JP2016522735A - 極短電気パルスによる原子的に薄い膜中のナノ孔の製造 - Google Patents

Abstract

ナノ孔を形成する方法では、膜の２つの対向面が電気伝導性液体の環境に暴露される。第１の核形成パルス振幅及び持続時間を有するナノ孔核形成電圧パルスは、液体環境を通して、２つの膜面間に印加される。ナノ孔核形成電圧パルスを印加した後に、膜の電気伝導度が測定され、予め指定された第１の電気伝導度と比較される。次いで、測定された電気伝導度が予め指定された第１の電気伝導度以下の場合、少なくとも１つの追加のナノ孔核形成電圧パルスが、液体環境を通して、２つの膜面間に印加される。測定された電気伝導度が、予め指定された第１の電気伝導度より大きく、予め指定した第２の電気伝導度以下の場合、調整パルス電圧振幅及び持続時間を有する少なくとも１つのナノ孔直径調整電圧パルスが、液体環境を通して、２つの膜面間に印加される。【選択図】図５

Description

関連出願に対する相互参照
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１３年３月１５日に提出された米国仮出願第６１／７９０，０８９号の利益を主張する。

連邦支援による資金提供を受けた研究の記載
本発明は、国立衛生研究所によって授与された契約番号５Ｒ０１ＨＧ００３７０３の下に政府の援助によってなされた。政府は、本発明においてある一定の権利を有する。

本発明は、薄い材料中に開口を生成するための技術に関し、より詳細には、ナノ孔の生産に関する。

ナノスケールの開口は、本明細書ではナノ孔と呼ぶが、研究の興味を非常に惹きつけてきた。なぜなら、ナノメートルの薄さの膜の厚みによって提供されるナノ孔が、ＤＮＡ塩基配列決定用途等の広範囲の分子検出及び分析用途について例外的な分解能を達成する能力を提供するからであり、例えばグラフェン又は他の非常に薄い材料膜（本明細書では約５０ｎｍ未満であり、５ナノメートル未満でもよい厚みであると定義されている）の中にあってナノ濾過用途に使用される場合、流れ抵抗をほとんど与えないからである。しかしながら、このような原子的に薄い膜中のナノ孔の製造は、例えば、集束電子ビームで穴をあけることによって従来行われていた。このような処理は、それぞれのナノ孔を、例えば、高分解能電子顕微鏡の中で別々に製造せねばならないという理由から、また、ナノ孔の径を調整することが難しいという理由から、単調で費用のかかるものであり、収率は低いものである。さらに、電子ビームで穴をあけている間に、炭化水素汚染が導入され、ナノ孔の中及び周囲に蓄積する恐れがある。このような汚染、及びナノ孔の周囲の材料の固有の表面状態は、ナノ孔を疎水性にし、これによりナノ孔が湿潤されることを妨害する。その結果、信頼できる反復可能な機能性ナノ孔を生産することは、依然としてナノテクノロジーの基本的な課題である。

ナノスケール材料中にナノ孔を形成するための従来の取り組みの多くの制限は、極短電気パルスを使用するナノ孔の形成方法で克服される。

このような一つの方法では、膜の２つの対向面が電気伝導性液体の環境に暴露される。第１の核形成パルス振幅を有するナノ孔核形成電圧パルスが、液体環境を通して２つの膜面間に印加される。ナノ孔核形成電圧パルスにはパルス持続時間がある。ナノ孔核形成電圧パルスを印加した後に、膜の電気伝導度が測定され、予め指定された第１の電気伝導度と比較される。次いで、測定された電気伝導度が予め指定された第１の電気伝導度以下の場合、少なくとも１つの追加のナノ孔核形成電圧パルスが液体環境を通して２つの膜面間に印加される。測定された電気伝導度が、予め指定された第１の電気伝導度より大きく、予め指定した第２の電気伝導度以下の場合、調整パルス電圧振幅を有する少なくとも１つのナノ孔直径調整電圧パルスが、液体環境を通して２つの膜面間に印加される。それぞれのナノ孔直径調整電圧パルスにはパルス持続時間がある。

さらなるナノ孔形成方法において、膜の２つの対向面が電気伝導性液体の環境に暴露され、核形成パルス振幅及びパルス持続時間を有する少なくとも１つのナノ孔核形成電圧パルスが、液体環境を通してこの２つの膜面間に印加されて、この膜にナノ孔核形成部位を生成する。ナノ孔核形成電圧パルスを印加した後に、膜は処理されてナノ孔核形成部位において予め選択されたナノ孔直径を生成する。

さらなるナノ孔形成方法において、膜の２つの対向面が電気伝導性液体の環境に暴露される。それぞれ核形成パルス振幅及びパルス持続時間を有する少なくとも２つのナノ孔核形成電圧パルスを液体環境を通して２つの膜面間に印加する。その後、それぞれ調整電圧パルス振幅及びパルス持続時間を有する少なくとも２つのナノ孔直径調整電圧パルスを液体環境を通して２つの膜面間に印加する。

これらのナノ孔形成方法に先立って、膜の表面を効果的に湿潤させることができる。このようなものを達成する１つのプロセスにおいて、膜表面等の湿潤される表面を、局部的な湿潤性環境に配置し、局部的な湿潤性環境から実質上全ての空気を取り除き、かつこの空気をフラッシングガスに取り替えるのに十分なフラッシング持続時間の間、局部的な湿潤性環境をフラッシングガスでフラッシングする。空気が、局部的な湿潤性環境に逆流しないように防止する。その後、液体湿潤溶液を、局部的な湿潤性環境へ導入する。フラッシングガスは、１）液体湿潤溶液において、液体湿潤溶液と化学的に反応して溶解可能な化学反応生成物を生成するか、又は２）液体湿潤溶液に溶解可能である。

これらの方法は、ナノ孔を湿潤させ汚染の無い状態に維持する環境において、非常に効率的で、有効で、複製可能で、正確なナノ孔核形成及び調整を可能にする。この方法は、汚れのない輪郭がはっきりしたナノ孔を通した化学種の転位が必要な広範囲のナノ孔の用途を可能にすることに対して優れている。他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付の図面から並びに特許請求の範囲から明らかとなる。

ナノ孔製造プロセスを実施するための電気伝導性液体環境の概略側面図である。 グラフェン中にナノ孔を製造するための支持フレーム構造体が設けられたグラフェン層の、概略横断面である。 グラフェン中にナノ孔を製造するための支持フレーム構造体が設けられたグラフェン層の、概略平面図である。 ナノ孔製造プロセスのための図１の液体環境を実施するための２つの部分からなるチャンバのフローセルの概略図である。 原子的に薄い膜中にナノ孔の核形成をするために図１の液体環境において印加された核形成電圧パルスのシーケンスについての核形成電圧パルス持続時間のプロットである。 原子的に薄い膜の中で核形成されたナノ孔を拡大させるために図１の液体環境の中で印加する調整電圧パルスのシーケンスについての調整電圧パルス持続時間のプロットである。 グラフェン膜の中にナノ孔の核を形成して拡大するために、図１の液体環境中のグラフェン膜に実験的に印加された核形成及び調整の電圧パルスのシーケンスについての核形成電圧パルス持続時間及び調整電圧パルス持続時間のプロットである。 印加電圧パルス数の関数として示された図５のプロットにおいて描かれた、ナノ孔の核形成及び拡大プロセス用電流から計算されたナノ孔の直径のプロットである。 図５のプロットの中で描かれた、ナノ孔の核形成及び拡大プロセスによって製造されたナノ孔によってＤＮＡを転位させる実験過程の間に時間の関数として測定された電流のプロットである。

図１を参照すると、本明細書で提供されるナノ孔製造技術において、電気伝導性流体１４の中で、支持フレーム１６等の支持構造体によって支持された１つ以上のナノ孔が生産される選択された材料の膜１２を有する電気伝導性流体環境１０が構成される。この膜１２は、原子的に薄い、本明細書では、約１〜約１０層の間の材料の原子層を含む材料として定義するものであり、厚さが約５０ｎｍ以下である連続材である。グラフェン、少数層グラフェン、多層グラフェン、薄い黒鉛、窒化ホウ素、二硫化モリブデン、薄い雲母及びシリセンが、本明細書で使用することができる原子的に薄い材料の例である。ナノ孔製造方法は、このような原子的に薄い材料、及び一般に約５ｎｍ以下である厚みを有する膜のためには特に好適である。膜１２は、異なる材料組成物の層を含む２層以上の材料層を含むことができる。例えば、膜は、窒化ホウ素の層に配置されたグラフェンの層を含むことができる。特定の材料又は材料の層は必要ではない。任意の材料層組成物がなかったならば、膜の全ての厚みは、約１０層の原子層及び／又は約５０ナノメートル未満、及び好ましくは厚さ約５ナノメートル未満である。

膜は、原子的に薄い材料の内部の範囲を横切って機械的に自己支持されており、支持フレーム又は他の適切な構造体１６によってその縁部においてのみ支持されている。支持フレームはそれ自体が自己支持の膜になることができる。支持フレームの厚み又は構成には制限がない。しかし、１個以上のナノ孔が形成される膜材料１２は、膜の内部の領域で機械的に支持されず、これにより、トランポリンと同様に自立領域が得られる。

膜１２は、任意に１箇所以上の部位１８、２０を含んでもよく、そこでは物理的な欠陥等の材料状態がこの部位におけるナノ孔の核形成のために備えられている。このような部位は、例えば、結晶格子空孔等の結晶格子欠陥を膜の中の選択された位置に引き起こすことによって生産することができる。例えば、イオンビーム衝撃、電子ビーム衝撃、ＵＶオゾンエッチング、パターン化されたエッチング、又は化学処理、又は他のプロセスを用いて、この部位でナノ孔の核形成を促進する欠陥又は他の材料状態の１つ以上の部位を形成することができる。

図１に示されるように、原子的に薄い材料の膜を、電気伝導性溶液を含んでいる液体１４の中に配置する。溶液に接して、膜を横切って電極間に、電位、Ｖ_ｉｎ、を印加するための回路２６に接続する電気伝導性電極２２、２４を備える。したがって、膜は、それぞれの電極が膜１２の各側にあるように電極２２、２４の間に配置することが好ましい。

マイクロエレクトロニクス基板、ウェハ及び他の支持構造体は、ナノ孔形成にふさわしい構成の中に膜材料を保持するために使用することができる。膜の中のナノ孔製造の後に、意図した用途のために操作されることになる構成において、この膜を生成することが特に効率的である可能性がある。このようなものの１例では、従来のマイクロエレクトロニクス材料が、グラフェン膜のために製造環境を整えるために使用される。グラフェン膜材料は任意の適切な方式で合成するか又は提供することができる。例えば、単層グラフェンは、厚さ２５μｍの銅箔等の適切な基板上に、例えば、約１０００℃の温度で、化学蒸着法によって成長させることができる。銅をスクロールポンプを用いて３０分間、水素流を例えば２０ｓｃｃｍで注入して先ず還元し、次に、メタンガスを炭素源として４０ｓｃｃｍの流量で導入する。グラフェン層の成長は、これらの条件の下で約４５分間行われる。剥離させたグラフェン、エピタキシャル成長させたグラフェン、又は、他の型のグラフェンも使用することができ、上記に説明されたように、多層グラフェン、被覆グラフェン又は窒化ホウ素等の他の非常に薄い膜材料も使用することができる。

図２Ａ〜２Ｂを参照すると、多くの膜の用途については、支持フレーム構造体２３がナノ孔製造及び後続作業の両方に必要な力学的な配列を供給することができる。支持フレーム構造体２３の一例では、厚み５００μｍの従来のシリコンウェハ等の基板が提供される。膜の支持フレームは、基板上に作られており、例えば、厚さ２μｍの酸化ケイ素層の頂上の厚さ５０ｎｍの窒化ケイ素層等の多数の材料層で形成されている。図２Ａの断面図において示されるように、層のそれぞれは開口を含んでおり、窒化ケイ素層において最も小さく、シリコン基板において最大の開口を有する。その結果、図２Ｂにおいて示されるように、図２Ｂにおいて円形に示されるが、中央の開口を有する窒化ケイ素膜が提供され、この窒化ケイ素膜の縁部は窒化ケイ素／酸化ケイ素膜によって支持され、これらの縁部はシリコン基板によって支持されている。処理される原子的に薄い膜は窒化ケイ素の表面に配置される。このようなものを生産するための製造プロセスの一例では、窒化ケイ素と酸化ケイ素の層がシリコン基板上にブランケット被覆されており、ＵＶリソグラフィー及び反応性イオンエッチングにより、６５０μｍ四方の窓等の窓が、ダイ３ｍｍ当りに１つ、ウェハの片側上の最上部の窒化ケイ素層の中に形成される。水酸化カリウムエッチングは、ウェハの裏面から酸化物層に達するシリコンをエッチングするために使用され、自立している窒化ケイ素／二酸化ケイ素膜を解放する。集束イオンビームミリングは、酸化物の約９０％を通って約３μｍの窓をエッチングしてからフッ化水素エッチングを行うために使用され、約３μｍの自立している窒化ケイ素膜を解放する。

集束イオンビームミリング等の適切なプロセスを使用することにより、直径約１００ｎｍ〜約２００ｎｍの間の円形の開口が、その後、窒化ケイ素膜を通ってエッチングされる。穴のサイズは、数ナノメートルから数ミクロンまで変えることができるが、それより上では、グラフェン等の原子的に薄い材料は、十分に力学的に支持されそうにない。多数の開口の逐次イオンミリングよりむしろ、他の、反応性イオンエッチングを備えたリソグラフィー等のさらに規模拡大できる方法を、使用することができる。開口を備えた窒化ケイ素膜は、例えば、ＲＣＡエッチングつまり容積比５：１：１の水酸化アンモニウム、脱イオン水、及び３０％過酸化水素で、７０℃において１５分間洗浄し、続いてフッ化アンモニウムに例えば、室温で１分間浸漬し、最後に容積比５：１：１の塩酸、脱イオン水及び３０％過酸化水素で７０℃において１５分間洗浄することが好ましい。この洗浄工程で、選択された原子的に薄い膜材料は、支持フレーム構造体の部位で提供することができる。

グラフェン等の多くの原子的に薄い材料については、成長ホスト上で材料を合成し次に、支持フレーム構造体へこの材料を移動させることが必要となる。膜材料の移動プロセスの一例では、ここではグラフェンについて、例えば、銅箔上に合成されるグラフェン層を、支持層経由で支持フレームに移動する。このような支持層は、任意の適切な材料、例えば乳酸エチル中６〜８重量％のメタクリル酸メチル（ＭＭＡ）から形成され得、これが銅箔の上で合成されたままのグラフェン層の表面へスピンコートされ、１５０℃で約５分間ハードベイク（hard bake）される。次いで、銅箔は、例えば、塩化鉄浴の中でその表面にこの箔を浮遊させて完全にエッチング除去することができ、グラフェン領域は下地となるＭＭＡ支持層と共に残される。次いで、グラフェン領域は、浮遊しているグラフェン側を、液体の方に向けたまますすがれ、１モルの塩酸浴で２回すすぎ、脱イオン水で３回すすぐというような一連のすすぎが好ましい。グラフェンは、最後のすすぎで空気−水の界面に浮遊したままに置かれる。次いで、１個の支持フレーム構造体ウェハは、例えば９個以上の支持フレームダイを含んでいるが、ダイ上の最大面積をカバーするように窒化ケイ素層表面の上にグラフェン領域をすくい上げるために使用される。グラフェン領域及び窒化ケイ素表面の間に存在するいかなる水も、窒素銃で放出することができる。次いで、全ての水を除去し、グラフェンが窒化ケイ素層の最上面に、ファンデルワールス力によって、よく結合されることを確実にするために、構造体全体を例えば、９５℃で加熱することが好ましい。最後に、ＭＭＡ支持層は、この構造体をアセトンで、例えば、温度約５０℃で約３０分間すすぐことにより除去される。その後、全構造体はエタノールの中ですすがれ、臨界点乾燥機で乾燥される。グラフェン膜を調製する他の方法を、使用することができ、他の原子的に薄い材料については、他の構築プロトコルが必要になり得る。特定の膜材料の調製は必要ではないが、この膜材料が、支持フレーム構造体上に固定配置されて提供されることが好ましい。

この支持構造体が完了すれば、原子的に薄い膜を含む流体の環境は、任意の適切な方式で実施することができる。適切な流体セル３０の一つの実施例を、図３に概略的に示す。流体セルは、２つの半電池を含み、半電池はそれぞれポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の適切な不活性材料から形成され、２マイクロリットルの容積の容器３２及び３４を形成している。各容器は、それぞれ適切な流体入口３６、及び流体出口３８、容器へ化学種を導入するための注入ポート４０、容器間に電圧を印加するための回路において接続することができる電極２２、２４を含んでいる。例えば、塩化銀電極はプラスチック継手によって電極ポートへねじで留めることができる。適切な材料、例えば成型されたポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のプラスチックガスケット４２、４４は、ガスケット間の原子的に薄い膜１２を含む支持構造体と共に半電池間に配置される。ガスケット４２、４４は、１個以上の開口４６を任意に含むことができ、それぞれの開口は、例えば、約１０μｍ〜約１００μｍの間の直径を有する。装置の静電容量を減じる目的で、ガスケットの開口４６は、十分な液体接触を提供しつつも膜１２に接触する容器液体の面積を縮小するように提供される。組み立てでは、２つの半電池を、一緒に組み合せて、ガスケット間の膜及びその支持構造体を包み、２つの半電池を膜に対して定位置に固定する。

各半電池の容器内の液体は、高度に電気伝導性であることが好ましい。多くの用途については、１Ｍ〜３ＭのＫＣｌ又はＮａＣｌのような一般的な電解質等の電解質の適切な濃度を含む電解液は、ナノ孔製造プロセスに好適である。いかなる適切な電気伝導性溶液も使用することができる。この溶液は、ナノ孔製造に際し、ナノ孔が、直ちに意図した用途で操作することができるように、分子等の化学種、ＤＮＡ塩基配列決定又は分子解析等の選択されたナノ孔用途のための類似のポリマー分子を、含んでもよい。

多くの膜材料については、膜が電気伝導性溶液中に配置された場合、膜材料表面の特性が膜表面の完全湿潤を妨げる可能性のあることが分かる。膜の両方の表面が電解液等の溶液中で十分に湿潤することを確実にするための湿潤技術を本明細書において説明する。この湿潤技術において、表面の湿潤が望まれる局部的な環境、例えば、図３のフローセル配置のような流体の環境容器を、流体の環境において適所の表面を備えた表面の実質上完全な湿潤を可能にする一連の湿潤工程で処理する。

第１の湿潤工程では、フローセル等の局部的な湿潤環境を、高純度二酸化炭素ガス等の選択されたフラッシングガスで、十分な圧力において、フローセル等の湿潤環境から実質的な全ての空気をフラッシングする持続時間の間フラッシングする。少なくとも数秒から約５分までのガスフラッシングの持続時間は、ほとんどの構成に好適である。電池が、選択されたフラッシングガスでフラッシングされた後、フローセル及びガスラインを、脱イオン化され、脱ガスされた水中に沈めて、いかなる空気も電池に逆流するのを防ぐ。次いで、第２の湿潤工程では、脱イオン水に沈めたまま、選択された湿潤溶液をフローセルに導入する。湿潤溶液は、フラッシングガスとの接触に際して、フローセルの中へ導入後に、湿潤溶液がフラッシングガスと自然に反応してフラッシングガスを消費するか、又はフラッシングガスが実質的に完全に湿潤溶液に溶けるように、選択されたフラッシングガスと提携して選択されている。

例えば、二酸化炭素というフラッシングガスを与えられたとすると、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を含む水性湿潤溶液を使用することができる。湿潤溶液中のＫＯＨは、２ＫＯＨ＋ＣＯ_２→Ｋ_２ＣＯ_３＋Ｈ_２Ｏのような反応においてＣＯ_２フラッシングガスと自然に反応する。炭酸塩（ＣＯ_３ ^２−）イオンを含むＫ_２ＣＯ_３反応生成物は、水に高度に可溶で、ＫＯＨ溶液に直ちに溶解する。この反応が開始された後、システムの中及び特に膜の表面に残留するいかなる二酸化炭素ガス気泡も、溶液−ガス反応によって消費され、したがって膜表面は完全に湿潤する。例えば、１気圧での室温において、１０ｍＭのＫＯＨ溶液については、ＣＯ_２ガス気泡の吸収速度は、約０．１μＬ／秒ｍｍ^２であり、膜表面に残存する約１μｌより小さないかなるＣＯ_２気泡も、溶液中のＫＯＨとの１分以内の反応によって溶解し、これにより膜表面の完全な湿潤を速やかに達成する。

この膜表面湿潤手順では、湿潤溶液はフラッシングガスの圧力に抗してフローセルへ流れこみ、フラッシングガスの流れは、一旦、ガス−溶液反応が開始する等の適切な時点で止めることができる。適切なガス−溶液反応の持続時間、例えば、数分の後、湿潤プロセスは完結し、湿潤溶液は、表面湿潤がそのために所望されるいかなる選択溶液とでも取り替えることができる。空気又はフラッシングガスの気泡は導入されず、膜表面は完全に湿潤されたままとなる。湿潤された状態を維持するためには、いかなる膜表面の処理も必要としない。

この湿潤方法は安価で、非常に速く、効率的で、安全であり、従来の親水性処理によっては物理的に破壊される可能性のあるグラフェン膜等の脆弱な疎水性材料を、完全に湿潤させることができる。この湿潤手順は、９５％超の収率でグラフェン表面及びグラフェンナノ孔の湿潤を可能にする。湿潤方法は、表面湿潤が必要なあらゆるミクロスケール又はナノスケールのシステムに適用可能である。

この表面湿潤方法は、上に記述されたＣＯ_２フラッシングガス及びＫＯＨ水溶液によって限定されるものではない。いかなるフラッシングガス−湿潤溶液のペアも使用することができ、フラッシングガスは湿潤溶液と反応して可溶性の反応生成物を形成するか、又はそれ自体が湿潤溶液に溶ける。例えば、ＣＯ_２フラッシングガスは、ＮａＯＨ又はＮＨ_４ＯＨ等のｐＨが塩基性である湿潤溶液と使用することができる。同様に、Ｃｌ_２フラッシングガスは、ＫＯＨ、ＮａＯＨ又はＮＨ_４ＯＨ等の塩基性の湿潤溶液と使用することができるが、それにより反応生成物のＣｌＯ⁻イオンはＣｌ_２と溶液の間の反応に際して溶液に溶解することができる。例えばアンモニアガス、又は他の選択されたガスを含むいかなる適切なフラッシングガスも、局部的な湿潤性環境からフラッシングガスを除去するために作動する選択された対の一方の湿潤溶液と共に使用することができる。

他の表面湿潤技術を使用することができる。特定の湿潤プロセスは必要ではない。しかしながら、膜表面のその両側は、完全に湿潤され、電気伝導性溶液と完全に接触していることが好ましい。いかなる湿潤プロセスが使用されても、検討中のプロセスガス及び液体と膜材料との適合性を確認することが好ましい。

一旦、膜が液体フローセル溶液中において選択された電気伝導性液体で湿潤されれば、膜の中でナノ孔（複数可）の核生成の手順が開始される。第一工程の核形成では、膜の電気漏洩コンダクタンスを測定する。漏洩コンダクタンスは、任意の適切な技術で測定することができる。技術の一例では、１０秒にわたる−１５０ｍＶから＋１５０ｍＶのような適切な振幅の電圧ランプは、フローセル電極において、例えば、信号発生器を使用することによって膜を横切って課することができ、このシステムを通る結果として生じる電流を、膜を横切った電極間で、例えば、膜と直列に接続された電流増幅器によって測定する。漏洩コンダクタンスを測定する際に、測定が膜表面を破壊しないことを確実にするために、印加する電圧振幅が比較的低いこと、例えば、約±３００ｍＶ以下であることが好ましい。

図４Ａを参照すると、一旦、漏洩コンダクタンスが決定されると、次いで、少なくとも１つの極短核形成電圧パルスを、及び多くの用途については、好ましくは一連の極短核形成電圧パルスを、溶液中の電極間に印加することによって膜の中に１つ以上のナノ孔が核形成される。各核形成電圧パルスは、パルス持続時間、ｄ、を有するが、この持続時間はパルスシーケンスの他の核形成パルスの持続時間と同じ持続時間であってもよいし又は、別個のパルス持続時間であってもよい。各核形成電圧パルスの持続時間は、約０．００００１秒、すなわち１０×１０^−６秒以下であり、多くの用途に関して、約５００×１０^−９秒以下が好ましく、いくつかの用途に関して、２５０×１０^−９秒以下が好ましい。各核形成電圧パルスの持続時間は、膜を横切ってシステムでＲＣ充電に対応するように少なくとも約１００×１０^−９秒である。これらの必要条件で、各核形成電圧パルスの持続時間は、少なくとも１秒より約１００，０００倍短い。

一連の極短電圧パルスにおける第１の核形成電圧パルスの振幅は、始動電圧、Ｖ_ｓ、に設定され、その後、各後続の核形成電圧パルスの電圧は、増大させてもよいし、又は前の電圧レベルを繰り返してもよい。第１の電圧パルスは、ナノ孔の核形成をするために期待される最低電圧、例えば、１Ｖ未満の電圧に設定され、各後続のパルスの電圧振幅は、比較的小さな、例えば、１００ｍＶ等の１Ｖ以下の値ずつ増加させることができる。各核形成電圧パルスの印加と印加の間に、少なくともこのシステムについてのＲＣ時定数の持続期間とほぼ同じ、例えば、１０×１０^−９秒の核形成電圧パルス印加の休止がある。

第１の核形成電圧パルス、及び含まれているあらゆる後続のパルスの後に、ナノ孔が膜の中で核形成したかどうかを判断するために膜の導電率を測定することが好ましい可能性がある。核形成電圧パルスの後、膜の導電率が以前に測定された漏洩コンダクタンスより増加したと分かる場合には、ナノ孔の核形成が指示される。例えば、測定された導電率がかなり増加したと分かる場合には、例えば、ここでは液体の１ＭのＫＣｌ溶液の例について少なくとも約１ｎＳ〜１０ｎＳの場合、ナノ孔の核形成が確認されることになる。核形成されたナノ孔の部位は、１ｎｍ未満の範囲によって、物理的に特徴付けられる。多くの材料については、この核形成されたナノ孔は、膜の厚みを通して拡大するが、全ての材料について膜の厚みを通して拡大しなくてもよい。一旦、ナノ孔核形成が確認されれば、追加のナノ孔核形成電圧パルスは必要ではない。このナノ孔核形成の確認は、１つのナノ孔核形成電圧パルスが印加された後に、又は２つ以上のナノ孔核形成電圧パルスが印加された後に、行われる場合がある。

ナノ孔核形成を確認するために膜の導電率測定を行う際に、導電率測定が、前の電圧パルス中に核形成をしているかもしれないナノ孔を変質しないことを確実にするために、比較的低い振幅の電圧パルス、例えば、約±３００ｍＶ未満の電圧を使用することが好ましい可能性がある。このような低電圧では、膜又はナノ孔への損傷は全くないので、１秒以上の測定を、正確に導電率を測定することに使用することができる。

一旦、１つ以上のナノ孔が膜の中で核形成をしたことが確認されれば、必要に応じて、ナノ孔の直径は核形成されたナノ孔の縁部で膜から材料を除去することによって拡大することができる。このようなナノ孔の直径の拡大は必要ではなく、所与の用途については不要であるが、多くの用途に関しては、核形成されたナノ孔の直径を調整するのに使用することができる。いかなる適切なプロセスもナノ孔の直径を拡大させるために使用することができる。例えば、膜エッチングは、液体、蒸気、プラズマ、又は他の化学種によって、ナノ孔縁部から膜材料を除去するために使用することができる。ナノ孔の直径は、核形成されたナノ孔について所望される予め指定され選択されたナノ孔の直径に調整することができる。特定のナノ孔の直径の調整方法は必要ではなく、実際まさに説明されたように、いくつかの用途に関して、ナノ孔の核形成で十分である。

ナノ孔直径調整技術の１つの洗練された便利な技術では、図１に戻って参照すると、一連の極短電圧パルスは、ナノ孔の核形成をするための上述の方法で溶液中の電極間に印加される。この技術について、以下に詳細に記述されるように、ナノ孔の直径は先験的に予め指定されたナノ孔の直径に合わせてもよいし、又は開ループ式で拡大してもよい。一方のシナリオでは、少なくとも１つの極短調整電圧パルスが印加されるか、又は、多くの用途に関しては、一連の極短調整電圧パルスが印加される。

図４Ｂを参照すると、このような一連の調整電圧パルスにおける第１の調整電圧パルスはパルス振幅、Ｖ_ｓ、を有し、このＶ_ｓは、ナノ孔の核形成をするための第１の核形成電圧パルスの始動振幅に類似している。各後続の調整電圧パルスの振幅はそれぞれ前のパルスより大きくしてもよいし、又は等しい電圧振幅の連続するパルスを提供してもよい。それぞれの調整電圧パルスは、パルス持続時間、ｄを有し、この持続時間はパルスシーケンスの他の調整電圧パルスの持続時間と同じ持続時間であってもよいし又は、別個のパルス持続時間であってもよい。各調整電圧パルスの持続時間は任意の適切な値に設定することができる。多くの用途については、調整電圧パルス持続時間は、約０．００００１秒すなわち１０×１０^−６秒以下が好ましく、多くの用途については、約５００×１０^−９秒以下が好ましい。各調整電圧パルスの持続時間は、膜を横切ってシステムでＲＣ充電に対応するように少なくとも約１００×１０^−９秒である。これらの必要条件で、各調整電圧パルスの持続時間は、それぞれ少なくとも１秒より約１００，０００倍短い。各調整パルスの持続時間は、同じであってもよく、又は所望のナノ孔の直径に近づくにつれて、先のパルスより短くてもよい。各ナノ孔核形成パルス及び各ナノ孔調整パルスは、同じ持続時間であってもよい。

本明細書において分かることであるが、ナノ孔製造プロセスにおいて、ナノ孔の直径拡大、及びナノ孔の核形成の両方のための電圧パルスの持続時間は、約０．００００１秒、すなわち１０×１０^−６秒より短いことが好ましく、また、多くの用途については、パルス持続時間には、約５００×１０^−９秒又は２５０×１０^−９秒より短いことが好ましい。約０．００００１秒より長い電圧パルスの持続時間はどれも原子的に薄い膜に損傷を与える可能性があり、１秒間もの間の電圧印加は、原子的に薄い膜を局部的に破壊することが予想され得る。連続電圧印加は、電圧振幅に変動がある場合でさえ、適用することができない。代わりに、原子的に薄い膜の機械的完全性を保つために、電圧パルスの持続時間が少なくとも１秒より１００，０００倍短いことが必要であることが分かる。

本明細書において分かることであるが、ナノメートルスケールに局在化されない電場を印加することにより、サブナノメートルの精度を備えた原子的に薄い膜に直径１ｎｍ未満のナノ孔を作製し制御可能に拡大することができる。実際、連続電圧印加が原子的に薄い膜の機械的完全性を非常に速やかに破壊するので、孔電流のフィードバック測定はナノメートルサイズの孔径を制御するために使用することができない。約１０^−７秒である膜のＲＣ充電時間と１０^−６秒以下である膜破壊の時間スケールとの間にある非常に小さなパルス持続時間の範囲内のパルス持続時間を有する電圧パルスを印加することだけが、ナノスケールの孔径の正確な制御ができるように、この猛烈なプロセスを停止することができる。

ナノ孔の直径は、指定された膜材料及び電解液について、対応する膜の電気伝導度値を備えたナノ孔の径を測定することにより、予め指定された直径に正確に合わせることができる。ここで、選択された電解液中の所与の膜の導電率は、膜の中のナノ孔の径の関数として、例えば、有限要素シミュレーション及び分析により、又は分析的な近似により計算することができる。反対に、ナノ孔は、例えば、電子ビーム穴あけによって選択された膜材料の中に物理的に形成され得るが、このナノ孔の導電率は、選択された電解質溶液中のナノ孔の径の関数として実験的に測定された。単層グラフェン等の多くの原子的に薄い膜については、膜の導電率は、ナノ孔の直径に直線的に比例する。例えば、１ＭのＫＣｌ溶液では、オングストロームで表わされるナノ孔の直径は、ナノシーメンスで表わされる導電率とほぼ等しい。

膜の導電率とナノ孔の直径との間の既知の相関関係を用いて、ナノ孔の調整方法は、較正された膜材料及び電解液について正確に制御することができる。各調整電圧パルスを核形成されたナノ孔に印加した後に、ナノ孔の範囲を評価するために測定電圧パルスを印加して膜の導電率を測定することができる。測定電圧パルスは、ナノ孔の状態に影響を及ぼさないように上に記述された方式で、好ましくは比較的低電圧振幅、例えば約３００ｍＶが印加される。このような測定パルスを用いて、膜の導電率は、ナノ孔の直径の決定のために測定することができる。

膜の導電率を測定した後に、後続のナノ孔直径調整電圧パルスは、上昇電圧振幅又は定電圧振幅を備えた後続の調整パルスを用いて、電極に印加することができる。膜の導電率の増加が観察されて核形成された孔の直径が増加したことを示すまで、電圧パルス振幅は、１つの調整電圧パルスから次へと増加させることができる。一旦、核形成された孔の範囲が増加していることが判定されれば、調整電圧パルス振幅は、５Ｖの振幅電圧パルスについて図４Ｂにおいて示される方式で、後続の調整電圧パルスは一定に保持されてもよい。ナノ孔が拡大するにつれて、ナノ孔成長に対する制御の精度を増加させるためにパルス持続時間ｄを変更する方が好ましいこともあり得る。したがって、調整パルス持続時間ｄを、ナノ孔の直径の増加につれ、パルスシーケンスにわたって減少させる場合がある。

本明細書において分かることであるが、ナノ孔製造プロセスにおいて、膜の導電率測定がナノ孔の核形成及び／又は拡大の条件を決定するために使用される場合、このような膜の導電率測定は印加される電圧パルス間でなされねばならない。所望のナノ孔の直径に到達する場合に電圧パルスを終了する意図で電圧パルスを印加しながら、システムの導電率を監視することは実行不可能である。ナノ孔がナノメートル範囲の中で拡大する時間スケールは、膜のＲＣ充電時間程度である。ＲＣ充電時間の間に、ナノ孔を通る電流が電圧パルスに由来する容量性電流によって支配されるので、ナノ孔を通る電流は正確に測定することができない。その結果、ナノ孔を通る電流、そしてそれゆえに、ナノ孔の径は、ナノ孔の径が所望のサイズをはるかに越えて成長してからでないと、測定することができない。したがって、各極短電圧パルスが、電圧パルスの印加中にシステムの導電率を監視することなく印加され、その後ナノ孔の導電率は、低電圧バイアスで測定が可能であり、膜を破壊せずに、比較的長い時間安全に印加することができることが好ましい。

ナノ孔の調整プロセスは、選択された膜材料及び他のシステムパラメータについて十分に較正し、次いで、プロセスの間に導電率測定のない開ループ式で行うことができる。例えば、１つ以上のナノ孔核形成電圧パルスは、ナノ孔の核形成を生成するとして知られている予め選択されたパルス振幅及び持続時間を用いて、印加することができ、次いで、選択されたプロセスは核形成されたナノ孔の直径を調整するように、実施され得る。例えば、１つ以上のナノ孔調整電圧パルスは、予め指定されたナノ孔の直径を生成するとして知られている予め選択されたパルス振幅及び持続時間を用いて、印加することができる。このプロセスは、例えば、選択されたナノ孔の直径を最終的に生成するために予め指定された各パルスを備えた１つのナノ孔核形成電圧パルス及び、１つのナノ孔調整電圧パルスを含んでいてよい。

上に説明されるように、一旦、ナノ孔の核形成が確認されれば、いかなる適切なプロセスも、ナノ孔の直径を拡大させるために使用することができる。上に記述された方式での電圧パルスの印加は、特に効率的で有効であり得るが、他のプロセスを使用することができる。例えば、化学種は、核形成されたナノ孔を化学的に拡大させるために液体環境に導入させることができる。このようなものの一例では、硫酸溶液中の過マンガン酸カリウムは、グラフェン膜及びナノ孔が配置されている液体環境へ導入されて、グラフェンのナノ孔壁で反応し、グラフェン中のナノ孔を拡大させる。他の例では、液体環境の温度を、ナノ孔の径を調整するように制御することができる。例えば、液体を、ナノ孔を拡大させるために加熱することができる。さらに、ナノ孔の直径を調整して、例えば、ナノ孔を拡大させる様々な電気的なプロセスを使用することができる。

ナノ孔の調整を越えて、ナノ孔の核形成及び／又は直径の調整の後に、膜は、任意の特定の必要条件用にさらに処理することができる。例えば、膜及び／又はナノ孔は、原子層蒸着等の化学的又は物理的蒸着によって、材料で塗布することができる。このような材料塗布は、電気絶縁材料等のマイクロエレクトロニクス材料を含むことができ、また選択された用途に使用された脂質分子等の分子を含むことができる。これらの例は、一旦、１つ以上の極短電圧パルスによって膜の中でナノ孔が核形成されると、広範囲のプロセスを、ナノ孔の直径を調整するために使用することができること、及びナノ孔の部位で局部的な材料と構造をカスタマイズするために使用することができることを示している。

これらの製造プロセス及び表面湿潤技術については、ナノ孔の核形成及び調整工程の終りにおいて、ナノ孔が溶液中で正確に形成され、溶液中で湿潤されたままであり、したがって、溶液環境からの除去を必要とせずに直ちに溶液測定に使用することができる。膜の表面は、溶液から環境に暴露することによって生じるかもしれない汚染なしに、汚れのない状態で維持することができる。これにより、ナノ孔を通るＤＮＡの転位等の高度に正確なナノ孔の用途が可能となる。

［実施例１］
グラフェン膜中のナノ孔の核形成及び拡大

図２Ａ〜図２Ｂにおいて示されるように、グラフェン膜を、窒化ケイ素、酸化ケイ素及びシリコン基板の支持フレーム構造と共に組み立てた。支持構造体を、図３のフローセルに似たフローセルの中に配置し、室温において３ＭのＫＣｌ溶液で構成した。ナノ孔の核形成及び調整プロセスを、上に記述された方法で実施した。図５は、各印加電圧の電圧振幅、及び各電圧パルス間で測定した電流のプロットである。核形成電圧シーケンス及び調整電圧シーケンスの両者における、各電圧パルスは、２５０×１０^−９秒持続した。

１６０ｍＶの低電圧バイアスを導電率測定のために膜を横切って印加し、導電率をＡｘｏｐａｔｃｈ ２００Ｂ低ノイズ電流増幅器を使用して測定した。Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏ Ｒ３ボードを、ナノ孔製造プロセスの手動制御を可能とするようにプログラムした。Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏ上で手動で押されたボタンに応答して、膜をＡｘｏｐａｔｃｈ電流増幅器から切り離し、メカニカルリレー（Ｐａｎａｓｏｎｉｃ ＴＮ２−５Ｖ）経由でＨＰ ８１１０Ａパルス発生回路に接続した。１秒の遅れの後、Ａｒｄｕｉｎｏボードでパルス発生回路を起動し、手動指定の電圧振幅を備えた２５０ｎｓのパルスを印加し、ナノ孔の径を監視するために、膜を低ノイズ電流増幅器に再度接続した。図に示されるように、これらの工程を数回繰り返した。

図５のプロットにおいて示されるように、１Ｖの振幅から開始し、７Ｖの振幅まで増加させる７つの核形成電圧パルスを印加した後に、測定電流の飛び上がりによって証明されたように、ナノ孔を核形成させた。次いで、一連の調整電圧パルスを起動させ、１Ｖの始動電圧で再び開始した。１Ｖから５Ｖまで振幅を増加させて、５つの調整電圧パルスを印加した後に、測定電流における飛び上がりによって証明されたように、ナノ孔は拡大し始めた。測定電流の飛び上がりの後に、調整電圧パルスの振幅を５Ｖで一定に保持し、調整電圧パルスのシーケンスを継続した。プロットに示されるように、調整電圧のパルスシーケンスの継続とともに、測定導電率は増加を続け、ナノ孔の直径の増加を示した。図６は、電圧パルス数の関数としての計算されたナノ孔の直径のプロットであり、電圧パルス数は核形成電圧パルス及び調整電圧パルスを含む。

原子的に薄い材料の中のナノ孔について観察をする際に、映像コントラストが乏しいため、ナノ孔の撮像は、特に単層グラフェンについては困難なことがある。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）は必要であり、低エネルギー（８０ｋＶ）の収差補正顕微鏡は非常に有用である。グラフェン膜の中のナノ孔を成功裡に撮像する１つのプロセスでは、支持構造体上に配置されたグラフェン膜を、先ずフローセルから注意深く取り出し、脱イオン水に速やかに浸した。膜と支持構造体は、空気中で乾燥しないようにすべきである。ナノ孔の撮像のために、膜と支持構造体は臨界点乾燥機で一度に、乾燥することが望ましい。汚染物質が、乾燥プロセス及び周囲空気への暴露の間にナノ孔を覆って撮像を不首尾に終わらせる恐れがある。さらに、約２００ｋＶ超のエネルギーを有するビームで撮像することは、単層グラフェン等の原子的に薄い材料中に徐々に欠陥を生じさせる場合がある。したがって、非常に速やかに画像を得ることが好ましい。汚染されていないグラフェンはしばしば物質の全くない空間に類似しているように見える。したがって、さらに、画像の解釈は困難となる。

図５の導電率測定データは、持続時間２５０×１０^−９秒以下の核形成及び調整電圧パルスを用いて、グラフェン膜の中でナノ孔の核形成がなされ、ナノ孔の直径は、パルス毎に所望の直径、この実験例では３ｎｍまで制御可能に正確に拡大することを示している。ナノ孔の核形成は、それぞれの核形成電圧パルスの後に測定された導電率の値によって明確に示され、ナノ孔の直径増加は、各調整電圧パルスの後に測定された導電率の値に明白に関連づけられる。膜材料の機械的完全性を維持しつつ、信頼性高くナノ孔を生産するためのナノ孔製造方法が示された。

［実施例２］
グラフェン膜の中に製造されたナノ孔を通るＤＮＡの転位

実施例１の直径３．５ｎｍのナノ孔を、図３のフローセル中の３ＭのＫＣｌ溶液内に配置した。１０ｋｂｐのｄｓＤＮＡを、４ｎｇ／μＬの濃度で３ＭのＫＣｌの電解質溶液に溶解した。ＤＮＡを含む溶液４５μＬを、構造体の上面側の半電池の中への流体電池の注入ポートに注入し、この構造体の上面側は、窒化ケイ素／酸化ケイ素支持構造体の上に全面暴露されたグラフェン層を有す側であり、下部シリコン基板の表面が暴露された下面側の反対である。パッチクランプ増幅器（Ａｘｏｐａｔｃｈ ２００Ｂ）を使用して、−１６０ｍＶのバイアスを、構造体のグラフェン層側の電極に印加した。この電圧バイアスが、溶液中のＤＮＡ分子を電気泳動的に駆動させて、構造体のグラフェン層側から構造体のシリコン基板側までナノ孔を通って転位させた。電圧印加中にナノ孔を通るイオン電流を、パッチクランプ増幅器を使用して監視した。ＤＮＡ転位を、測定されたイオン電流における一過性の電流遮断として検知した。

図７のプロットの中で示されるように、測定された電流遮断は、それぞれ測定された電流の降下、例えば、約２００×１０^−６秒の持続時間にわたる約３．５ｎＡの電流降下から構成された。これらの状態は、ナノ孔を通ったＤＮＡ分子の存在によるイオン電流の遮断に直接対応する。ナノ孔を通るこのＤＮＡ転位は、数分間にわたり実施された。このことは、本明細書の方法論中の極短電圧パルスによって製造されたナノ孔は、長い作動持続時間にわたってナノ孔を通るＤＮＡ転位を可能にするのに十分なほど堅牢で輪郭がはっきりしていることを示している。

実施例及び上の記述は、本明細書に提供されるナノ孔製造プロセスで達成される精度及び高レベルの寸法制御を示しており、その実施において再現性及び洗練された簡潔性を提供する。このプロセスの記述は単一のナノ孔の製造中のシナリオを示しているが、このプロセスは規模拡大のために容易に構成される。上に説明されるように、膜材料は、それぞれがその部位でナノ孔の核形成を促進する状態又は欠陥を有する表面部位の列を備えることができ、それにより、ナノ孔の列を同時に製造することができる。あるいは、材料中の複数個のナノ孔を、例えば、予め指定されたナノ孔の列として製造するために、電気的パルスを電極に印加しながら、膜材料の表面を越えて走査することができる電極の列又は電極を用いることができる。このようなナノ孔の列は、例えばナノ濾過用途には特に有利であり得る。

ナノ孔製造プロセスは、ともに約１０層未満の原子層の厚み、又は、約５０ナノメートル未満の厚み、約１０ナノメートル未満の厚み、さらに又は約５ナノメートル未満の厚みである、任意の適切な原子的に薄い材料又は材料の層を用いることができる。ナノ孔製造プロセスは、ナノ孔形成の液体環境中に、任意の選択された化学種の存在下で実施することができ、化学反応性種及びナノ孔形成の後に試験されるポリマー分子等の化学種を含む。さらに、１つ以上の選択された化学種は、例えば、ナノ孔形成中にナノ孔の縁部を改変するために、又はナノ孔を拡大させるために、及び膜材料を改変するか、膜材料と反応するために、ナノ孔形成中に液体環境に含ませることができる。したがって、ナノ孔製造プロセスは、選択された用途用のナノ孔及びその環境をカスタマイズするための広範囲の適合に適用され易い。

当業者は、当該技術分野への本発明の寄与の精神及び範囲を逸脱することなく、上記実施形態に多様な改変及び付加をすることができることが認識される。したがって、本出願で求められる保護は、特許請求の範囲及び本発明の範囲内におけるそれと均等なもの全てに及ぶべきものと理解される。

１０ 電気伝導性流体環境
１２ 膜
１４ 電気伝導性流体
１６ 支持フレーム
２２ 電極
２４ 電極
２６ 回路

Claims (50)

1. 膜中にナノ孔を形成する方法であって、
   膜の２つの対向面を電気伝導性液体環境に暴露することと、
   ２つの膜面間に、液体環境を通して、第１の核形成パルス振幅を有するナノ孔核形成電圧パルスを印加することであって、ナノ孔核形成電圧パルスが、パルス持続時間を有することと、
   ナノ孔核形成電圧パルスを印加した後に、膜の電気伝導度を測定し、測定された電気伝導度を予め指定された第１の電気伝導度と比較することと、
   少なくとも１つの追加のナノ孔核形成電圧パルスを、液体環境を通して２つの膜面間に印加することであって、測定された電気伝導度が予め指定された第１の電気伝導度以下の場合には、それぞれ追加のナノ孔核形成電圧パルスを印加することと、
   調整パルス電圧振幅を有するナノ孔直径調整電圧パルスを少なくとも１つ、２つの膜面間に、液体環境を通して印加することであって、測定された電気伝導度が予め指定された第１の電気伝導度より大きく、予め指定された第２の電気伝導度以下の場合には、それぞれのナノ孔直径調整電圧パルスを印加し、それぞれのナノ孔直径調整電圧パルスがパルス持続時間を有することと
   を含む、方法。
2. 少なくとも１つのナノ孔直径調整電圧パルスを印加することが、
   第１の調整パルス電圧振幅を有する第１のナノ孔直径調整電圧パルスを、２つの膜面間に、液体環境を通して印加することであって、ナノ孔直径調整電圧パルスは、パルス持続時間を有することと、
   第１のナノ孔直径調整電圧パルスを印加した後に、膜の電気伝導度を測定し、測定された電気伝導度を予め指定された第３の電気伝導度と比較することと、
   第１の調整パルス電圧振幅より大きい第２の調整パルス電圧振幅を有する、追加のナノ孔直径調整電圧パルスを少なくとも１つ、２つの膜面間に、液体環境を通して印加することであって、測定された電気伝導度が予め指定された第３の電気伝導度以下の場合には、それぞれの追加のナノ孔直径調整電圧パルスを印加することと、
   第１の調整パルス電圧振幅を有する少なくとも１つの追加のナノ孔直径調整電圧パルスを、２つの膜面間に、液体環境を通して印加することであって、測定された電気伝導度が予め指定された第３の電気伝導度より大きく、予め指定された第２の電気伝導度以下の場合には、追加のナノ孔直径調整電圧パルスを印加することと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. それぞれのナノ孔核形成電圧パルスのパルス持続時間及びそれぞれのナノ孔直径調整電圧パルスのパルス持続時間が、２５０×１０^−９秒以下である、請求項１に記載の方法。
4. 少なくとも１つのナノ孔直径調整電圧パルスのパルス持続時間が、以前に印加したナノ孔直径調整電圧パルスのパルス持続時間未満である、請求項２に記載の方法。
5. 全てのナノ孔核形成電圧パルスが同一のパルス持続時間を有する、請求項１に記載の方法。
6. 全てのナノ孔直径調整電圧パルスが同一のパルス持続時間を有する、請求項１に記載の方法。
7. 全てのナノ孔核形成電圧パルス及び全てのナノ孔直径調整電圧パルスが同一のパルス持続時間を有する、請求項１に記載の方法。
8. ２つの膜面間に、第１のナノ孔核形成電圧パルスを印加する前に、膜の電気漏洩コンダクタンスを測定し、測定された電気漏洩コンダクタンスが予め指定された第１の電気伝導度として指定されることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 膜の電気漏洩コンダクタンスを測定することが、測定パルス振幅を有する測定電圧パルスを、２つの膜面間に、液体環境を通して印加することであって、測定パルス振幅が３００ｍＶ未満であることを含む、請求項１に記載の方法。
10. ２つの膜面間に、少なくとも１つの追加のナノ孔核形成電圧パルスを印加することが、測定された電気伝導度が、予め指定された第１の電気伝導度未満の場合には、液体環境を通して、第１の核形成パルス振幅より大きい第２の核形成パルス振幅を有する少なくとも１つの追加のナノ孔核形成電圧パルスを印加することを含む、請求項１に記載の方法。
11. 追加の核形成パルス振幅のそれぞれが、前の核形成パルス振幅より少なくとも１Ｖ大きい、請求項１０に記載の方法。
12. 測定された電気伝導度が予め指定された第１の電気伝導度を超えるまで追加のナノ孔核形成電圧パルスのそれぞれが印加され、膜の電気伝導度が測定される、請求項１に記載の方法。
13. 予め指定された第２の電気伝導度が、予め指定された直径のナノ孔を含む膜についての膜電気伝導度に相当する、請求項１に記載の方法。
14. 予め指定された第３の電気伝導度が、予め指定された第１の電気伝導度より大きい、請求項２に記載の方法。
15. 予め指定された第３の電気伝導度が、第１のナノ孔直径調整電圧パルスの印加の前に測定された電気伝導度である、請求項２に記載の方法。
16. 膜が、厚さ５０ｎｍ以下の原子的に薄い材料を含む、請求項１に記載の方法。
17. 膜がグラフェンを含む、請求項１に記載の方法。
18. 電気伝導性液体の環境が電解液を含む、請求項１に記載の方法。
19. 膜に第１の処理を行って、その部位にナノ孔の核形成をもたらす材料状態を有する少なくとも１つの局在化された膜部位を生成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
20. 膜及び核形成されたナノ孔の少なくとも１つを改変するために電気伝導性液体の環境に化学種を含むことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
21. 少なくとも１つのナノ孔直径調整電圧パルスを印加した後に、２つの対向する膜面の一方の側の液体環境に、ポリマー分子種を添加することと、
    ２つの対向する膜面間に、液体環境を通して転位電圧を印加して、ポリマー分子種が膜の中のナノ孔を通って転位するようにすることと
    をさらに含む、請求項１記載の方法。
22. ポリマー分子種が少なくともＤＮＡ鎖の一部を含む、請求項２１に記載の方法。
23. 膜中にナノ孔を形成する方法であって、
    膜の２つの対向面を電気伝導性液体環境に暴露することと、
    核形成パルス振幅及びパルス持続時間を有する少なくとも１つのナノ孔核形成電圧パルスを、２つの膜面間に、液体環境を通して印加して、膜においてナノ孔核形成部位を生成することと、
    ナノ孔核形成電圧パルスを印加した後に、膜を処理して、ナノ孔核形成部位において予め選択されたナノ孔の直径を生成することと
    を含む、方法。
24. 膜がグラフェンを含む、請求項２３に記載の方法。
25. 膜の厚みが５０ｎｍ未満である、請求項２３に記載の方法。
26. 少なくとも１つのナノ孔核形成電圧パルスのパルス持続時間が２５０×１０^−９秒以下である、請求項２３に記載の方法。
27. 膜中にナノ孔を形成する方法であって、
    膜の２つの対向面を電気伝導性液体環境に暴露することと、
    それぞれが核形成パルス振幅及びパルス持続時間を有する少なくとも２つのナノ孔核形成電圧パルスを、２つの膜面間に、液体環境を通して印加することと、
    それぞれが調整電圧パルス振幅及びパルス持続時間を有する少なくとも２つのナノ孔直径調整電圧パルスを、２つの膜面間に、液体環境を通して印加することと
    を含む、方法。
28. 全てのナノ孔核形成電圧パルス及び全てのナノ孔直径調整電圧パルスが同一の持続時間を有する、請求項２７に記載の方法。
29. ナノ孔直径調整電圧パルスのそれぞれが、前に印加した調整電圧パルスの調整電圧パルス振幅より大きい調整電圧パルス振幅を有する、請求項２７に記載の方法。
30. 膜がグラフェンを含む、請求項２７に記載の方法。
31. 表面を湿潤させる方法であって、
    局部的な湿潤性環境の中に湿潤される表面を配置することと、
    局部的な湿潤性環境を、局部的な湿潤性環境から実質上全ての空気を取り除き、空気をフラッシングガスに置き換えるのに十分なフラッシングの持続時間の間フラッシングガスでフラッシングすることと、
    空気が局部的な湿潤性環境に逆流しないように防止することと、
    局部的な湿潤性環境へ液体湿潤溶液を導入することと、
    を含み、
    フラッシングガスが、１）液体湿潤溶液と化学的に反応して液体湿潤溶液において溶解可能な化学反応生成物を生成すること、及び２）液体湿潤溶液に溶解可能であることからなる群から選択された少なくとも１つの状態を有する、方法。
32. 局部的な湿潤性環境の中に湿潤される表面を配置することが、２つの湿潤される対向面を有する膜を局部的な湿潤性環境の中に配置することを含む、請求項３１に記載の方法。
33. 局部的な湿潤性環境の中に湿潤される表面を配置することが、湿潤される面を有する構造体を、液体フローセルの中に配置することを含む、請求項３１に記載の方法。
34. 液体フローセルの中に構造体を配置することが、液体を含んでいない液体フローセルの中に構造体を配置することを含む、請求項３３に記載の方法。
35. フラッシングガスを用いて局部的な湿潤性環境をフラッシングすることが、局部的な湿潤性環境から実質上全ての空気をフラッシングするのに十分な流れ圧力でフラッシングガスを流すことを含む、請求項３１に記載の方法。
36. 局部的な湿潤性環境が容器であることを含む、請求項３１に記載の方法。
37. 局部的な湿潤性環境が少なくとも１つの入口ポートを有する容器であり、空気が局部的な湿潤性環境に逆流しないように防止することが、容器へフラッシングガスを流しながら液体中に容器を沈めることを含む、請求項３１に記載の方法。
38. 局部的な湿潤性環境へ液体湿潤溶液を導入することが、局部的な湿潤性環境へフラッシングガスを流しながら局部的な湿潤性環境へ液体湿潤溶液を流すことを含む、請求項３１に記載の方法。
39. フラッシングガスが二酸化炭素を含む、請求項３１に記載の方法。
40. フラッシングガスが塩素ガスを含む、請求項３１に記載の方法。
41. フラッシングガスが、二酸化炭素ガス、アンモニアガス及び塩素ガスからなる群から選択され、湿潤溶液が塩基性のｐＨの液体である、請求項３１に記載の方法。
42. フラッシングガスが、液体湿潤溶液と化学的に反応して、液体湿潤溶液に溶解可能な、電荷を帯びたイオンを含む化学反応生成物を生成する、請求項３１に記載の方法。
43. フラッシングガスが二酸化炭素及び塩素ガスからなる群から選択され、湿潤溶液がＫＯＨ、ＮａＯＨ及びＮＨ_４ＯＨからなる群から選択される、請求項３１に記載の方法。
44. 湿潤される表面が膜の厚みを貫通してナノ孔表面を含む、請求項３１に記載の方法。
45. 湿潤される表面が１０層以下の厚みの原子層を有する原子的に薄い膜の対向面を含む、請求項３１に記載の方法。
46. 湿潤される表面がグラフェン表面を含む、請求項３１に記載の方法。
47. 局部的な湿潤性環境へ液体湿潤溶液を導入することが、局部的な湿潤性環境を液体湿潤溶液で実質上満たすことを含む、請求項３１に記載の方法。
48. 局部的な湿潤性環境の中の湿潤溶液を選択された液体溶液に取り替えることをさらに含み、それによって選択された液体溶液が湿潤溶液を取り替えるにつれ、湿潤される表面が選択された液体溶液によって実質上完全に湿潤される、請求項３１に記載の方法。
49. 湿潤溶液を取り替える選択された液体溶液が電解液である、請求項３１に記載の方法。
50. 電解液がポリマー分子を含む、請求項３１に記載の方法。
    

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