[發明專利]利用電介質擊穿法在固態膜中形成孔隙的方法和設備

有效

• 申請號: 202011124835.X
• 申請日: 2016-05-20
• 公開（公告）號: CN113274888B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 謝平;肯·希利;賈斯廷·米爾斯
• 申請（專利權）人: 牛津納米孔技術上市公司
• 主分類號: B01D67/00
• 分類號: B01D67/00;B01D69/02;B01D69/06;C25F3/02;C25F7/00
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理有限公司 11270
• 代理人: 張錚錚;陳萬青

提供了利用電介質擊穿法在固態膜中形成孔隙的方法和設備。在一種所公開的布置中，所述膜包含位于膜一側的第一表面區域部分和位于膜另一側的第二表面區域部分。膜的第一表面區域部分與包含離子溶液的第一浴槽接觸。第二表面區域部分與包含離子溶液的第二浴槽接觸。通過與包含離子溶液的第一和第二浴槽分別接觸的第一和第二電極施加跨膜電壓，以在膜中形成孔隙。在所述膜與所述第一或第二電極之間提供串聯的限流電阻器。所述限流電阻器的電阻比所述孔隙形成之后的任何時間時的所述孔隙的電阻高至少10％。

本申請是2016年5月20日遞交的申請號為201680028909.5，發明名稱為“利用電介質擊穿法在固態膜中形成孔隙的方法和設備”的分案申請。

技術領域

本發明涉及一種利用電介質擊穿法在固態膜中形成單個或多個孔隙的方法和設備。所述孔隙可以是納米級孔隙，所述納米級孔隙可以稱為納米孔，其各自具有納米級的尺寸，例如小于約100nm的長度和/或直徑。所得多孔膜可以用于廣泛的多種應用中。

背景技術

納米孔可以用于其中需要納米級操作的多種裝置。一項重要的應用是局域化、檢測和/或表征分子，如聚核苷酸或多肽。納米孔過濾器和納米級多孔膜對于許多關鍵的生物學分離和表征程序以及過濾工藝來說同樣重要。多項其它微流體和納米流體處理和控制應用類似地依賴于納米材料的納米級特征。

為了產生納米級結構，如納米級薄材料中的納米孔，通常需要按單個原子的精度進行操控。這與大部分的傳統微電子制造工藝形成鮮明對比，傳統微電子制造工藝在特征上只需要低至幾十個納米的精度。未達到原子水平的特征分辨率和制造精度對于利用在納米級顯現具體特征的方式操控納米級薄材料來說是個挑戰。已經提出了在固態膜中制備納米孔的多種方法，如WO03003446A3中所公開的方法。

高精度納米級處理在歷史上必需一次一個制造的范例，這通常成本高且效率低。一般來說，傳統微電子生產的高體積、分批制造技術已經與納米級特征產生和材料操控不相容。這已經阻礙了多項重要納米級應用的商業化實施。

已經探索出電介質擊穿法作為形成納米級孔隙的一種替代方法。然而，已發現控制電介質過程具有挑戰性。為了避免對其中形成有孔隙的膜造成損傷和/或為了實現所期望的孔隙尺寸，發現必需對每個孔隙的擊穿過程進行個別的電子控制。在較厚的膜中，因需要較大電壓而難以形成孔隙。較大電壓使膜損傷的風險或不規則孔隙形成的風險增大。除非提供了復雜的微流體布置以便在不同位置形成彼此隔離的多個流體腔室，否則只能一次一個地在所指定溶液腔室之間產生具有所期望的精密尺寸的孔隙，這限制了商業應用的可能性。

發明內容

本發明的一個目標是提供能夠在固態膜中快速且低費用地形成單個或多個孔隙、尤其是納米級孔隙的方法和設備。

根據本發明的一個方面，提供一種利用電介質擊穿法在固態膜中形成多個孔隙的方法，其中所述膜包含位于膜一側的第一表面區域部分和膜另一側的第二表面區域部分，且多個目標區域中的每一個包含位于膜中的向第一或第二表面區域部分敞開的凹槽或流體通道，所述方法包含：使所述膜的整個第一表面區域部分與包含離子溶液的第一浴槽接觸且使整個第二表面區域部分與包含離子溶液的第二浴槽接觸；以及通過與包含離子溶液的第一和第二浴槽分別接觸的第一和第二電極施加跨膜電壓，以在所述膜的多個目標區域中的每一個中形成孔隙。第一和第二浴槽可以包含彼此不同的離子。兩種浴槽的離子強度可以不同。作為提供離子溶液的一個替代方案，第一和/或第二浴槽可以包含離子液體。

因此，提供一種可以利用電介質擊穿法并行形成多個孔隙的方法。在一個實施例中，并行形成至少10個孔隙，任選地至少50個、任選地至少100個、任選地至少1000個、任選地至少10000個、任選地至少100000個、任選地至少1000000個孔隙。使離子溶液的連續本體與多個目標區域達成同時接觸。所述電極能夠跨越所有目標區域同時施加電位差。電介質擊穿和孔隙形成并行發生，借此在與單個孔隙所需相同量的時間內形成多個孔隙。因此可以高效地產生多個孔隙。