CN104458813B

CN104458813B - 基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统及其制备方法

Info

Publication number: CN104458813B
Application number: CN201410707203.4A
Authority: CN
Inventors: 王德强; 冯艳晓; 赵清; 史浩飞; 杜春雷
Original assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Current assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2034-11-28
Also published as: CN104458813A

Abstract

本发明公开了基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统，包括纳米孔系统、盐溶液腔室和电流监测系统，所述纳米孔系统包括衬底和复合在衬底上表面的类金刚石薄膜I，所述衬底和类金刚石薄膜I表面包覆有绝缘保护层，该衬底刻蚀有锥形孔洞，该类金刚石薄膜I与锥形孔洞顶部相对处刻蚀有纳米孔；所述锥形孔洞与纳米孔位于盐溶液腔室内部且连通上部腔室和下部腔室；所述电流监测系统包括通过导线连接的电源、电流计、电极I、II，所述电极I、II分别位于上部腔室和下部腔室内；本发明还公开了制备该纳米孔测量系统的方法。本发明的纳米孔测量系统以类金刚石薄膜作为纳米孔基材，有效解决了普通纳米孔的孔径不稳定，随着时间的变化而逐渐变大的问题。

Description

基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米孔，特别涉及一种基于类金刚石薄膜的可用于测量导电聚合物的纳米孔测量系统及制备方法

背景技术

固体纳米孔通常都是由绝缘体薄膜形成，比如：氮化硅，二氧化硅[2，3]以及石墨烯[4]等。从我们的实验结果中，我们观察到纳米孔的孔径在碱性盐溶液中不稳定，随着时间的变化而逐渐变大。类金刚石薄膜具有非常高的机械硬度，抗耐磨性，抗腐蚀性，低的表面粗糙度和生物兼容性等优点[5]。类金刚石薄膜的表面可以很容易地进行化学功能化修饰，在气体和溶液环境下，可以对于目标分子进行特异性地检测。这里，我们制作基于类金刚石薄膜的纳米孔系统来进行带电聚合物的检测。纳米孔技术，直径只有几个纳米的小孔，可以应用于下一代的DNA测序技术[1]。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统及制备方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统，包括纳米孔系统、盐溶液腔室和电流监测系统，所述纳米孔系统包括衬底和复合在衬底上表面的类金刚石薄膜I，所述衬底和类金刚石薄膜I表面包覆有绝缘保护层，该衬底刻蚀有锥形孔洞，该类金刚石薄膜I与锥形孔洞顶部相对处刻蚀有纳米孔；所述锥形孔洞与纳米孔位于盐溶液腔室内部且连通上部腔室和下部腔室；所述电流监测系统包括通过导线连接的电源、电流计、电极I、电极II，所述电极I和电极II分别位于上部腔室和下部腔室内。

作为本发明的优选，所述纳米孔的孔径为2-10nm，所述锥形孔洞的孔径大于纳米孔。

作为本发明的优选，所述类金刚石薄膜I为自支撑薄膜，其厚度为30-300nm。

本发明制备所述基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统的方法，包括以下步骤：

1)、取衬底并利用化学气相沉积方法在其两侧生长类金刚石薄膜I、II；

2)、在金刚石薄膜I和II外层生长电绝缘薄膜I、II；

3)、在电绝缘薄膜I和II外层生长氮化硅薄膜I、II形成复合薄膜层；

4)、在步骤3)的复合薄膜层下部刻蚀贯通金刚石薄膜II，电绝缘薄膜II和氮化硅薄膜 II的背面窗口；

5)、在复合薄膜层上部与背面窗口相对处刻蚀贯通氮化硅薄膜I的开口；

6)、在复合薄膜层下部背面窗口处刻蚀贯通衬底的锥形孔洞；

7)、在复合薄膜层上部开口处刻蚀贯通电绝缘薄膜I的孔洞；

8)、在孔洞处刻蚀贯穿类金刚石薄膜I并连通孔洞和锥形孔洞的纳米孔；

9)、将前数步骤制得的含有纳米孔(112)的纳米孔系统与盐溶液腔室和电流监测系统组装即得到所述基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统。

作为本发明制备基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统方法的优选，步骤1)中衬底为硅衬底，类金刚石薄膜I、II厚度均为30-300nm；步骤2)电绝缘薄膜I、II为二氧化硅或二氧化铪，其厚度均为20-200nm；步骤3)中氮化硅薄膜I、II的厚度均为20-150nm。

作为本发明制备基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统方法的优选，所述背面窗口呈方形或圆形，其边长为0.8-1.2mm或者直径为0.5-0.8mm，所述开口面积为10-100μm²，所述孔洞与开口形状相同，所述纳米孔的孔径为2-10nm。

本发明的有益效果在于：

本发明的纳米孔测量系统将设置纳米孔的基材替换为机械硬度，耐磨性，抗腐蚀性优异，表面粗糙度低和生物兼容性好的类金刚石薄膜，有效解决了普通纳米孔的孔径不稳定，随着时间的变化而逐渐变大的问题，既可以提高测量准确率，也可以提高系统测量系统的使用寿命。本发明的制备方法提供了一种制备基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统，成功的将类金刚石薄膜材料应用到纳米孔测量系统，可以简单快速的加工出符合要求的纳米孔测量系统。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为实施例1类金刚石薄膜纳米孔的制备过程图；

图2为实施例所制得的基于类金刚石薄膜纳米孔测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1：

如图2所示，本实施例基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统，包括纳米孔系统、盐溶液腔室和电流监测系统，所述纳米孔系统包括衬底101和复合在衬底101上表面的类金刚石薄膜I 102，所述衬底101和类金刚石薄膜I 102表面包覆有绝缘保护层，该衬底101刻蚀有锥形孔洞110，该类金刚石薄膜I 102与锥形孔洞110顶部相对处刻蚀有纳米孔112；所述锥形孔洞110与纳米孔112位于盐溶液腔室内部且连通上部腔室201和下部腔室202；所述电流监测系统包括通过导线连接的电源205、电流计206、电极I 203、电极II 204，所述电极I 203和电极II 204分别位于上部腔室201和下部腔室202内。

本实施例中，纳米孔112的孔径为2-10nm,也可以是其他不同的尺寸，而锥形孔洞110的尺寸远大于纳米孔112。

本实施例中，所述类金刚石薄膜I 102为自支撑薄膜，其厚度为30-300nm，也可以是其他不同的厚度。

本实施例制备基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统的方法，包括以下步骤：

1)、如图1-a所示，取硅衬底101并利用等离子增强化学气相沉积方法在其两侧生长厚度为30-300nm的类金刚石薄膜I 102和类金刚石薄膜II 103；

2)、如图1-b所示，在金刚石薄膜I 102和II 103外层利用半导体工艺生长电绝缘薄膜I 104、II 105；所述电绝缘薄膜I 104、II 105为二氧化硅或二氧化铪，其厚度为20-200nm；

3)、如图1-c所示，在电绝缘薄膜I 104和II105外层生长厚度为20-150nm的氮化硅薄膜I 106、II 107形成复合薄膜层；

4)、如图1-d所示，采用光刻技术或者反应离子束刻蚀技术在步骤3)的复合薄膜层下部刻蚀贯通金刚石薄膜II 103，电绝缘薄膜II 105和氮化硅薄膜II 107的背面窗口108；

5)、如图1-e所示，采用光刻技术或者反应离子束刻蚀技术在在复合薄膜层上部与背面窗口108相对处刻蚀贯通氮化硅薄膜I 106的开口109；

6)、如图1-f所示，在复合薄膜层下部背面窗口108处刻蚀贯通衬底101的锥形孔洞110；

本步骤可以采用标准的湿法或干法半导体工艺刻蚀锥形孔洞110，如：四甲基氢氧化铵(TMAH)，氢氧化钾或反应离子刻蚀；

7)、如图1-g所示，在复合薄膜层上部开口109处通过湿法或干法刻蚀技术刻蚀形成贯通电绝缘薄膜I 104的孔洞111；

8)、如图1-h所示，通过氧基的反应离子刻蚀，透射电子显微镜，氦离子束显微镜技术在孔洞111处刻蚀贯穿类金刚石薄膜I 102并连通孔洞111和锥形孔洞110的纳米孔112；

9)、如图2所示，将前述步骤制得的含有纳米孔112的纳米孔系统与盐溶液腔室和电流监测系统组装即得到所述基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统。

本实施例中，所述背面窗口(108)呈方形或圆形，其边长为0.8-1.2mm或者直径为0.5-0.8mm，所述开口109面积为10-100μm²，所述孔洞111与开口109形状相同，所述纳米孔112的孔径为2-10nm。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统，包括纳米孔系统、盐溶液腔室和电流监测系统，其特征在于：所述纳米孔系统包括衬底（101）和复合在衬底（101）上表面的类金刚石薄膜I（102），所述衬底（101）和类金刚石薄膜 I（102）表面包覆有绝缘保护层，该衬底（101）刻蚀有锥形孔洞（110），该类金刚石薄膜 I（102）与锥形孔洞（110）顶部相对处刻蚀有纳米孔（112）；所述锥形孔洞（110）与纳米孔（112）位于盐溶液腔室内部且连通上部腔室（201）和下部腔室（202）；所述电流监测系统包括通过导线连接的电源（205）、电流计（206）、电极 I（203）、电极 II（204），所述电极 I（203）和电极 II（204）分别位于上部腔室（201）和下部腔室（202）内；

所述基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统的制备方法包括如下步骤：

1）、取衬底（101）并利用化学气相沉积方法在其两侧生长类金刚石薄膜 I（102）、 II（103）；

2）、在类金刚石薄膜 I（102）和 II（103）外层生长电绝缘薄膜 I（104）、 II（105）；

3）、在电绝缘薄膜 I（104）和 II（105）外层生长氮化硅薄膜 I（106）、 II（107）形成复合薄膜层；

4）、在步骤3）的复合薄膜层下部刻蚀贯通类金刚石薄膜 II（103）、电绝缘薄膜 II（105）和氮化硅薄膜 II（107）的背面窗口（108）；

5）、在复合薄膜层上部与背面窗口（108）相对处刻蚀贯通氮化硅薄膜 I（106）的开口（109）；

6）、在复合薄膜层下部背面窗口（108）处刻蚀贯通衬底（101）的锥形孔洞（110）；

7）、在复合薄膜层上部开口（109）处刻蚀贯通电绝缘薄膜 I（104）的孔洞（111）；

8）、在孔洞（111）处刻蚀贯穿类金刚石薄膜 I（102）并连通孔洞（111）和锥形孔洞（110）的纳米孔（112）；

9）、将前数步骤制得的含有纳米孔（112）的纳米孔系统与盐溶液腔室和电流监测系统组装即得到所述基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统。

2.根据权利要求1所述基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统，其特征在于：所述纳米孔（112）的孔径为2-10nm，所述锥形孔洞（110）的孔径大于纳米孔（112）。

3.根据权利要求1所述基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统，其特征在于：所述类金刚石薄膜 I（102）为自支撑薄膜，其厚度为30-300nm。

4.制备如权利要求1-3任意一项所述基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述制备基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统的方法，其特征在于：步骤1）中衬底（101）为硅衬底，类金刚石薄膜 I（102）、 II（103）厚度均为30-300nm；步骤2）电绝缘薄膜 I（104）、 II（105）为二氧化硅或二氧化铪，其厚度均为20-200nm；步骤3）中氮化硅薄膜 I、 II的厚度均为20-150nm。

6.根据权利要求4所述制备基于类金刚石薄膜的纳米孔测量系统的方法，其特征在于：所述背面窗口（108）呈方形或圆形，其边长为0.8-1.2mm或者直径为0.5-0.8mm，所述开口（109）面积为10-100μm²，所述孔洞（111）与开口（109）形状相同，所述纳米孔（112）的孔径为2-10nm。