用于第三代基因测序系统的石墨烯纳通道跨尺度集成制造原理及方法研究

Precise, integrated manufacturing technique of sub-5 nanometer, three-dimensional nanochannels is the crucial technique which limits the study and development of the third-generation gene sequencing system. The precision as well as the lifetime of nanochannels need to be substantially improved. We herein propose a study on the theory and the fabrication technique of nanochannels, based on graphene as the key material. The proposal combines the newest generation of transmission electron microscope - equipped with an abberation corrector and has a resolution of picometers - with various micro- and nanofabrication techniques. The final purpose is to realize the integrated fabrication of graphene nanochannels, sub-5 nanometers - both axially and radially - with a precision of <1 nanometer at the mean time. Through this study, structural evolution of the material during fabricating process will be demostrated, especially on the surface/interface; theory on fabrication, molding and modification of nanomaterials as well as the scale effect will be illustrated. We are not only aiming at providing a convincing designing and fabricating method for a low-cost, highly precise and reliable gene sequcing system, but also finding a solution to precisely characterize and evaluate the new materials used during nanofabrication. A multifunctional platform which consists of nanofabrication techniques, property measurement and structural characterization will be developed ultimately.

5纳米以下三维纳通道的高精度集成制造技术是制约第三代基因测序系统研究和发展的一个重要环节，无论纳通道的使用寿命还是制造精度都亟待显著提高。本项目选择具有超强力学性能的石墨烯作为纳通道集成制造的主要材料，借助新一代皮米分辨球差校正透射电子显微镜和多种微纳加工技术相融合的方法，开展纳通道跨尺度集成制造的相关原理和方法研究，实现径向和轴向尺寸均在5纳米以下的精度小于1纳米的石墨烯纳通道的集成制造。通过本项目的研究，将在原子尺度上探索材料加工过程中结构的演变，尤其是表面/界面结构的演变规律，揭示纳米材料加工、成形及改性的原理与相关尺度效应；不仅要为研制出低成本、高精度、高可靠性的第三代基因测序系统提供可靠的设计和制造手段，还要为纳米制造过程中新材料的使用和评价提供有效的表征和检测方法，最终建立集纳米加工、性能测试和结构表征于一体的多功能纳米实验研究平台。

本项目的主要任务为利用球差校正电镜，针对5纳米以下的石墨烯三维纳通道跨尺度集成制造开展相关的研究工作。. 本项目的具体研究内容包括以下三个方面：1、基于物理、化学方法的石墨烯薄膜按需构筑与相关原理研究。优化各种已获得一定经验的四种石墨烯制备方法（化学氧化还原法、超声剥离法、化学气相沉积法和电弧放电法），探索石墨烯薄膜质量及厚度可控的按需制备最优途径；研究界面效应在石墨烯薄膜转移过程中的作用和影响规律，监测转移后薄膜的结构和形貌的变化情况，考察不同衬底材料与石墨烯的兼容性。2、基于“自上而下”方法的硅基微纳米孔结构的加工与加工过程中的尺度效应。研究硅衬底上不同薄膜材料（SiNx，SiO2 等）的制备和硅微米孔的加工及其与后续加工的兼容性和连续性，优化工艺方法；研究不同薄膜材料（SiNx，SiO2 等）在加工过程中结构的热稳定性和化学稳定性，优化微米孔的结构尺寸，确定合适的薄膜材料和厚度等参数；硅微米孔上SiNx 或SiO2 薄膜的纳米孔加工：考察加工过程中孔径尺寸对薄膜形状和边缘结构的影响，筛选合适的微纳米孔的孔径比例，优化聚焦粒子束方法加工的各种工艺参数；研究硅基微纳结构的一致性和制备的可重复性等问题，建立多种微纳加工技术相融合的按需制造方法和相关工艺流程，为后续5纳米以下高精度纳米加工提供制造基础和跨尺度集成条件。3、基于球差校正电镜的5纳米以下石墨烯纳通道的原子尺度加工与动态结构表征。研究石墨烯层数、加工温度、电子束能量（加速电压）和剂量对纳米孔加工质量、几何尺寸和三维形状的影响。利用球差校正透射电镜的超高分辨技术，在原子尺度观察石墨烯加工过程中结构的演变与变化趋势，分析纳米孔边缘处碳原子在高能电子束作用下的运动及缺陷重构规律，揭示潜在机理；发展石墨烯纳米孔的高温电子辐照加工方法，探索电子辐照及热场共同作用下缺陷的产生与运动规律，建立高温纳米加工条件下的加工机制与相关理论依据。 发展基于透射电子显微镜的原位性能测试方法，对电子辐照加工前后石墨烯的力学性能和电学性能进行及时表征，分析其与结构的对应关系，探索结构优化设计与其力、电等功能提升的新方法；纳米孔加工的精度、可重复性和使用寿命评价：通过优化各种实验参数，最终实现径向尺寸和轴向尺寸均在5纳米以下的加工精度小于1纳米的石墨烯纳通道精确和可重复制造.