基于固體納米孔的DNA分子檢測器件設(shè)計與制造.pdf

1、基于納米孔的DNA分子檢測方法被認(rèn)為是最具有競爭力的第三代基因測序器件核心關(guān)鍵技術(shù)，納米孔主要材料有生物分子膜和人工合成固體膜。論文針對固體納米孔的設(shè)計、制造與檢測開展相關(guān)研究工作。為了克服生物納米孔的缺點，本文設(shè)計并制造出氮化硅納米孔芯片和金納米間隙-納米孔芯片兩種固體納米孔器件。同時，為了解決納米電極之間的超小間距這一制造難題，本文研究了工藝簡單、低成本的硅納米線的可控制造方法，為硅納米線間隙-納米孔器件的制造提供關(guān)鍵技術(shù)支持。最后

2、，通過對DNA穿過納米孔的模型建立，對實驗測量結(jié)果進(jìn)行擬合，實現(xiàn)了單堿基分子的辨識。取得創(chuàng)新性研究成果如下:
　　1、在跨尺度制造方面，集成了微機電系統(tǒng)制造工藝、聚焦離子束和透射電子顯微鏡等技術(shù)，實現(xiàn)氮化硅納米孔芯片的跨尺度制造。利用微機電系統(tǒng)的制造工藝批量制作出氮化硅薄膜芯片，這種圓片級、工藝簡單、高成品率的氮化硅薄膜芯片制造方法為氮化硅納米孔的制造提供了支持。借助于聚焦離子束和透射電子顯微鏡實現(xiàn)氮化硅的納米孔制造。利用聚焦離子

3、束減薄，降低氮化硅薄膜厚度，進(jìn)而實現(xiàn)三維納米孔的制造，確保所制造的納米孔直徑和孔的長度都在納米尺度。利用這種方法制備的氮化硅納米孔進(jìn)行DNA過孔驗證實驗，實現(xiàn)對DNA通過納米孔時空間姿態(tài)的辨識，表明該芯片可以用于DNA序列檢測的研究。
　　2、利用納機電系統(tǒng)方法設(shè)計并制造出金納米間隙-納米孔器件。創(chuàng)新設(shè)計了懸空夾心結(jié)構(gòu)實現(xiàn)金納米線的包埋，借助于聚焦離子束刻蝕出納米通孔，實現(xiàn)懸空夾心結(jié)構(gòu)的貫穿，并最終形成金納米間隙-納米孔（即金納米

4、電極）的原創(chuàng)性基因檢測芯片。
　　3、為了提高金納米電極基因檢測芯片的成品率，課題開展了硅納米線電極制造工藝的研究，以代替金納米電極基因檢測芯片。通過大量實驗，實現(xiàn)了硅納米線在微米尺度銅的催化下生長，利用透射電子顯微鏡裝備的選區(qū)電子衍射、能譜表征等檢測手段證實所獲得到直徑均勻的納米線為無定型的貧氧硅納米線，并基于大量實驗，提出該方法生長硅納米線的機理。我們發(fā)現(xiàn)氫氣的存在加速了銅與氧化硅的反應(yīng)，在氧化硅層上打開了基體硅向上擴散的通道

5、，導(dǎo)致硅原子富集在銅硅化合物上，當(dāng)硅原子達(dá)到過飽和時，便生長出納米線?；谶@種納米線生長機理，我們提出通過控制銅圖形位置、尺寸，氧化硅厚度、退火時間，可以實現(xiàn)硅納米線的位置和尺寸的精確控制。從而在國際上最先利用微米尺度催化劑，實現(xiàn)硅納米線的定點可控制造，這為硅納米線電極制造奠定堅實基礎(chǔ)。
　　4、基于我們所提出的硅納米線定位生長方法，采用硅-氧化硅-銅結(jié)構(gòu)芯片，在氫氣和氬氣氛圍中退火實現(xiàn)了硅納米線沿著基體分布制造。研究發(fā)現(xiàn)200n

6、m厚銅薄膜退火能得到規(guī)則的環(huán)狀硅納米線，而400nm厚銅膜退火后得到的硅納米線環(huán)均為不規(guī)則形狀，其最終形成的封閉環(huán)外圍有收縮的痕跡。而厚度為600nm的銅薄膜退火得到的納米線形態(tài)與前兩者不同，得到的是平面內(nèi)相互連接的硅納米線網(wǎng)。測試顯示硅納米線網(wǎng)具有良好的電學(xué)特征。基于我們所提出的制造工藝，實現(xiàn)平面內(nèi)硅納米線的可控制造，避免了“自上而下”制造平面內(nèi)硅納米線的高成本等缺點。
　　5、開展了平面內(nèi)硅納米線的可控制造研究。研究結(jié)果表明厚

7、度為200nm的銅圖形退火后可以制備出位置和尺寸可控的平面內(nèi)硅納米線環(huán)及其陣列。尺寸在2.4μm～4.6μm之間的銅圖形退火之后可以得到的單個硅納米線環(huán)。隨著銅圖形尺寸的增加，得到多個硅納米線環(huán)。硅納米線環(huán)的數(shù)量與銅圖形直徑的平方成線性關(guān)系。單個納米線環(huán)直徑都小于1.6μm，絕大部尺寸在1μm以下。通過主動設(shè)計和制造厚度為600nm銅圖形，可以實現(xiàn)平面內(nèi)方向、圖形可控的硅納米線網(wǎng)制造。所制備出硅納米線網(wǎng)的最小線寬可以達(dá)到500nm。這為