CN107207246A - 具有对齐的纳米级电子元件的含纳米孔的基板及其制备和使用方法 - Google Patents

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Abstract

含纳米孔的基板包括基板、所述基板上的膜、和设置在所述膜上或嵌入所述膜中的至少一个纳米级电子元件。所述膜限定至少一个纳米孔。所述纳米级电子元件与所述纳米孔中的一个对齐，使得所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于50nm。所述纳米孔可通过使用溶液蚀穿介电层，同时相对于所述溶液向所述纳米级电子元件施加电压形成。所述含纳米孔的基板可用于对诸如核酸的生物聚合物进行检测或测序。所述含纳米孔的基板可与生物聚合物检测和/或测序系统一起使用。

Description

具有对齐的纳米级电子元件的含纳米孔的基板及其制备和使 用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年12月1日提交并指定美国申请号62/085,795的临时专利申请的优先权，其公开内容在此参考并入。
关于联邦资助研究或开发的声明
本发明根据由空军科学研究院授予的合同号FA9950-10-1-0410和由海军研究院授予的合同号FA9550-09-1-0705在政府支持下进行。政府对本发明具有一定的权利。
发明领域
本公开涉及含纳米孔的基板。
背景技术
在基于纳米孔的测序领域中，测序的一个例证涉及在DNA通过时测量流过嵌入膜中的通道蛋白的离子电流。该方法受限于其需要生物材料作为装置的部分，这与非有机材料相比往往耐久性较差。其还涉及将DNA减慢至约1ms/核苷酸，以便获得足够的信噪比。另一限制在于由于仅可使用一个孔/微流体通道，其不容易并行。
在基于固态纳米孔的测序领域中，当前的方法主要依赖于测量通过固态纳米孔(例如，氮化硅、石墨烯、二氧化铪)的离子电流，所述固态纳米孔通过使用离子束或电子束蚀刻而形成，这涉及高真空体系，所述高真空体系往往不能很好地扩大到工业过程。另外，没有测序的例证。迄今为止，利用固态孔的最佳例证已经区分了不同的30个核苷酸长的单链DNA分子(例如，30个腺嘌呤，30个胞嘧啶等)。
在具有场效应读数的基于固态纳米孔的测序领域中，一个例证涉及使用具有邻近的孔的50nm宽的硅纳米线。检测了大约3000个核苷酸的双链DNA，但未获得序列信息。另一例证涉及使用石墨烯纳米带来检测大约3000个核苷酸的双链DNA质粒，但未获得序列信息。这两个方法均具有与使用电子束制备纳米孔相关的相同限制。另外，电子束可损坏场效应纳米级装置(纳米线或纳米带)。纳米线方法还具有以下限制：所述线的50nm宽度为DNA中核苷酸之间的间距的大约150倍。石墨烯纳米孔的一个限制在于石墨烯纳米带在其边缘处具有悬挂键，这使得它们比纳米管更具反应性，并且使得它们的电性能高度可变。
发明内容
在第一实施方案中，提供含纳米孔的基板。所述含纳米孔的基板包括基板、设置在所述基板上的膜、和设置在所述膜上或设置在所述膜中的至少一个纳米级电子元件。所述膜限定穿过所述膜的至少一个纳米孔。所述纳米孔被构造成在所述膜的相对侧之间提供流体连通。所述纳米级电子元件能够导电，并且与所述膜就如下中的至少一个方面不同：形状、材料组成、导电性或化学结合。所述纳米级电子元件与所述纳米孔对齐，使得所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于50nm。
所述基板可由硅、石英、熔融二氧化硅、蓝宝石、砷化镓和/或碳化硅制成。所述膜可由诸如氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钽、二氧化硅和/或氮化硼的介电材料制成。所述膜还可由诸如金属二硫属化物、石墨烯、硅、锗和/或砷化镓的半导体或半金属制成。所述膜可具有0.3nm至1,000nm的厚度。
所述纳米级电子元件可包括碳纳米管、石墨烯、金属、金属纳米线或半导体纳米线、具有小于20nm的厚度的金属电极或半导体电极，或两个电极之间的间隙。所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离可小于10nm或小于1nm。所述纳米级电子元件的边缘可与所述纳米孔的边缘交叉。所述纳米级电子元件可平行于限定围绕所述纳米孔的所述膜的表面平面的法向矢量定位。所述纳米级电子元件可与电路电接触。
所述纳米孔可具有0.3nm至1,000nm的穿过所述膜的深度。所述纳米孔可具有1nm至50nm或1nm至20nm的宽度尺寸。
所述纳米级电子元件可由官能团官能化。所述官能团可以为羧基基团、羟基基团、胺基团、硫醇基团、单核苷酸、核苷酸的序列、氨基酸、多肽和/或蛋白质。所述纳米级电子元件还可涂覆有电介质。
在一种情况下，可存在多个纳米级电子元件。所述多个纳米级电子元件形成设置在所述膜上或设置在所述膜中的阵列。所述纳米级电子元件中的两个可彼此接触。
在另一情况下，可存在多个纳米级电子元件和多个纳米孔。所述多个纳米级电子元件形成设置在所述膜上或设置在所述膜中的阵列。所述纳米孔中的每一个使所述纳米级电子元件中的一个与所述纳米孔对齐，使得所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于50nm。
所述纳米级电子元件可不暴露于平均加速电压大于1kV的电子束或离子束。所述纳米级电子元件还可不暴露于电子束或离子束。
所述纳米级电子元件的垂直于流过所述纳米级电子元件的电流方向的尺寸可不超过20nm或可不超过10nm。
在第二实施方案中，提供一种方法。在所述方法中，在设置于基板上的膜上或在所述膜中设置能够导电的至少一个纳米级电子元件。所述膜由电介质、半导体或半金属制成。使所述膜与蚀刻剂接触。相对于与所述蚀刻剂接触的另一电极，将电压施加于所述纳米级电子元件，使得至少一个纳米孔被蚀刻穿过所述膜。可形成含纳米孔的基板。
在施加电压前，所述纳米级电子元件和所述蚀刻剂之间的空间可被所述膜的一部分占据。在施加电压时，所述蚀刻剂还可接触所述纳米级电子元件。
所述蚀刻剂可包括氢氟酸、磷酸、氢氧化钾和/或四甲基氢氧化铵。
所述电压可以为脉冲电压、斜坡电压、恒定电压或它们的组合。可选择电压的符号和/或量级，以局部影响邻近所述纳米级电子元件的蚀刻剂的蚀刻速率。
在一种情况下，在所述膜的一侧上相对于所述膜的相对侧向流体施加压力。在所述纳米孔被蚀刻穿过所述膜之后，所述流体流动通过所述纳米孔。所述流体基本上不蚀刻所述膜，并减少或停止对所述膜的蚀刻。
在一种情况下，通过向检测电极施加第二电压并监测流向所述检测电极或从所述检测电极流出的电流来检测所述纳米孔的形成。所述检测电极与所述纳米级电子元件分离，并且定位于所述蚀刻剂的外部。可使用所述检测电极在所述膜的与所述蚀刻剂相对的侧面上向溶液施加电压。所述检测电极可由金属制成，并且定位在所述膜的与所述蚀刻剂相对的侧面上。所述检测电极可通过电介质或半导体与所述纳米级电子元件电绝缘。
可使用反馈来停止所述纳米孔的蚀刻。所述反馈可以是光学的，并且基于下列中的至少一种：所述膜的与所述蚀刻剂相对的侧面的可见蚀刻；在所述纳米孔的位置处的可见的流体积聚或晶体形成；和/或通过所述纳米孔的形成或者荧光染料与所述纳米级电子元件、蚀刻剂和/或由于所述纳米孔的蚀刻而与所述荧光染料接触的材料的相互作用而激活的荧光。所述反馈还可以是电的，并且基于下列中的至少一种：从所述膜的一侧到所述膜的相对侧的电流的改变；通过所述纳米级电子元件的电流和/或电导率的改变；和/或在所述纳米级电子元件和与所述蚀刻剂接触的所述电极之间流动的电流的改变。当电流的量级超过阈值时，可发生停止。当电流或电流相对于时间的导数的改变速率超过阈值时，可发生停止。当随检测电极和/或与所述蚀刻剂接触的电极的电压而变化的穿过所述纳米级电子元件的电流曲线的形状改变时，可发生停止。例如，所述纳米级电子元件的选通特性和/或电容改变。
还可在指定时间之后停止所述纳米孔的蚀刻。
还可通过用化学反应性低于所述蚀刻剂的流体替换所述蚀刻剂来停止所述纳米孔的蚀刻。还可通过改变施加至所述纳米级电子元件的电压来停止所述纳米孔的蚀刻。
可基于电流来测定所述纳米孔的尺寸。
可形成多个纳米孔。所述多个纳米孔中的每一个可与不同的纳米级电子元件对齐。可监测所述纳米级电子元件中的每一个的电反馈。可通过改变施加至所述多个纳米级电子元件中的一个纳米级电子元件的电压来停止在所述多个纳米级电子元件中的这个纳米级电子元件处的所述纳米孔的蚀刻，这个纳米级电子元件具有小于50nm的介于所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离。
在所述纳米孔的蚀刻期间，沿着设置在所述膜上或所述膜中的所述纳米级电子元件的任何区域与所述蚀刻剂之间的最短距离的平均电场可小于0.1V/nm。蚀刻所述纳米孔可以是与所述电压成非单调的。
施加电压可包括施加第一电压，由此使所述膜变薄，以及施加小于所述第一电压的第二电压以形成所述纳米孔。
施加电压还可包括相对于与所述蚀刻剂接触的电极，向所述纳米级电子元件施加第一电压，由此引起所述膜的蚀刻；相对于与所述蚀刻剂接触的电极，向所述纳米级电子元件施加第二电压；在施加所述第二电压时，监测从所述蚀刻剂到所述纳米级电子元件的电流；检测从所述蚀刻剂到所述纳米级电子元件的电流的增加；以及当形成所述纳米孔时，移除所述第一电压和所述第二电压。所述第二电压在所述膜上引起小于0.1V/nm的电场。
在第三实施方案中，提供一种方法。在所述方法中，使包含生物聚合物的溶液流过含纳米孔的基板的膜的纳米孔。使用纳米级电子元件对所述溶液中的生物聚合物进行检测和/或测序。所述生物聚合物可以为核酸。可使用所述纳米级电子元件区分单链核酸和双链核酸。所述生物聚合物可被限制于所述纳米孔中，并且线性移动通过所述纳米级电子元件。可使所述溶液电泳驱动通过所述纳米孔。可同时监测通过所述纳米孔的离子电流和通过所述纳米级电子元件的电流。所述纳米级电子元件可以为借助于场效应检测所述生物聚合物的晶体管。
在第四实施方案中，提供一种装置。所述装置包括含纳米孔的基板和与所述含纳米孔的基板连接的生物聚合物检测和/或测序系统。数据记录系统可与所述生物聚合物检测和/或测序系统连接。
附图说明
为更充分理解本公开的性质和目的，参考与附图结合的以下详细说明，在附图中：
图1.与纳米管对齐的纳米孔装置制造的实施例。(1)在双面抛光高电阻硅(＞10kΩ-cm)基板上制备装置以使基板和装置之间电容耦合最小化。(2)在基板的两个侧面上生长16nm的高品质热氮化物。(3)使用等离子增强化学气相沉积(PECVD)在晶片的顶部上生长1.4μm的二氧化硅。(4)晶片由光致抗蚀剂图案化，并使用30∶1缓冲氧化物蚀刻(BOE)除去二氧化硅，这将抗蚀剂底切而留下逐渐倾斜的氧化物层(电极在所述氧化物层上蒸发)。(5)使用PECVD生长70nm氧化物。因为BOE蚀刻的表面往往粗糙，所以移除所述氧化物并使其重新生长以确保光滑的表面。(6)沉积5nm铬粘附层，之后沉积间隔20μm的25nm厚的铂电极对。该层还包含所有剩余层的对齐标记。(7)使用30∶1 BOE在电极对之间蚀刻4μm的窗。电介质厚度的这种差异稍后将确保纳米孔形成在该窗内发生，而不是在纳米管或电极下方的其它地方发生。(8)使用背侧对齐，在装置区域中的晶片的背面上将窗图案化，并且通过反应性离子蚀刻(RIT)(CHF3/O2)移除此处的氮化物。还蚀刻围绕装置的较大区域以限定稍后将成为TEM栅格的边缘。(9)使用30∶l BOE，在二氧化硅中打开TEM栅格区(最左侧)外的窗。(10)使用RIE(CHF3/O2)，从该窗中除去氮化物。(11)蒸发铜线以将铂电极连接到硅基板。这稍后将用于确保电极上的电荷积聚不破坏碳纳米管装置，特别是在利用扫描电子显微镜(SEM)成像期间。(12)铁催化剂颗粒以间隔100μm的5μm线的形式蒸发到Y切石英基板上。然后使用化学气相沉积(CVD)从甲烷中生长平行纳米管的阵列。(13)在纳米管上旋涂50nm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。(14)通过置于1M KOH中一小时将PMMA和纳米管与石英分离，然后将PMMA和纳米管移除并浸入水中。当浸入水中时，PMMA/纳米管从石英剥离并漂浮在表面上。(15)使用经初始图案化的基板，将PMMA/纳米管从水中舀出。装置用氮气枪干燥，然后在90℃下焙烧一分钟。(16)通过溶于丙酮中，然后用异丙醇(IPA)冲洗来移除PMMA。(17)使用氧等离子体，在除了装置区之外的每个位置处，将纳米管图案化并蚀刻掉。用丙酮和IPA除去抗蚀剂。将所述装置在225℃下焙烧30分钟以减少残余的聚合物残余物。此时，使用SEM将装置成像以确定在哪对电极之间具有单纳米管。(18)使用原子层沉积(ALD)沉积10nm的氧化铝，之后沉积15nm的二氧化硅。可在该层之前沉积2-3nm的氧化铪层或氧化钽层以潜在地减小稍后形成的纳米孔的尺寸。(19)在与铂电极最小重叠的情况下，在装置区上蒸发金顶栅。(20)(19)的装置示出TEM格栅的边缘。(21)使用30∶1 BOE并随后使用MIF726显影剂(稀释的TMAH)来移除ALD二氧化硅和氧化铝。(22)然后使用氯化铁(Transene CE 200)移除铜。(23)将5μm厚的聚合物基保护(Protek B3)层旋涂到表面上。(24)在其上蒸发80nm的金。然后在该种子层上电镀5μm的金。由于聚合物保护层可能在其中具有针孔，并且单个针孔将使得KOH在几分钟内底切整个氧化铝层，因此可添加该金层。(25)将装置置于20％氢氧化钾(KOH)中，以通过蚀刻硅基板而从装置的底部蚀刻开一个窗。这还将晶片分成数百个TEM格栅。(26)使用1165去除剂(N-甲基吡咯烷酮)移除聚合物层，从而剥离金层。使用氧等离子体清洁表面。(27)然后通过以下方法来蚀刻纳米孔：使100∶1(49％)HF在装置下方流动，同时相对于HF溶液向纳米管施加正电压，并且在金顶栅上周期性地扫描电压以确定纳米孔是否形成。当检测到电流时，关闭纳米管上的电压，并且用水冲洗去HF。(28)使用金蚀刻剂(碘化钾)移除金顶栅。然后在水中冲洗装置。水逐渐与甲醇交换并且干燥装置。(29)在顶部和底部放置微流体通道。所述通道由夹在丙烯酸夹持件之间的聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成，其中较大的流体通道使用CO2激光和热压结合形成。然后可将该装置附接到标准微流体管。
图2.与纳米管对齐的纳米孔装置制造的实施例。(1)所述装置在双面抛光的高电阻硅(＞10kΩ-cm)基板上制备，以使基板和装置之间的电容耦合最小化。(2)在基板的两侧上生长16nm的高品质热氮化物。(3)沉积5nm铬粘合剂层，之后沉积间隔为20μm的25nm厚的铂电极对。该层还包含全部剩余层的对齐标记。(4)使用背面对齐，在装置区中的晶片的背部上将窗图案化，并且通过反应性离子蚀刻(RIE)(CHF3/O2)移除该处的氮化物。(5)将装置置于20％氢氧化钾(KOH)中，以通过蚀刻硅基板而从装置的底部蚀刻开一个窗。(6)使用标准技术(例如，在Y切石英上生长，以PMMA涂覆，在KOH中剥离，机械转移，移除PMMA)，纳米管在表面上从催化剂生长，从一个电极生长至附近的电极，和/或从生长基板转移至装置基板。(7)在顶部和底部放置微流体通道。所述通道由夹在丙烯酸夹持件之间的聚二甲基硅烷(PDMS)制成，其中较大的流体通道使用CO2激光和热压粘结形成。然后可将该装置附接到标准微流体管。(8)纳米孔通过如下方式蚀刻：使100∶1(49％)HF在装置下方流动，同时相对于HF溶液对纳米管施加正电压。可使用反馈来辨别何时完成蚀刻。将溶液中的电极置于顶部微流体通道中。纳米管的顶部上可能需要额外的介电层(如氧化铝)以避免被纳米管电荷屏蔽。可周期性地扫描该顶部电极上的电压以确定是否已经形成纳米孔。当检测到电流时，关闭纳米管上的电压，并且用水冲洗掉HF。可在溶液中使用多种电极，但已经发现铜在下部溶液中并且金在上部溶液中表现良好。或者，可使用自限制过程，其中顶部溶液相对于底部溶液处于正压下，并且当孔形成时，压力迫使化学惰性液体(例如，去离子水)从顶部通道到底部通道，从而避免蚀刻剂进一步蚀刻孔。
图3.使用我们的制造方法与纳米孔对齐的碳纳米管生物聚合物传感器的实施例。(a)具有易位核酸的装置构造的示意图。(b)跨越约15nm直径的纳米孔的电连接的纳米管的透射电子显微镜(TEM)图像。
图4.电化学自对齐纳米孔形成的示意图。我们的自对齐湿法化学工艺将纳米孔定位到碳纳米管，并且避免纳米管损坏。施加于纳米管的正电压可吸引溶液中的负离子，并且使蚀刻速率局部增加大约100倍。
图5.纳米管/纳米孔生物聚合物测量的示意图。装置横截面(按比例)。在对核酸的基于场效应的测序的选择中，碳纳米管具有形状、尺寸和可靠性优点。
图6.用于纳米管对齐的纳米孔制造的微型制造TEM格栅装置。(a)微型制造的TEM格栅的光学图像，所述微型制造的TEM格栅具有26个电极对、金顶栅电极和中心偏右的薄窗区。(b)纳米孔形成之后的放大的膜。这是与图8中的装置相同的装置。所述膜由在16nm氮化物上的120nm二氧化硅组成；在“窗”区中，氧化物已被移除，仅留下氮化物。(c)与膜形成之前的与(b)相同的区域的SEM图像。接触电极的纳米管由于其与用于成像的电子相互作用而看起来明亮(并且宽)。
图7.用于产生纳米孔的装置构造的示例性示意图。向金顶栅和铂纳米管电极施加电压。使用电流前置放大器监测流动通过纳米管和通过HF溶液(进入铜电极中)的电流。施加和测量的电压的示例示于图9中。
图8.纳米孔产生期间的示例性电压和电流迹线。(a)用于蚀刻纳米孔的装置构造的横截面示意图。向金顶栅和连接至纳米管的铂电极施加电压。使用电流前置放大器监测流动通过纳米管和通过HF溶液(进入铜电极中)的电流。(b)蚀刻循环的阶段1，其中纳米管上的电压在大约0.25秒内上升至约6.5V。(c)在蚀刻循环的阶段2期间，向纳米管施加小电压。每大约15秒，顶栅上升至约-1.4V。增加的顶栅负电流响应显示纳米孔已经形成。(d)TEM图像显示与纳米管对齐的约10nm纳米孔。插图：光学图像，其示出纳米孔的存在是明显的。
图9.纳米孔的形成和检测。(a)将一系列电压斜升施加到纳米管以使氮化硅膜中的纳米孔与纳米管自对齐。使用顶栅电极的扫描来探测是否形成纳米孔。一旦纳米孔形成，可检测到从顶栅电极到HF溶液中的电极的电流。(b)在(a)中使用的装置的SEM图像。铂电极连接至跨越氮化物膜的等离子体变薄区域(较亮的圆)的纳米管。
图10.对纳米孔的形成的基于纳米管的检测。(a)为产生纳米孔，将正电压周期性地施加于纳米管，同时通过1GΩ电阻器(任选地)监测纳米管中的电流。(b)在这种情况下，在19分钟16秒之后，通过将负电压施加于纳米管时电流量级的增加来检测纳米孔的形成。(c)通过使0.25M KOH在膜下方流动，同时周期性地扫描施加于膜上方的KCl溶液的电压来移除纳米管上方的氧化铝电介质。一旦KOH蚀刻掉纳米孔上方的电介质，即检测到离子电流的量级的增加。(d)TEM图像揭示了在围绕纳米孔的区域(明亮区域)中，氧化铝已经被KOH蚀刻。(e)在(d)中明亮区域的中心处为由碳纳米管跨越的约20nm的纳米孔。
图11.通过纳米管FET的局部选通来检测纳米孔形成。(a)装置和FET选通的强度的示意图。(b)在纳米孔形成之前，随施加于顶部栅极和底部栅极(在此，底部栅极为离子溶液)的电压而变化的在10mV偏压下的半导体纳米管的离子电流(以log10(nA)计)。(c)在纳米孔形成之后，纳米管与底部溶液接触，这对纳米管FET进行强静电选通(约10mV/十进数(decade))。(d)所得的纳米孔和蚀刻到氮化物膜上方的氧化铝电介质中的周围“口袋”(较亮阴影)的TEM图像。
图12.装置图像。(a)如通过扫描电子显微镜(SEM)所成像，碳纳米管阵列跨越电极对之间的薄膜。(b)与约4nm直径纳米管对齐的约15nm纳米孔的透射电子显微镜(TEM)图像。
图13.减小纳米孔尺寸的一种方法是用选择性避免纳米管的材料(此处为氧化钽)涂覆膜表面，得到纳米管的任一侧上＜5nm的间隙。在纳米孔形成时，这些间隙应当限定小得多的纳米孔的边缘。
图14.相对于膜下方的溶液向上述溶液施加电压驱动离子和核酸通过纳米孔。施加于纳米管的任一侧的独立电压(未示出)可用于驱动电流通过纳米管。该电流将取决于离子和核酸与纳米管的邻近度而变化。
图15.核酸易位测量设置。将电压施加于纳米管的一侧，并且在另一侧测量电流。将电压施加于装置下方微流体通道中的包含核酸的离子溶液，并且在装置上方的微流体通道处测量流过纳米孔的电流。使用额外的电压供应使得溶液电位(顶部和底部)相对于纳米管变化。
图16.核酸感测电路。基于纳米管或离子电流的核酸感测的电路图。指示了电极/电解质(el)、跨阻放大器反馈(f)、硅晶片(Si)的电阻器和寄生电容。
图17.易位通过纳米孔的单链DNA(ssDNA(dA30))中30个连续腺嘌呤(dA)核苷酸的离子检测。(a)在负偏压下，没有核酸在纳米孔易位。(b)当偏压为正时，通过电泳将核酸驱动通过纳米孔，因为其部分阻塞纳米孔，所以暂时减小电流。(c)来自(b)的前八个DNA易位事件的放大视图。
图18.由30个连续胞嘧啶(dC)或腺嘌呤(dA)核苷酸组成的ssDNA的易位事件的电流分布和持续时间。直方图示出了虽然dC和dA事件持续时间非常相似，但阻塞深度的分布显著不同。具有约1ms持续时间的第二批dA事件可能是未从先前测量中完全冲洗掉的3kbpDNA。
图19.纳米管速度和灵敏度测试。(a)相邻电介质中的单电子波动被检测为纳米管电流的二进制变化。(b)纳米管(和放大电子设备)在小于一微秒内响应这些电荷波动，其中信噪比为40。
图20.纳米管DNA易位测量。(a)纳米管电导率。在52个核苷酸的ssDNA易位通过纳米管时，检测到纳米管的电导率的下降。(b)来自(a)的短时间段示出一个约70μs的易位事件。(c)平均20个反向绘制的此类事件(黑色)，表明DNA序列信息可能存在。作为比较，以红色绘制的是易位DNA的已知DNA序列，其中较大的值表示腺嘌呤(A)，并且较小的值表示胞嘧啶(C)。
图21.电压辅助蚀刻的原理论证研究。(a)氮化硅膜的示意图，其中电极和纳米管网络在膜上方，并且热磷酸在膜下方。相对于接地溶液，向两个电极施加电压。(b)在转移到氮化物膜之前，从Y切石英上的图案化催化剂线生长的对齐碳纳米管的SEM图像。催化剂线以间隔50μm的行的形式图案化，并且纳米管足够长，使得纳米管形成连续网络。
图22.电压辅助蚀刻的时间序列。(a-d)在110℃下磷酸蚀刻期间，氮化物膜的光学图像。由于薄膜干涉，可光学监测蚀刻深度。细竖直线为在纳米管下方的蚀刻区域；宽水平线为在催化剂线下方的蚀刻。施加于纳米管的电压从左到右从约25V减小至约8V。蚀刻速率是电压和时间依赖性的，其中最深的蚀刻位置随时间推移向右移动(黑点)。最深位置中的蚀刻速率为3nm/分钟，是远离纳米管处的蚀刻速率的3倍以上。(e)在完成蚀刻之后(即，在一些位置中穿透膜)，将其干燥并且使用AFM在位置a-c中从底部成像(参见图23)。
图23.电压依赖性蚀刻曲线。(a-c)来自图22的氮化物膜的经蚀刻的底面的AFM高度图像。虚线指示纳米管位置。在每个图像上示出横跨每个图像顶部的水平线切口。(a)在低电压下，直接在纳米管下方增强蚀刻。(b)在中等范围电压下，在纳米管附近的蚀刻相对平坦。(c)在高电压下，邻近纳米管的区域比纳米管下方的区域更快蚀刻。
图24.表征电压辅助蚀刻的膜。(a)在20VAC的交流电压下在热磷酸中蚀刻约43分钟之后的氮化硅膜的光学图像。在较高分辨率下成像的位置用方形标记。(b)示出在纳米管位置附近的蚀刻增强的AFM图像。(c)与(b)中所示相同区域的TEM图像。(d)居中位于纳米管位置处的80nm深的沟槽。白色的覆盖区是横跨整个图像的线平均。(e)TEM揭示蚀刻沟槽由一系列蚀刻凹坑组成。
图25.示出氮化物膜的TEM图像，所述氮化物膜已经在靠近垂直碳纳米管网格(不可见)的区域中局部变薄。在纳米管相交的位置处，图像看起来更亮，说明在这些交点处的膜的蚀刻已经增强。
具体实施方式
尽管要求保护的主题将根据某些实施方案来描述，但是包括不提供本文所述的全部有益效果和特征的实施方案在内的其它实施方案也在本公开的范围内。可在不背离本公开范围的情况下进行各种结构、逻辑、工艺步骤和电子改变。因此，本公开的范围仅参考所附权利要求来限定。
本公开提供含纳米孔的基板，其具有与基板的纳米孔对齐的纳米级电子元件。还提供制备和使用此类基板的方法和带有生物聚合物检测和/或测序系统的使用此类基板的装置。
本公开提供许多独特的特征。纳米孔使用化学方法制造，使得其比基于电子束或离子束的方法更具工业可扩展性，并且避免了后者方法所常见的对邻近纳米结构的损坏。纳米孔以与导电纳米级电子元件自对齐的方式制造，在这种情况下，所述纳米级电子元件可以为碳纳米管。将纳米孔制造成与导电纳米级电子元件基本上垂直(例如，垂直)。可通过使用外加电压以局部增强化学蚀刻，从而使纳米孔与纳米级电子元件确保对齐。可使用低于介质击穿所需的电场，因此避免了在其他情况中常见的对敏感的纳米级电子元件的损坏。
通过相对于溶液电位对附近的导电材料施加电压来局部增强电介质的蚀刻。在蚀刻纳米孔的过程中可使用电反馈，当纳米孔具有例如1-15nm的直径时，停止纳米孔形成。纳米孔的尺寸可以是自限的。例如，预期在纳米孔形成时通过迫使蚀刻剂溶液远离所述纳米孔，可使用气体或液体的背压来自限纳米孔的尺寸。
蚀刻可指使用蚀刻化学物质移除材料的减成法。在一种情况下，在不存在任何外加电压的情况下，在用于纳米孔蚀刻的条件下，蚀刻剂以至少2nm/小时的速率蚀刻膜。
将通过电介质(例如氧化铝)与纳米管分隔的辅助电极(顶栅)用于蚀刻检测，从而降低蚀刻剂蚀刻纳米级电子元件(例如，碳纳米管)的可能性。纳米级电子元件也可用于该目的，但可能易受蚀刻剂攻击，并且可能具有较差的检测特性(例如，较低的信噪比、较低的电化学活性等)。
将“检测电极”与纳米级电子元件和纳米孔分隔的电介质可由蚀刻剂(以高速率)蚀刻，从而允许在纳米孔蚀刻期间与纳米级电子元件分离，但一旦纳米孔被蚀穿就快速移除，从而允许快速检测纳米孔的形成。还可使用离子溶液(和电化学活性电极)代替检测电极。
这种纳米孔制造方法以及反馈也可适用于其它系统，诸如将单个纳米孔定位在2d电极(如石墨烯)的下方，可随后蚀刻所述电极以形成具有纳米孔的一个原子厚的导电元件，其中生物聚合物可易位通过所述纳米孔。预期这提供了相对于现有方法显著减小的电容，并且涉及在无电子束或离子束的情况下形成纳米孔。
与纳米孔对齐的纳米管可从背侧蚀刻穿过纳米孔，以形成隧道结，预期所述隧道结提供对单个核苷酸的增加的灵敏度。
与纳米孔对齐的纳米管可通过流过纳米孔的化学物质官能化以添加具有增强的灵敏度和/或选择性的化学基团，以便例如区分核苷酸。
在纳米孔形成之后，可在纳米管位于基板上的位置处选择性涂覆所述纳米管(例如，通过原子层沉积)，使得纳米管仅在纳米孔处暴露于溶液。另选地，可涂覆整个纳米管和纳米孔，然后纳米孔从底部重新开口，使得纳米管仅在纳米孔处暴露于溶液(例如，用氧化铝涂覆，然后在纳米孔下方使用稀碱以将氧化铝中的纳米孔重新开口，同时使得氧化铝涂层的剩余部分完整)。
在一方面，本公开提供具有膜的基板，所述膜包括至少一个纳米孔，其中一个或多个纳米级电子元件与所述纳米孔对齐。纳米级电子元件可设置在含纳米孔的膜上或膜中。因此，纳米级电子元件可完全或部分地嵌入所述膜中，或可定位在所述膜的表面上。在一个实施方案中，纳米孔已经与以阵列形式布置的纳米级电子元件对齐。纳米孔可被构造成在膜的相对侧之间提供流体连通。纳米孔也可与基板中的孔流体连通。基板中的孔可具有与纳米孔相同的直径或不同的直径。
基板由膜形成或包括膜。所述膜可以为介电材料、半导体材料或半金属材料的层。所述膜还可以为导体。所述膜包括一个或多个纳米孔，其中纳米级电子元件与纳米孔对齐。例如，由介电材料制成的膜可具有1至100个之间的纳米孔。
基板具有在电介质(和相邻材料)的任一侧上具有空间的区域，所述空间可被液体占据，使得所述区域中的电介质包括膜。例如，此类膜可具有100nm2至10cm2的面积，包括精确至nm2的所有值和其间的范围。例如，膜可具有2500nm2至1cm2的面积。在一个实施方案中，纳米孔是其中膜上方和下方的溶液彼此物理接触和/或交换材料或离子的唯一区域。
可使用诸如氮化硅、氧化铝(氧化铝)、氧化铪、氧化钽、二氧化硅、氮化硼的介电材料，或诸如石墨烯、金属二硫属化物等的其它半导体材料或2d材料作为含纳米孔的膜。可使用诸如金属二硫属化物、石墨烯、硅、锗、砷化镓等的半导体或半金属材料作为含纳米孔的膜。例如，所述膜可具有0.3nm至1,000nm的厚度，包括精确至nm的所有值和其间的范围。在一种情况下，膜具有0.3nm至500nm的厚度。例如，基板和/或膜可具有100nm2至900cm2的尺寸，包括精确至nm2的所有值和其间的范围。在一种情况下，基板和/或膜具有2500nm2至900cm2的尺寸。在另一种情况下，基板和/或膜具有1m2或更大的尺寸。
适宜的基板是本领域已知的。适宜的基板的示例包括但不限于，用于半导体/微电子制造工艺的晶片。例如，基板可以为其上沉积介电材料层的硅(例如，高电阻(＞10kΩ·cm)硅)。典型的晶片为0.1-1mm厚，并且是直径为25-450mm(包括精确至mm的所有值和其间的范围)的圆形。其它适宜的基板可包括诸如石英、熔融二氧化硅、蓝宝石的绝缘基板，或诸如掺杂或未掺杂的硅、砷化镓、碳化硅等的半导体基板。
纳米级电子元件与基板的纳米孔对齐。纳米级电子元件是导电的。纳米级电子元件的至少一部分与电路和/或纳米孔区域电接触。在一个实施方案中，所有纳米级电子元件均与纳米孔电接触。纳米级电子元件的至少一部分可与纳米孔物理接触。
纳米级电子元件可由诸如以下的材料形成：碳纳米管、石墨烯(例如，具有5-500nm的宽度和1个或更多个原子层厚度的石墨烯纳米带)、金属或半导体纳米线(例如具有5-500nm直径的银、金、铂、石墨烯、硅、或锗纳米线)、厚度小于20nm的金属或半导体电极(例如，一个维度为微米级并且一个维度为nm级的0.3-5.0nm的ALD沉积的或气相沉积的金属)、或两个电极之间的间隙。纳米级电子元件可以为或用作例如场效应晶体管或隧道结。纳米级电子元件的阵列可包括多于一种的这些示例性材料。
根据静电环境和/或材料性质，纳米级电子元件可导电或可使纳米级电子元件导电。纳米级电子元件中的至少一个能够导电。在一个实施例中，所有纳米级电子元件都能够导电。该纳米级电子元件可以为导体、半导体或绝缘体。
纳米级电子元件与周围结构就如下中的至少一个方面不同：形状、材料组成、电导率或化学结合。例如，纳米级电子元件与膜就这些性质中的至少一个不同。
纳米级电子元件可以为碳纳米管。例如，纳米管具有50nm至5mm的长度，包括精确至nm的所有值和其间的范围。在一种情况下，纳米管具有200nm至100μm的长度。纳米管可具有0.7nm至5nm的直径，包括精确至nm的所有值和其间的范围。例如，纳米管以阵列的形式存在，所述阵列包括至少1个纳米管或1至1000个纳米管(包括其间的所有值和范围)，并具有1个/50nm至1个/1mm或1个/50nm至1个/100μm的密度。在一个实施方案中，每个纳米孔具有对齐的纳米级电子元件(例如，碳纳米管)。纳米级电子元件(例如，碳纳米管)与纳米孔的比率为至少1∶1。在一个实施方案中，没有纳米级电子元件与多于一个纳米孔对齐。
纳米孔与其对齐的纳米级结构可以为两个电极之间的间隙。例如，两者间具有0.3-100nm间隙的一对金属电极(例如，断裂结、光刻限定的间隙、或由绝缘体分开的堆叠的导电层)可以在膜上，其中纳米孔基本上垂直于所述间隙，并与所述间隙自对齐。纳米孔可在间隙附近形成或可在间隙处形成，使得纳米孔跨越两个电极之间的空间，并且具有垂直于间隙的取向。因此，该几何形状限定了与隧道结对齐的纳米孔，例如，生物聚合物可通过所述纳米孔以用于连续隧穿电流测量，所述连续隧穿电流测量在生物聚合物穿过纳米孔时通过所述生物聚合物进行。
纳米级电子元件可暴露于平均加速电压小于1kV的电子束或离子束。因此，任何纳米级电子元件可不暴露于平均加速电压大于1kV的电子束或离子束。在一个实施例中，纳米级电子元件不暴露于电子束或离子束。平均加速电压大于1kV的电子束或离子束可造成对纳米级电极元件的损坏。
基板的暴露表面具有纳米孔。纳米孔中的一个或多个使至少一个纳米级电子元件(例如，碳纳米管)与所述纳米孔对齐。所谓对齐是指纳米级电子元件的边缘和纳米孔的边缘之间的最短距离小于50nm。例如，纳米级电子元件的边缘和纳米孔的边缘之间的最短距离小于10nm或小于1nm。在一种情况下，纳米级电子元件在纳米孔边缘的0-2nm之内。然而，可存在其中纳米级电子元件在纳米孔边缘的100nm之内的情况(例如，检测附接到DNA的大标记或蛋白质，其中所述大标记阻碍离子电流，这继而改变纳米孔周围的介电(液体)环境)。当沿纳米孔轴线从投影观察对齐的纳米级电子元件和纳米孔时，纳米管的至少一个边缘可与纳米孔的一个边缘相交。例如，图3中的纳米管和纳米孔对齐。纳米级电子元件可垂直于通过膜的纳米孔的轴线定位。纳米级元件还可平行于限定围绕纳米孔的膜表面的平面的法向矢量定位。例如，参见图3-5。
具有多个纳米孔的膜可包括与多于25％的纳米孔、多于50％的纳米孔、多于75％的纳米孔、多于90％的纳米孔、多于95％的纳米孔或100％的纳米孔对齐的纳米级电子元件。当然，具有多个纳米孔的膜还可具有其它百分比的纳米级电子元件与其对齐的纳米孔。例如，纳米级电子元件可仅与膜中的多个纳米孔中的一个对齐。
纳米孔的形状可变化。纳米孔可以为圆形、卵形、正方形、矩形、多边形或其它形状。纳米孔的形状还可以为不规则的。例如，纳米孔可具有0.3nm至1,000nm或0.3nm至50nm的深度，包括精确至nm的所有值和其间的范围。例如，纳米孔可具有1nm至50nm的宽度尺寸(诸如，直径)，包括精确至nm的所有值和其间的范围。例如，宽度尺寸可以为1nm至20nm。
纳米级电子元件的垂直于流过该纳米级电子元件的电流方向的尺寸可不超过20nm。在一种情况下，纳米级电子元件的垂直于流过该纳米级电子元件的电流方向的尺寸可不超过10nm。
在一个实施方案中，将纳米级电子元件的表面化学改性。例如，纳米级电子元件的表面具有在电极表面的至少一部分上的一个或多个官能团，诸如羰基基团、羟基基团、胺基基团、硫醇基团、单核苷酸、核苷酸序列、氨基酸、多肽、蛋白质等。预期可通过如下方式进行灵敏度改进：通过官能化，或通过蚀刻掉纳米孔处的纳米管以留下纳米管隧道结，从而将纳米孔处的纳米管局部化学改性。这种局部化学改性可通过例如如下方式来实现：使化学物质、气体和/或等离子体从膜的与包含纳米管的侧面相对的侧面流过纳米孔。
在一个方面，本发明提供制备含纳米孔的膜的方法。通过使用施加于膜表面上的纳米管的电压(正电压或负电压)来吸引蚀刻剂中的离子(对应于化学反应的限速步骤，以局部增加纳米管下方的反应速率)，从而制备与纳米管自对齐的纳米孔。例如，参见图4中的例示。在各种实施方案中，所述方法包括图1所述的步骤，由图1所述的步骤组成，或基本上由图1所述的步骤组成。在各种实施方案中，所述方法包括图2所述的步骤，由图2所述的步骤组成，或基本上由图2所述的步骤组成。
图4示出其中相对于电接地蚀刻剂溶液，向纳米级电子元件(在此为碳纳米管)施加电压的实施例。施加的正电压将溶液中的负离子吸引到纳米管。在这些负离子参与化学反应的限速步骤的情况下，纳米管下方的蚀刻速率增加。
相对于不存在外加电压的蚀刻过程，电压可增强或阻碍蚀刻过程。在一个实施方案中，选择电压使得(就给定的膜厚度而言)其足够高以将负离子(参与反应限速步骤)吸引到纳米管，从而增强从纳米管直接穿过膜的蚀刻。如果电压太高，则负离子可能阻挡正离子(这通常不是限速的，但仍然是必需的)，并且在远离纳米管设定距离的蚀刻速率增加。
可在蚀刻期间向膜一侧上的溶液施加正压。例如，相对于膜的一侧，可向所述膜的相对侧上的流体施加压力。在纳米孔蚀刻穿过膜之后，流体流过纳米孔。流体可基本上不蚀刻膜并减少或停止膜的蚀刻。流体还可停止或减小纳米孔直径或其它宽度尺寸增加的速率。
以下是制备本公开的含纳米孔的基板的方法的一个实施例。将电接触的碳纳米管放置在薄膜(其可以为氮化硅)上，然后将其涂覆于氧化铝中，在所述氧化铝上方沉积金属栅极。通过将稀氢氟酸(HF)或磷酸置于氮化物膜下面，并向纳米管施加电压，可在纳米管下方局部极大地增加酸蚀刻氮化硅的速率，使得纳米孔在氮化硅中生长，所述纳米孔与纳米管对齐。通过测量从顶栅电极流到酸中电极的电流，可以检测纳米孔的形成，并且蚀刻在纳米孔扩大之前和第二纳米孔可能形成之前停止(通过关闭电压和冲洗掉酸)。这产生直径可以为1-15nm(或更大，如果需要)并且与纳米管对齐的单个纳米孔。
可以通过向检测电极施加第二电压并监测流向所述检测电极或从所述检测电极流出的电流来检测纳米孔的形成。检测电极与纳米级电子元件分离并定位于蚀刻剂的外部。检测电极可以由金属制成，并且可以定位于膜的与蚀刻剂相对的一侧上。例如，可以使用检测电极向膜的与蚀刻剂相对的一侧上的溶液施加电压。检测电极可以通过电介质或半导体与纳米级电子元件电绝缘。也可以使用其它检测技术，诸如使用通过离子检测或基于FET的检测的纳米级电子元件。
在一个实施方案中，用于制备膜的方法包括：a)在基板上形成包括多个纳米级电子元件(例如，碳纳米管)的阵列，其中所述纳米级电子元件为电接触；和b)在蚀刻剂的存在下将电压施加于纳米级电子元件阵列(例如，碳纳米管阵列)，从而形成具有对齐的纳米管的纳米孔。
可使用保护层以使易受伤害的装置元件免受化学过程(例如，氢氧化钾蚀刻，其用于从背部蚀刻硅晶片以暴露膜)的损害。保护层基本上不含针孔缺陷。所谓基本上不含针孔缺陷是指在保护层中检测不到针孔缺陷。针孔缺陷可通过例如在用KOH蚀刻，然后移除保护层之后光学观察表面来检测。在存在针孔的位置处，氧化铝、二氧化硅和/或钛将被蚀刻，从而改变厚度并因此改变颜色。保护层可由聚合物层(如Protek B3)和/或金属层(如电镀金)组成。
纳米级电子元件(例如，碳纳米管)与基板的表面接触。纳米级电子元件可以以预定图案布置在基板上。该图案可以为例如阵列。
在一个实施方案中，作为纳米级电子元件的纳米管被布置成使得至少两个纳米管彼此接触(例如，至少两个纳米管的最长轴基本上为90度角)，并且邻近接触点的蚀刻增强。
在一个实施方案中，在电极和基板(例如，硅基板)的表面之间形成临时互联，以避免纳米管电荷积聚和/或电压/电流尖峰。
当将选定的电压施加于纳米级电子元件(例如，碳纳米管)时，蚀刻剂(其可以为化学蚀刻剂)优先蚀刻邻近纳米级电子元件(例如，碳纳米管)的基板。适宜的蚀刻剂的示例包括磷酸、氢氟酸、氢氧化钾、四甲基氢氧化铵、其它含离子的蚀刻剂、酸和碱。这些蚀刻剂的适用性将取决于使用的膜材料(例如，就氮化硅而言，氢氟酸为适宜的蚀刻剂)。蚀刻工艺和构造的示例性示意图示于图4和7中。在施加电压以引起纳米孔的蚀刻之前，纳米级电子元件和蚀刻剂之间的空间可被膜的一部分占据。在对纳米级电子元件施加电压以引起纳米孔的蚀刻的同时，蚀刻剂还可接触纳米级电子元件。
施加于纳米级电子元件的电压可以各种方式施加。例如，电压以脉冲形式施加，施加稳定电压或两者的组合。例如，使用16nm厚的氮化硅膜和100∶1 HF作为蚀刻剂，施加于纳米管的电压(相对于蚀刻剂)可在0.2s内从0.2V上升至10V并返回至0.2V，然后在0.2V的恒定电压下保持5分钟，然后重复，直至纳米孔形成。还可使用较低电压，但对于给定的参数组(例如，膜厚度、蚀刻剂类型、浓度)，蚀刻常常花费更长时间。例如使用4V，如图8所示。还可使用较低电场(例如，约10mV/nm，如实施例2)。电压还可为脉冲电压、斜坡电压、恒定电压或它们的组合。可选择外加电压的符号和/或量级以最小化对纳米级电子元件的损害(例如，电化学攻击)、增加蚀刻速率、和/或增强电子检测(例如，基于纳米级电子元件和/或独立的检测电极的电化学活性(如图6所示)，和/或与蚀刻剂接触的独立电极的电化学活性)。可施加较大电压以使膜变薄，之后施加较小电压以在变薄的膜中形成纳米孔。形成纳米孔的电压可具有与用于检测纳米孔的形成的电压相反的符号。使用较低电压或较低电场的其它纳米孔形成和检测技术也是可能的。一般来讲，对于约15nm的膜厚度和100∶1 HF浓度的蚀刻剂，“蚀刻脉冲”可以为1毫秒至5秒，并且可具有6-10V的最大电压。“恒定电压”可以为0-0.5V。更高或更低的电压是可能的。电场可以为1mV/nm至5V/nm。时间、厚度、浓度、化学反应性和电压可以相关，并且可基于使对齐和单孔形成的可靠性最大化来选择或优化。
在一个实施方案中，使用电反馈来监测纳米孔形成。对于小纳米孔，使用电反馈可能是有利的。例如，可使用电反馈制备具有1nm至20nm(包括精确至nm的所有值和其间的范围)的直径的纳米孔。典型的程序如下。将电压施加于顶栅电极，在0.4秒内从0V上升至-1.4V至0V，然后等待15秒，然后重复，同时监测在顶栅和蚀刻剂溶液之间流动的电流以确定纳米孔是否形成。另一实施例示于图8中。可施加其它电压达其它时间长度。例如，电压的量级可以在1mV至10V的范围内，但较低量级的电压和负电压(相对于溶液施加于纳米级电极或检测电极)可将对电极的损害最小化。这些电压可施加较长或较短的时间。例如，它们可施加1毫秒至5秒，但较长的时间段也是可能的。
在一种情况下，可使用反馈来停止纳米孔的蚀刻。所述反馈可以为例如光学或电的。光学反馈可基于下列中的至少一种：膜的与蚀刻剂相对的侧面的可见蚀刻；在纳米孔位置处的可见的流体积聚或结晶形成；和/或通过纳米孔的形成或者荧光染料与所述纳米级电子元件、蚀刻剂和/或由于所述纳米孔的蚀刻而与所述荧光染料接触的材料的相互作用而激活的荧光。电反馈可基于下列中的至少一种：从膜的一侧到膜的相对侧的电流的改变；通过纳米级电子元件的电流和/或电导率的改变(例如，由于场效应的改变)；和/或在纳米级电子元件和与蚀刻剂接触的电极之间流动的电流的改变。
当电流的量级超过阈值时，当电流或电流相对于时间的导数的改变速率超过阈值时，或当随施加到检测电极和/或与蚀刻剂接触的电极的电压而变化的穿过所述纳米级电子元件的电流曲线的形状改变时，可停止蚀刻。例如，在一种或多种外加电压下，初始测量的电流和最终测量的电流的均方根差可能超过阈值，例如当纳米级电子元件的选通特性和/或电容改变时。该检测模式的实施例参见图10。还可在指定时间之后停止蚀刻。可通过用化学反应性低于蚀刻剂的流体替换蚀刻剂和/或改变施加于纳米级电子元件的电压来停止蚀刻。还可通过改变外加电压(通过增加、减小(例如减小至零)、改变其符号)，或通过停止一系列外加电压来停止蚀刻。
在纳米孔蚀刻期间，可监测在膜的任一侧上的两个电极之间流动的电流以确定纳米孔形成的时间和/或其尺寸。这可在纳米级电子元件上方沉积介电材料的涂层，之后使用图案化到装置基板上的金属顶栅来实现(其实施例示于图6中)，或者通过使用含离子溶液中的电化学活性电极来实现(同样，介电层涂覆纳米级电子元件)。使用电化学活性的电极材料。例如，可使用HF中的铜电极和在膜的纳米管侧上的金电极。作为另一例子，可使用HF中的铜电极，与在膜的纳米管侧上的氯化钾溶液中的氯化银电极。为了测定纳米孔的尺寸，可通过比较蚀刻停止时测量的电导率与观察到的纳米孔尺寸(例如，使用透射电子显微镜)来校准所述方法。
可选择蚀刻期间施加的电压的量级和/或符号，以增加邻近纳米级电子元件的膜的蚀刻速率。例如，可选择电压的符号和/或量级以局部改变膜的表面电荷密度和/或蚀刻剂中阳离子和/或阴离子的浓度。还可选择电压的符号和/或量级以克服化学蚀刻反应的限速步骤。还可选择电压的符号和/或量级以朝纳米级电子元件方向吸引参与限速步骤的离子。在一些情况中，由于更复杂的蚀刻机制，蚀刻速率随增加的电压非单调地增加。在此类情况中，在将蚀刻速率表征为外加电压的函数之后，可选择电压以优化蚀刻速率。
还可通过增加蚀刻剂的浓度和/或温度来增强蚀刻。
氮化硅膜中的示例性纳米孔蚀刻将在室温下，使用浓度为0.05-2％的氢氟酸(HF)进行，其中0.2％左右的较低浓度提供最大可靠性。取决于工艺参数，蚀刻可进行1秒至90分钟的任何时间。出于可靠性的目的，可优选产生30分钟蚀刻的参数。就16nm厚的氮化硅膜而言，典型的参数将为0.2％HF，对纳米管施加0.2秒6-10V脉冲，在0至0.5V下间隔2至8分钟，在顶栅上的-(1至1.6)V脉冲，以测试是否形成纳米孔。如果使用不同膜厚度或材料，和/或如果改变纳米管与顶栅电极之间的介电层的厚度，则可调节这些参数。通常，该介电层为10nm至460nm，包括精确至nm的所有值和其间的范围。
蚀刻可以被定位。因此，可形成仅单个纳米孔，或纳米孔可仅在被施加电压的纳米级电子元件处形成。蚀刻过程可在比介质击穿所需的那些电压更低的电压之间变化。蚀刻可对电压具有非单调性依赖。例如，在25V下，在110℃下使用磷酸作为340nm厚氮化硅膜的蚀刻剂，定位不发生，但在12V下，定位发生，如实施例2中所述。就介质击穿而言，电压越大，击穿越大。就磷酸体系而言，在低温下不发生定位，这表明蚀刻剂物质的反应性影响定位。介质击穿可被控制、被最小化或不发生。
定位蚀刻的一种可能的机制是一旦纳米孔开始在膜中形成，随着膜变薄，其以加速的速度蚀刻。因此，蚀刻的第一区域在其它区域之前产生纳米孔。定位蚀刻的其它机制是可能的。
也可以在膜中形成多个纳米孔。每个纳米孔可与不同的纳米级电子元件对齐。可监测每个纳米级电子元件的电反馈。这可使用独立的检测电极、通过纳米级电子元件的电流和/或纳米级电子元件和蚀刻剂之间的电流。蚀刻可通过改变施加于多个纳米级电子元件中的一个的电压在单个纳米孔处停止，或通过自限制方法，例如使用惰性流体来停止，所述惰性流体被跨膜压差迫使通过任何形成的纳米孔。
为进一步减小纳米孔的尺寸和其定位到纳米级电子元件的精度，预期用选择性涂覆膜材料而不是纳米级电子元件的薄材料涂覆表面，将能够形成直径为1-5nm的纳米孔。例如，就氮化硅膜上的碳纳米管而言，可使用原子层沉积来沉积0.5-5nm的氧化钽，所述氧化钽选择性涂覆氮化硅，但在这些厚度下不涂覆碳纳米管，从而在纳米管的任一侧上留下间隙，如图13所示。在纳米孔蚀刻期间，因为氧化钽比氮化硅反应性低，所以间隙限定邻近纳米管的更薄的纳米孔。
在纳米孔的蚀刻期间，沿设置在膜上或设置在膜中的纳米级电子元件的任何区域与蚀刻剂之间的最短距离的平均电场可以小于0.1V/nm。
在蚀刻期间，可以最小化或消除对纳米级电子元件的损害。可将损害定义为下列中的一种或多种：纳米级电子元件的电导率的不可逆降低、测量为给定电压下的纳米级电子元件电流的时间变化的电噪音增加(例如，电流噪音的功率谱密度)、纳米级电子元件的结构和/或化学键的变化、或其它损害指标。
在一种情况下，以特定方式施加电压。相对于与蚀刻剂接触的电极，对纳米级电子元件施加第一电压，从而引起膜的蚀刻。相对于与蚀刻剂接触的电极，对纳米级电子元件施加第二电压。所述第二电压在整个膜上引发小于0.1V/nm的电场。可依次重复这些电压。在施加第二电压的同时监测从蚀刻剂到纳米级电子元件的电流。检测从蚀刻剂到纳米级电子元件的电流的增加。然后当纳米孔形成时，移除第一电压和第二电压。
在一方面，本公开提供了使用含纳米孔的膜的方法。例如，含纳米孔的膜可用于对生物聚合物进行检测和/或测序。生物聚合物可以为例如核酸(例如DNA或RNA)、其它聚合物(例如多肽、蛋白质等)、附接到核酸的传感分子，或其它聚合物(例如附接到单链核酸的短双链片段、附接到核酸的蛋白质或其它表观遗传信息、标记等)。含纳米孔的膜可用于高速低成本测序和医学或生物学诊断(例如，使用核酸“条形码”来鉴定微生物基因组)。
核酸是指多个核苷酸。这可以为例如DNA或RNA。核酸可以为天然的或非天然的。核酸可以为单链或双链的。核酸可以为约1,000-50,000bpr长。已经检测到短至11个核苷酸的DNA。
含纳米孔的膜可用于检测生物聚合物和/或对生物聚合物(如DNA)进行测序。在纳米孔与纳米级电子元件对齐的情况下，标记或单体单元(例如，DNA中的核苷酸)的检测可通过场效应根据其与纳米级电子元件的接近度和/或线性电荷密度来进行，其中纳米级电子元件的电导率根据其相邻电荷或电介质环境的改变而变化。基于场效应的生物聚合物检测模式独立于电泳生物聚合物驱动机制。在该检测模式中，相对于一侧上的溶液，施加于含纳米孔膜的另一侧上的离子溶液的电压驱动生物聚合物穿过纳米孔。跨膜压力差也可用于驱动流体和/或生物聚合物穿过纳米孔。同时并且独立地，将第二电压施加于对齐的纳米级电子元件(例如，碳纳米管)的一侧，并且监测通过纳米级电子元件的电流。预期可将单链核酸和双链核酸彼此区分。在检测核酸和/或测序核酸的方法中，可同时产生并监测通过纳米孔的离子电流和通过纳米级电子元件的电流。因此，预期这两种方法可用于同时对核酸进行检测和/或测序。图14中示出在纳米级电子元件测量核酸时，离子和核酸被驱动通过纳米孔并被检测的示意图。图15示出用于驱动和检测的电子设备的一种可能构造的另一实施例。可包括生物聚合物检测和/或测序系统，其可具有电源或控制器。控制器可包括处理器、与处理器电子通信的电子存储设备、以及与处理器电子通信的通信端口。处理器可接收(例如通过电子连接)来自纳米级电子元件、与纳米级电子元件电接触的电路、和/或基板的读数。使用这些读数，处理器可被构造成对生物聚合物(例如核酸)进行检测和/或测序。数据记录系统可与生物聚合物检测和/或测序系统电连接。数据记录系统可包括存储器并且可以为控制器的一部分或与控制器分离。
预期本公开提供比现存的方法更便宜且更快的对生物聚合物进行测序的方法，其潜在地不需要扩增或标记生物聚合物，并且潜在地具有比那些目前可获得的方法更长的读取长度。避免对扩增或标记的需要节约了时间和资源。获得更长的读取长度使得能够对重复序列的长片段进行测序，这是将生物聚合物分解成短片段然后统计学重构的方法难以获得或不可能获得的。此外，与基于跨膜离子电流的测序相比(其中由于流过分离两个液体的单个膜中的独立纳米孔的电流所产生的信号不易于区分)，场效应读数对每个微流体通道的纳米孔数(并且因此，测序元件)基本没有限制，流体通过所述微流体通道流向纳米孔或从纳米孔流出。
本公开的生物聚合物检测/测序的方法提供多个独特的特征。使用碳纳米管或其它纳米级电子元件对生物聚合物(例如核酸)进行检测和/或测序。纳米孔限制生物聚合物在垂直于纳米管或其它纳米级电子元件的方向上，紧邻纳米管或其它纳米级电子元件，线性移动通过纳米管或其它纳米级电子元件。例如，纳米管的直径可以＜1nm，DNA间距为0.34nm。通过对来自具有相似易位速率的一些生物聚合物易位事件的数据进行平均，获得已知核苷酸序列和测量的纳米管电流之间的相关性。预期可随后基于该相关性/校准来对具有未知序列的生物聚合物进行测序。与基于离子电流的测量相比，由于显著减小的电容和高迁移电导率，纳米管测量可以＞10MHz的带宽进行。
通过跨膜电压控制的生物聚合物易位的速度(并且因此每个核苷酸的数据点数)几乎完全脱离检测机制。基于离子电流的检测的一个限制在于信号随增加的跨膜电压增加，但是也增加易位速率，这减少了每个核苷酸的数据点数并且消除了信号大小的增加。
装置灵敏度可通过改变相对于纳米管的离子溶液电压来调节，这调节其费米能级并因此调节其跨导，预期相对于溶液施加于纳米管的电压影响生物聚合物易位速率和/或在易位期间生物聚合物相对于纳米管的邻近度和/或取向。
以下是使用本公开的含纳米孔的基板对DNA进行检测/测序的方法的实施例。在纳米孔形成和检测后移除顶栅电极，清洁并干燥装置。将氯化钾置于含纳米孔的氮化物膜的任一侧上。可通过使用溶液中的一组银/氯化银电极在顶部和底部上施加电压，并且测量流过纳米孔的电流，从而检测DNA。还可利用单独一组的电极向纳米管施加偏压，并且监测纳米管电导率。可使用离子电流电极对和纳米管电极对之间的第三偏压来调节纳米管的费米能级，从而调节其灵敏度。KCl/缓冲液中的DNA可流入装置膜的顶部和底部上的微流体通道中，并且可进行纳米管电导率和纳米孔电导率的同时(或分开)测量。当DNA邻近纳米管时，其通过场效应局部选通，并且其电导率根据DNA的邻近度而改变。纳米孔迫使DNA在垂直于纳米管的方向上线性通过纳米管。
在一个实施方案中，使用含纳米孔的基板对生物聚合物进行检测/测序的方法包括使本公开的基板与溶液中的包含生物聚合物(例如DNA)的样品接触；并且相对于膜的一个侧面在另一个侧面施加电压，同时测量由该电压产生的通过纳米孔的离子电流。同时，将电压施加于与纳米孔对齐的纳米级电子元件，并监测穿过纳米级电子元件的电流。例如，可将0.1-100μM DNA的KCl/缓冲液溶液引入至膜的一个侧面，可将KCl/缓冲液或水引入至另一侧面，并且相对于DNA侧，向非DNA侧施加50mV至3V的正电压。这将电泳驱动DNA通过纳米孔。可监测平行流过纳米孔的离子电流，当DNA通过纳米孔时，所述离子电流通常将减小。同时，对纳米管的一个侧面施加电压，并且监测流过纳米管的电流。在DNA经过纳米管时，纳米管的电导率(并且因此流过其的电流)将通过电荷、和/或DNA的邻近度和/或溶液中的离子而改变。可使用已知DNA序列的检测信号来开发或训练算法(例如，机器学习算法、线性或逻辑回归等)，从而确定序列未知的DNA中的DNA序列。
在一个方面，本公开提供装置，所述装置包括本公开的含纳米孔的膜。例如，所述装置可用于对生物聚合物进行检测/测序。
被构造成对生物聚合物进行检测/测序的本公开的装置提供多种独特的特性。用于生物聚合物检测/测序的方法的装置可被构造成具有低电容，这在高测量带宽下提供所需的信噪比。这可通过使用下列来实现：薄的电极、分开电极与基板以及上微流体通道与下微流体通道的厚的低k电介质、高电阻硅基板、窄的微流体通道、在电极和纳米管上的介电涂层、具有附接的电探针以测量通过纳米管和纳米孔的电流的定制跨阻放大器。噪音还可通过减少整个系统的电池和电子设备来降低。可将这些电子设备和电池中的大部分容纳在金属盒中以用作法拉第笼，从而进一步降低噪音。可记录带宽＞2MHz的数据。
在一个实施方案中，装置具有图1-3、5-6或15所示的构造。必要的组件包括分开可包含液体的两个区域的膜；与连接至电路的导电纳米结构对齐的此类膜中的纳米孔；支撑此类膜的基板。其它特征对于制造过程(例如，材料选择)而言可能是重要的，以得到所需的测量特性(例如，对于高带宽而言，在金属电极下方的厚介电层)，或得到表征或研究装置和制造过程的能力(例如，3mm装置尺寸可用于透射电子显微镜以观察纳米孔)。
提出以下实施例以说明本发明。它们不旨在以任何方式进行限制。
实施例1
在该实施例中，氮化硅膜中的纳米孔与碳纳米管自对齐，将DNA驱动通过纳米孔，并使用通过纳米孔的离子电流检测DNA，或通过使用通过纳米管的电流检测DNA。装置使用图1中概述的方法制造。图6示出所得的装置。所述装置具有26对电极，所述电极之间为碳纳米管。金顶栅用于在纳米孔蚀刻期间获得电反馈。稍后在所述过程中将其移除，从而暴露膜、变薄的正方形窗区域和在薄区域中的一个中的经蚀刻的纳米孔，如图6(b)所示。尽管纳米孔太小而不能肉眼看到，但在顶栅和纳米管之间的介电层也被蚀刻至约1μm的尺寸，从而使得其作为黑斑点可见。
通过使稀释的0.5％氢氟酸(HF)在膜的下侧上流动来形成纳米孔，使得其与膜顶部上的纳米管自对齐，同时使用电反馈以确定纳米孔何时形成，然后通过将电压设置为零而停止蚀刻，并且冲洗掉HF，如本公开中其它地方所述。纳米孔蚀刻期间装置构造的图如图7所示，并且对一个此类装置施加的电压和测量的电流的一个例子如图9所示。
图12(a)示出在纳米孔蚀刻发生之前装置的扫描电子显微镜图，其中碳纳米管跨越薄膜，并在任一侧上连接至金属电极。在蚀刻纳米孔之后，通过透射电子显微镜来观察纳米孔，在(b)中观察到纳米孔与纳米管对齐。
为了进行DNA检测和/或测序测量，将装置连接至一组电子组件，如图15所示。将微流体通道附接至装置的顶部和底部。使100μM DNA的2M KCl溶液流过底部通道，并且使2MKCl(不具有DNA)流过顶部通道。使用银/氯化银电极(未示出)进行与这些溶液的电接触。对下部溶液施加-50mV至-2V的电压，并在上部溶液中测量流过纳米孔的电流。经由其金属触头，对纳米管的一侧施加5mV至200mV的电压，并且在另一侧上检测流过纳米管的电流。使用数字示波器以每秒8兆样品来记录数据，并将数据转移到计算机。
装置测量设备处于具有三个电探针的丙烯酸微流体装置支架中，所述电探针中的两个具有内置的前置放大器电路。用于测量纳米管中的电流或离子信号的变化的跨阻放大器电路的示例如图16所示。电池对这些放大器供电，且测量装置在金属盒的底部上，所述金属盒可以是闭合的，用作减小电噪音的法拉第笼。
如图17所示，DNA可以通过所述装置离子检测。短的单链DNA(11个或30个核苷酸)流入下部微流体通道中。在膜上施加300mV的电压，并记录流过纳米孔的电流。当DNA通过纳米孔时，其部分阻止流过纳米孔的离子，导致纳米孔电导率的下降。因此，离子电流中的每个向下尖峰对应于在10-100μs内通过纳米孔的11个核苷酸的单链DNA(ssDNA)的单个分子的检测。当对30个核苷酸长的单链DNA重复该测量过程时，发现对于不同组的DNA，离子电流的下降深度不同，如图18所示。离子电流纳米孔测量可以区分由30个连续腺嘌呤碱基(dA)组成的ssDNA和由30个连续胞嘧啶碱基(dC)组成的ssDNA。
在DNA易位通过纳米孔时通过纳米管的电流的变化也可用于检测DNA。图20(a)和(b)示出DNA通过纳米孔时的纳米管电导率。纳米管电流的下降对应于在20-200μs内穿过纳米孔，接着到对齐的纳米管的52个核苷酸的ssDNA。将一组相似长度的事件(约140μs)平均，并且将所得迹线与穿过纳米孔的已知序列DNA进行比较，图20(c)，发现以下指示：可使用这些相对高速的基于纳米管的DNA纳米孔易位测量获得序列信息。这种平均测量和已知序列两者均具有镜像对称性，并且朝向迹线的中心，电流波动是浅且快速的，然而朝着边缘，电流波动明显更宽，如对于已知序列所预期的。
作为基于纳米管的传感器和电子设备的速度和灵敏度的另一测试，观察这些纳米管中的一个对附近介电材料中的单电子波动的响应。在该实施例中发现，纳米管和电子设备在小于1μs内，以信噪比30响应这些事件，如图19所示。在预期进行DNA测序情况下，这在速度和灵敏度的范围内。
实施例2
在该实施例中，使用热磷酸作为蚀刻剂使氮化硅膜中的纳米孔与碳纳米管自对齐。该实施例显示可使用不同蚀刻剂、不同膜厚度和比实施例1中的那些更低的电场成功使用本文所公开的技术。另外，纳米管定位的纳米孔蚀刻速率可具有对电压的非单向依赖性。这与如下情况一致：纳米管上的电压会局部引起蚀刻剂中正离子相对于负离子的浓度的改变。当相对浓度达到特定最佳比率时，反应以最大速率进行。可调节电压使得该最佳比率在作为纳米管和蚀刻剂之间的最短距离的位置处出现。在该磷酸蚀刻体系中，蚀刻速率还严重依赖于温度，且在低于50℃的温度下不以明显的速率发生。
图4示出提出的纳米孔蚀刻定位程序的示意图。相对于电接地蚀刻剂溶液，将电压施加于纳米级电极(在此为碳纳米管)。施加的正电压将溶液中的负离子吸引到纳米管。在这些负离子参与化学反应的限速步骤的情况下，纳米管下方的蚀刻速率增加。
为探索纳米管定位蚀刻方法，使用与图1所示那些相似的工艺步骤制备图21(a)中的装置。在双面抛光硅晶片上热生长340nm氮化硅膜。晶片的背部图案化有正方形，并且使用反应性离子蚀刻移除那些位置中的氮化物。使用85℃下的25％KOH移除正方形窗区域中的硅，并使用荫罩(模板)将金电极溅射沉积到顶部表面上。最后，使用与图1相似的程序，将图21(b)所示的纳米管的导电网络从石英基板转移到膜。
将装置置于设置成110℃的加热夹具上的浅磷酸浴中，并且使用电探针将电极电连接至电压源。将25V施加于一个电极并且将-25V施加于另一个电极，同时将磷酸溶液接地。
图22示出蚀刻期间，靠近正电极的氮化物膜的光学显微镜图像的时间序列。催化剂线水平跨越图像，纳米管垂直跨越图像。在每个图像的左侧，电压为25V，并且预期电压在右侧近似线性地降低至约8V。由于薄膜干涉，随着膜的厚度改变，颜色也改变，可以由颜色估计厚度。时间序列清楚地示出，蚀刻确实通过外加电压来增强，其中纳米管和催化剂线下方的区域变得更薄，并且比纳米管之间的区域快很多地改变颜色。蚀刻速率也随电压而变化，其中(a-c)中的最大观察蚀刻速率在25V和8V之间出现，这表明至少对于给定的装置和实验条件而言，存在最佳的蚀刻电压。这些电压对应于约20-70mV/nm的膜中电场。在最深的蚀刻位置处，蚀刻速率约为3nm/分钟，其为远离纳米管的区域中的蚀刻速率的3倍以上。负电极附近的蚀刻完全不增强。约一小时之后磷酸穿透膜，蚀刻在89分钟后停止，将膜冲洗并干燥。
为了表征纳米管附近的膜的蚀刻位置，将膜倒置翻转，并通过原子力显微镜(AFM)将底部成像。三个成像位置由图22(e)中的框指示，并且AFM图像示于2.3中。由于图23从膜的底部记录，而图22从顶部获得，因此图23相对于图22成镜像。图23示出在纳米管位置对面的下侧上的被蚀刻膜的高度曲线。纳米管位置的示例在每个图像中由虚线指示。从每个图像顶部截取的线切割示于每个图像上方，其指示在较低电压下(a)，纳米管位置比纳米管之间的区域更快蚀刻，然而在较高电压下(c)，纳米管比周围氮化物更慢蚀刻。在这两个极端之间(b)，蚀刻曲线相对平坦，其中纳米管位置比周围区域略快地蚀刻。该电压依赖性图案表明了依赖于由纳米管电压引起的表面电荷分布的蚀刻过程，所述蚀刻过程具有优选的电荷范围，在高于该范围或低于该范围时，蚀刻速率显著减小。
图24示出磷酸蚀刻的膜的区域，其为(a)光学成像，(b-c)由AFM成像，以及(d-e)由透射电子显微镜(TEM)成像。AFM示出，居中位于纳米管位置处的这些沟槽为约80nm深，半峰全宽为550nm。TEM表明局部蚀刻在一定程度上不均匀地发生，其中沟槽由各种深度的一系列蚀刻凹坑组成，所述蚀刻凹坑具有约50nm的直径((e)中的明亮圆形斑点)。预期这是由于表面粗糙化效应造成的，其中由于表面电位对膜厚度的非线性依赖性，随着区域变薄，表面电位变得更大并且蚀刻速率加快。这还可能有助于形成单个纳米孔而不是蚀刻槽的能力。
利用较薄的膜和与实施例1类似的更精细的蚀刻程序，可利用热磷酸体系实现定位到单个纳米管的单个＜4nm的纳米孔。
蚀刻速率还可在两个纳米管之间的交叉点处增加。图25示出其上放置垂直纳米管网格的膜的TEM图像，并且在相对于接地溶液对纳米管施加5V的情况下在110℃下进行电压辅助的磷酸蚀刻。173分钟之后，在膜中形成纳米孔(未示出)。发现在约10mV/nm的在整个膜上的相对低电场下，最接近纳米管的膜下方的蚀刻增强。
在图25中，纳米管相交处的区域中的许多比周围区域更亮，表明蚀刻速率在这些位置中最大。这表明，该蚀刻方法可用于将纳米孔定位到纳米电极之间的交叉点，这是可用于例如基于电子隧道的纳米传感器中的几何形状。
当在较低温度，例如＜60℃下重复我们的基于磷酸的蚀刻定位程序时，蚀刻速率极大减小并且局部蚀刻在数小时后不可测量，说明蚀刻剂的化学活性可在局部蚀刻方法中起到重要的作用。
实施例3
图7示出用于将纳米孔定位到纳米管的装置连同用于将纳米管偏置并采用离子反馈的电路元件的装置横截面示意图。在微小改进的情况下，该装置构造可用于许多本文所公开的不同蚀刻和检测方法。
在16nm厚氮化硅膜顶部上的纳米管与10GΩ电阻器串联连接，以确保整个纳米管相对于膜下面的接地HF溶液处于外加电位Vnt下。可以将单独的电压Vtg施加于金顶栅，并且通过与HF溶液中的铜线连接的电流前置放大器监测产生的离子电流(如果形成纳米孔)。
为实现清晰的定位(即，小纳米孔)，可在施加非常小的电压(例如，＜1V)时完成蚀刻，但就厚膜而言，这可能不会导致蚀刻增强，因此，整个膜将变薄，从而具有纳米孔远离纳米管形成的风险。为了在膜厚时实现(适度)定位，可施加大电压(例如，10V)。出于这些原因，蚀刻可以分两个阶段进行。在第一阶段，纳米管上的电压扫描至6-10V并在0.2s内再次下降，如图8(b)所示。该阶段是简短的并且旨在使膜变薄，但不产生纳米孔。在第二阶段，电压在0.2-0.5V下保持5分钟。正是在该阶段期间，当纳米管上是低电压时，纳米孔的形成是最期望的。纳米管上的低电压旨在产生窄定位，并且在纳米孔形成时，使HF损坏纳米管的风险最小化。在该第二阶段期间，每15秒一次，顶栅电压可扫描至-1.4V(在该电压下，基于测量，铜-金电极对可具有电化学活性)，然后在0.2-0.4秒内回到零，以监测纳米孔形成。然后将该过程(阶段1和2)重复约20-60分钟直至纳米孔形成。
图8(c)示出在经过52分钟之后，蚀刻的阶段2中的三个连续-1.4V顶栅扫描。这些扫描中的第一个非常典型：在电压斜升从向下扫描转换到向上扫描时，出现约20pA的阶跃。第二幅示出15秒后相同的扫描。在此，当栅电压为-1.4V时，可在噪音以上辨识离子电流(通过纳米孔)。经过另外15秒的时间，离子电流是显著的，其在-1.4V下减小至-200pA。
一旦形成纳米孔，可在HF到达顶栅之前并因此在可检测离子电流之前蚀刻介电层。对于100∶1-400∶1(在此为400∶1)的由二氧化硅和/或氧化铝组成的25nm厚电介质和HF溶液，这通常需要1-2分钟。因此，在52.25分钟时检测纳米孔形成时，纳米孔可能在50.5分钟时纳米管扫描期间或稍后被蚀穿。一旦检测到纳米孔形成，就将电压设置为零，断开电路，并且用化学惰性液体(例如去离子水)冲去HF溶液，由此停止蚀刻。
图8(d)示出由TEM成像所示的所得的纳米孔。三种不同的放大倍数水平表明仅形成单个纳米孔，并且最高放大倍数示出纳米孔的直径为10nm，并与纳米管对齐。纳米孔的约300nm内的电介质已由HF蚀刻(在纳米孔形成之后)，并且在图8(d)的前两幅图中作为较亮区域被观察到。这通常能够在低放大倍数下，或甚至肉眼(如由箭头及插图所示)确定纳米孔是否在其预期位置处(例如，与纳米管对齐)形成。这比较重要，因为除非在非常低的放大倍数下成像(其中纳米管不可见)，否则即使在40keV下，TEM中的电子束几乎总是使纳米管不导电。还应当注意，虽然该样品的TEM图像排除了其现在导电的可能性，但其确实在整个蚀刻过程中保持，如可通过图8(c)的整个测量中在纳米管前置放大器处记录的恒定20pA电流所观察到的那样。
为在不破坏纳米管的情况下使蚀刻位置最优化，用于该实施例中的另一特征是，在开始本实施例中所述的重复的两阶段过程之前进行一些较高的电压斜升。通常，在两阶段过程的前两个循环期间，纳米管电压在0.2-0.5秒内从10V来回扫描，然后对于其余的纳米管扫描，电压降至6-7V。这可能使膜局部变薄，使得纳米孔更容易在纳米管附近形成。如果完成至10V的第三扫描，则约50％的概率纳米孔将在扫描期间形成，从而破坏纳米管。这表明膜已经通过前两次扫描显著变薄。
该实施例中概述的蚀刻过程与给定的装置制造进程和正确的HF浓度非常一致。如果使用不同膜厚度，和/或如果纳米管和顶栅电极之间的介电层厚度改变，则可调节蚀刻参数。一旦针对给定的制造进程将这些参数进行优化，对于获得与保持导电的与纳米管对齐的单个＜15nm的纳米孔而言，约50％的收率是常见的。
实施例4
图9示出与图8所示相似的蚀刻程序，和与图7所示相似的电路，但使用较低的施用于纳米管的电压。在该实施例中，使用反应性离子蚀刻将“窗”区域(图9(b)中的较亮的圆)从34nm减薄至约20nm。这容易使表面粗糙化，导致薄于20nm的区域。蚀刻通过如下方式进行：使纳米管电压从0.5V升至4V并且在1.5秒内返回，并在0.5V的静止电压下保持2分钟。虽然纳米管处于其静止电压下，但从1.5V周期性地来回扫描金顶栅直至在HF溶液中的铜电极处的电流增加被记录到，如图9(a)所示。此时，形成纳米孔，不再施加电压，并且使用化学惰性液体(例如去离子水)冲洗掉HF。
实施例5
纳米管本身可用于检测纳米孔的形成。这可优于使用单独的顶栅来检测纳米孔的形成。首先，可以更快速地检测纳米孔的形成(在纳米管上方的电介质被蚀刻掉之前)。其次，当使用基于纳米管的检测时，纳米管上方的电介质不必易受与蚀刻膜的蚀刻剂相同的蚀刻剂的蚀刻的影响，因此蚀刻过程可更容易地分离成两个步骤。例如，可将HF用于蚀刻氮化硅膜中的纳米孔，然后可使用KOH蚀穿膜和纳米孔上方的氧化铝介电层。
图10示出了纳米管为纳米孔检测电路的一部分的蚀刻方法的一个实施例。如在先前的实施例中，将正电压周期性施加于纳米管，其示例性迹线示于图10(a)中。在这种情况下，电路与图7所示相同，除了金顶栅被约1mM KCl溶液替代之外，所述溶液具有经由氯化银电极施加于其上的电压(在该过程的大部分时候为0V)。每分钟将纳米管电压扫描至正8V。19分钟16秒之后形成纳米孔。
经由相对于氮化物膜下面的400∶1 HF溶液周期性施加于连接至跨阻放大器的纳米管的负电压来检测纳米孔(或膜中的凹坑或其它特征结构)的形成。图10(b)示出了在该过程的最终两条迹线期间施加的电压以及测得的电流。在19分钟13秒时，纳米孔还未形成。3秒之后，在向纳米管施加-5V时，在前置放大器处测得负电流(经由氮化物层中新形成的孔从纳米管流入溶液中)。检测后，不再施加电压，并使用化学惰性液体(例如去离子水)冲洗掉HF。
为从纳米管附近的区域中移除纳米管上方残留的氧化铝介电层，以通过纳米孔流体连接顶部和底部微流体通道，使0.25M KOH在膜下方流动。约每3秒，将顶部KCl溶液中的电极上的电压从-200mV来回扫描，并监测膜下方铜电极处的电流。图10(c)示出这些迹线中的最后3条。14分钟47秒后，充分移除电介质使得离子电流通过纳米孔从膜下方流至膜上方。
图10(d)和(e)示出在两个放大倍数水平下所得的装置和纳米孔的TEM图像。在图1.5(d)中，可看到氧化铝已经从纳米管附近的500nm乘以800nm的椭圆形区域中移除。该区域的中心处是由纳米管跨越的纳米孔，如图10(e)所示。
实施例6
可不依赖于施加于纳米管或溶液的离子电流或大电压来确定纳米孔是否形成的另一种方法涉及使用纳米管作为场效应晶体管(FET)。碳纳米管(和其它场效应传感器)具有取决于其静电环境的电导率。如果该环境改变(例如，通过形成相邻的纳米孔)，则电导率可以改变，从而获得电检测和测量该改变的方式。
图11(a)示出在纳米孔已经在主介电层(例如氮化硅)中形成之后的纳米管装置的示意图。紧接着纳米孔形成之后，可以存在许多不同的纳米管区域，所述纳米管区域将对施加于膜上方和下方的电压具有不同的“选通”响应，如由粉色阴影和蓝色阴影的区域所示。电介质越薄，则纳米管与顶栅电极或底栅电极(或溶液)之间的材料的介电常数越大，对纳米管进行的“选通”将越强(例如，具有响应施加的电压而变化的电导率)。
纳米孔形成之前的纳米管选通特性如图11(b)所示。纳米管装置是半导电的，因此其可被选通以显示n型或p型电导率，且在栅电压下的非导电带隙区域在这些区域之间。在该实施例中，存在指示纳米管的具有不同选通特性的两个区域的特征。其中一个仅响应顶栅的变化，或在仅由顶部溶液选通的电极附近的纳米管区域的变化。该区域的带隙的中心由图11(b)中的垂直实线指示。另一区域响应顶栅和底栅两者，但是对底栅的响应比顶栅更强。该区域为暴露于顶部溶液和底部溶液的“膜”区域，并且由虚线指示。
纳米孔形成后，选通特性显著改变。除了具有不同选通特性的两个原始区域之外，一旦形成纳米孔，底部溶液就与纳米管直接接触，因此强选通纳米管。图11(c)示出随顶栅和底栅而变化的通过纳米管的电流。仍然观察到图11(b)中看到的主要特征，但是出现由底栅强选通的第三特征。这是纳米孔附近的小区域，其中底部溶液现在与纳米管相接触(并且静电耦合，但不具有显著的泄漏电流)。该区域的带隙的中心由虚线指示。该特征的外观清楚地表明已经形成纳米孔，因此可以停止蚀刻，并且冲洗掉蚀刻剂。
就该特定实施例而言，用于蚀刻纳米孔的400∶1 HF被周期性地冲洗掉并用1mMKCl替代，并且铜电极与氯化银电极交换以测试选通特性用于指示纳米孔的存在。但这可能不是必需的，因为可以使用HF进行类似的选通(当进行选通测量时，具有导致纳米孔形成的一些附加的风险)。
图11(d)示出所得纳米孔和氧化铝电介质的蚀刻的“袋”区域。在该实施例中，蚀刻在完全移除氧化铝之前停止，从而留下“纳米室”，所述纳米室经由与纳米管对齐的纳米孔连接至底部溶液，同时与顶栅或顶部溶液电隔离。蚀刻可用弱酸或弱碱(例如，0.25M KOH)完成，或者该袋状几何形状可用于分子或离子检测测量。
实施例7
图12示出用于形成与纳米管对齐的纳米孔的更简单的装置几何形状的SEM图像。在该实施例中，电极被图案化到氮化硅膜上。使用本文中其它地方所述的方法将对齐的纳米管阵列转移到装置基板(例如，图1)。使用本公开中其它地方所述的方法，经由KOH蚀穿背面图案化的氮化硅掩模来打开悬浮的氮化硅膜。可使用本公开中其它地方所述的方法在氮化硅膜中形成纳米孔。此类与纳米管对齐的纳米孔的示例如图12(b)所示。检测纳米孔形成的反馈可以是电的，如前所述，或光学的(例如，通过在显微镜下观察通过纳米孔的溶液的泄漏)，然后停止蚀刻。或者，可在不具有反馈的情况下进行蚀刻，从而在选择的时间长度之后停止蚀刻。
虽然已经关于一个或多个具体实施方案描述了本公开，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下可以进行本公开的其它实施方案。因此，认为本公开仅受所附权利要求及其合理解释限制。

Claims (65)

1.一种含纳米孔的基板，其包括：
基板；
设置在所述基板上的膜，其中所述膜限定穿过所述膜的至少一个纳米孔，并且其中所述纳米孔被构造成在所述膜的相对侧之间提供流体连通；和
至少一个纳米级电子元件，其设置在所述膜上或所述膜中，其中所述纳米级电子元件能够导电，其中所述纳米级电子元件与所述膜就如下中的至少一个方面不同：形状、材料组成、导电性或化学结合，并且其中所述纳米级电子元件与所述纳米孔对齐，使得所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于50nm。
2.根据权利要求1所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件的边缘与所述纳米孔的边缘交叉。
3.根据权利要求1-2所述的含纳米孔的基板，其中所述基板由选自由下列组成的组的材料制成：硅、石英、熔融二氧化硅、蓝宝石、砷化镓和碳化硅。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述膜由介电材料制成。
5.根据权利要求4所述的含纳米孔的基板，其中所述介电材料选自由下列组成的组：氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钽、二氧化硅和氮化硼。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述膜由半导体或半金属制成。
7.根据权利要求6所述的含纳米孔的基板，其中所述半导体或半金属选自由下列组成的组：金属二硫属化物、石墨烯、硅、锗和砷化镓。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述膜具有0.3nm至1，000nm的厚度。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件包括碳纳米管、石墨烯、金属、金属纳米线或半导体纳米线、具有小于20nm的厚度的金属电极或半导体电极，或两个电极之间的间隙。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于10nm。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于1nm。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件平行于限定围绕所述纳米孔的所述膜的表面平面的法向矢量定位。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米孔具有0.3nm至1,000nm的穿过所述膜的深度。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米孔具有1nm至50nm的宽度尺寸。
15.根据权利要求14所述的含纳米孔的基板，其中所述宽度尺寸为1nm至20nm。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件由官能团官能化。
17.根据权利要求16所述的含纳米孔的基板，其中所述官能团选自由下列组成的组：羧基基团、羟基基团、胺基团、硫醇基团、单核苷酸、核苷酸的序列、氨基酸、多肽和蛋白质。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件涂覆有电介质。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件与电路电接触。
20.根据权利要求1-19中任一项所述的含纳米孔的基板，其还包括多个纳米级电子元件，其中所述多个纳米级电子元件形成设置在所述膜上或设置在所述膜中的阵列。
21.根据权利要求20所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件中的两个彼此接触。
22.根据权利要求1-19中任一项所述的含纳米孔的基板，其还包括多个纳米级电子元件和多个纳米孔，其中所述多个纳米级电子元件形成设置在所述膜上或设置在所述膜中的阵列，并且其中所述纳米孔中的每一个使所述纳米级电子元件中的一个与所述纳米孔对齐，使得所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离小于50nm。
23.根据权利要求1-22中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件未暴露于平均加速电压大于1kV的电子束或离子束。
24.根据权利要求23中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件不暴露于电子束或离子束。
25.根据权利要求1-24中任一项所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件的垂直于流过所述纳米级电子元件的电流方向的尺寸不超过20nm。
26.根据权利要求25所述的含纳米孔的基板，其中所述纳米级电子元件的垂直于流过所述纳米级电子元件的电流方向的尺寸不超过10nm。
27.一种方法，其包括：
在设置于基板上的膜上或在所述膜中设置能够导电的至少一个纳米级电子元件，其中所述膜由电介质、半导体或半金属制成；
使所述膜与蚀刻剂接触；和
相对于与所述蚀刻剂接触的另一电极，将电压施加于所述纳米级电子元件，使得至少一个纳米孔被蚀刻穿过所述膜。
28.根据权利要求27所述的方法，其中在施加电压前，所述纳米级电子元件和所述蚀刻剂之间的空间被所述膜的一部分占据。
29.根据权利要求27所述的方法，其中在施加电压时，所述蚀刻剂接触所述纳米级电子元件。
30.根据权利要求27-29中任一项所述的方法，其中所述蚀刻剂包括选自由下列组成的组的一种或多种物质：氢氟酸、磷酸、氢氧化钾和四甲基氢氧化铵。
31.根据权利要求27-30中任一项所述的方法，其中选择电压的标记和/或量级，以局部影响邻近所述纳米级电子元件的蚀刻剂的蚀刻速率。
32.根据权利要求27-31中任一项所述的方法，其还包括：
在所述膜的一侧上相对于所述膜的相对侧向流体施加压力；和
在所述纳米孔被蚀刻穿过所述膜之后，使所述流体流动通过所述纳米孔，其中所述流体基本上不蚀刻所述膜并减少或停止对所述膜的蚀刻。
33.根据权利要求27-32中任一项所述的方法，其中所述电压为脉冲电压、斜坡电压、恒定电压或它们的组合。
34.根据权利要求27-33中任一项所述的方法，其还包括通过向检测电极施加第二电压并监测流向所述检测电极或从所述检测电极流出的电流来检测所述纳米孔的形成，其中所述检测电极与所述纳米级电子元件分离，并且其中所述检测电极定位于所述蚀刻剂的外部。
35.根据权利要求34所述的方法，其还包括使用所述检测电极在所述膜的与所述蚀刻剂相对的侧面上向溶液施加电压。
36.根据权利要求34-35中任一项所述的方法，其中所述检测电极由金属制成，并且定位在所述膜的与所述蚀刻剂相对的侧面上。
37.根据权利要求34-36中任一项所述的方法，其中所述检测电极通过电介质或半导体与所述纳米级电子元件电绝缘。
38.根据权利要求27-37中任一项所述的方法，其还包括使用反馈来停止所述纳米孔的蚀刻。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述反馈是光学的，并且基于下列中的至少一种：
所述膜的与所述蚀刻剂相对的侧面的可见蚀刻；
在所述纳米孔的位置处的可见的流体积聚或晶体形成；和/或
通过所述纳米孔的形成或者荧光染料与所述纳米级电子元件、蚀刻剂和/或由于所述纳米孔的蚀刻而与所述荧光染料接触的材料的相互作用而激活的荧光。
40.根据权利要求38所述的方法，其中所述反馈是电的，并且基于下列中的至少一种：
从所述膜的一侧到所述膜的相对侧的电流的改变；
通过所述纳米级电子元件的电流和/或电导率的改变；和/或
在所述纳米级电子元件和与所述蚀刻剂接触的所述电极之间流动的电流的改变。
41.根据权利要求38-40中任一项所述的方法，其中当电流的量级超过阈值时，发生停止。
42.根据权利要求38-40中任一项所述的方法，其中当电流或电流相对于时间的导数的改变速率超过阈值时，发生停止。
43.根据权利要求38-40中任一项所述的方法，其中当随检测电极和/或与所述蚀刻剂接触的电极的电压而变化的穿过所述纳米级电子元件的电流曲线的形状改变时，发生停止。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述纳米级电子元件的选通特性和/或电容改变。
45.根据权利要求27-37中任一项所述的方法，其还包括在指定时间之后停止所述纳米孔的蚀刻。
46.根据权利要求27-45中任一项所述的方法，其还包括通过用化学反应性低于所述蚀刻剂的流体替换所述蚀刻剂来停止所述纳米孔的蚀刻。
47.根据权利要求27-45中任一项所述的方法，其还包括通过改变施加至所述纳米级电子元件的电压来停止所述纳米孔的蚀刻。
48.根据权利要求27-47中任一项所述的方法，其还包括基于电流来测定所述纳米孔的尺寸。
49.根据权利要求27-48中任一项所述的方法，其中形成多个纳米孔。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述多个纳米孔中的每一个与不同的纳米级电子元件对齐。
51.根据权利要求49-50中任一项所述的方法，其还包括监测所述纳米级电子元件中的每一个的电反馈。
52.根据权利要求49-51中任一项所述的方法，其还包括通过改变施加至所述多个纳米级电子元件中的一个纳米级电子元件的电压来停止在所述多个纳米级电子元件中的这个纳米级电子元件处的所述纳米孔的蚀刻，这个纳米级电子元件具有小于50nm的介于所述纳米级电子元件的边缘和所述纳米孔的边缘之间的最短距离。
53.根据权利要求27-52中任一项所述的方法，其中在所述纳米孔的蚀刻期间，沿着设置在所述膜上或所述膜中的所述纳米级电子元件的任何区域与所述蚀刻剂之间的最短距离的平均电场小于0.1V/nm。
54.根据权利要求27-53中任一项所述的方法，其中蚀刻所述纳米孔是与所述电压成非单调的。
55.根据权利要求27-54中任一项所述的方法，其中施加电压包括施加第一电压，由此使所述膜变薄，以及施加小于所述第一电压的第二电压以形成所述纳米孔。
56.根据权利要求27-55中任一项所述的方法，其中施加电压包括：
相对于与所述蚀刻剂接触的电极，向所述纳米级电子元件施加第一电压，由此引起所述膜的蚀刻；
相对于与所述蚀刻剂接触的电极，向所述纳米级电子元件施加第二电压，其中所述第二电压在所述膜上引起小于0.1V/nm的电场；
在施加所述第二电压时，监测从所述蚀刻剂到所述纳米级电子元件的电流；
检测从所述蚀刻剂到所述纳米级电子元件的电流的增加；以及
当形成所述纳米孔时，移除所述第一电压和所述第二电压。
57.根据权利要求27-56中任一项所述的方法，其还包括形成根据权利要求1-26中任一项所述的含纳米孔的基板。
58.一种方法，其包括：
使包含生物聚合物的溶液流过根据权利要求1-26中任一项所述的含纳米孔的基板的膜的纳米孔；和
使用纳米级电子元件对所述溶液中的生物聚合物进行检测和/或测序。
59.根据权利要求58所述的方法，其中所述生物聚合物为核酸，所述方法还包括使用所述纳米级电子元件区分单链核酸和双链核酸。
60.根据权利要求58-59中任一项所述的方法，其中所述生物聚合物被限制于所述纳米孔中，并且线性移动通过所述纳米级电子元件。
61.根据权利要求58-60中任一项所述的方法，其中将所述溶液电泳驱动通过所述纳米孔。
62.根据权利要求58-61中任一项所述的方法，其中同时监测通过所述纳米孔的离子电流和通过所述纳米级电子元件的电流。
63.根据权利要求58-62中任一项所述的方法，其中所述纳米级电子元件为通过场效应检测所述生物聚合物的晶体管。
64.一种装置，其包括：
根据权利要求1-26中任一项所述的含纳米孔的基板；和
与所述含纳米孔的基板连接的生物聚合物检测和/或测序系统。
65.根据权利要求64所述的装置，其还包括与所述生物聚合物检测和/或测序系统连接的数据记录系统。
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