專利名稱:一種基于相變材料的可調(diào)諧超材料光鑷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于相變材料的可調(diào)諧超材料光鑷，可應(yīng)用生命科學(xué)及微小生物分子檢測等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自從1980年，Ashkin等首次提出光鑷?yán)碚撝?，光鑷技術(shù)已經(jīng)在眾多科學(xué)領(lǐng)域獲得重大進(jìn)展。由于光鑷技術(shù)可以對微納尺度的生物分子進(jìn)行非侵入式和非接觸式的簡易操作，因此其在生命科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用更是得到了人們廣泛關(guān)注。光阱力(optical trappingforce)是光鑷的重要組成部分之一，其特性取決于光 的場強(qiáng)梯度。如何構(gòu)建光阱力，實(shí)現(xiàn)光鑷技術(shù)是目前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2002，ErikeSen等利用相位對比技術(shù)產(chǎn)生光阱力。同年，Curtis等提出可以通過全息光技術(shù)產(chǎn)生光阱力。目前，對于光阱力的研究也面臨著新的挑戰(zhàn)，比如，如何構(gòu)建基于可調(diào)諧光阱力的光鑷，對生物分子進(jìn)行動態(tài)及時抓獲。為了解決該問題，人們做了很多嘗試，由此形成了光鑷領(lǐng)域的一個新的熱點(diǎn)可調(diào)諧光鑷。
2006年，Quidant等提出通過改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL，可以調(diào)諧光鑷中光阱力的大小進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對不同尺寸粒子的選擇。2009年，Roels等提出可以通過改變注入到光波導(dǎo)的光場相位對光鑷的光阱力的方向進(jìn)行調(diào)諧。2010年，Gao等提出可以通過使用貝塞爾高斯光束對光鑷的光阱力進(jìn)行調(diào)諧。2011年，Rodriguez等人提出通過非對稱結(jié)構(gòu)對光鑷的光阱力方向進(jìn)行調(diào)諧。
上述可調(diào)諧光鑷，需要引入外加可調(diào)器件，這將會增加光鑷的復(fù)雜性，給可調(diào)諧光鑷的實(shí)際應(yīng)用帶來很大的難度。
如可直接調(diào)節(jié)超材料光鑷的介電常數(shù)，將有效簡化可調(diào)超材料光鑷的實(shí)現(xiàn)難度，大大推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程。因此，本發(fā)明提供一種基于相變材料的可調(diào)諧超材料光鑷。通過在金屬層-相變層-金屬層-氧化層基板上，制備具有周期性結(jié)構(gòu)的孔陣列，使其在光照條件下具有光阱力。然后，利用相變材料介電系數(shù)隨外加電場或溫度改變而變化的特性，實(shí)現(xiàn)超材料光鑷中光阱力大小和方向的可調(diào)諧性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述可調(diào)諧光鑷的問題，提供了一種基于相變材料的可調(diào)諧超材料光鑷，該器件具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、工作頻率調(diào)諧范圍大等特點(diǎn)。
本發(fā)明解決問題采用的技術(shù)方案如下
基于相變材料的可調(diào)諧超材料光鑷是基于多層結(jié)構(gòu)的器件。其上具有周期性結(jié)構(gòu)的孔陣列，使其在光照條件下，產(chǎn)生光阱力。然后，通過改變相變材料的介電常數(shù)，使光阱力的大小和方向發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧超材料光鑷。所述的多層結(jié)構(gòu)是通過在玻璃襯底上生長金屬層、相變材料層、金屬層和氧化層而成，金屬層的寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米，相變材料層寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米；氧化層寬度在I微米至2厘米、高度在I納米至I微米。金屬層包括Al、Ag、Au、Cu、Ni。相變材料層包括 GeTe, Ge2Sb2Te5, Ge1Sb2Te4, Ge2Sb2Te4, Ge3Sb4Te8, Ge15Sb85, Ag5In6Sb59Te3tl。氧化層包括 ln203、SnO2> ΙΤ0。
所述的周期性孔矩陣孔是三角形、方形、圓形、橢圓形、弧形、十字形、六邊形；孔的寬度在20納米至I微米、高度在60納米至30微米。周期性孔矩陣可以通過干法或者濕法刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)，如電子束曝光(E-beam lithography)、聚焦離子束曝光(Focus Ion Beamlithography)和反應(yīng)離子束刻蝕(Reactive Ion Etching, RIE)等,其特點(diǎn)是底部平坦，孔壁光滑，側(cè)面形狀不限。
所述的多層結(jié)構(gòu)可以通過材料生長工藝實(shí)現(xiàn)，如電子束蒸發(fā)，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀，氣相外延生長，和分子束外延技術(shù)
所述的基于相變材料的可調(diào)諧超材料光鑷可以通過控制外加電場或溫度，改變相變材料介電系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧光阱力。


圖I為可調(diào)諧超材料光懾不意圖。
圖2為可調(diào)諧超材料光鑷制作流程示意圖一。
圖3為可調(diào)諧超材料光鑷制作流程示意圖二。
圖4為可調(diào)諧超材料光鑷的各種形狀示意圖。
圖中1玻璃襯底，2多層結(jié)構(gòu)，3金屬層，4相變材料層，5氧化層，6掩膜，7周期性孔矩陣，8可調(diào)諧超材料光鑷，9基于多層結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧超材料光鑷。
具體實(shí)施方式
為使得本發(fā)明的技術(shù)方案的內(nèi)容更加清晰，以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。其中的材料生長技術(shù)包括電子束蒸發(fā)，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀，氣相外延生長，和分子束外延技術(shù)等常用技術(shù)。其中的掩模工藝包括電子束曝光和聚焦離子束曝光等常用技術(shù)。其中的刻蝕工藝包括濕法刻蝕和干法刻蝕，如酸法刻蝕、電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和反應(yīng)離子束刻蝕等常用工藝。
實(shí)施例I
首先，利用材料生長工藝在玻璃襯底I上形成N(N>=1)層多層結(jié)構(gòu)(金屬層3-相變材料層4-金屬層3-氧化層5) 2，如附圖2 (a)所示。
其次，在多層結(jié)構(gòu)2上沉積SiO2薄膜作為掩模6，如附圖2(b)所示。
然后，通過掩模工藝將設(shè)計好的周期孔矩陣樣本轉(zhuǎn)換到掩模上，如附圖2(c)所示。其中，結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以采用有限時域差分法、有限元法等算法。 然后，通過刻蝕工藝，在2材料上制備周期性孔矩陣7，如附圖2(d)所示
最后，移除掩模6，得到可調(diào)諧超材料光鑷8，如附圖2(e)所示。其中基于多層結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧超材料光鑷9,如附圖2(f)所示。
實(shí)施例2
首先，利用材料生長工藝在玻璃襯底I上形成N(N>=1)層多層結(jié)構(gòu)(金屬層3-相變材料層4-金屬層3-氧化層5) 2，如附圖3 (a)所示。
其次，在多層結(jié)構(gòu)2上沉積SiO2薄膜作為掩模6，如附圖3(b)所示。[0026]然后，通過掩模工藝將設(shè)計好的周期孔矩陣樣本轉(zhuǎn)換到掩模上，如附圖3(c)所示。其中，結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以采用有限時域差分法、有限元法等算法。
然后，通過刻蝕工藝，在2材料上制備周期性孔矩陣7，如附圖3(d)所示
最后，移除掩模6，在孔矩陣7內(nèi)注入相變材料4封孔，得到可調(diào)諧超材料光鑷8，如附圖3(e)所示。其中基于多層結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧超材料光鑷9，如附圖3(f)所示。
綜上所述，本發(fā)明提供的基于相變材料的超材料光鑷可以通過溫度和外加電場對其光阱力的大小和方向進(jìn)行調(diào)諧，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、調(diào)諧范圍大等優(yōu)點(diǎn)。
以上所述是本發(fā)明應(yīng)用的技術(shù)原理和具體實(shí)例，依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想所做的等效變 換，只要其所運(yùn)用的方案仍未超出說明書和附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)，特此說明。
權(quán)利要求
1.一種基于相變材料的可調(diào)諧超材料光鑷，其特征在于，該超材料是基于多層結(jié)構(gòu)的周期孔陣列；所述的多層結(jié)構(gòu)是通過在玻璃襯底上生長金屬層、相變材料層、金屬層和氧化層而成，金屬層的寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米，相變材料層寬度在I微米至2厘米、高度在20納米至10微米；氧化層寬度在I微米至2厘米、高度在I納米至I微米；所述的周期性孔矩陣孔是三角形、方形、圓形、橢圓形、弧形、十字形、六邊形；孔的寬度在20納米至I微米、高度在60納米至30微米。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的可調(diào)諧超材料光鑷，其特征在于，金屬層是Al、Ag、Au、Cu、Ni。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的可調(diào)諧超材料光鑷，其特征在于，相變材料層是GeTe，Ge2Sb2Te5, Ge1Sb2Te4, Ge2Sb2Te4, Ge3Sb4Te8, Ge15Sb85, Ag5In6Sb59Te30。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的可調(diào)諧超材料光鑷，其特征在于，氧化層是ln203、SnO2,ITO0
5.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的可調(diào)諧超材料光鑷，其特征在于，多層結(jié)構(gòu)通過材料生長工藝實(shí)現(xiàn)，包括電子束蒸發(fā)、，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀、氣相外延生長、分子束外延。
6.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的可調(diào)諧超材料光鑷，其特征在于，周期性孔矩陣通過干法或者濕法刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)，包括電子束曝光、聚焦離子束曝光、反應(yīng)離子束刻蝕。
專利摘要
本發(fā)明提供一種基于相變材料的可調(diào)諧超材料光鑷。通過在基于多層結(jié)構(gòu)的超材料中引入相變材料，改變相變材料的介電系數(shù)，產(chǎn)生方向和大小可變的光阱力(optical trapping force)，從而實(shí)現(xiàn)對不同尺寸生物分子的準(zhǔn)確抓獲和選擇。本發(fā)明利用相變材料介電系數(shù)隨外加電場或溫度改變而變化的特性，實(shí)現(xiàn)基于超材料光鑷的可調(diào)諧功能。該光鑷具有體積小、抓獲力大、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。
文檔編號G21K1/00GKCN102722040SQ201210236937
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月10日
發(fā)明者曹暾 申請人:大連理工大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan