固态纳米孔的高可靠性和高灵敏度,使其成为下一代测序技术的主要载体。研究小尺度固态纳米孔的精密制造有助于推进生物检测技术的发展,在揭秘生命和预防疾病等方面具有极其重要的意义。电击穿技术,可用于实现亚纳米级的固态纳米孔的低成本制造。本课题基于电击穿技术,探索氮化硅和石墨烯纳米孔的精密制造工艺,并对制造过程与机理做出研究。主要研究内容如下:1)制造固态纳米孔的关键技术。根据电击穿的电学响应,利用实验室现有材料与设备搭建了制造固态纳米孔的硬件平台,使用Labview开发了能够自动判断电击穿事件的控制系统,完善了实验流程。2)氮化硅纳米孔的制造工艺与机理。针对实验室自主设计的氮化硅芯片进行电击穿实验,分别使用直流、脉冲电压探索制造规律;通过提高电流采样频率将5 nm以下纳米孔生产率提高至95%以上,并使用电导率法表征,成功开展了DNA过孔实验;结合实验数据与从头算分子动力学模拟,得出氮化硅纳米孔的出现源于本征和非本征缺陷的产生和累积。3)氮化硅纳米孔的快速制造工艺。根据电击穿氮化硅的过程,设计了一种基于氧等离子处理的快速制造工艺。通过引入表面缺陷和增加亲水性,成功将氮化硅纳米孔的制造电场降低至0.1 V/nm、制造时间缩短至少两个数量级;分析电学模型得出,快速制造的根本原因是氧等离子处理导致氮化硅的电阻下降、电容增大,使得非本征缺陷的产生速度大大提高;最后根据表面能最小原理,提出了一种用于降低纳米孔低频噪声的加热法,成功降噪约一个数量级。4)石墨烯纳米孔的制造工艺与机理。通过机械剥离法和湿法转移制造石墨烯芯片,将电击穿技术应用于制造石墨烯纳米孔,最低电压仅需2 V;设计了石墨烯-拉曼实验,使用共聚焦拉曼光谱仪监测电击穿过程,分析数据得出石墨烯纳米孔的出现经历了薄膜拉伸、缺陷产生、纳米孔稳定三个阶段;结合经典分子动力学模拟,发现电场下溶液环境中石墨烯的拉伸源于阴阳离子迁移率的差异,凸起方向与迁移率较大的离子运动方向一致。