸可調空間大、材料種類多。這些卓越的特性顯著地拓寬了固態納米孔的多功能性和適用性，固態納米孔制造及其應用也因此得到快速發展。目前，常見的固態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，并利用該納米孔對雙鏈DNA 分子進行了過孔檢測分析；STORM 等[13] 用透射電鏡高能電子束實現直徑為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整原則。由于該方法集合了TEM 高分辨成像反饋，實現了制造過程與表征同步，開創了固態納米孔制造的新方法，因此引起了極大關注。DENG 等[22] 利用氦離子系統實現了直徑為5 nm 以下石墨烯納米孔制造。氦離子技術的問世，克服了傳統聚焦離子束（focused ionbeam， FIB）無法制作直徑小于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）實現了Si3N4 納米孔的高重現性和大面積的快速制造。

目前，固態納米孔已經廣泛應用于單分子檢測，如基因檢測[1]、蛋白質測序[24]、腫瘤標志物檢測[25]、物質分離[26]、能量轉換[27] 等研究。上述應用也推動了固態納米孔制造技術的發展。固態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]、電介質擊穿法[31-32]、納米壓印[33]、掩膜刻蝕法[34]、電化學沉積[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、高可控制造優點，日后有望發展成為固態納米孔制備方法的主流技術。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、原理及其優缺點。

1 高能電子束制造方法

1.1 高能電子束縮孔技術

利用高能電子束制造技術制備的各種固態納米孔的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， 為納米孔長度。當納米孔直徑小于納米孔薄膜厚度時，納米孔在接受高能電子束輻照的時候會收縮；反之，納米孔直徑則會增大。STORM 等[14] 在DEKKER 研究的基礎上，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。實驗結果進一步證實固態納米孔表面能最小原理。此外，經能量色散X 射線光譜儀（EDX）和電子能量損失譜（EELS）檢測證實是納米孔邊緣材料（氧化硅）遷移導致納米孔縮小，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/氧化硅復合孔等不同形態的氧化硅納米孔中都得到驗證。隨后，KIM 等[38]通過改變Si₃N₄納米孔在TEM 中的暴露時間和電子束輻照強度實現了直徑為2～20 nm 的納米孔制造，并將制造精度提高到0.2 nm。盡管TEM 技術可以在亞納米分辨率下通過直接視覺反饋對納米孔直徑進行高精度調控，但TEM 樣品腔送樣一次只能處理一個芯片，制約了固態納米孔制造的效率。

為了提升固態納米孔制造效率，ZHANG 等[28， 39]提出利用具有較大樣品腔的場發射掃描電子顯微鏡（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 輻照的收縮機制不同。CHANG 等[39] 認為收縮機制可能是由輻射分解和隨后硅原子向孔周邊的運動產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擴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（碳氫化合物）沉積和Si3N4分解機理。當使用高能電子束照射Si3N4 納米孔時，納米孔表面將沉積一層碳氫化合物，由于在大的傾斜角處產生更多二次電子[41]，誘導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力下移動，以減小納米孔的直徑。同時，在電子束照射下Si3N4 獲得足夠的能量以引發分解，N 原子由于重量較輕大部分逸散到腔室中，而部分Si 原子則擴散到烴層中并流入納米孔；此外，少量N 原子會與共價Si 重新結合，并與碳氫化合物一起移動，從而使Si3N4 納米孔收縮。隨著電子束的去除，碳氫化合物沉積和Si3N4的分解均在納米孔區域附近停止。

與TEM 的電子束收縮法相比，SEM 具有腔體大的特點，可以一次載入多個樣品，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爭[40]，可以實現漸變尺寸納米孔陣列制造。盡管電子束收縮方法已經應用于在絕緣體[14， 38]、半導體[42-43]、導體[13] 薄膜上制造固態納米孔，但是最終獲得的固態納米孔材料與本征納米孔薄膜材料的差別，可能對應用帶來影響。

1.2 高能電子束鉆孔技術

高能電子束制造主要機理是動能轉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性，高能電子束鉆孔已逐漸成為直接制備固態納米孔的主要技術。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 實現在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已經成為在包括金屬[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。

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納米孔的原理是通過聚焦離子束（FIB）轟擊樣品表面的目標原子，并將它們從其原始位置移開，從而實現在懸空薄膜表面納米孔的加工[51]。近年來，FIB 制造已經廣泛用于在不同材料（絕緣材料、導電材料、半導體材料）的薄膜上制造納米孔，常見用于固態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制備的固態納米孔的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，然后通過縮孔技術將孔徑縮小到了1.8 nm， 如圖4a 所示。KUAN 等[54] 對室溫下離子雕刻成形的納米孔內部幾何結構進行了研究，發現其是一個邊緣半徑為5.6 nm 的典型火山結構。由于火山結構會限制納米孔傳感器的時空分辨率，因此這種結構并不理想，于是他們提出利用冷離子束雕刻方法來改善原先的結構，實現了邊緣半徑小至1 nm 的超薄氮化硅納米孔[54]。但FIB 無法直接制造小尺寸納米孔，因此GIERAK 等[55] 改進了Ga +直寫系統，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，Ga + 離子源FIB 系統已用于加工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 系統相較于TEM 能夠一次同時加工多個芯片，加工效率高。

與傳統的氬離子、鎵離子源FIB 系統相比，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，并成功應用于DNA 分子的檢測。SAWAFTA 等[60] 通過HIM 實現氮化硅納米孔長度和直徑的調控，證明HIM技術在尺寸控制方面的可重復性。除了氮化硅膜之外，HIM 技術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，還能夠實現高重復性的納米孔陣列制造。XIA等[23] 利用HIM 實現了Si3N4 納米孔的高重現性和大面積的快速制造，如圖4e 所示，證明在固態納米孔的制造中，氦離子束提供了易于控制的孔徑、出色的可重復性和大面積的快速制造工藝。基于HIM 的離子束刻蝕技術具備快速制造、高重現性和加工精度高等優點，在納米孔可控制造方面表現出獨特的優勢。

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納米的納米孔技術[63]。激光加工技術是用高能量密度的激光束使工件材料表面局部升溫、熔化或氣化來逐層移走材料[63]。因此激光加工既可以加工導電材料也可以加工不導電材料，特別適合加工陶瓷、玻璃、金剛石、碳化硅、藍寶石等超硬材料。作為一種低損傷的微納加工技術，它在微納制造領域有巨大的應用前景。

激光刻蝕加工技術最初是由日本理化研究所（RIKEN）提出的[64]。近年來，激光刻蝕已經在光敏聚合物[65-66]、半導體[67] 或一些電解質薄膜[68] 上實現結構尺寸約10 nm 的納米結構。GILBOA 等[63] 用約45 mW 強度藍色（波長為488 nm）激光器刻蝕獨立的氮化硅膜，通過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用于熱塑性材料制造納米孔，利用低強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，通過精確控制二氧化硅的內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制備的固態納米孔的SEM和TEM圖。

激光刻蝕也可以用于創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，激光刻蝕技術在光路設置和尺寸控制精度上還有待提高。

4 離子徑跡刻蝕法

化學刻蝕是微納加工制造最常見且通用的方法之一，可以實現低成本高效率以及大批量制備。它不需要昂貴的設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將高能重金屬離子射入聚合物膜來產生徑跡，然后用刻蝕劑刻蝕被重離子輻照的薄膜，軌道區域的刻蝕速率大于非軌道區域的刻蝕速率，從而形成孔隙[30]。通過離子徑跡刻蝕法，已經成功在許多相對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，因此孔隙形態通常為具有高縱橫比的圓錐形。然而，用于通過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百納米。具有高縱橫比的不對稱結構已被用于模擬蛋白質或生物通道，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改變二氧化硅重離子徑跡的氫氟酸刻蝕時間來控制。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程中輻照及刻蝕的條件參數，適用于制備通道較長（約在微米級別）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，對于聚合物納米孔而言，在刻蝕過程中可能會在聚合物薄膜表面引入負電荷，因此會排斥帶同種電荷的生物分子（如DNA、BSA等），導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，容易出現孔徑分布不均勻現象。此外，它需要昂貴的重離子加速度計，制約了固態納米孔的制造與應用。

常見的高能束加工固態納米孔的方法如表1 所示，包括適用材料、可加工的孔徑及方法的優缺點。

5 結語

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 種高能束固態納米孔制備的工作原理及其制造方法的優缺點。高能電子束和聚焦離子束的優點在于高精度，具有原子分辨率，制造的納米孔有望應用于DNA 測序、蛋白質測序、分子篩選、光調制、離子邏輯器件以及海水淡化，但其制造依賴于昂貴的設備。激光刻蝕是一種以無污染、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，能滿足可擴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特的優勢，也有不同的應用場景。電子束和離子束制造方法是最具特點和最直接的方法，已經被幾個獨立的研究小組應用于廣泛的材料。但對于批量生產，激光刻蝕和離子徑跡刻蝕更有優勢，因為這些技術只需要低成本的設備，因此在經濟上是可并行的。

隨著大規模并行檢測和小分子檢測的需求，應開發和優化一種快速且經濟高效的可擴展技術，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，但固態納米孔將繼續是一個活躍和有吸引力的研究領域。隨著先進微納制造技術和新理論研究的開展，固態納米孔制造將成本更低、效率更高、應用范圍更廣。