一種利用電子束誘導淀積制備納米管道的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種利用電子束誘導淀積制備納米管道的方法，將襯底置入配備有電子束的真空腔內，確定待制備孔道的位置和大小，將電子束束斑中心與孔道中心重合，選擇電子束束斑大小，使電子束的直徑為所需孔道的外徑；通入氣體源，控制氣體的流量以及真空腔的氣壓，使電子束誘導沉積過程為擴散控制的過程，也即氣體源中的分子通過襯底表面擴散至電子束束斑位置后進行分解并形成材料淀積；采用電子束進行輻照；停止輻照，在襯底兩側獲得環(huán)狀孔道結構；對環(huán)狀孔道結構的內孔內淀積的材料和襯底進行刻蝕，使孔道結構內孔范圍內部淀積的材料和襯底刻蝕掉形成通孔，則襯底兩側的孔道結構連成一體，得到納米管道。適合于高深寬比的結構制造。
【專利說明】
一種利用電子束誘導淀積制備納米管道的方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于先進微納結構制備的技術領域，具體涉及一種利用電子束誘導淀積制備納米管道的方法。
【背景技術】
[0002]納米孔是指孔徑在納米尺度的孔結構。納米孔可以應用于微流體系統(tǒng)，準直系統(tǒng)，過濾通道，氣體和液體的過濾等等領域。由于納米孔的尺寸一般都小于一個微米，傳統(tǒng)的機械加工方法實際上無法進行加工制備?；瘜W腐蝕的方法，比如AAO模板可能可以制備納米孔，但是難以精確控制孔的位置。目前存在制備納米孔的方法比如高能粒子束輻照是利用粒子束的高動能將材料中的原子進行剝離或者刻蝕，這一方法具有好的精度和可控性，但是這一方法制備金屬等難以刻蝕的材料時候碰到很大的困難。
[0003]納米孔測序是現(xiàn)代基因測序的一種比較有前途的方法。其原理是將解旋后的DNA分散于溶液中將其通過一個納米級尺度的孔道，利用孔道兩側的電極測試不同的堿基對來實現(xiàn)測序。這一技術依賴于制備納米尺度的孔道結構。雖然之前的報道表面可以使用直接電子束刻蝕薄膜的方法制備出小尺度的孔道，但是這一方法加工的厚度有限，多數(shù)情況下只能制造出長度在50納米一下的孔通道。而進一步的研究發(fā)現(xiàn)這種結構很容易造成DNA鏈吸附于孔道邊緣并快速使孔道堵塞。同時如果薄膜的厚度比較薄的時候，DNA鏈難以以直線的方式通過孔道，有時候會攔腰附著在孔道邊緣，對后續(xù)的測量造成干擾，也會造成孔道的堵塞。
[0004]此外，在微流體通道領域，直徑在100納米以下的孔道在分子檢測和篩選等領域具有非常重要的意義。而制造100納米以下的孔道也具有非常大的困難。使用電子束曝光等技術雖然可以實現(xiàn)相應尺度的結構制備，但是其使用非常昂貴，實際上難以實用化。
[0005]碳納米結構由于其低化學活性，不與很多化學物質反應，因此是制作納米管道的良好材料，可以應用于很多場合。雖然納米管等材料具有管道狀的結構，但是由于其難以實現(xiàn)定點的高精度生長并形成開口的孔道結構，并且也難以進行操控以沿特定方向固定在確定的位置，所以在實際應用中仍然存在一定的困難。為此，現(xiàn)階段尋找一種能夠高精度制備結構良好的碳納米管道結構具有重要的現(xiàn)實意義。
【發(fā)明內容】
[0006]針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種利用電子束誘導淀積制備納米管道的方法，適合于高深寬比的結構制造，具有較好的可控性，定位精度高，效率較高，制備出的結構完好，且可以批量制造。
[0007]本發(fā)明的技術方案是:一種利用電子束誘導淀積制備納米管道的方法，包括如下步驟:
[0008]步驟一、選取襯底；
[0009]步驟二、將襯底置入配備有電子束的真空腔內，所述電子束加速電壓小于300keV，電子束束斑大小能夠在I納米-500微米內選擇，且電子束束斑內的強度分布具有高斯分布的特征；
[0010]步驟三、確定待制備孔道的位置和大小，將電子束束斑中心與孔道中心重合，選擇電子束束斑大小，使電子束的直徑為所需孔道的外徑；
[0011]步驟四、通入氣體源，控制氣體的流量以及真空腔的氣壓，使電子束誘導沉積過程為擴散控制的過程，也即氣體源中的分子通過襯底表面擴散至電子束束斑位置后進行分解并形成材料淀積；
[0012]步驟五、采用步驟二所述電子束進行輻照；
[0013]步驟六、停止輻照，在襯底兩側獲得環(huán)狀孔道結構；
[0014]步驟七、對環(huán)狀孔道結構的內孔內淀積的材料和襯底進行刻蝕，使孔道結構內孔范圍內部淀積的材料和襯底刻蝕掉形成通孔，則襯底兩側的孔道結構連成一體，得到納米管道。
[0015]進一步的，所述步驟七，具體方法如下:采用離子束，將離子束定位在環(huán)狀孔道結構的內孔內進行刻蝕，使孔道結構內孔范圍內部淀積的材料和襯底材料刻蝕掉形成通孔，使襯底兩側的孔道結構連成一體，制備得到納米管道。
[0016]進一步的，所述步驟七，具體方法如下:使用化學刻蝕的方法對環(huán)狀孔道結構的內孔內淀積的材料和襯底進行刻蝕，使孔道結構內孔范圍內部淀積的材料和襯底材料刻蝕掉形成通孔，則襯底兩側的孔道結構連成一體，得到納米管道。
[0017]進一步的，步驟一所述襯底為硅薄膜，碳薄膜，硫化鉬薄膜，氧化硅薄膜。
[0018]進一步的，所述襯底厚度小于100納米。
[0019]進一步的，所述襯底厚度小于10納米。
[0020]進一步的，步驟四所述氣體源是揮發(fā)性有機物的單質或者混合物的氣體。
[0021]進一步的，步驟五所述電子束的輻照強度大于lOA/cm2，輻照時間大于I秒。
[0022]有益效果:
[0023](I)現(xiàn)有技術比如基于硅工藝微加工技術制備得到小于500納米的孔道需要使用電子束曝光方法，再經過刻蝕，所獲得的孔道難以有較大的深寬比。而本發(fā)明比較適合于高深寬比的結構制造。
[0024](2)現(xiàn)有技術比如刻蝕石墨烯獲得原子尺度孔道的方法需要將電子束匯聚成小于所需空洞直徑的尺度，其對儀器要求高，而且孔道只具有一個原子層厚度，強度太低，應用起來不容易。而本發(fā)明技術具有較好的可控性?？梢酝ㄟ^控制氣源流量和真空腔體壓強，電子束強度，淀積時間等參數(shù)度淀積過程中結構的高度，管道厚度等進行控制；
[0025](3)現(xiàn)有技術比如陽極氧化鋁箔(AAO)技術無法實現(xiàn)高精度定點制備，而且只限于鋁箔材料，對其他材料不適用。而本發(fā)明定位精度高。由于可以通過電子束成像的方式尋找到目的位置，并且直接利用電子束進行材料淀積，所以其具有定位精度高的優(yōu)點；
[0026](4)效率較高。由于電子束誘導沉積一般具有較高的速度，所以使用本方法制備管道的時候一般具有較好的速度。
[0027](5)制備出的結構完好，管道內部和外部光滑。
[0028](6)可以批量制造。由于電子束可以經過良好的控制進行高精度定位并重復進行電子束誘導淀積，因此其可以用于在樣品的不同位置進行重復制備，實現(xiàn)批量制備的目的。
[0029](7)由于電子束誘導的電極實際上適用于多種材料，比如硅，鎢，鉑金，等等金屬或者非金屬材料，本方法可以方便的擴展到制備其他材料的管道結構。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的原理圖；從左往右依次:電子束輻照在襯底表面的情況；電子束誘導的材料在襯底表面淀積的情況;淀積的材料被刻蝕后露出環(huán)形結構中間襯底的情況;襯底材料被刻蝕后形成管道的情況。其中，I為入射電子束投影的范圍，2為透射電子束透射的范圍，3為襯底，4為電子束誘導的材料淀積的形狀。
[0031]圖2為實施例1的實驗圖；
[0032]圖3為實施例2的實驗圖；
[0033]圖4為實施例3的實驗圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。
[0035]基于電子束誘導的材料淀積的原理，原材料在電子束的激發(fā)下產生分解并在襯底表面形成淀積，形成納米結構。通常使用的電子束誘導淀積有兩種主要機理:反應控制型和擴散控制型。其中前者形成的納米結構的形狀與電子束的強度分布直接相關:在電子束強的地方淀積的材料較多，電子束強度弱的地方淀積的材料較少。由于一般使用的高斯強度分布的電子束會形成島狀的材料淀積，要通過控制電子束束斑內的強度分布來實現(xiàn)管道狀結構的制備比較困難。在擴散控制型電子束誘導淀積中，原料通過襯底表面擴散至電子束輻照范圍內，在電子束束斑邊緣即開始分解并形成材料淀積，因此其會形成環(huán)形結構的生長。在合理控制各項參數(shù)比如氣壓，原料氣體流量，電子束強度等的條件下可以使環(huán)狀結構充分生長，最后制備得到管道結構。這一方法為納米尺度的管道結構的高精度制備提供了可能。
[0036]如圖1所示，一種利用電子束誘導淀積制備納米管道的方法，包括如下步驟:
[0037]步驟一、選取襯底；
[0038]步驟二、將襯底置入配備有電子束的真空腔內，所述電子束加速電壓小于300keV，電子束束斑大小能夠在I納米-500微米內選擇，且電子束束斑內的強度分布具有高斯分布的特征；
[0039]步驟三、確定待制備孔道的位置和大小，將電子束束斑中心與孔道中心重合，選擇電子束束斑大小，使電子束的直徑為所需孔道的外徑；
[0040]步驟四、通入氣體源，控制氣體的流量以及真空腔的氣壓，使電子束誘導沉積過程為擴散控制的過程，也即氣體源中的分子通過襯底表面擴散至電子束束斑位置后進行分解并形成材料淀積；
[0041]步驟五、采用步驟二所述電子束進行輻照；輻照強度大于lOA/cm2，輻照時間大于I秒。
[0042]步驟六、停止輻照，在襯底兩側獲得環(huán)狀孔道結構；
[0043]步驟七、對環(huán)狀孔道結構的內孔內淀積的材料和襯底進行刻蝕，使孔道結構內孔范圍內部淀積的材料和襯底刻蝕掉形成通孔，則襯底兩側的孔道結構連成一體，得到納米管道。
[0044]實施實例1:
[0045]使用厚度3納米的碳膜為襯底，置入真空腔，電子束加速電壓300KeV，電子束束斑130納米，束斑具有高斯分布強度特征。電子束平均強度500A/cm2。確定在樣品表面制備孔道的位置后固定電子束，往真空腔通入揮發(fā)性有機物氣體，等待約30秒鐘后得到如圖2所示的環(huán)形結構。單側環(huán)形結構的高度經過測量為30納米左右，也即管道總長度60納米左右，環(huán)中央為碳膜襯底，環(huán)形結構為揮發(fā)性有機物氣體分解獲得的非晶碳結構，厚度26納米，也即管道的壁厚26納米。中央通孔直徑80納米。此結構經過刻蝕后可以獲得管道長度40納米左右，壁厚26納米的聯(lián)通管道.
[0046]實施實例2:
[0047]使用厚度3納米的碳膜為襯底，置入真空腔，電子束加速電壓80KeV，電子束束斑190納米，束斑具有高斯分布強度特征。電子束平均強度5500A/cm2。確定在樣品表面制備孔道的位置后固定電子束，往真空腔通入揮發(fā)性有機物氣體，等待約3分鐘后得到如圖3所示的環(huán)形結構。環(huán)形結構的單側高度經過測量為82納米左右，也即管道總長度164納米左右，環(huán)中央為碳膜襯底，環(huán)形結構為揮發(fā)性有機物氣體分解獲得的非晶碳結構，厚度47納米，也即管道的壁厚47納米。中央通孔直徑86納米。此結構經過刻蝕后可以獲得管道長度150納米左右，壁厚47納米的聯(lián)通管道.
[0048]實施實例3:
[0049]使用厚度3納米的碳膜為襯底，置入真空腔，電子束加速電壓80KeV，電子束束斑190納米，束斑具有高斯分布強度特征。電子束平均強度5500A/cm2。確定在樣品表面制備孔道的位置后固定電子束，往真空腔通入揮發(fā)性有機物氣體，等待約20分鐘后得到如圖4所示的環(huán)形結構。這一環(huán)形結構在薄膜的兩側面形成，單側環(huán)形結構的高度經過測量為423納米左右，也即管道總長度846納米左右，環(huán)中央為碳膜襯底，環(huán)形結構為揮發(fā)性有機物氣體分解獲得的非晶碳結構，厚度57納米，也即管道的壁厚57納米。中央通孔直徑46納米。此結構經過刻蝕后可以獲得管道長度800納米左右，壁厚57納米的聯(lián)通管道。
[0050]以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內。
【主權項】
1.一種利用電子束誘導淀積制備納米管道的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一、選取襯底； 步驟二、將襯底置入配備有電子束的真空腔內，所述電子束加速電壓小于300keV，電子束束斑大小能夠在I納米-500微米內選擇，且電子束束斑內的強度分布具有高斯分布的特征； 步驟三、確定待制備孔道的位置和大小，將電子束束斑中心與孔道中心重合，選擇電子束束斑大小，使電子束的直徑為所需孔道的外徑； 步驟四、通入氣體源，控制氣體的流量以及真空腔的氣壓，使電子束誘導沉積過程為擴散控制的過程，也即氣體源中的分子通過襯底表面擴散至電子束束斑位置后進行分解并形成材料淀積； 步驟五、采用步驟二所述電子束進行輻照； 步驟六、停止輻照，在襯底兩側獲得環(huán)狀孔道結構； 步驟七、對環(huán)狀孔道結構的內孔內淀積的材料和襯底進行刻蝕，使孔道結構內孔范圍內部淀積的材料和襯底刻蝕掉形成通孔，則襯底兩側的孔道結構連成一體，得到納米管道。2.根據(jù)權利要求1所述的一種利用電子束誘導淀積制備納米管道的方法，其特征在于，所述步驟七，具體方法如下:采用離子束，將離子束定位在環(huán)狀孔道結構的內孔內進行刻蝕，使孔道結構內孔范圍內部淀積的材料和襯底材料刻蝕掉形成通孔，使襯底兩側的孔道結構連成一體，制備得到納米管道。3.根據(jù)權利要求1所述的一種利用電子束誘導淀積制備納米管道的方法，其特征在于，所述步驟七，具體方法如下:使用化學刻蝕的方法對環(huán)狀孔道結構的內孔內淀積的材料和襯底進行刻蝕，使孔道結構內孔范圍內部淀積的材料和襯底材料刻蝕掉形成通孔，則襯底兩側的孔道結構連成一體，得到納米管道。4.根據(jù)權利要求1所述的一種利用電子束誘導淀積制備納米管道的方法，其特征在于，步驟一所述襯底為硅薄膜，碳薄膜，硫化鉬薄膜，氧化硅薄膜。5.根據(jù)權利要求1所述的一種利用電子束誘導淀積制備納米管道的方法，其特征在于，所述襯底厚度小于100納米。6.根據(jù)權利要求5所述的一種利用電子束誘導淀積制備納米管道的方法，其特征在于，所述襯底厚度小于10納米。7.根據(jù)權利要求1所述的一種利用電子束誘導淀積制備納米管道的方法，其特征在于，步驟四所述氣體源是揮發(fā)性有機物的單質或者混合物的氣體。8.根據(jù)權利要求1所述的一種利用電子束誘導淀積制備納米管道的方法，其特征在于，步驟五所述電子束的輻照強度大于lOA/cm2，輻照時間大于I秒。
【文檔編號】C01B31/02GK105923621SQ201610298687
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】萬能
【申請人】東南大學