生物芯片基底材料纳米硅薄膜超快动力学研究

摘要

生物芯片技术的日益兴起，使得生命科学领域大量的、复杂的数据采集和处理分析工作可以实现集成化、微型化、连续化。而生物芯片制作的一个关键环节就是芯片基底材料的选取与合理利用，生物芯片本身的特点要求我们对所使用材料的极微小尺度、超快物理过程有更为透彻的理解。
　　本文主要针对可以作为生物芯片基底材料的纳米硅薄膜超快动力学特性进行研究。为了对纳米硅薄膜超快动力学特性的分析进行对比和铺垫，本文也进行了金属铜薄膜的超快动力学分析。主要研究内容如下：
　　(1)使用磁控溅射法制备出纳米铜薄膜和纳米硅薄膜;
　　(2)使用飞秒激光瞬态反射技术，测量纳米铜薄膜和纳米硅薄膜的瞬态反射规律，得出不同脉冲激光强度作用下的瞬态反射率变化数据，并通过反射率变化规律分析其内部的超快载流子输运过程和超快热输运过程微观机制;
　　(3)通过对受激载流子浓度定量的计算，分析纳米硅薄膜载流子输运过程对瞬态反射率的贡献;建立扩散模型模拟纳米硅薄膜载流子浓度衰减过程，通过模型计算出表面复合速率为S=4×105cm/s，体复合时间随着泵浦光能量的增强而缩短。
　　(4)使用双温模型模拟铜薄膜的超快热输运过程，经过计算得出铜薄膜电声耦合系数为G=1.2×1016 W/m3K;在掌握了金属双温模型的基础上，建立了可以用于分析半导体超快载流子输运过程和超快热输运过程的双温模型。

目录

摘要

1 绪论

1．1 生物芯片及其基底材料简述

1．1．1 生物芯片技术

1．1．2 生物芯片基底材料

1．2 研究半导体中载流子超快动力学的意义

1．3 国内外研究现状

1．4 本文研究内容

2 磁控溅射法纳米硅薄膜的制备

2．1 磁控溅射法基本原理

2．1．1 溅镀定义

2．1．2 辉光放电

2．1．3 磁控溅射

2．2 磁控溅射法影响因素

2．3 铜纳米薄膜的制备

2．4 双层结构硅／硅掺铝纳米薄膜的制备

2．5 本章小结

3 铜薄膜及纳米硅薄膜的瞬态反射规律实验研究

3．1 飞秒激光瞬态反射系统的总体设计

3．2 主要仪器及模块

3．2．1 泵浦源及放大器

3．2．2 电光调制及声光调制模块

3．2．3 锁相放大模块

3．2．4 光路系统

3．2．5 系统控制及数据采集模块

3．3 系统的调试

3．3．1 光路的调试

3．3．2 锁相放大器积分时间的设定

3．3．3 光斑直径测量

3．4 纳米硅薄膜瞬态反射规律实验研究

3．4．1 纳米硅薄膜瞬态反射实验设备及条件

3．4．2 纳米硅薄膜瞬态反射实验结果

3．5 铜薄膜瞬态反射规律实验研究

3．5．1 铜薄膜瞬态反射实验设备及条件

3．5．2 纳米铜薄膜瞬态反射实验结果

3．6 本章小结

4 纳米硅薄膜超快动力学分析

4．1 半导体超快动力学过程

4．2 纳米硅薄膜超快动力学特性分析

4．2．1 自由载流子贡献

4．2．2 态填充效应的贡献

4．2．3 晶格温度贡献

4．2．4 复合与扩散

4．3 本章小结

5 利用双温模型研究金属及半导体超快动力学

5．1 金属热弛豫过程双温模型

5．1．1 纳米铜薄膜双温模型的建立

5．1．2 有限差分法

5．1．3 铜薄膜热弛豫过程双温模型模拟结果与实验结果的对比

5．1．4 铜薄膜厚度对其热输运过程的影响

5．1．5 电声耦合系数的选取对热输运过程模拟结果的影响

5．2 半导体弛豫过程双温模型的建立

5．2．1 关于载流子浓度的方程

5．2．2 关于晶格温度的方程

5．2．3 关于电子温度的方程

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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