JP2015525114A - 高電界を用いたナノポアの作製 - Google Patents

Abstract

膜にナノポアを作製するための方法が提供される。この方法は、膜にリーク電流を生じる電界を誘導するよう値が選択される電位を膜に印加する工程と、電位を印加しながら、膜を流れる電流を監視する工程と、膜でのリーク電流の突然の増加を検出する工程と、リーク電流の突然の増加が検出されたことに応答して、膜の電位を消失させる工程と、を含む。

Description

本開示は、高電界を用いてナノポアを作製するための技術に関する。

ナノテクノロジーでは、ナノメートル規模で物質を扱ってデバイス構造を製造するのに、人間の能力に頼っている。ナノメートル規模での寸法制御を再現可能に達成する現在の固体状態での作製方法は複雑なことが多く、極めて適性のある人に操作される高価なインフラの使用を必要とする。たとえば、薄い固体絶縁膜に分子レベルの穴すなわちナノポアを作製するという課題には、専用のイオンビーム装置（イオンビーム彫刻）または透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ穿孔）のいずれかによって生み出される、集束された高エネルギー粒子を用いる必要がある。このようにナノファブリケーションが進歩することで、ｎｍ未満で制御するナノレベルのデバイスの製造が学術研究室にも手の届くものとなったが、これらは、ナノポアを作るべく膜に穴を大量生産するにはあまりふさわしくない。これは、高速ＤＮＡシーケンシングをはじめとする健康科学用途に向けた固体ナノポアベースの技術の商業化にとって、大きな障壁となっている。

以上のセクションでは、先行技術とは限らない本開示に関連する背景情報を示している。

このセクションでは開示の概要を示すが、その完全な範囲またはその特徴全ての包括的な開示ではない。

イオンを含む溶液に浸漬した誘電膜にナノポアを作製するための方法が提供される。この方法は、電界を誘導しなければ絶縁状態にある膜にリーク電流を生じる電界を誘導するよう値が選択される電位を、膜に印加する工程と、電位を印加しながら、膜を流れる電流を監視する工程と、膜でのリーク電流の突然で不可逆的な増加を検出する工程と、リーク電流の突然の増加を検出したことに応答して、膜の電位を消失させて、ナノポアの作製を停止する工程と、を含む。

一態様において、リーク電流の突然の増加は、監視される電流の値を閾値と比較した後、監視される電流の値が閾値を超えたら電位の印加をやめることによって、検出される。

もうひとつの態様では、流体を満たした２つのリザーバー間に膜を配置し、これによって、膜は流体が２つのリザーバー間を行き来するのを防ぐ。

また、膜にナノポアを作製するための装置も提供される。この装置は、通路を介して互いに流体的に連結された２つのリザーバーと、一対の電極であって、２つのリザーバーそれぞれに１つずつ配置され、かつ、膜に電位を発生させるよう電圧源に電気的に接続された一対の電極と、電極のうちの１つに電気的に接続され、２つのリザーバー間を流れる電流を測定するよう動作可能な電流センサーと、電流センサーとインターフェースされるコントローラーと、を含み、コントローラーは、測定された電流の突然の増加を検出し、測定された電流の突然の増加が検出されたことに応答して、電極の電圧を消失させる。

本明細書にて提供する説明から、適用の可能性がある別の分野が明らかになろう。この概要に記載の説明および具体例は、例示のみを目的とするものであり、本開示の範囲を限定することを意図したものではない。

関連出願へのクロスリファレンス
本出願は、２０１２年５月７日にファイルされた米国仮特許出願第６１／６４３，６５１号ならびに、２０１３年３月１４日にファイルされた米国仮特許出願第６１／７８１，０８１号の優先権の利益を主張する。上記出願各々の開示内容全体を、本明細書に援用する。

本開示による単一のナノポアを作製するための方法を示すフローチャートである。 ナノポアを作製するための例示的なセットアップを示す図である。 例示的な流体セルの図である。 ナノポアを作製するのに使用できる例示的な電流増幅回路の概略図である。 薄膜での高電界によるナノポアの作製を示す図である。 薄膜での高電界によるナノポアの作製を示す図である。 薄膜での高電界によるナノポアの作製を示す図である。 薄膜での高電界によるナノポアの作製を示す図である。 印加電界に関連する、セルにおけるリーク電流を示すグラフである。 厚さ１０ｎｍの膜におけるポア形成イベントを示すグラフである。 厚さ３０ｎｍの膜におけるポア形成イベントを示すグラフである。 異なる膜で作製される３つの独立したナノポアについての電流対電圧曲線を示すグラフである。 厚さ３０ｎｍの膜について、膜貫通電位の関数としての時間対ポア形成を示すグラフである。 厚さ３０ｎｍの膜について、ｐＨの関数としての時間対ポア形成を示すグラフである。 厚さ１０ｎｍの膜について、膜貫通電位の関数としての時間対ポア形成を示すグラフである。 複数の単分子イベントについての正規化された平均電流遮断対総移送時間の散布図である。 ナノポアの形成を局在化するための１つの技術を示す図である。 ナノポアの形成を局在化するためのもうひとつの技術を示す図である。

本明細書で説明する図面はいずれも、選択された実施形態の例示目的のものにすぎず、考えられるすべての実施の形態ではなく、本開示の範囲を限定することを意図したものではない。図面の複数の図をとおして、同一の参照符合は同一の構成要素を示す。

図１は、薄膜にｎｍ未満の分解能（たとえば、１〜１００ナノメートル）で単一のナノポアを作製するための単純で低コストの方法を示す。この方法は、十分に高い電界を発生させて膜にリーク電流を誘導するのに、１２で薄膜に電圧を印加することに頼っている。いくつかの実施形態では、膜は、流体を満たした２つのリザーバー間に、２つのリザーバーを隔てて２つのリザーバー間での液体の流れを妨げるように配置する。電界を印加しながら、１４で、膜を流れる電流を監視する。単一のナノポア（すなわち、膜を通る流体チャネル）が形成されたことは、リーク電流が突然不可逆的に増加するためわかる。ナノポアの形成を検出するために、１６で、監視される電流をあらかじめ定められた閾値と比較してもよい。監視される電流が閾値を超えたら、１８で印加電圧を停止する。ナノポアの大きさに影響する電流閾値の値以外の要素については後述するが、上述のように、主に電流閾値の値をもとにして、ナノポアの最初の大きさを設定可能である。なお、ここではナノポアの形成について言及しているが、本明細書に記載の技術は、より汎用的に、さまざまな大きさの穴にも適用可能である。

ナノポアを作製するための例示的なセットアップの概略を、図２Ａおよび図２Ｂに示す。このセットアップは主に、流体セル２２と、電流増幅回路２５に電気的に接続された一対の電極２４と、電流増幅回路２５とインタフェースされるコントローラー２６と、で構成される。流体セル２２はさらに、図２Ｂに最も良く示されるように、通路３４を介して互いに流体的に連結された２つのリザーバー３３によって画定される。電流増幅回路２５は、電極間に電位を発生させ、２つのリザーバー３３の間を流れる電流を測定するよう動作する。いくつかの実施形態では、コントローラー２６は、パーソナルコンピューター２７または他のタイプのコンピューティングデバイスに接続されたデータ取得回路２８によって実現されてもよい。このように、このセットアップは、ナノポア検知分野で生体分子検出において普通に用いられているものと似ている。流体セル２２および／またはシステム全体を、接地したファラデー箱２３の中に配置して、電気ノイズを切り離してもよい。ナノポアを作製するための他のセットアップも本開示によって企図される。

この例示的なセットアップでは、膜３０を収容するのに、シリコンチップ３１が使用される。シリコンチップ３１は、２つのシリコーンガスケット３２間に挟まれた上で、流体セル２２の２つのリザーバー３３間に配置される。いくつかの実施形態では、流体セル２２はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなるが、他の材料も企図される。流体セル２２によって２つのガスケット３２に弱い圧力を印加して、接触部分を密に封止する。２つのリザーバー３３をイオンを含む流体で満たし、２つの電極２４を流体セル２２のそれぞれのリザーバーに挿入する。例示的なセットアップは、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極を用いる場合で塩化物ベースの塩溶液あるいは、銅電極を用いる場合で硫酸銅溶液を含んでもよいが、これらに限定されるものではない。また、この流体は、１ＭのＬｉＣｌのエタノール溶液など、非水性溶媒であってもよい。流体は、両方のリザーバーで同一であってもよく、膜材料に対するアクティブなエッチング作用を持つ必要はない。マイクロフルイディクスおよびナノフルイディクスでのカプセル化など、他のタイプの流体ならびに２つのリザーバー間に膜を配置する手段も考えられる。

いくつかの実施形態では、一方の電極を膜の表面と直接接触させて配置してもよい。他の実施形態では、一方の電極が、膜の電界を局在化することで、膜へのポア形成を局在化するよう配置されるナノ電極であってもよい。また、３つ以上の電極を使用してもよいことは、理解できよう。たとえば、各リザーバーに電極を１つずつ入れ、３つ目の電極を膜の表面と直接接触させて配置してもよい。他の電極構成も本開示によって企図される。

いくつかの実施の形態では、膜３０は、窒化ケイ素（ＳｉＮ_x）などの誘電材料からなる。膜は、好ましくは厚さ１０ｎｍまたは３０ｎｍと薄いが、厚さの異なる膜も本開示によって企図される。トランジスター用のゲート材料として普通に用いられている他の誘電材料（たとえば、他の酸化物および窒化物）からなる膜も、本開示の範囲内に包含される。同様に、原子的に薄い膜は、グラフェン、窒化ホウ素などの他の材料からなるものであってもよい。また、膜は、誘電材料および／または導電性材料をはじめとする複数層の材料で構成されてもよいことが企図される。

例示的な一実施形態では、電流増幅回路２５は、図３に示すように、電圧と電流の読み取りおよび制御を単純な動作増幅回路に頼っている。オペアンプは、±２０ボルトの電圧源から電力を供給されている。動作時、回路は、コンピューター制御されたデータ取得カードからプラスマイナス１０ボルトの間のコマンド電圧（Ｖ_command）を取り込み（この電圧が±２０ボルトまで増幅される）、膜の電位を設定する。また、印加電位（Ｖ_out）も、この電流増幅回路２５によって測定可能である。２つの電極間を流れる電流は、ｐＡ感度で、一方または両方の電極で測定される。より具体的には、電流は、トランスインピーダンス増幅器の接続形態を用いて測定される。測定された電流信号（Ｉ_out）は、データ取得回路でデジタル化され、連続的にコントローラーに供給される。このようにして、電流は、たとえば周波数１０Ｈｚでコントローラーによってリアルタイムに監視されるが、ひとたび電流が閾値に達したら、応答時間を短縮するためにこれよりも速いサンプリングレートを使用してもよい。電位を印加し、電流を測定するための他の回路構成も、本開示の範囲内に包含される。

例示的な実施形態では、ナノポアの最小サイズを１ｎｍのオーダーに設定するために、電流閾値は電流の突然の増加に一致するよう設定される。しかしながら、他の実施形態では、膜に電位を印加しつづけることで、ナノポアの大きさをもっと大きく設定してもよい。すなわち、監視される電流が大きさを増すにつれて、ナノポアの大きさは大きくなりつづける。リーク電流の突然の増加に一致させるよう電流閾値を設定するのではなく、異なる値に電流閾値の値を設定し、さまざまな大きさのナノポアを達成してもよい。ナノポアの大きさを細かく微調整するための例示的な技術については、Ｂｅａｍｉｓｈ ｅｔ ａｌ著、"Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｉｚｅ ａｎｄ Ｎｏｉｚｅ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ Ｎａｎｏｐｏｒｅｓ ｕｓｉｎｇ Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ" Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２３ ４０５３０１ （２０１２）にさらに説明されており、その内容全体を本明細書に援用する。ナノポアを微調整するための他の技術および構成も、本開示によって企図される。

いくつかの実施形態では、リーク電流が突然増加する前（すなわち、ポア形成前）に、膜から電位を消失させる。たとえば、監視される電流があらかじめ規定された閾値を超えた後あるいは、指定量の時間の経過後ではあるがリーク電流の突然の増加前に、電位を消失させる。このように、ポアは、膜に部分的に穿孔されるか形成されてもよい。そして、それ以後の時点で、同一のプロセスまたは異なるプロセスを使用して、ポア形成を完了することができる。

図４Ａから図４Ｄは、膜４１にナノポアを作製するための技術をさらに示している。例示目的で、膜４１は、たとえば厚さtが１０ｎｍまたは３０ｎｍの窒化ケイ素からなる。より具体的には、厚さ２００μｍのシリコン基板４２に、低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）によって低応力（＜２５０ＭＰａ）のＳｉＮ_xを堆積させることができる。基板裏面の５０μｍ×５０μｍのウィンドウを、ＫＯＨ異方性化学エッチングによって開く。ナノポア作製前に低電界（たとえば、＜０．１Ｖ／ｎｍ）で膜の電流が測定されない（すなわち、＜１０ｐＡ）事実から、既存の構造的損傷（たとえば、ピンホール、ナノクラック（nono−crack）など）がないことが推定される。

膜４１に一定の電位ΔＶを印加することで、単一のナノポアを作製できる。電位の値（たとえば、４ボルト）は、膜にリーク電流を生じる電界を誘導するよう選択される。この例では、電位によって膜に約０．５Ｖ／ｎｍの電界Ｅが生じる。ここで、電界は、Ｅ＝ΔＶ／ｔとして定義され、材料の絶縁破壊強度に近付いている。他の状況では、電界が０．１Ｖ／ｎｍより高くなり、０．２〜１Ｖ／ｎｍの範囲内になりやすいであろうことが想像される。これらの高い電界強度で、膜全体に持続可能なリーク電流Ｉ_leakageが観察されるが、この膜は、そうでなければ低電界で絶縁したまま残る。Ｉ_leakageは、電界強度が増すにつれて急速に高くなるが、図５に示すような動作条件に対しては、一般に数十ナノアンペアの範囲である。膜の材料、膜の厚さならびに他の要素次第で、ポア形成に必要な電位の大きさが変わる場合もあることは、理解できよう。

図４Ｂを参照すると、誘電膜における主要な導電メカニズムは、溶液中でイオンによって供給される電子のトラップを介したトンネリングの一形態に起因する。なぜなら、有意な直接量子メカニカルトンネリングには膜が厚すぎて、不純物の移動によって継続的な電流を発生できないからである。また、特定の電界強度では、膜が厚くなれば観察されるリーク電流も増すため、電解質イオンが直接移動する見込みもない。表面でのレドックス反応または取り込まれたイオンのフィールドイオン化によって、自由電荷（電子またはホール）を生み出すことができる。利用可能な荷電したトラップ（構造的な欠陥）の数で、観察されるリーク電流の大きさが決まる。電界誘導結合遮断（electric field-induced bond breakage）またはエネルギートンネリング電荷キャリア（energetic tunneling charge carriers）によって生じる電荷トラップの蓄積が、図４Ｃに示すような極めて局在化した導電性経路および離散的な誘電遮断イベントにつながる。

図４Ｄでは、リークスポットでの膜材料の除去によって、ナノポアが形成される。単一のナノポア（すなわち、膜を通る流体チャネル）が形成されたことは、リーク電流が突然不可逆的に増加することでわかるが、これはイオン電流の開始によるものである。フィードバック制御メカニズムを使用して、電流があらかじめ定められた閾値Ｉ_cutoffを超えたら、印加電位をすみやかに停止する。例示的な一実施形態では、閾値は、固定値（たとえば、１１０ｎＡ）であってもよい。いくつかの実施形態では、閾値は、たとえばリーク電流の大きさに応じて変化してもよい。たとえば、閾値は、ポアが形成される前のリーク電流の乗数（たとえば、１．５）に設定されてもよい。他の実施形態では、閾値は、監視される電流が変化する速度（たとえば、ＳｉＮｘで約１０ｎＡ／ｓ）として定義されてもよい。膜の材料、膜厚ならびに他の要素に応じて、閾値の値が変わる場合があることは、容易に理解できよう。

図６および図７はそれぞれ、厚さ１０ｎｍおよび３０ｎｍのＳｉＮ_x膜におけるこのようなポア形成イベントを示す。これらの結果は、Ｉ_cutoffの値がナノポアの最初の大きさを制限する一助となることを示している。よって、閾値を狭くすれば、直径２ｎｍ以下のオーダーのナノポアを作ることができる。ナノポア作製イベントの後、±０．２〜０．３Ｖ／ｎｍの範囲で適度なＡＣ電界矩形波パルスを印加することで、ｎｍ未満の精度でナノポアの大きさを拡大可能である。これによって、特定の検知用途向けに、ナノポアの大きさを正確に微調整できるようになる。

作製時にナノポアの大きさを推定するために、幾何学的形状が円筒形であると仮定し、アクセス抵抗を引き起こして、以下の式を用いてそのイオンコンダクタンスＧを測定し、これを有効直径dと関連させることができる。
式中、σは溶液のバルク導電性である。液体中で作製されるナノポアに実用的なこの方法を用いると、ポアの大きさが合理的に推測される。これは、特に＞５ｎｍのポアで、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像から得られる実際の寸法と極めて近い。

Ｉ−Ｖ曲線は、リーク電流を安全に無視できる±１Ｖのウィンドウで得られる。図８は、オーム性電気応答を明らかにしている。ナノポアの大部分が、高塩濃度（たとえば、１ＭのＫＣｌ）中での作製時に線形のＩ−Ｖ曲線と低１／ｆノイズを呈する。適当な電界パルスを印加することで、セルフゲーティング（self−gating）またはさらに高いノイズの兆候を示す残りのナノポアを調整し、高塩および中性のｐＨでオーミック挙動が達成されるまで、これらのナノポアをわずかに拡大してもよい。図８に示すＩ−Ｖ特性は、ポアの、かなり対称な内部電位プロファイルを示唆している。これは、ポアのコンダクタンスモデルによって仮定され、ここでもＴＥＭ画像によって確認される、均一な表面電荷分布を有する対称的な幾何学的形状であるという確証となる。

上述した方法は、さまざまな整流性（すなわち、一方の極性の電流を通すが他方の極性の電流は通さないダイオードとして働く）を有するような、整流用のナノポアを作製するよう拡張されてもよい。たとえば、高度に酸性の溶液（たとえば、１ＭのＫＣｌ、ｐＨ２）中で作製される小さな（＜３ｎｍ）ナノポアは、整流できる。このポアがノイズを伴う場合、酸性溶液中でも同様に、ポアを調整するための適当なＡＣ電界矩形パルス（たとえば、低応力の窒化ケイ素で０．２〜０．３Ｖ／ｎｍの範囲の低周波パルス）を印加すべきである。これによって、ポアが拡大される際ですら、整流特性が保たれる。酸性のｐＨを維持したまま溶液の導電性を下げることで、ポアが整流する度合いを大きくすることができる。これは、導電性が低下すると遮蔽が減少し、表面効果を一層重要にするからである。整流を達成するための他の技術も企図される。

逆に、導電性を高めるか、中性のｐＨのほうに動かすことで、整流作用が弱まる。さらに、ポアは、ポア内の溶液が当該ポアの形成時と同じｐＨであるかぎり、その形成時とは反対のバイアスで、より良く導電することになる。溶液を酸性から塩基性に、あるいはその逆で反転させると、整流方向が反転することが示されている。これらの観察結果を前提として、溶液のｐＨおよび膜の電圧極性を調節することで、ポアの幾何学的形状および表面電荷特性を制御してもよい。

ナノポアをさらに特徴付けるために、パワースペクトル密度を測定してイオン電流のノイズを調べる。注目すべきことに、この作製方法では、完全に濡れたＴＥＭ穿孔ナノポアに匹敵する、低ノイズから１／ｆノイズレベルのナノポアを一貫して生み出すことができる。これは、ナノポアが真空中ではなく液体中で直接形成されるため、空気にさらされることがないという事実がゆえかもしれない。今までのところ、数日間安定する同等の電気特性で、数百の個々のナノポアが作製されてきた（たとえば、大きさ１から１００ｎｍの範囲）。ポアを高塩濃度（たとえば、＞３ＭのＬｉＣｌの水溶液中または１ＭのＬｉＣｌのエタノール溶液中）で保存することで、ポアの安定性を維持できる。

半導体または金属のアノード酸化がナノポアのアレイを形成することが知られていることを考えると、上述した手順が、特に中性のｐＨでＳｉＮ_xを化学的にエッチングすることが知られていないＫＣｌ水溶液中で、単一のナノポアの作製の引き金になることは興味深い。誘電膜での１つのポアの形成につながるメカニズムを説明するために、印加電圧、膜厚、電解質の組成、濃度、ｐＨの関数として、この作製プロセスをさらに調査する。

図９Ａおよび図９Ｂは、厚さ３０ｎｍの膜について、さまざまなｐＨで緩衝した１ＭのＫＣｌ中、膜貫通電位の関数としての時間対ポア形成を示す。興味深いことに、単一のナノポアの作製時間は印加電圧とともに指数関数的に減少し、数秒にまで短かくなり得る。たとえば、厚さ３０ｎｍのＳｉＮ_x膜の電圧を１１ボルトから１７ボルトに高めることで、作製時間を１００分の１に短縮できる。厚さ１０ｎｍの膜の電圧を４ボルトから１０ボルトに高めることで、作製時間を最大で１０００分の１に短縮できる。このように、印加電位を増すと、作製時間が短くなる。同じことが印加電界にも当てはまる。

電解質の組成も、作製時間に劇的な影響をおよぼす。１ＭのＫＣｌ水溶液中、厚さ３０ｎｍのＳｉＮ_x膜での作製時間は、特定の印加電圧で、ｐＨ７からｐＨ１３．５にすると１０分の１に短縮され、ｐＨ７からｐＨ２にすると１０００分の１に短縮される。厚さ１０ｎｍのＳｉＮ_x膜では、ｐＨによる影響はそれほど顕著ではなく、最大で１０分の１の変化である。膜の２つの側でｐＨ条件が非対称であることも、電圧の極性次第では作製時間に強く影響する（すなわち、高ｐＨでカソード／負の側および低ｐＨでアノード／正の側で作製時間が極めて高速になり、低ｐＨでカソード／負の側および高ｐＨでアノード／正の側で作製時間が極めてゆっくりになる）。

図９Ｃは、１ＭのＣｌベースのさまざまな水溶液中にてｐＨ１０で緩衝した、厚さ１０ｎｍのＳｉＮ_x膜での膜貫通電位の関数として、時間対ポア形成を示す。ここでも、作製時間は、膜貫通電位と指数関数的に関連しているが、ナノポアを形成するのに必要な電位は、ここでは試験対象となる異なる陽イオン（Ｋ⁺、Ｎａ⁺、Ｌｉ⁺）とは無関係に、厚さ３０ｎｍの膜の場合と比べて約１／３に低下している。電解質組成物の濃度レベルも、作製時間に影響した。たとえば、厚さ３０ｎｍのＳｉＮ_x膜では、低濃度（約１０ｍＭのＫＣｌの水溶液）での作製時間は、高塩濃度（１Ｍおよび３ＭのＫＣｌの水溶液）の場合と比較して、有意に増加した（すなわち、＞１００倍）。

それにもかかわらず、これらの観察結果は、膜に印加される電界Ｅ＝ΔＶ／ｔが単一のナノポアの作製を開始するための主な駆動力であることを示している。０．４〜１Ｖ／ｎｍの範囲の電界は、低応力のＳｉＮ_xフィルムの絶縁破壊強度に近く、最終的に薄い絶縁層に破壊を引き起こすと思われるリーク電流を強める上での鍵である。電位に対する時間対ポア形成の指数関数的依存性は、同じ電界依存性を示唆しており、これは、ゲート誘電体における時間対絶縁破壊を彷彿させる。このため、絶縁破壊メカニズムは、（ｉ）電界誘導結合遮断による、あるいはアノードまたはカソードからの電荷の注入によって生成される、電荷トラップ（すなわち、構造的な欠陥）の蓄積、（ｉｉ）極めて局在化された導電性経路を形成する臨界密度までの上昇、（ｉｉｉ）実質的な消費電力およびその結果として生じる発熱による物理的な損傷、を引き起こすことになる。溶液中で単一のナノポアが作製されるプロセスは類似しているが、ナノスケールまでの損傷は、最初の離散的な破壊イベントの開始時に、局在化されるリーク電流を制限することで制御される。一定の膜貫通電位について、ナノポア実験の形成軌道が拡径時の電界強度を増し、これが局所的に欠陥生成速度を増すため、最終的に単一のナノポアが形成される。膜から材料が除去されるプロセスは、はっきりしないままであるが、切れた結合は、電解質によって化学的に、あるいは酸化物または水素化合物への変換後に、溶解可能であろう。作製時間に対するｐＨ依存性は、アノードからのホールの注入またはＨ⁺取り込み尤度の増加が原因で、電子なだれを生む衝突イオン化によって低ｐＨでの破壊が増幅され、これが構造的欠陥の形成速度を増すという事実によって説明できる。

単分子検出にこれらのナノポアを利用できることを示すために、ＤＮＡ移送実験を実施する。電気泳動的に駆動されるＤＮＡ分子の膜通過は、分子の長さ、大きさ、電荷、形状を反映する形で、イオンの流れを一時的に遮断すると想定される。厚さ１０ｎｍのＳｉＮ_x膜に形成された直径５ｎｍのポアを用いた結果を図１０に示す。散布図は、５ｋｂのｄｓＤＮＡの２，４００を超える単分子移送イベントでのイベント持続時間と平均電流遮断を示している。電流降下が分子の直径（約２．２ｎｍ）を示すのに対し、持続時間は、分子がポアを通って完全に移送されるのにかかる時間を示す。これらのイベントの特徴的な形状は、ＴＥＭ穿孔によるナノポアで得られるデータと区別ができない。観察される量子化電流遮断は、膜を貫通する単一のナノポアの存在を強く裏付けている。ｄｓＤＮＡ（直径約２．２ｎｍ）を分子サイズの物差しとして使用して、単一レベルの遮断イベントの値ΔＧ＝７．４±０．４ｎＳから、ポアコンダクタンスモデルから抽出される大きさに一致する効果的なポア直径が得られる。

溶液中の制御された絶縁破壊によるナノポア作製は、現在の作製方法より先をいく主要な工程を示しており、低コストでのデバイスの大量生産を可能にすることで、ナノポア技術の商業化に向けた道筋を提供し得る。このナノポア形成プロセスが、膜表面のどこにでもナノポアを形成可能であるような誘電膜に固有の特性であるか否かは疑わしいが、現時点で理解されている内容は、電界強度または材料の誘電強度を局所的に制御することによって、ポアの位置を制御可能であることを強く示唆している。たとえば、これは、図１１の１１０で示すように膜を局所的に薄くすることで達成できよう。膜の電界は、Ｅ＝Ｖ／Ｌとして推定可能である。ここで、Ｖは印加電圧であり、Ｌは膜厚である。よって、絶縁破壊の閾値電圧は薄いほうの領域で３分の１に低下し、この領域でナノポアがより一層形成されやすくなる。なぜなら、作製時間は電界強度に指数関数的に関連しているからである。

もうひとつの例では、電界は、たとえばナノ流体チャネルまたはマイクロ流体チャネルでのカプセル化を使用するなどして、膜上の特定のエリアに限局可能である。図１２を参照すると、ナノ流体チャネルまたはマイクロ流体チャネル１２０は、膜４１の上側に画定される。各チャネルは、流体的および電気的の両方で、独立にアドレス可能である。上側では、４つの電極を使用することになろう。かたや、下側で必要な電極は１つのみである。チャネル内の領域に電界が限局されるため、ナノポアは、必要に応じて各チャネルで独立して作製可能である。この手法を用いると、独立してアドレス可能なナノポアを単一チップのアレイ形式で単純に取り入れることが可能になるであろう。電極を膜の表面に接触させて直接配置するなど、電界を特定のエリアに集束させるのに、他の技術を用いることも可能であると思われる。

実施形態についての上記の説明は、例示および説明目的で提供されているものである。これは、包括的であること、あるいは、本開示を限定することを意図したものではない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は通常、その特定の実施形態に限定されるものではなく、適用可能であれば、具体的に図示または説明していない場合であっても、入れ替え可能であって、選択された実施形態で使用できる。また、これは、多くの方法で変更されてもよい。このような変更は、本開示から逸脱するものとはみなされず、そのような改変はいずれも本開示の範囲に包含されることを意図している。

Claims (26)

1. 単一のナノポアを膜に作製するための方法であって、
   ０．１ボルト毎ナノメートルを上回る値を有する電界を前記膜に誘導するような電位を選択する工程と、
   誘電材料からなる膜に前記電位を印加する工程と、
   前記電位を前記膜に印加しながら、前記膜のリーク電流を監視する工程と、
   前記電位を前記膜に印加しながら、前記膜での前記リーク電流の突然の増加を検出する工程と、
   前記リーク電流の前記突然の増加が検出されたことに応答して、前記膜の前記電位を消失させ、前記ポアの作製を停止する工程と、を含む、方法。
2. 前記膜材料の誘電強度に近い電位を選択する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記リーク電流の突然の増加を検出する工程が、前期監視される電流の変化率を決定する工程と、前記変化率を閾値と比較する工程と、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記監視される電流の前記変化率が前記閾値を超えたら前記電位を消失させることで、前記作製を停止する工程をさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記リーク電流の突然の増加を検出する工程が、前記監視用電流の値を閾値と比較する工程と、前記監視用電流の前記値が閾値を超えたら前記電位を消失させることで、前記作製を停止する工程と、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記膜を、イオンを含む流体を満たした２つのリザーバー間に、前記膜が前記２つのリザーバーを隔て、前記流体が前記２つのリザーバー間を行き来するのを防ぐように配置する工程と、
   前記２つのリザーバー各々に電極を入れる工程と、
   前記電極を用いて前記電位を発生させる工程と、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記２つの電極のうち一方を前記膜と直接接触させて配置する工程をさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記印加電位を高めて作製時間を短縮する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記膜の前記電界を高めて作製時間を短縮する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記流体のイオンの濃度を高めて作製時間を短縮する工程をさらに含む、請求項６に記載の方法。
11. 前記流体の酸性度を高めて作製時間を短縮する工程をさらに含む、請求項６に記載の方法。
12. 前記流体のアルカリ度を高めて作製時間を短縮する工程をさらに含む、請求項６に記載の方法。
13. 一方のリザーバーにおける前記流体の酸性度を、他方のリザーバーにおける前記流体の酸性度に対して変更して、作製時間を変更する工程をさらに含む、請求項６に記載の方法。
14. 前記膜の両側で前記流体の酸性度を調節し、前記ポアの幾何学的形状および表面電荷特性を制御する工程をさらに含む、請求項６に記載の方法。
15. 前記膜における前記電位の極性を調節し、前記ポアの幾何学的形状および表面電荷特性を制御する工程をさらに含む、請求項６に記載の方法。
16. 単一のナノポアを作製するための方法であって、
    誘電材料からなる膜を、流体を満たした２つのリザーバーの間に、前記膜が前記２つのリザーバーを隔て、前記流体が前記２つのリザーバー間を行き来するのを防ぐように配置する工程と、
    前記膜に電位を印加する工程であって、前期電位の値が、前記膜にリーク電流を生じる電界を誘導するよう選択される工程と、
    前記電位を印加しながら、前記２つのリザーバー間に誘導されるリーク電流を監視する工程と、
    監視される電流の変化率を決定する工程と、
    前記監視される電流の前記変化率を閾値と比較する工程と、
    前記監視される電流の前記変化率が前記閾値を超えたら前記電位の印加をやめることで、作製を停止する工程と、を含む、方法。
17. ０．１ボルト毎ナノメートルを超える値を有する電界を誘導するような電位を選択する工程をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. ０．１ボルト毎ナノメートルから１．０ボルト毎ナノメートルの範囲の値を有する電界を誘導するような電位を選択する工程をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記流体は、水性溶媒に溶解したイオンとして定義される、請求項１６に記載の方法。
20. 前記流体は、有機溶媒に溶解したイオンとして定義される、請求項１６に記載の方法。
21. 前記流体は、前記膜に対する特定の化学エッチング作用を持つ必要がない、請求項１６に記載の方法。
22. 前記電界強度または誘電強度を、前記ポアに望ましい位置の近くに局在化させることで、前記膜に形成されるポアの位置を制御する工程をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
23. 前記ポアに望ましい位置の領域で前記膜の厚さを小さくすることで、前記膜に形成されるポアの位置を制御する工程をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
24. 前記流体の酸性度および導電性に基づいて、前記膜に形成される前記ポアの整流性を制御する工程をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
25. 単一のナノポアを膜に作製するための装置であって、
    通路を介して互いに流体的に連結された２つのリザーバーと、
    電圧源に電気的に接続され、前記膜に電位を生じるよう動作可能な少なくとも２つの電極と、
    前記電極のうちの１つに電気的に接続され、前記２つのリザーバー間を流れる電流を測定するよう動作可能な電流センサーと、
    前記電流センサーとインターフェースされるコントローラーと、を備え、
    前記通路は、液体が前記２つのリザーバー間を行き来するのを防ぐ膜を収容するよう構成され、前記膜は誘電材料からなり、
    前記２つのリザーバーそれぞれに、前記少なくとも２つの電極のうち１つが配置され、
    前記コントローラーは、測定される電流の突然の増加を検出し、前記測定される電流の前記突然の増加が検出されたことに応答して、前記膜の前記電位を消失させる、装置。
26. 前記リザーバーのうちの１つは、２本または３本以上のマイクロチャネルまたはナノチャネルで流体的に分離され、各々のマイクロチャネルまたはナノチャネルは、内部に電極が配置されている、請求項２５に記載の装置。