專利名稱：一種規(guī)?；苽涑毤{米結構的方法及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種超精細納米結構的制備方法及其應用，特別是一種規(guī)模化制備超 精細納米結構的方法及其應用。
背景技術：
直徑小于5納米的納米孔是DNA分子測序、原子波衍射和單粒子探測等器件的 核心組成部分(S, Howorka， S. Cheley， andH.Bayley， Nat. Biotechnol.， 19， 636， 2001; L. Hao， J. C. Macfarlane， et al， IEEE Trans. Appl. Supercond.， 15,514， 2005; J. Taniguchi, Phys. Rev. Lett, 94， 065301， 2005; A. D. Cronin and J. D. Perreault， Phys. Rev. A， 70， 043607， 2004)。特征尺寸大于20納米的納米孔陣列可以通過聚焦離子束(FIB) 或化學刻蝕的方法獲得。但是，直徑只有幾個納米的納米孔加工起來相當困難。目前 國際上采用的方法是先用離子束或化學刻蝕的方法加工出約為20納米的孔，然后用 電子束或離子束輻照，使納米孔逐漸縮小到幾個納米(J. L. Li， D. Stein， C. McMullan， D. Branton， M. J. Azi， and J. Golovchenko， Nature, 12， 166， 2001; A. J. Storm， J. H. Chen， X. S.Ling， H. W. Zandbergen， andC.Dekker， Nat. Mater. ， 2， 537， 2003)。 這種方法在精確控制、大規(guī)模集成和材料的選取方面都有一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種規(guī)?；苽涑毤{米結構的方法及其應用。
本發(fā)明提供的規(guī)?；苽涑毤{米結構的方法，依次包括如下步驟
1) 將待加工物放入場發(fā)射透射電鏡中，將該場發(fā)射透射電鏡的放大倍數(shù)調(diào)至
IOOKX，將透射電鏡電子束會聚成l-10nm的束斑； 其中，場發(fā)射透射電鏡的加速電壓大于200kV;
2) 將步驟1)的束斑移動至待加工物表面需制備超精細納米結構的位置進行曝光， 得到該位置的超精細納米結構；
3) 移動步驟2)的束斑至下一需制備超精細納米結構的位置；
重復上述步驟l)-步驟3)，在待加工物表面得到超精細納米結構。
上述制備方法中，在步驟l)之前需將待加工物制樣，使待加工物能夠放入透射 電鏡中。由于透射電鏡對樣品的尺寸及厚度均有嚴格要求。樣品一般為圓形薄片，薄
片厚度一般在100um以下。薄片上待加工區(qū)域的厚度要求與樣品的化學成分相關，對 于金屬薄膜，可加工厚度一般要求50nm以下；對于一般化合物，可加工厚度約為
100nm。薄片上待加工區(qū)域的厚度可通過離子減薄、聚焦粒子束刻蝕等透射電鏡的制 樣技術來減薄。
由于本發(fā)明制備方法的原理是應用高能高電流密度電子束對樣品的輻照損傷效 應。高能電子束在現(xiàn)代普通中高壓透射電鏡中均可得到，而高電流密度(高亮度)的 電子束則必須要由場發(fā)射電子槍提供。因而，本發(fā)明步驟1)中所用的透射電鏡必須 為中高壓場發(fā)射透射電鏡，其加速電壓應大于200kV。
步驟2)中，在用電子束形成的束斑刻蝕納米孔時，納米孔越接近圓形越好。納 米孔的形狀跟電子束聚焦斑的形狀有直接關系。當電子束處于理想的聚焦狀態(tài)時，電 子束斑為一無窮小的圓形束斑。然而，電子束的聚焦狀態(tài)以及聚光鏡的像散對電子束 斑的大小和形狀有直接的關系。實際操作中，電子束斑是一個直徑為一到幾個納米的 接近圓形的束斑。因此，只有在比較高的放大倍數(shù)下才能比較清楚的看清束斑的形狀， 從而更好的聚焦束斑和消除像散。
另外，該步驟中，曝光時間是指電子束在某一位置上停留的時間。納米孔是否穿 透、納米孔的大小均取決于曝光時間的設定。曝光時間太短，納米孔不能穿透；曝光 時間短，則納米孔較??；曝光時間太長，則納米孔較大。較適宜的曝光時間為1-1000 秒。
步驟3)中，納米孔陣列可通過程序控制電子束束斑，根據(jù)設定的曝光時間，在 一系列特定的位置上"燒錄"出納米孔。由于電子束的狀態(tài)及曝光時間固定，納米孔 陣列的孔徑一般非常均勻。納米孔的孔徑可通過曝光時間調(diào)節(jié)。
利用上述方法得到的納米孔或納米孔陣列材料中，最小孔徑為lnm。另外，利用 該方法還可加工出納米狹縫/光柵，只需將納米孔陣列的步長減小至小于納米孔直徑。 "燒錄"納米狹縫時，狹縫起始端(初始納米孔)的曝光時間較長，與單個納米孔的 曝光時間相同，而后由于邊界的影響曝光時間較短，具體時間的設定與材料相關。通 過類似的方法，利用本技術還可對納米材料進行"切割"，這對特殊形狀下納米材料 的光學、電輸運性質(zhì)的研究具有一定的應用前景。
另外，本發(fā)明提供的上述制備方法在制備DNA測序器件、原子波衍射器件和單 粒子探測器件中的應用，也屬于本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明提供了一種精度高達1個納米的超精細納米結構的加工方法，通過該技術 不僅可在多種薄膜材料上加工直徑約1納米的納米孔，還可制作二維結構，如納米 孔陣列、納米光柵或切割特定納米圖樣。該方法相比現(xiàn)有的納米孔加工技術的突出優(yōu) 點為
1)操作簡便；
現(xiàn)有加工納米孔的程序非常復雜，首先要用聚焦離子束或化學刻蝕的方法加工出 幾十納米的大尺寸納米孔，然后再放入透射電鏡中，用半會聚的電子束輻照孔邊緣， 使納米孔縮小至幾個納米。這種方法操作比較復雜，且無法實現(xiàn)自動化程序控制。
2) 納米結構邊界具有很好的結晶性；
利用現(xiàn)有方法所得經(jīng)過縮小后的納米孔邊緣為非晶狀態(tài)，強度差，易損壞。且納 米孔周圍的電學性質(zhì)與材料本身有很大的不同。利用本發(fā)明制備的納米結構具有原子 級的邊緣，高分辨像表明邊緣一兩個原子層內(nèi)的晶格仍然保持得很好。
3) 材料適用范圍廣；
該方法可對多數(shù)材料進行加工，打破了以往方法只能對某幾種材料加工的局限 性。用包括金屬和無機化合物或者半導體和絕緣體在內(nèi)的多種材料進行了打孔測試， 發(fā)現(xiàn)化合物明顯比金屬容易加工；另外，化合物在電子輻照的作用下發(fā)生金屬離子偏 析現(xiàn)象。由此可見，電子束對化合物有降解作用，破壞了原子間的化學鍵，導致缺陷 損傷的產(chǎn)生。對于金屬樣品，"Knock-On"效應的影響占主導地位，原子被高能電子 轟擊離開原子位置，導致缺陷損傷的產(chǎn)生。
4) 穿透深度大；
以氧化鋅為例，采用該技術可穿透超過300納米的厚度，同時保持納米孔直徑約 5納米，用其它納米加工技術很難達到如此高的深度/孔徑比。
5) 易于自動化控制；
該方法非常便于進行自動化控制。通過對電鏡編程，可方便的對電子束的束斑及 軌跡做出精密的控制，從而實現(xiàn)納米結構的二維圖形化。
6) 可重復性好；
該方法的具有很高的可重復性，只要樣品平正(厚度一致)，在曝光時間、電子 束聚焦狀態(tài)相同的條件下，即可刻蝕出相同孔徑的納米孔。
本發(fā)明提供的超精細納米結構的加工方法，在DNA分子測序、原子波衍射器件 及單粒子探測等研究領域具有重要的應用價值；另外，在高密度數(shù)據(jù)存儲方面亦有著
潛在的應用前景。


圖1為在氧化鋅納米線/納米棒上加工的超精細納米孔。 圖2為在不同材料上加工的超精細納米孔。
圖3為在氧化鋅納米線及納米薄膜上加工的超精細納米孔陣列及納米光柵狹縫。 圖4為納米孔孔徑與曝光時間的線性關系圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
納米孔的穿透與否可通過檢測透射電子束的電流強度來判定。當透射電子束通過 樣品后的電流強度等于通過無樣品處的電流強度時，納米孔可判定為穿透。另外，還 可以通過費涅耳衍射環(huán)的方法來判斷納米孔的通透性。
實施例1、在氧化鋅納米線/納米棒上加工超精細納米孔
如圖1所示，(a)圖中，氧化鋅納米線直徑為40納米，曝光時間為10秒，電 子束斑直徑為1納米，納米孔直徑為0.8納米。
(b)圖中，氧化鋅納米棒直徑為300納米，曝光時間為15分鐘，電子束斑直徑 約為6納米，納米孔直徑約為5納米。另外，右上角為實驗得到的會聚束衍射圖，左 下角為計算得到的會聚束衍射圖，由此可確定出納米棒的厚度。
實施例2、在不同材料上加工的超精細納米孔
如圖2所示，(a)圖為在160納米厚的Si[110]薄膜上加工的納米孔，曝光時間 為60秒，電子束斑直徑為9納米，納米孔直徑為5納米。
(b) 圖為在100納米厚SbN4納米線上加工的納米孔，曝光時間為200秒，電子 束斑直徑為9納米，納米孔直徑為4納米。
(c) 圖為在95納米Ab03薄膜上加工的納米孔，曝光時間為10秒，電子束斑直 徑為3納米，納米孔直徑為3納米。
(d) 圖為在80納米厚A1N[141]納米棒上加工的納米孔，曝光時間為100秒，電 子束斑直徑為3納米，納米孔直徑為2.5納米。
(e) 圖為在30納米厚多晶鎳膜上加工的納米孔，曝光時間為20秒，電子束斑 直徑為9納米，納米孔直徑為5納米。
(f) 圖為在15納米厚非晶碳膜上加工的納米孔，曝光時間為600秒，電子束斑 直徑為3納米，納米孔直徑為3納米。
(g) 圖為在30納米厚多晶鋁膜上加工的納米孔，曝光時間為30秒，電子束斑 直徑為3納米，納米孔直徑為3納米。
(h) 圖為在30納米厚多晶金膜上加工的超精細納米孔，曝光時間為600秒，電 子束斑直徑為5納米，納米孔直徑為4.5納米。
實施例3、在氧化鋅納米線及納米薄膜上加工的超精細納米孔陣列及納米光柵狹
縫
如圖3所示，(a)圖為在氧化鋅納米線上加工的超精細納米孔陣列，曝光時間
為20秒，電子束斑直徑為3納米，納米孔直徑為3納米。(b)圖為(a)圖的高分辨 圖像，納米孔間隔小至1.5納米。
(c)圖為在30納米厚的鎳膜上加工的納米孔陣列，曝光時間為20秒，電子束 斑直徑為5納米，納米孔直徑為6納米。(d)圖為圖(c)的放大圖像，孔周圍的費 涅耳衍射環(huán)清晰可見。
(e)圖和(f)圖分別為在IOO納米厚氧化鋅薄膜上加工的納米孔陣列和納米光 柵狹縫。其中，納米孔直徑為3納米，納米孔間隔為15納米；納米光柵狹縫為4納 米，狹縫間隔為25納米。
實施例4、納米孔孔徑與曝光時間的關系
如圖4所示，可知曝光時間與納米孔直徑成近似線性關系。通過對曝光時間的控 制，可以精確控制納米孔的大小。在氧化鋅薄膜上加工的納米孔陣列(a)圖中，曝 光時間15秒，納米孔直徑為l納米，孔間隔為15納米；(b)圖中，曝光時間30秒， 納米孔直徑為2納米，孔間隔為20納米。
權利要求
1、一種規(guī)?；苽涑毤{米結構的方法，依次包括如下步驟1)將待加工物放入場發(fā)射透射電鏡中，將所述場發(fā)射透射電鏡的放大倍數(shù)調(diào)至100KX，將透射電鏡電子束會聚成1-10nm的束斑；其中，所述場發(fā)射透射電鏡的加速電壓大于200kV；2)將所述步驟1)的束斑移動至所述待加工物表面需加工超精細納米結構的位置進行曝光，得到該位置的超精細納米結構；3)移動所述步驟2)的束斑至下一需制備超精細納米結構的位置；重復上述步驟1)-步驟3)，在所述待加工物表面得到所述超精細納米結構。
2、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟2)中，曝光時間為1-1000秒。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述待加工物為半導體。
4、 根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述待加工物為無機化合物 或金屬。
5、 權利要求l-4任一所述的規(guī)?；苽涑毤{米結構的方法在制備DNA測序 器件中的應用。
6、 權利要求1-4任一所述的規(guī)模化制備超精細納米結構的方法在制備原子波衍射 器件中的應用。
7、 權利要求1-4任一所述的規(guī)模化制備超精細納米結構的方法在制備單粒子探測 器件中的應用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種規(guī)?；苽涑毤{米結構的方法與應用。該方法包括1)將待加工物放入加速電壓大于200kV的場發(fā)射透射電鏡中，將該場發(fā)射透射電鏡的放大倍數(shù)調(diào)至100KX，將透射電鏡電子束會聚成1-10nm的束斑；2)將束斑移動至待加工物表面需制備超精細納米結構的位置進行曝光，得到該位置的超精細納米結構；3)移動步驟2)的束斑至下一需制備超精細納米結構的位置；重復上述步驟得到超精細納米結構，包括納米孔和納米光柵狹縫。該方法的加工精度為1nm，穿透深度可達300納米，可控性及可重復性很高，可排列出任意二維陣列，在制備DNA測序器件、原子波衍射器件和單粒子探測器件中具有廣泛應用。
文檔編號B82B3/00GK101357749SQ20081011993
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月10日 優(yōu)先權日2008年9月10日
發(fā)明者俞大鵬, 張敬民 申請人:北京大學