关键词：光诱导介电泳；磁控溅射；电导率；ANSYS仿真

1 引言

光诱导介电泳[1]是集合了光镊技术与传统介电泳技术的优点，能够实现光控实时可重构、单粒子高精度操控而具有巨大应用前景。目前，全球有数十个研究小组在重点研究，如英国的圣安德鲁大学[2-5]、美国的加州大学伯克利分校[6-8]、日本的京都大学等先后进行了这方面的研究。目前光诱导介电泳操控技的研究主要在捕获[9]、分离、运输微粒子，在DNA测序上面还没有应用。

为此，本文利用磁控溅射制备出光诱导介电泳技术中关键芯片—a-Si:H薄膜，并对其微观结构、光电性能[13]进行分析。然后设计出利用光诱导芯片进行DNA测序的结构并进行ANSYS有限元分析其在光诱导芯片影响下溶液电场的分布。

2 a-Si:H结构研究与性能表征

2.1 实验制备

通过直流磁控溅射方法，通过改变溅射功率、时间、温度等参数，在载玻片上沉积出不同浓度硼掺杂的a-Si:H薄膜。实验中氩气纯度为99.99%，氢气纯度为99.99%，溅射靶材为单晶硅靶材。将硼质量分数为0.02%，直径为5mm，厚度为1.5mm的硼掺杂鬼片放置在溅射靶材的溅射环附近以实现硼掺杂，掺杂含量通过实验前后用电子天平分别对硅片和靶材进行称量，计算质量差得到。

2.2  薄膜微结构及光电性能研究

2.2.1 溅射功率以及氢气分压对薄膜表面形貌的影响

（a）100W

（b）150W

（c）200W

（d）250W

图1 不同溅射功率下a-Si：H薄膜的AFM形貌图（选取范围为10×100μm）

图1为不同功率下制得的a-Si：H薄膜AFM图像，溅射功率分别为100W、150W、200W、250W。利用AFM所得的越阶曲线，算得相应薄膜均方根粗糙度为1.13nm、0.74nm、1.85nm、2.53nm。为得到溅射功率对薄膜表面形貌更加精确的影响，我们对在溅射功率50～250W范围内制得多个薄膜样品，利用AFM求得相应均方根粗糙度（RMS），利用Origin拟合，得到如图2所示的薄膜均方根粗糙度（RMS）与溅射功率的关系。 

图2 不同溅射功率下的均方根粗糙度

由图2可知，在50～150W范围内，溅射沉积薄膜的表面粗糙度随着溅射功率的增加而降低。功率较低时，入射靶材粒子的能量就低，横向扩散能量相应变低，其在薄膜表面的迁移率就低，较低的扩散率导致薄膜产生空位效应，形成柱状晶体导致粗糙度较大。因而，随着功率的增大提升了离子的迁移率，减少了柱状晶体的产生，表面也相应变的光滑。但随着功率的进一步增大，到达基底的Si原子和H离子迁移率更高，容易形成原子和离子对薄膜表面的刻蚀，因而，功率超过150W后，薄膜表面变粗糙度变的更大。综合实验与理论分析，我们采用功率为150W作为制备a-Si：H薄膜的溅射功率。

同样，我们利用AFM的越阶曲线，算得5个溅射样品在氢气分压为0.5～6Pa的均方根粗糙度（RMS）分别为1.8nm、2.5nm、3.3nm、4.2nm、4.5nm。另外，我们在氢气分压在0.5～6.0Pa范围内又制得了多个薄膜样品，然后做AFM研究并得到相应氢气分压与RMS的关系，并进行了拟合，如图3所示。  

由图3得到的实验结果，我们知道，随着氢气分压的增加，沉积速率随之下降，薄膜表面粗糙度也相应增大，但到6Pa左右，就会维持在一个相对恒定的值。

图3 不同氢气分压与薄膜均方根粗糙度（RMS）的关系

图4给出了三组不同基片温度下制，a-Si：H薄膜的Raman散射图谱，在归一化到同一TO模强度下，我们可以看出，a-Si：H薄膜为非晶相，当基片温度上升，薄膜的Raman谱明显发生了变化：基片温度从100℃上升到250℃时，ITA/ITO从0.66降低到了0.538。另外，类TO模向右偏移了约7.7cm-1左右，半高宽减小了约4.2cm-1。由Beeman小组研究得知，a-Si：H薄膜TO模半高宽ΓTO与非晶网络短程有序状态有关。因此，基片温度的升高使得氢化非晶硅薄膜的短程和中程有序得到了提高，且非晶网络中的缺陷态逐渐减少。 

图4 不同基片温度下薄膜Raman图谱

2.2.2 薄膜光电性能研究

在上述溅射条件下，我们制得四组样品，利用keithley-4200SCS半导体测试仪，运用共面电极电阻测试法。 

由图可知，a-Si：H薄膜由本征态过渡到掺杂率为0.005%左右时，电导率由9.7×10-10Ω-1cm-1增加到8.7×10-6Ω-1cm-1，变化4个数量级左右，当掺杂分数由0.005%增加到0.035%左右时，电导率由8.7×10-6Ω-1cm-1逐渐增加至9.8×10-4Ω-1cm-1。总体来看，薄膜电导率随着掺杂分数的提高逐渐增加，增加速率是由快然后趋于稳定，在掺杂分数为0..37%左右趋于饱和。

图5 样品电导率随硼掺杂含量变化图

此外，我们还分析了不同硼掺杂情况下，薄膜的电导率随光照波长的变化情况。如图6所示（实验在室温下进行）。 

图6不同硼掺杂下薄膜电导率的变化

从图中可以看出，在硼轻掺杂的情况下，薄膜的电导率随着掺杂量的增加而增大。图中还反应出薄膜的光敏感频谱变宽，在波长为580～680nm范围内，电导率迅速增加，说明所制得的a-Si：H薄膜对此范围内的光非常敏感。

4 结语

本文利用磁控溅射法制备了光诱导介电泳芯片中的a-Si:H薄膜，研究了在该工艺下不同制备条件对薄膜物理性能的影响。

参考文献（References）

[1] 陈文辉，罗军，赵超． 固态纳米孔: 下一代DNA 测序技术—原理、工艺与挑战［J］.中国科学: 生命科学，2014，44( 7) : 649-662．

[2] Ding Kejian，Zhang Haiyan，Hu Honggang，et al. Progress of research on nanopore macromolecule detection［J］. Chinese Journal of Analytical Chemistry， 2010，38

( 2 ) : 280-285. DOI: 10.3724/SP. J. 10 96.2010.00280.(in Chinese)

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[9] Higuchi Y, Kusakabe T, Tanemura T, et al. Manipulation system for nano/micro components integration via transportation and self-assembly. In: MEMS 2008, Tucson. 836–939