固态纳米孔具有孔径可调、耐酸碱性好、高温条件下结构稳定和与半导体制造工艺兼容等优点,在纳米流体领域具有广泛的应用前景,尤其适用于生物分子和纳米颗粒的检测。基于纳米孔的单分子检测具有低成本、高通量、无标记和操作简单等优点,然而目前固态纳米孔电流噪声较大,在实现DNA测序、蛋白质测序等方面仍面临着巨大挑战。因此,如何降低固态纳米孔的电流噪声,提高生物分子的检测精度是亟待解决的关键问题。在纳米尺度下,纳米孔内的离子输运比较复杂,Stern层和扩散层中的离子分布、孔内离子迁移率、溶液介电常数、壁面电荷受到体态溶液浓度、p H和纳米孔尺寸等多重因素的共同影响,理解和掌握纳米孔内的离子输运规律对纳米孔的各类应用具有非常重要的理论指导意义。为了实现高信噪比固态纳米孔传感器的设计与制造,理解和掌握纳米孔内的离子输运规律,本文开展了系列研究,其具体研究内容如下:基于半导体制造工艺,设计制造了Si Nx薄膜芯片、Si Nx/Si O2薄膜芯片。通过测试发现,Si Nx/Si O2薄膜芯片的电流噪声可降低至50 p A,比通用的Si Nx薄膜芯片的噪音降低了4倍,极大的提高了生物分子检测的灵敏性和测试精度。Si Nx/Si O2薄膜芯片具有局部减薄区域,该结构提高了芯片的机械强度和使用寿命。开展了基于聚焦电子束和聚焦离子束的固态纳米孔制造技术研究,实现了孔径从1纳米到几百纳米的跨尺度制造。同时研究了基于三乙氧硅基丙基马来酸（Triethoxysilylpropylmaleamic Acid,TESPMA）的纳米孔修饰技术,可使纳米孔内壁含有羧基基团,使其具有仿生特性。TESPMA修饰可有效降低纳米孔的直径,增强纳米孔的壁面电荷,使其在基于电渗流驱动的生物分子检测、盐差能发电、海水淡化等领域具有广阔的应用前景。全面分析了氮化硅壁面胺基、硅烷醇基含量和其解离常数对纳米孔等电位点的影响。研究发现,氨基含量对纳米孔等电位点具有重要影响,少量增加会使等电位点改变多个p H值。通过实验和理论计算确定了氮化硅纳米孔的等电位点为4.1,壁面氨基与硅烷醇基的相对比例为0.013。建立了氮化硅纳米孔壁面电荷的计算方法,其不仅随溶液p H而改变,而且随溶液体态浓度不断变化。当溶液浓度大于氮化硅等电位点时,纳米孔壁面电荷为负,随溶液浓度和p H的增加而不断升高;而当溶液的p H小于等电位点时,壁面电荷为正,随p H和溶液浓度的变化较小。基于生物通道中亚毫摩尔浓度的钙或镁离子可以调控通道离子输运的灵感,研究了一价和二价阳离子混合溶液在仿生TESPMA纳米孔中离子输运特性。首次发现在直径大于20 nm纳米孔中,Ca2+可以引起异常的摩尔分数效应;而在较小的纳米孔内,Ca2+会对纳米孔产生栅控效应,可以极大的抑制纳米孔内的离子电流。纳米孔直径越小,Ca2+对纳米孔的电流抑制效应越明显。在4 nm纳米孔内,Ca2+抑制纳米孔电流所引起的开关比可高达10倍。研究证实了Ca2+引起的纳米孔壁面电荷下降甚至电荷倒置是TESPMA纳米孔内产生异常的摩尔分数效应和栅控效应的主要原因。本研究建立了溶液中Ca2+的浓度、纳米孔直径、Ca2+所引起的各类异常效应和孔内壁面电荷之间的联系。通过多物理场耦合模拟对Ca2+在TESPMA纳米孔内的输运机理进行了系统研究,使用强相关液体理论作为边界条件,描述了纳米孔壁面电荷随Ca2+浓度的变化情况。研究结果发现,Ca2+所引起的纳米孔内壁面电荷沿轴向的降低以及孔口处的局部电荷倒置是TESPMA纳米孔中产生异常的摩尔分数现象和栅控效应的根本原因。研究中还考虑了离子迁移率和介电常数随溶液浓度和电场强度变化对计算结果的影响。结果表明上述参数对纳米孔电导的影响较小,然而考虑孔内离子迁移率随溶液浓度变化确实可以改善理论模型,使小孔中的计算结果与实验数据更加相符。此外,本理论模型和建模方法可进一步延伸和扩展,解释其它多价离子在纳米孔中的输运现象。