Solid-State Nanopore

Teknologi Fabrikasi

Metode Etsa Track Ion

Nanopore solid-state pertama dibuat dengan etsa jalur ion. Etsa lintasan ion menggunakan etsa untuk mengetsa film, yang disinari oleh ion berat. Tingkat etsa wilayah trek lebih besar dari pada wilayah non-track (v _trek> v _massal ), yang hasilnya berupa pori-pori. Metode ini telah berhasil membuat nanopori solid-state dalam bahan yang relatif murah seperti polikarbonat, polimida, dan silikon nitrida. Zhang dkk. [32] telah membuat nanopori silikon nitrida dengan metode ini dengan Br ⁺ berenergi tinggi (81 MeV). Diameter nanopore ini relatif besar, dan diameter nanopore minimum yang diperoleh adalah 40 nm setelah proses shrinkage. Saat ini, Harrel et al. [18] telah membuat nanopori solid-state dengan diameter 2 nm dengan etsa jalur ion, setelah diameternya menyusut dengan pengendapan film tipis nanogold. Namun, nanopori solid-state yang dibuat dengan metode ion-channel etching memiliki porositas kecil dan distribusi ukuran pori yang tidak merata. Sementara itu, metode ini membutuhkan akselerometer ion berat yang mahal dan sangat membatasi pembuatan dan penerapan nanopori solid-state.

Metode Penggoresan Masker

Metode etsa topeng dapat dibagi menjadi tiga metode pembuatan tambahan sesuai dengan jenis topengnya, yaitu porous anodic aluminium oxide (AAO), nanosphere, dan nanoimprint. Para peneliti menemukan bahwa AAO tidak hanya memiliki distribusi ukuran pori yang seragam dan panjang pori yang dapat disesuaikan, tetapi juga memiliki struktur pori sarang lebah yang periodik tanpa persilangan dan hubungan antar pori di samping. Ini dapat mengatasi masalah porositas rendah dan distribusi ukuran yang tidak merata dalam metode etsa jalur ion. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, Liang et al. [25] telah mentransfer pola nanopore ke substrat dengan etsa ion reaktif menggunakan AAO sebagai topeng dan menyadari fabrikasi terkontrol dari nanopore solid-state. Sayangnya, kekuatan mekanik film AAO buruk, dan rentan retak. Selain itu, dalam proses pembuatannya juga terdapat banyak masalah, seperti memakan waktu, produksi yang rendah, pencemaran lingkungan, dan pemborosan bahan baku. Semua cacat ini membatasi penggunaan metode etsa topeng AAO.

Persiapan nanopore solid-state dengan metode etsa topeng. (a ) nanopori solid-state GaAs [25], (b ) silikon nanopore [33], dan (c ) aluminium nanopore dengan berbagai bentuk [34]

Terinspirasi oleh etsa topeng AAO untuk membuat nanopore solid-state, Alyson et al. [24] menggunakan nanosphere sebagai topeng, diikuti dengan etsa ion reaktif (RIE) untuk membuat nanopore solid-state porositas tinggi dengan penampang segitiga. Chen dkk. [33] berdasarkan yang pertama dan menyesuaikan diameter nanospheres dari lapisan atas di double-layer polystyrene nanospheres untuk mengontrol distribusi kesenjangan dan ukuran nanosphere tepat. Akhirnya, melalui etsa ion reaktif dalam, mereka memperoleh nanopori silikon dengan kedalaman hingga 2 m yang penampangnya mirip dengan nanosfer. Teknologi etsa Nanosphere juga dapat dikombinasikan dengan proses pengendapan atau pengupasan logam untuk menghasilkan topeng nanopori logam. Kemudian, dikombinasikan dengan etsa dan menghilangkan proses topeng logam, nanopori silikon diperoleh [34] (Gbr. 2b). Teknologi etsa Nanosphere memiliki kemampuan beradaptasi yang luas, yang tidak hanya dapat digunakan untuk membuat nanopori solid-state dengan struktur multi-lapisan tetapi juga dapat digunakan untuk membuat filter polietersulfon berpori tinggi. Namun, karena keterbatasan diameter nanosfer, diameter pori nano terlalu besar, dan sulit untuk kurang dari 10 nm.

Sangat kompleks untuk membuat nanopori solid-state dengan masker AAO atau metode manufaktur bantu nanosfer karena melibatkan proses fabrikasi, transfer, dan penghilangan masker. Pada saat yang sama, masker tidak dapat digunakan kembali dan menghasilkan limbah. Jadi, para peneliti telah mengalihkan perhatian mereka ke teknologi nanoimprint yang dapat digunakan kembali. Prinsip dari nanoimprint adalah untuk menekan template yang sudah disiapkan ke film polimer tipis (seperti polimetil metakrilat), dan polanya, yang mirip dengan template, diperoleh ketika film dipadatkan [35]. Teknologi nanoimprint tidak hanya dapat menggunakan kembali template tetapi juga dapat menghasilkan struktur nano yang kompleks dengan lebar garis minimal hingga 5 nm [23]. Aluminium berpori adalah produk paling umum dengan struktur berpori nano yang dibuat dengan teknologi nanoimprint [36] (Gbr. 2c). Saat ini, Chou et al. [37] telah menciptakan nanopori terkecil dengan teknologi nanoimprint. Mereka menggunakan kromium sebagai topeng dan menggunakan etsa berkas elektron dan RIE memperoleh diameter 10 nm dan tinggi 60-nm SiO₂ nanopilar. Selanjutnya, diameter nanopilar dikurangi lebih lanjut dengan etsa HF, dan nanopore dengan diameter kurang dari 6 nm diperoleh dengan menggunakan nanopilar sebagai cetakan cetakan. Namun, stabilitas metode ini buruk, dan proses pembuatan template dan stamping masih perlu ditingkatkan. Template presisi tinggi diperlukan dalam teknologi nanoimprint dan membutuhkan metode manufaktur skala nano seperti litografi berkas elektron untuk diproduksi, yang dengan sendirinya merupakan tantangan dalam mikro/fabrikasi nano. Selain itu, umur template dan presisi cetakan juga merupakan tantangan teknologi nanoimprint.

Metode Etsa Larutan Kimia

Selain menggunakan metode etsa topeng, para ilmuwan juga mencoba membuat nanopori solid-state menggunakan etsa larutan kimia. Di antara etsa larutan kimia, metode etsa elektrokimia umumnya digunakan dalam pembuatan silikon berpori. Metode etsa elektrokimia adalah metode murah untuk pembuatan nanopori silikon solid-state dan dapat secara tepat mengontrol pola dan lokasi silikon berpori dengan merancang topeng. Selain itu, porositas dan ukuran nanopori silikon berpori juga dapat dikontrol dengan mengatur konsentrasi cairan etsa, arus etsa, waktu etsa, dan parameter proses lainnya. Orosco dkk. [38] telah memperoleh pencapaian luar biasa dengan metode ini dan telah menghasilkan lapisan ganda silikon berpori dengan diameter nanopori minimum 6 nm (Gbr. 3a). Selain itu, Wang et al. [39] menggunakan sinar ion fokus (dosis 10 ¹¹ ~10 ¹⁵ ion/cm ² ) untuk menyinari posisi tertentu dari silikon, maka digunakan metode etsa elektrokimia untuk mendapatkan nanopori silikon dengan posisi dan kuantitas yang terkontrol, sedangkan jumlah dan ukuran nanopori semuanya dibatasi oleh bidang pandang yang kecil dari berkas ion. Namun, kekasaran permukaan dinding silikon berpori yang dibuat dengan metode etsa elektrokimia terlalu tinggi bahkan struktur bifurkasi yang ada, yang secara serius membatasi penerapan metode etsa elektrokimia yang digunakan untuk membuat nanopori silikon solid-state.

Persiapan nanopori solid-state dengan etsa larutan kimia. (a ) nanopori silikon berdinding ganda [38], (b ) silikon nanopori [27], dan (c ) nanopore silikon yang sangat terkontrol [28]

Dengan perkembangan teknologi MEMS, para peneliti telah menemukan bahwa teknik etsa larutan kimia dapat digunakan untuk membuat nanopori silikon dengan posisi dan angka yang terkontrol [27, 28, 40]. Taman dkk. [27] pertama-tama menggunakan nanopori solid-state yang dibuat dengan teknologi etsa larutan kimia untuk sekuensing DNA. Pertama, mereka menggunakan fotolitografi dan RIE untuk mengetsa film silikon nitrida di kedua sisi wafer silikon dan mendapatkan jendela silikon dengan area yang berbeda. Selanjutnya, wafer silikon ditempatkan dalam larutan KOH untuk etsa, dan struktur piramida dan trapesium terbalik diperoleh masing-masing di jendela kecil dan besar. Ketiga, wafer silikon dipasang pada sistem etsa umpan balik, dan larutan garam KCl dan larutan etsa KOH diisolasi oleh wafer silikon (Gbr. 3b). Ketika larutan KOH menembus wafer silikon mendapatkan nanopore, solusi di kedua sisi wafer silikon melewati nanopore dan melakukan elektroda Pt memperoleh sinyal listrik umpan balik. Akhirnya, mereka menghapus wafer silikon untuk mendapatkan silikon nanopore. Karena keterbatasan fabrikasi topeng litografi dan kesalahan fotolitografi, jendela silikon berpola kecil tidak dapat berupa persegi mutlak, sehingga nanopori solid-state terukir adalah perkiraan persegi panjang dan memerlukan pemrosesan selanjutnya seperti anil untuk meningkatkan morfologi pori-pori. Pedon dkk. [28] mengembangkan jendela kecil menggunakan litografi berkas elektron berdasarkan yang pertama, yang menghindari kesalahan pembuatan topeng dan litografi. Pada saat yang sama, ketika umpan balik sinyal listrik ditambahkan dalam sistem kontrol cerdas, nanopori yang mendekati sempurna diperoleh (Gbr. 3c). Dengan cara yang sama, Liu et al. [41] menggunakan kombinasi metode etsa kering dan basah untuk membuat nanopori silikon dengan diameter minimum 30 nm. Tidak sulit untuk menemukan, selain kelompok Rant, kelompok lain hanya dapat membuat nanopore silikon dengan diameter lebih besar. Pada saat yang sama, sulit untuk mengkarakterisasi diameter nanopore, yang menghubungkan bidang TEM yang terbatas.

Metode Penggoresan dan Penyusutan Partikel Berenergi Tinggi

Setelah mengalami kemunduran dalam upaya untuk membuat nanopori solid-state menggunakan metode sederhana, beberapa peneliti kembali menggunakan partikel energik untuk membuat nanopore di area kecil dengan struktur yang dapat dikontrol [20, 42]. Kim dkk. [42] pertama-tama menggunakan etsa berkas ion terfokus dan diperoleh 6 × 6 blind pore dengan diameter 2 μm sebagai area litografi berkas elektron. Kemudian, mereka menggunakan etsa berkas elektron berenergi tinggi di TEM untuk mendapatkan nanopori SiN, dan diameter rata-rata nanopori SiN yang dihasilkan adalah 5,14 nm dengan standar deviasi 0,46 nm. Karena keterbatasan peralatan TEM, hanya satu chip yang dapat ditempatkan di setiap vakum, yang sangat membatasi laju fabrikasi chip nanopore. Perangkat FIB memiliki rongga yang lebih besar, dan dapat ditempatkan lebih dari satu chip bahkan seluruh wafer (silikon). Dibandingkan dengan TEM, ini telah sangat meningkatkan efisiensi pembuatan nanopore. Namun, diameter nanopori yang dibuat dengan etsa berkas ion terfokus terlalu besar. Saat ini, hanya grup Gierak yang telah membuat nanopori dengan diameter kurang dari 5 nm menggunakan FIB [20]. Mereka meningkatkan Ga ⁺ sistem penulisan langsung dan nanopore fabrikasi dengan diameter sekitar 2,5 nm pada film silikon karbida dengan ketebalan 20 nm.

Sekarang, selain grup Gierak, grup lain kesulitan menggunakan Ga ⁺ sistem berkas ion terfokus sumber untuk membuat pori nano dengan diameter kurang dari 10 nm. Peneliti mencoba menggunakan FIB untuk membuat diameter nanopori lebih besar, kemudian dilakukan surface treatment untuk memperkecil diameter nanopori [43,44,45,46]. Sejauh ini, metode untuk mengurangi diameter nanopori telah dibagi menjadi dua kategori. Jenis pertama adalah deposition means, dimana material diendapkan pada permukaan nanopore untuk memperkecil diameter nanopore. Jenis kedua adalah iradiasi berkas elektron, yang membuat material tepi nanopore bermigrasi dan memperkecil diameter nanopore.

Penyusutan Material Permukaan Nanopori

Chen dkk. [43] pertama menyadari pengurangan yang tepat dari diameter nanopore dengan menyimpan bahan pada permukaan nanopore. Mereka menyimpan 24 lapisan alumina di Ga ⁺ -menggores permukaan nanopori menggunakan deposisi lapisan atom (ALD), dan diameter nanopori dikurangi menjadi 2 nm (Gbr. 4a). Selama proses sekuensing DNA, ditemukan bahwa nanopore yang disiapkan dengan metode ini dapat secara efektif mengurangi kebisingan dan meningkatkan rasio signal-to-noise. Inti dari metode pengendapan lapisan atom adalah proses pengendapan lapisan tunggal sub-nanometer, dan memiliki proses yang stabil yang bermanfaat untuk pembuatan nanopori yang tepat. Torre dkk. [44] menggunakan pendekatan serupa untuk mengurangi diameter nanopori, di mana mereka pertama-tama menggunakan etsa berkas ion terfokus untuk mendapatkan nanopori dengan diameter rata-rata 27,3 nm, kemudian diameter nanopori dikurangi menjadi 8,3 nm dengan pengendapan titanium oksida menggunakan ALD.

Metode etsa dan modifikasi partikel energi tinggi untuk fabrikasi nanopori solid-state. (a ) penyusutan ALD, (b ) kalibrasi sendiri dari tepi nanopore, dan (c ) nanopore etsa ion helium

Rant dkk. menemukan cara lain. Mereka pertama menggunakan litografi berkas elektron dan RIE untuk mendapatkan nanopori silikon nitrida. Kemudian, nanopori direduksi menjadi di bawah 10 nm dengan mendepositkan film tipis Ti/Au pada permukaan nanopori menggunakan metode evaporasi fisik [45]. Selain alumina, titanium oksida, dan logam, karbon amorf juga dapat disimpan untuk penyusutan dengan bantuan berkas elektron dalam sistem FIB [46].

Penyusutan Migrasi Material Tepi Nanopori

Migrasi material tepi nanopore didasarkan pada prinsip minimum energi permukaan nanopore, yang diusulkan oleh grup Dekker [47]. Artinya, ketika diameter nanopore lebih kecil dari ketebalan nanopore, nanopore akan menyusut disinari oleh berkas elektron berenergi tinggi. Berdasarkan penelitian Dekker, Storm et al. [48] ​​in situ mengamati bahwa diameter minimum nanopori silikon oksida menyusut menjadi 2 nm setelah disinari oleh berkas elektron (Gbr. 4b). Hasil eksperimen ini semakin menegaskan prinsip minimum energi permukaan nanopori. Selain itu, spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDX) dan spektroskopi kehilangan energi elektron (EELS) juga mengkonfirmasi bahwa penurunan diameter nanopori disebabkan oleh migrasi material tepi nanopori, bukan disebabkan oleh kontaminasi permukaan nanopori [9] . Prinsip minimum energi permukaan nanopori diverifikasi dalam morfologi yang berbeda dari nanopori silikon oksida, seperti nanopori silikon oksida elips dan nanopori komposit silikon nitrida/silika [49].

Metode shrinkage memecahkan masalah bahwa ukuran nanopore pada fabrikasi FIB tidak cukup kecil, tetapi proses pembuatan nanopore rumit. Para peneliti juga telah mengejar metode fabrikasi berkas ion yang lebih sederhana untuk membuat nanopori solid-state. Baru-baru ini, munculnya teknologi fabrikasi nanopori dengan etsa ion helium, yang memiliki area aktif lebih kecil dari titik sinar dan sampel, mengatasi kesulitan FIB konvensional, di mana diameter nanopori lebih besar dari 10 nm. Emrich dkk. [21] telah menunjukkan bahwa sistem ini dapat menghasilkan nanopori silikon nitrida dengan diameter hanya 1,3 nm dan ketebalan 30 nm (Gbr. 4c). Meskipun telah sangat meningkatkan efisiensi pemrosesan dibandingkan dengan TEM dan sistem berkas ion terfokus menggunakan Ga ⁺ konvensional sumber ion, sistem ini mahal yang membatasi penerapannya.

Metode Nanopori yang Dikekang Secara Elektrokimia

Ying dkk. dan Lin dkk. [50, 51] memulai konsep nanopore elektrokimia terbatas yang menunjukkan kemampuan yang sangat baik untuk cerdik membatasi elektrokimia, distribusi energi, peningkatan optik, dan transportasi massa dalam nanopore asimetris. Elektroda nanopori terbatas (CNE) dapat digunakan untuk melakukan studi resolusi tinggi dengan waktu penyelesaian proses elektrokimia dalam satu sel dengan menggunakan elektroda nanopartikel terbatas nanopartikel di laboratorium kimia normal. Dengan bantuan optik, itu juga dapat diterapkan pada akuisisi simultan multi-dimensi sinyal fotolistrik tubuh tunggal pada skala nano, memberikan ide-ide baru untuk pengukuran elektrokimia sel hidup tunggal, partikel tunggal, dan molekul tunggal [52].

Aplikasi

Pengurutan DNA

Setelah ide nanopore, sekuensing DNA diajukan oleh kelompok ahli biologi Kasianowicz pada tahun 1996 [53]; teknologi nanopore telah berkembang pesat. Sequencing DNA menggunakan nanopore adalah metode fisik, dan menggantikan metode DNA polimerase Sanger. Metode ini menggunakan medan listrik untuk menggerakkan pergerakan DNA dalam pori nano, dan secara langsung menggunakan karakteristik waktu arus ion nanopori untuk membedakan ukuran basa tunggal sehingga mencapai tujuan sekuensing DNA. Metode sekuensing DNA nanopore menghindari modifikasi DNA, amplifikasi, dan proses lainnya, yang menghemat biaya polimerase yang mahal, sehingga metode ini memiliki daya saing yang tinggi. Terinspirasi oleh Kasianowicz, fisikawan mulai menyelidiki kemungkinan metode ini sejak tahun 2000, sehingga bidang sekuensing DNA nanopore lahir.

Metode sekuensing DNA nanopori dapat dibagi menjadi sekuensing bio-nanopori dan sekuensing nanopori solid-state menurut bahan nanoporinya [54]. Di antara mereka, sekuensing bio-nanopori ada kelemahan dari jeda dan mundur molekul DNA, yang membuat sinyal waktu-saat ini terdeteksi dengan metode ini disalahartikan [55]. Akibatnya, sekuensing DNA nanopori solid-state dan fabrikasinya telah menjadi topik hangat para sarjana di berbagai negara [56].

Dengan penelitian mendalam tentang metode sekuensing DNA nanopore, para ilmuwan berpikir bahwa sensor nanopore dapat mewujudkan deteksi paralel DNA dan mencapai tujuan sekuensing DNA throughput tinggi [57]. Salah satu yang paling menjanjikan adalah deteksi paralel fluoresensi dari teknologi urutan DNA, yang didasarkan pada refleksi internal nanopori solid-state [58] (Gbr. 5). Dengan bantuan kamera perangkat pengganda muatan elektron (CCD), ini dapat ditangkap dari DNA melalui sinyal setiap nanopori, dan beberapa sinyal optik dan sinyal arus ion dapat dihubungkan satu per satu untuk mewujudkan sekuensing DNA throughput tinggi. . Selanjutnya, teknologi ini dikonfirmasi lebih lanjut dengan sekuensing bio-nanopori, yang secara teoritis memungkinkan identifikasi 10 ⁶ dasar/mm ² per detik [59]. Namun, ada juga beberapa kelemahan untuk metode sekuensing DNA nanopori solid-state, seperti kecepatan translokasi yang tinggi dan resolusi spasial yang rendah [60].

Total internal refleksi fluoresensi (FTIR) paralel deteksi urutan DNA [58]. a Diagram skematik. b Peta sinyal sinyal arus optik dan ion yang terdeteksi dalam percobaan

Deteksi Protein

Pada tahun 2007, Fologea et al. [61] berhasil mendeteksi bovine serum albumin (BSA) menggunakan nanopori solid-state dengan ketebalan 10 nm. Selain itu, mereka juga mempelajari perubahan konformasi -laktoglobulin di bawah aksi berbagai konsentrasi denaturan urea oleh nanopori solid-state. Mereka menemukan bahwa sebagian besar protein melewati nanopore dengan konformasi linier atau heliks dan medan listrik di nanopore dapat melepaskan protein yang lewat [62]. Jadi, mereka memulai deteksi protein dan penelitian sifat fisikokimia dan struktur protein. Cressiot dkk. [63] membuat nanopore solid-state dengan diameter 20 nm menggunakan FIB dan secara sistematis mempelajari dan membandingkan karakteristik sinyal saat ini ketika wild-type maltose binding protein (MaIE) dan MaIE yang tidak dilipat melewati nanopore. Dalam percobaan ini, mereka juga menemukan bahwa ada penghalang energi bebas ketika protein melewati nanopore. Setelah itu, Cressiot memfabrikasi nanopore dengan diameter 3 nm menggunakan TEM dan menemukan kembali protein MaIE. Sebaliknya, protein diregangkan oleh medan listrik ketika medan listriknya besar.

Pada tahun 2013, Plesa dkk. [64] berhasil menguji aprotinin (6,5 kDa), ovalbumin (6,5 kDa), beta-amilase (45 kDa), feritin (200 kDa), dan tiroglobulin (660 kDa); lima protein menggunakan silikon nitrida nanopori dengan diameter 40 nm. Mereka menemukan bahwa sinyal arus yang diukur adalah distorsi karena kecepatan protein yang melewati nanopore terlalu cepat, dan bandwidth deteksi relatif kecil. Selain itu, frekuensi kejadiannya berlawanan dengan konstanta difusi protein. Ada dua cara untuk menyelesaikan kontradiksi ini. Salah satu caranya adalah dengan mengurangi kecepatan protein melalui nanopore, dan cara lainnya adalah dengan meningkatkan bandwidth pendeteksian. Di et al. [65] berhasil mengurangi kecepatan protein ubiquitin melalui nanopore menggunakan cahaya tampak berdaya rendah dan membedakan sudut rotasi selama protein melalui nanopore. Baru-baru ini, mereka berhasil mendeteksi protein ubiquitin dan membedakan jenis koneksi antara protein ubiquitin dan protein menggunakan nanopori solid-state dengan diameter 3 nm. Karya ini membuka jalan baru untuk penelitian biomedis protein ubiquitin [66]. Pada tahun 2014, Larkin dkk. [67] berhasil mendeteksi proteinase K dan enzim RNA A menggunakan penguat arus bandwidth tinggi dan HfO ultra-tipis₂ nanopore dan mengukur elektromobilitas, konstanta difusi, dan volume protein ini.

Nanopore memiliki resolusi deteksi yang sangat tinggi untuk struktur internal molekul, dan telah menjadi sensor yang kuat untuk interaksi molekul tunggal. Ini telah banyak digunakan dalam deteksi real-time interaksi DNA-protein, interaksi protein-protein, dan molekul kecil kimia. Hasilnya, serangkaian teknik berbasis teknologi penginderaan nanopore telah dihasilkan, seperti deteksi dan diagnosis penyakit serta deteksi ion logam berat dan virus.

Konversi Energi

Perkembangan teknologi mikron/nanomanufaktur canggih memberikan dasar untuk miniaturisasi dan miniaturisasi perangkat konversi energi tradisional [40, 41]. Banyak perangkat konversi energi derajat mikrometer terus muncul, seperti mikroreaktor [42], turbin gas mikro [43, 44], mesin termal mikro [45, 46], sel bahan bakar mikro [47], dan superkapasitor mikro [48]. Dibandingkan dengan perangkat konversi energi skala besar tradisional, perangkat konversi energi mini ini dapat memberikan kepadatan energi yang lebih tinggi. Perangkat mikro ini tidak dapat diterapkan pada peralatan energi skala besar, karena tingginya biaya mikro/pemrosesan nano. Namun, karakteristik mikrominiaturisasi membuatnya cocok untuk konstruksi komponen sumber listrik dengan skala kecil dan konsumsi daya rendah untuk menggerakkan peralatan elektronik, seperti mesin nano, sistem mikroelektromekanis, dan perangkat implan biomedis.

Energy conversion method based on nanopore channel takes full advantage of the unique physical-chemical properties of nanoscale. It converts the clean energy existing in environment, such as mechanical energy, chemical energy, light energy, and electric energy. At the same time, it does not emit carbon dioxide, produce vibrations and working noise harmful to the human body, and is very friendly to environment during conversion process. Daiguji et al. [68] converted the mechanical energy to electric energy by solid nanopore channel. Wen dkk. [69] converted solar energy to electric energy based on smart-gating nanopore channels. Guo dkk. [70] converted salinity gradient energy to electric energy with single-ion-selective nanopore. Table 1 shows several micro-scale energy conversion devices [71].

Energy conversion based on solid-state nanopores was inspired by the research on the function of ion channels of cell membrane [71]. Due to the excellent performance of solid-state nanopores, such as chemical durability, thermostability, superior mechanical property, tunable size and shape and so on [72], it has got increasing attention in the area of energy conversion. For example, Wen et al [73] reported that the nanofluidic energy conversion systems based on solid-state nanopores exhibited high power density, long operating life and good safety performance, compared with other commercially available cation exchange membranes. Besides, along with the development of fundamental studies and practical applications, solid-state nanopores with smart ion transport behaviors, such as ionic selectivity, ionic gating and ionic rectification, has been used as extraordinary platforms for energy conversion [74].