一種利用電子束誘導(dǎo)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(dǎo)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(nèi)，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(dǎo)沉積過(guò)程為擴(kuò)散控制的過(guò)程，也即氣體源中的分子通過(guò)襯底表面擴(kuò)散至電子束束斑位置后進(jìn)行分解并形成材料淀積；采用電子束進(jìn)行輻照；停止輻照，在襯底兩側(cè)獲得環(huán)狀孔道結(jié)構(gòu)；對(duì)環(huán)狀孔道結(jié)構(gòu)的內(nèi)孔內(nèi)淀積的材料和襯底進(jìn)行刻蝕，使孔道結(jié)構(gòu)內(nèi)孔范圍內(nèi)部淀積的材料和襯底刻蝕掉形成通孔，則襯底兩側(cè)的孔道結(jié)構(gòu)連成一體，得到納米管道。適合于高深寬比的結(jié)構(gòu)制造。
【專利說(shuō)明】
一種利用電子束誘導(dǎo)淀積制備納米管道的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于先進(jìn)微納結(jié)構(gòu)制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用電子束誘導(dǎo)淀積制備納米管道的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米孔是指孔徑在納米尺度的孔結(jié)構(gòu)。納米孔可以應(yīng)用于微流體系統(tǒng)，準(zhǔn)直系統(tǒng)，過(guò)濾通道，氣體和液體的過(guò)濾等等領(lǐng)域。由于納米孔的尺寸一般都小于一個(gè)微米，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法實(shí)際上無(wú)法進(jìn)行加工制備?；瘜W(xué)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(dòng)能將材料中的原子進(jìn)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(shí)候碰到很大的困難。
[0003]納米孔測(cè)序是現(xiàn)代基因測(cè)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(guò)一個(gè)納米級(jí)尺度的孔道，利用孔道兩側(cè)的電極測(cè)試不同的堿基對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)序。這一技術(shù)依賴于制備納米尺度的孔道結(jié)構(gòu)。雖然之前的報(bào)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(zhǎng)度在50納米一下的孔通道。而進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)很容易造成DNA鏈吸附于孔道邊緣并快速使孔道堵塞。同時(shí)如果薄膜的厚度比較薄的時(shí)候，DNA鏈難以以直線的方式通過(guò)孔道，有時(shí)候會(huì)攔腰附著在孔道邊緣，對(duì)后續(xù)的測(cè)量造成干擾，也會(huì)造成孔道的堵塞。
[0004]此外，在微流體通道領(lǐng)域，直徑在100納米以下的孔道在分子檢測(cè)和篩選等領(lǐng)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(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)尺度的結(jié)構(gòu)制備，但是其使用非常昂貴，實(shí)際上難以實(shí)用化。
[0005]碳納米結(jié)構(gòu)由于其低化學(xué)活性，不與很多化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)，因此是制作納米管道的良好材料，可以應(yīng)用于很多場(chǎng)合。雖然納米管等材料具有管道狀的結(jié)構(gòu)，但是由于其難以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)的高精度生長(zhǎng)并形成開(kāi)口的孔道結(jié)構(gòu)，并且也難以進(jìn)行操控以沿特定方向固定在確定的位置，所以在實(shí)際應(yīng)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(jié)構(gòu)良好的碳納米管道結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種利用電子束誘導(dǎo)淀積制備納米管道的方法，適合于高深寬比的結(jié)構(gòu)制造，具有較好的可控性，定位精度高，效率較高，制備出的結(jié)構(gòu)完好，且可以批量制造。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種利用電子束誘導(dǎo)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(nèi)，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(nèi)選擇，且電子束束斑內(nèi)的強(qiáng)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(dǎo)沉積過(guò)程為擴(kuò)散控制的過(guò)程，也即氣體源中的分子通過(guò)襯底表面擴(kuò)散至電子束束斑位置后進(jìn)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(jìn)行輻照；
[0013]步驟六、停止輻照，在襯底兩側(cè)獲得環(huán)狀孔道結(jié)構(gòu)；
[0014]步驟七、對(duì)環(huán)狀孔道結(jié)構(gòu)的內(nèi)孔內(nèi)淀積的材料和襯底進(jìn)行刻蝕，使孔道結(jié)構(gòu)內(nèi)孔范圍內(nèi)部淀積的材料和襯底刻蝕掉形成通孔，則襯底兩側(cè)的孔道結(jié)構(gòu)連成一體，得到納米管道。
[0015]進(jìn)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(jié)構(gòu)的內(nèi)孔內(nèi)進(jìn)行刻蝕，使孔道結(jié)構(gòu)內(nèi)孔范圍內(nèi)部淀積的材料和襯底材料刻蝕掉形成通孔，使襯底兩側(cè)的孔道結(jié)構(gòu)連成一體，制備得到納米管道。
[0016]進(jìn)一步的，所述步驟七，具體方法如下:使用化學(xué)刻蝕的方法對(duì)環(huán)狀孔道結(jié)構(gòu)的內(nèi)孔內(nèi)淀積的材料和襯底進(jìn)行刻蝕，使孔道結(jié)構(gòu)內(nèi)孔范圍內(nèi)部淀積的材料和襯底材料刻蝕掉形成通孔，則襯底兩側(cè)的孔道結(jié)構(gòu)連成一體，得到納米管道。
[0017]進(jìn)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(jìn)一步的，所述襯底厚度小于100納米。
[0019]進(jìn)一步的，所述襯底厚度小于10納米。
[0020]進(jìn)一步的，步驟四所述氣體源是揮發(fā)性有機(jī)物的單質(zhì)或者混合物的氣體。
[0021]進(jìn)一步的，步驟五所述電子束的輻照強(qiáng)度大于lOA/cm2，輻照時(shí)間大于I秒。
[0022]有益效果:
[0023](I)現(xiàn)有技術(shù)比如基于硅工藝微加工技術(shù)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(jīng)過(guò)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(jié)構(gòu)制造。
[0024](2)現(xiàn)有技術(shù)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(duì)儀器要求高，而且孔道只具有一個(gè)原子層厚度，強(qiáng)度太低，應(yīng)用起來(lái)不容易。而本發(fā)明技術(shù)具有較好的可控性。可以通過(guò)控制氣源流量和真空腔體壓強(qiáng)，電子束強(qiáng)度，淀積時(shí)間等參數(shù)度淀積過(guò)程中結(jié)構(gòu)的高度，管道厚度等進(jìn)行控制；
[0025](3)現(xiàn)有技術(shù)比如陽(yáng)極氧化鋁箔(AAO)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度定點(diǎn)制備，而且只限于鋁箔材料，對(duì)其他材料不適用。而本發(fā)明定位精度高。由于可以通過(guò)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(jìn)行材料淀積，所以其具有定位精度高的優(yōu)點(diǎn)；
[0026](4)效率較高。由于電子束誘導(dǎo)沉積一般具有較高的速度，所以使用本方法制備管道的時(shí)候一般具有較好的速度。
[0027](5)制備出的結(jié)構(gòu)完好，管道內(nèi)部和外部光滑。
[0028](6)可以批量制造。由于電子束可以經(jīng)過(guò)良好的控制進(jìn)行高精度定位并重復(fù)進(jìn)行電子束誘導(dǎo)淀積，因此其可以用于在樣品的不同位置進(jìn)行重復(fù)制備，實(shí)現(xiàn)批量制備的目的。
[0029](7)由于電子束誘導(dǎo)的電極實(shí)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(kuò)展到制備其他材料的管道結(jié)構(gòu)。
【附圖說(shuō)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dǎo)的材料淀積的形狀。
[0031]圖2為實(shí)施例1的實(shí)驗(yàn)圖；
[0032]圖3為實(shí)施例2的實(shí)驗(yàn)圖；
[0033]圖4為實(shí)施例3的實(shí)驗(yàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0035]基于電子束誘導(dǎo)的材料淀積的原理，原材料在電子束的激發(fā)下產(chǎn)生分解并在襯底表面形成淀積，形成納米結(jié)構(gòu)。通常使用的電子束誘導(dǎo)淀積有兩種主要機(jī)理:反應(yīng)控制型和擴(kuò)散控制型。其中前者形成的納米結(jié)構(gòu)的形狀與電子束的強(qiáng)度分布直接相關(guān):在電子束強(qiáng)的地方淀積的材料較多，電子束強(qiáng)度弱的地方淀積的材料較少。由于一般使用的高斯強(qiáng)度分布的電子束會(huì)形成島狀的材料淀積，要通過(guò)控制電子束束斑內(nèi)的強(qiáng)度分布來(lái)實(shí)現(xiàn)管道狀結(jié)構(gòu)的制備比較困難。在擴(kuò)散控制型電子束誘導(dǎo)淀積中，原料通過(guò)襯底表面擴(kuò)散至電子束輻照范圍內(nèi)，在電子束束斑邊緣即開(kāi)始分解并形成材料淀積，因此其會(huì)形成環(huán)形結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。在合理控制各項(xiàng)參數(shù)比如氣壓，原料氣體流量，電子束強(qiáng)度等的條件下可以使環(huán)狀結(jié)構(gòu)充分生長(zhǎng)，最后制備得到管道結(jié)構(gòu)。這一方法為納米尺度的管道結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(nèi)，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(nèi)選擇，且電子束束斑內(nèi)的強(qiáng)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(dǎo)沉積過(guò)程為擴(kuò)散控制的過(guò)程，也即氣體源中的分子通過(guò)襯底表面擴(kuò)散至電子束束斑位置后進(jìn)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(jìn)行輻照；輻照強(qiáng)度大于lOA/cm2，輻照時(shí)間大于I秒。
[0042]步驟六、停止輻照，在襯底兩側(cè)獲得環(huán)狀孔道結(jié)構(gòu)；
[0043]步驟七、對(duì)環(huán)狀孔道結(jié)構(gòu)的內(nèi)孔內(nèi)淀積的材料和襯底進(jìn)行刻蝕，使孔道結(jié)構(gòu)內(nèi)孔范圍內(nèi)部淀積的材料和襯底刻蝕掉形成通孔，則襯底兩側(cè)的孔道結(jié)構(gòu)連成一體，得到納米管道。
[0044]實(shí)施實(shí)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(qiáng)度特征。電子束平均強(qiáng)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(jī)物氣體，等待約30秒鐘后得到如圖2所示的環(huán)形結(jié)構(gòu)。單側(cè)環(huán)形結(jié)構(gòu)的高度經(jīng)過(guò)測(cè)量為30納米左右，也即管道總長(zhǎng)度60納米左右，環(huán)中央為碳膜襯底，環(huán)形結(jié)構(gòu)為揮發(fā)性有機(jī)物氣體分解獲得的非晶碳結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)刻蝕后可以獲得管道長(zhǎng)度40納米左右，壁厚26納米的聯(lián)通管道.
[0046]實(shí)施實(shí)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(qiáng)度特征。電子束平均強(qiáng)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(jī)物氣體，等待約3分鐘后得到如圖3所示的環(huán)形結(jié)構(gòu)。環(huán)形結(jié)構(gòu)的單側(cè)高度經(jīng)過(guò)測(cè)量為82納米左右，也即管道總長(zhǎng)度164納米左右，環(huán)中央為碳膜襯底，環(huán)形結(jié)構(gòu)為揮發(fā)性有機(jī)物氣體分解獲得的非晶碳結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)刻蝕后可以獲得管道長(zhǎng)度150納米左右，壁厚47納米的聯(lián)通管道.
[0048]實(shí)施實(shí)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(qiáng)度特征。電子束平均強(qiáng)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(jī)物氣體，等待約20分鐘后得到如圖4所示的環(huán)形結(jié)構(gòu)。這一環(huán)形結(jié)構(gòu)在薄膜的兩側(cè)面形成，單側(cè)環(huán)形結(jié)構(gòu)的高度經(jīng)過(guò)測(cè)量為423納米左右，也即管道總長(zhǎng)度846納米左右，環(huán)中央為碳膜襯底，環(huán)形結(jié)構(gòu)為揮發(fā)性有機(jī)物氣體分解獲得的非晶碳結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)刻蝕后可以獲得管道長(zhǎng)度800納米左右，壁厚57納米的聯(lián)通管道。
[0050]以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用電子束誘導(dǎo)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(nèi)，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(nèi)選擇，且電子束束斑內(nèi)的強(qiáng)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(dǎo)沉積過(guò)程為擴(kuò)散控制的過(guò)程，也即氣體源中的分子通過(guò)襯底表面擴(kuò)散至電子束束斑位置后進(jìn)行分解并形成材料淀積； 步驟五、采用步驟二所述電子束進(jìn)行輻照； 步驟六、停止輻照，在襯底兩側(cè)獲得環(huán)狀孔道結(jié)構(gòu)； 步驟七、對(duì)環(huán)狀孔道結(jié)構(gòu)的內(nèi)孔內(nèi)淀積的材料和襯底進(jìn)行刻蝕，使孔道結(jié)構(gòu)內(nèi)孔范圍內(nèi)部淀積的材料和襯底刻蝕掉形成通孔，則襯底兩側(cè)的孔道結(jié)構(gòu)連成一體，得到納米管道。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用電子束誘導(dǎo)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(jié)構(gòu)的內(nèi)孔內(nèi)進(jìn)行刻蝕，使孔道結(jié)構(gòu)內(nèi)孔范圍內(nèi)部淀積的材料和襯底材料刻蝕掉形成通孔，使襯底兩側(cè)的孔道結(jié)構(gòu)連成一體，制備得到納米管道。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用電子束誘導(dǎo)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(xué)刻蝕的方法對(duì)環(huán)狀孔道結(jié)構(gòu)的內(nèi)孔內(nèi)淀積的材料和襯底進(jìn)行刻蝕，使孔道結(jié)構(gòu)內(nèi)孔范圍內(nèi)部淀積的材料和襯底材料刻蝕掉形成通孔，則襯底兩側(cè)的孔道結(jié)構(gòu)連成一體，得到納米管道。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用電子束誘導(dǎo)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(quán)利要求1所述的一種利用電子束誘導(dǎo)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(quán)利要求5所述的一種利用電子束誘導(dǎo)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(quán)利要求1所述的一種利用電子束誘導(dǎo)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(jī)物的單質(zhì)或者混合物的氣體。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用電子束誘導(dǎo)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(qiáng)度大于lOA/cm2，輻照時(shí)間大于I秒。
【文檔編號(hào)】C01B31/02GK105923621SQ201610298687
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月6日
【發(fā)明人】萬(wàn)能
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)