极限微纳加工手段直接决定了微纳器件的集成化程度。在10 nm以下的微纳图形加工中,传统光刻技术的分辨率已经难以达到要求。具有高分辨率的直写型微纳加工技术有电子束直写,离子束直写,质子束直写三种直接光刻技术。上述三种直接光刻技术通常因单个粒子沉积的剂量过低,难以达到形成微纳结构所需的剂量,只能通过提高曝光粒子数目来制备微纳结构。多粒子入射会引入入射位置的偏差从而降低分辨率,而利用单个高能重离子曝光或可以直接满足形成纳米结构所需的剂量,从而制备出分辨率更高的微纳图形。本论文以重离子辐照效应为基础,建立了基于单个重离子曝光的微纳加工理论,发展了纳米线和多种纳米孔道的制备技术,并基于制备的高分子聚合物双锥形单纳米孔道研究了DNA分子在纳米孔道中的传输行为。本论文的研究工作在奠定单离子微纳加工理论基础和扩展重离子束应用上具有重要的科学意义和应用价值。本论文首先研究了单个高能重离子在材料中的能量沉积机制。基于能量沉积模型和重离子电子能损特点,建立了单离子径向剂量分布模型,发现单个重离子曝光可在径迹周围纳米尺度内达到纳米结构形成所需的剂量阈值,为单原子尺度上重离子曝光制备纳米结构提供了理论支持。合作研究中成功利用单离子曝光制备出低于5纳米的纳米线结构。单离子径向剂量分布模型结合重离子线性能量转移（LET）,建立了重离子曝光参数与形成微纳结构所需剂量的关系。曝光所形成的纳米线结构的分辨率远远超过了其它的直接光刻手段,证明了高能重离子曝光作为极限加工手段的潜力。其次研究了聚合物纳米单孔和石墨烯/聚合物纳米单孔的制备。通过对施加电压的控制提高了聚合物纳米孔的刻蚀速率。同时利用PMMA/石墨烯结构将石墨烯转移到聚合物纳米孔上,成功制备了石墨烯/聚合物纳米孔,为单个重离子制备多类型的纳米孔提供了实验基础。最后利用制备的聚合物纳米孔进行了分子检测的应用。相对于单锥型的聚合物纳米孔,双锥形的聚合物纳米孔不仅能提升刻蚀速率,而且更能保护纳米孔小孔端,延长聚合物纳米孔的使用寿命。我们利用双锥形的聚合物纳米小孔对DNA分子进行了检测,成功的测量到了DNA分子过孔信号并对其易位事件进行了分析。该研究扩展了聚合物纳米单孔的应用,为重离子径迹刻蚀法制备的聚合物纳米孔的应用体系的完善增砖添瓦。