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首页 > 学术论文库 > 理工论文 基于光诱导介电泳技术的DNA测序芯片制备与表征

基于光诱导介电泳技术的DNA测序芯片制备与表征

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2019-10-31 08:48:38    来源:    作者:xuekanba

摘要:本文从实验制备、性能表征、有限元分析和物理实验四个方面,系统的阐释了光诱导介电泳芯片在DNA测序中的应用。首先,利用磁控溅射制备了氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜,得出了溅射功率、沉积气压、沉积温度对a-Si:H薄膜微观结构的影响。然后,利用不同浓度的硼掺杂研究了掺杂浓度对薄膜光电性能的影响,并研究了a-Si:H 薄膜的不稳定性。最后,利用ANSYS有限元软件对光诱导介电泳芯片进行了有限元仿真。

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)

[3] Chiou P Y, Ohta A T, Wu M C. Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images. Nature, 2005, 436(7049): 370–372

[4] Jamshidi A, Pauzauskie P J, Schuck P J, et al. Dynamic manipulation and separation of individual semiconducting and metallic nanowires. Nat Photon, 2008, 2(2): 86–89

[5] Ohta A T, Chiou P Y, Han T H, et al. Dynamic cell and microparticle control via optoelectronic tweezers. J Microelectromech Syst, 2007, 16(3): 491–499

[6] Neale S L, Mazilu M, Wilson J I B, et al. The resolution of optical traps created by light induced dielectrophoresis (LIDEP). Opt Express, 2007, 15(20): 12619–12626

[7] Chiou P Y, Chang Z H, Wu M C. A novel optoelectronic tweezer using light induced dielectrophoresis. In: 2003 IEEE/LEOS International Conference on Optical MEMS and Their Applications (OMEMS’03), 2003, Kona, HI. 2003. 8–9

[8] Ohta A T, Chiou P Y, Han T H, et al. Dynamic cell and microparticle control via optoelectronic tweezers. J  Microelectromech Syst, 2007, 16(3): 491–499

[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