大。因此，如圖2B所示，提供氮化硅膜，該氮化硅膜具有中心孔，在圖2B中顯示為圓形，氮化硅膜的邊緣由氮化硅/氧化硅膜支承，所述氮化硅/氧化硅膜的邊緣由硅基片支承。要處理的原子級(jí)薄膜布置在氮化硅的表面上。在制備這些的一個(gè)實(shí)例制備方法中，氮化硅和氧化硅的層覆蓋涂覆于硅基片上，并且利用UV光刻和反應(yīng)性離子浸蝕，在晶片的一側(cè)上在頂部氮化娃層中形成窗，例如，650 μπι2窗，每3mm的模具(die) —個(gè)窗。用氫氧化鉀浸蝕使硅從晶片背側(cè)向下浸蝕到氧化物層，從而釋放自立氮化硅/ 二氧化硅膜。用聚焦離子束銑通過(guò)?90%氧化物浸蝕~3 μ m窗，隨后氟化氫浸蝕，這釋放~3 μ m自立氮化硅膜。
[0018]然后，使用適合方法，例如，聚焦離子束銑，通過(guò)氮化硅膜浸蝕約lOOnm-約200nm直徑的圓形孔?？椎拇笮】梢詾閿?shù)納米至數(shù)微米，高于此大小，原子級(jí)薄材料例如石墨烯可能不足夠機(jī)械支承。可利用其它更可擴(kuò)展的方法，例如，利用反應(yīng)性離子浸蝕的光刻法，而不使用多孔順序離子銑。優(yōu)選使具有孔的氮化硅膜凈化，例如，在70°C利用RCA浸蝕(即，5:1:1體積比的氫氧化錢、去離子水和30%過(guò)氧化氫)經(jīng)歷15分鐘，隨后氟化錢浸漬，例如，在室溫1分鐘，最后在70°C 5:1:1體積比的鹽酸、去離子水和30%過(guò)氧化氫經(jīng)歷15分鐘。利用此凈化步驟，可在支承框架結(jié)構(gòu)的部位提供選擇的原子級(jí)薄膜材料。
[0019]對(duì)于很多原子級(jí)薄材料，例如石墨烯，可能需要在生長(zhǎng)主體上合成材料，然后使材料轉(zhuǎn)移到支承框架結(jié)構(gòu)。在一種實(shí)例膜材料轉(zhuǎn)移方法中，在此對(duì)于石墨稀，例如在銅箔上合成的石墨烯層通過(guò)支承層轉(zhuǎn)移到支承框架。這種支承層可由任何適合材料形成，例如甲基丙烯酸甲酯(MMA)，在乳酸乙酯中6-8%重量，可旋涂于在銅箔上所合成的石墨烯層的表面上，并在150°C硬烘烤約5分鐘。然后，通過(guò)在表面上浮置箔，例如，在氯化鐵浴中，可完全浸蝕掉銅箔，留下具有下面MMA支承層的石墨烯區(qū)域。然后，優(yōu)選在一系列清洗中清洗石墨烯區(qū)域，浮置的石墨烯側(cè)面向液體，例如，在1摩爾濃度鹽酸浴中二次清洗，在去離子水中三次清洗。在最后清洗中，使石墨烯浮置在空氣-水界面上。然后，使用支承框架結(jié)構(gòu)晶片，包括例如9個(gè)或更多個(gè)支承框架模具，鏟起氮化硅層表面頂上的石墨烯區(qū)域，以覆蓋模具上的最大面積。石墨烯區(qū)域和氮化硅表面之間存在的任何水可用氮槍排出。然后，優(yōu)選利用整個(gè)結(jié)構(gòu)的烘烤，例如95°烘烤，以保證去除所有水，并使石墨烯通過(guò)范德華力充分結(jié)合到氮化硅層的頂部表面上。最后，通過(guò)用丙酮清洗結(jié)構(gòu)去除MMA支承層，例如，在約50°C溫度經(jīng)歷約30分鐘。然后在乙醇中清洗整個(gè)結(jié)構(gòu)，并用臨界點(diǎn)干燥器干燥。可利用制備石墨烯膜的其它方法，對(duì)于其它原子級(jí)薄材料，可能需要其它裝配規(guī)程。不需要特殊膜材料制備，但優(yōu)選在固定裝置中在支承框架結(jié)構(gòu)上提供膜材料。
[0020]利用這種支承結(jié)構(gòu)完成，可以任何適合方式實(shí)施包括原子級(jí)薄膜的流體環(huán)境。適合的流體池30的一個(gè)實(shí)例實(shí)施示意顯示于圖3中。流體池包括兩個(gè)半池，分別由適合的惰性材料形成，例如聚醚醚酮(PEEK)，從而形成兩個(gè)微升體積儲(chǔ)器32，34。各儲(chǔ)器包括適合的流體入口 36和流體出口 38、用于物類引入儲(chǔ)器的注入口 40和用于在儲(chǔ)器之間施加電壓的可在電路中連接的電極22，24。例如，可通過(guò)塑料配件將氯化銀電極擰入電極口。在半池之間布置適合材料的塑料襯墊42，44，例如，模制聚二甲基硅氧烷(PDMS)，并且在襯墊之間具有包括原子級(jí)薄膜12的支承結(jié)構(gòu)。襯墊42，44可任選包括一個(gè)或多個(gè)孔46，各自具有例如約10 μπι-約100 μπι的直徑。提供襯墊孔46是為了減小儲(chǔ)器液體與膜12接觸的面積，同時(shí)提供足夠液體接觸，以減小裝置電容。在裝配中，使兩個(gè)半池結(jié)合在一起，以在襯墊之間包圍膜及其支承結(jié)構(gòu)，并使兩個(gè)半池相對(duì)于膜固定在適當(dāng)位置。
[0021 ] 各半池儲(chǔ)器中的液體優(yōu)選高度導(dǎo)電。對(duì)于很多應(yīng)用，包括適合濃度電解質(zhì)的電解質(zhì)溶液，例如，1Μ-3Μ—般電解質(zhì)，如KC1或NaCl，非常適用于納米孔產(chǎn)生過(guò)程?？墒褂萌魏芜m用的導(dǎo)電溶液。溶液可包括多個(gè)物類，例如分子，如用于所選納米孔應(yīng)用的聚合物分子，例如DNA測(cè)序或分子分析，以便在納米孔產(chǎn)生時(shí)，可在預(yù)期應(yīng)用中立即操作納米孔。
[0022]已發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)電溶液中布置膜時(shí)，對(duì)于很多膜材料，膜材料表面的特性可阻止膜表面完全濕潤(rùn)。在本文中提供一種濕潤(rùn)技術(shù)，用于保證膜的兩個(gè)表面在溶液(例如，電解質(zhì)溶液)中充分濕潤(rùn)。在該濕潤(rùn)技術(shù)中，用一系列濕潤(rùn)步驟處理其中需要表面濕潤(rùn)的局部環(huán)境，例如，流體環(huán)境容器，例如流動(dòng)池布置，如圖3的布置，所述濕潤(rùn)步驟使得能夠在表面處于流體環(huán)境中適當(dāng)位置的情況下基本上完全濕潤(rùn)該表面。
[0023]在第一濕潤(rùn)步驟中，局部濕潤(rùn)環(huán)境，例如，流動(dòng)池，用所選清洗氣體(例如，高純度二氧化碳?xì)怏w)以足夠壓力經(jīng)歷從濕潤(rùn)環(huán)境(例如，流動(dòng)池)清洗出基本上所有空氣的清洗時(shí)間進(jìn)行清洗。至少數(shù)秒最多約5秒的氣體清洗時(shí)間可適用于大多數(shù)結(jié)構(gòu)。在池用所選清洗氣體清洗后，使流動(dòng)池和氣體管線浸入去離子的脫氣水中，以防止任何空氣回流入池。然后，在第二濕潤(rùn)步驟，在浸入去離子水的同時(shí)，將選擇的濕潤(rùn)溶液引入流動(dòng)池。選擇濕潤(rùn)溶液與所選的清洗氣體串聯(lián)，以便在引入流動(dòng)池后與清洗氣體接觸時(shí)，濕潤(rùn)溶液與清洗氣體自發(fā)反應(yīng)，以消耗清洗氣體，或者清洗氣體基本上完全溶于濕潤(rùn)溶液。
[0024]例如，假定二氧化碳清洗氣體，可利用包含氫氧化鉀(Κ0Η)的濕潤(rùn)水溶液。濕潤(rùn)溶液中的Κ0Η與C02清洗氣體在反應(yīng)中自發(fā)反應(yīng):2K0H+C0 2— K 2C03+H20。包含碳酸根(C032 )離子的K2C03反應(yīng)產(chǎn)物高度溶于水，并立即溶于Κ0Η溶液。在此反應(yīng)引發(fā)后，保留在系統(tǒng)中的任何殘余二氧化碳?xì)馀?，特別在膜的表面，由溶液-氣體反應(yīng)消耗，從而膜表面完全濕潤(rùn)。例如，利用10mM KOH溶液在1個(gè)大氣壓和室溫，C02氣泡的吸收速率為約0.1 μ L/sec -mm2,表明在膜表面保留的小于~1 μ 1的任何C02氣泡將通過(guò)與K0H在溶液中在lmin內(nèi)反應(yīng)溶解，從而快速達(dá)到完全濕潤(rùn)膜表面。
[0025]在此膜表面濕潤(rùn)程序中，使?jié)駶?rùn)溶液逆著清洗氣體壓力流入流動(dòng)池，然后，可在適當(dāng)時(shí)間關(guān)閉清洗氣體流，例如，在引發(fā)氣體-溶液反應(yīng)時(shí)。在適合的氣體-溶液反應(yīng)時(shí)間后完成濕潤(rùn)過(guò)程，例如，數(shù)分鐘，并且可用表面濕潤(rùn)期望的任何所選溶液代替該濕潤(rùn)溶液。不引入空氣或清洗氣泡，并且膜表面保持完全濕潤(rùn)。不需要處理膜表面以保持濕潤(rùn)條件。
[0026]該濕潤(rùn)方法廉價(jià)、很快速和有效并且安全，并且能夠使可能被常規(guī)親水處理物理破壞的易碎疏水材料完全濕潤(rùn)，例如石墨烯膜。該濕潤(rùn)程序使得能夠以>95%產(chǎn)率濕潤(rùn)石墨烯表面和石墨烯納米孔。該濕潤(rùn)方法可應(yīng)用于其中需要表面濕潤(rùn)的任何微米級(jí)或納米級(jí)系統(tǒng)。
[0027]該表面濕潤(rùn)方法不限于上述C02清洗氣體和Κ0Η水溶液。可利用其中清洗氣體與濕潤(rùn)溶液反應(yīng)生成可溶反應(yīng)產(chǎn)物或自身溶于濕潤(rùn)溶液的任何清洗氣體-濕潤(rùn)溶液對(duì)。例如，可隨pH堿性的任何濕潤(rùn)溶液(例如，NaOH或ΝΗ40Η)使用C02清洗氣體。可類似地連同堿性濕潤(rùn)溶液(例如，KOH、NaOH或ΝΗ40Η)使用Cl2清洗氣體，由此可在C1 2和溶液之間反應(yīng)時(shí)使反應(yīng)產(chǎn)物C10離子溶于溶液?？膳c用于操作從中去除清洗氣體的所選伴隨濕潤(rùn)溶液一起利用任何適合清洗氣體，包括例如氨氣或其它所選氣體。
[0028]可利用其它表面濕潤(rùn)技術(shù)，不需要特別濕潤(rùn)方法。然而，優(yōu)選膜表面的兩側(cè)完全濕潤(rùn)，并與導(dǎo)電溶液完全接觸。無(wú)論利用哪種濕潤(rùn)方法，優(yōu)選確認(rèn)過(guò)程氣體和液體與所考慮的膜材料的相容性。
[0029]—旦膜在液體流動(dòng)池溶液中用選擇的導(dǎo)電液體濕潤(rùn)，即引發(fā)膜中納米孔的成核過(guò)程。在第一步成核中，測(cè)定膜的漏電導(dǎo)?？捎萌魏芜m合技術(shù)測(cè)定漏電導(dǎo)。在一種實(shí)例技術(shù)中，例如，使用信號(hào)發(fā)生器，可在流動(dòng)池電極跨膜施加適合幅度的電壓坡道，例如在10秒內(nèi)-150mV至+150mV，例如，利用與膜串聯(lián)的電流放大器，測(cè)量跨膜的電極之間通過(guò)系統(tǒng)的產(chǎn)生電流。優(yōu)選在測(cè)定漏電導(dǎo)