基于固體納米孔的DNA分子檢測器件設計與制造.pdf

1、基于納米孔的DNA分子檢測方法被認為是最具有競爭力的第三代基因測序器件核心關鍵技術，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計、制造與檢測開展相關研究工作。為了克服生物納米孔的缺點，本文設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鍵技術支持。最后

2、，通過對DNA穿過納米孔的模型建立，對實驗測量結果進行擬合，實現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，實現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，進而實現三維納米孔的制造，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行DNA過孔驗證實驗，實現對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)方法設計并制造出金納米間隙-納米孔器件。創(chuàng)新設計了懸空夾心結構實現金納米線的包埋，借助于聚焦離子束刻蝕出納米通孔，實現懸空夾心結構的貫穿，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)現氫氣的存在加速了銅與氧化硅的反應，在氧化硅層上打開了基體硅向上擴散的通道

5、，導致硅原子富集在銅硅化合物上，當硅原子達到過飽和時，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。
　　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-銅結構芯片，在氫氣和氬氣氛圍中退火實現了硅納米線沿著基體分布制造。研究發(fā)現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，得到的是平面內相互連接的硅納米線網。測試顯示硅納米線網具有良好的電學特征?；谖覀兯岢龅闹圃旃に?，實現平面內硅納米線的可控制造，避免了“自上而下”制造平面內硅納米線的高成本等缺點。
　　5、開展了平面內硅納米線的可控制造研究。研究結果表明厚

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)的數量與銅圖形直徑的平方成線性關系。單個納米線環(huán)直徑都小于1.6μm，絕大部尺寸在1μm以下。通過主動設計和制造厚度為600nm銅圖形，可以實現平面內方向、圖形可控的硅納米線網制造。所制備出硅納米線網的最小線寬可以達到500nm。這為