光诱导介电泳芯片的磁控溅射制备与表征

摘要

第三代纳米孔DNA测序随着MEMS工艺的不断成熟取得越来越大的进展，但DNA过纳米孔速度过快，信号复杂等难题还是阻碍着其进一步的研究。随着利用光诱导介电泳(ODEP)的微纳米生物粒子操纵技术研究的不断发展，通过光诱导介电泳力来实现对DNA实时操控，控制其过纳米孔的速率是一个具有重大意义的研究方向。
　　光诱导介电泳芯片中关键部分在于其光电导层薄膜一氢化非晶硅薄膜(a-Si∶H)，a-Si∶H薄膜的电学性质和微观结构决定了光诱导介电泳操控微纳米粒子的效果。因此，制备出具有良好电学性质和表面结构的氢化非晶硅薄膜具有十分必要性。传统的a-Si∶H薄膜利用等离子化学气相沉积(PECVD)法制备，由于沉积速率低、反应气体危险性大等缺点，利用磁控溅射工艺简单、沉积温度低、薄膜附着性好等优点，本文研究了磁控溅射工艺制备的a-Si∶H薄膜电学性能和微结构，旨在探索出制备最佳性能的a-Si∶H薄膜，并用于光诱导介电泳芯片中。本文主要开展以下几个方面的研究:
　　(1)磁控溅射的溅射功率、沉积气压、沉积温度对a-Si∶H薄膜微观结构以及薄膜沉积速率的影响。利用Raman光谱、AFM显微镜表征了薄膜特性，从表征结果得知，薄膜的溅射速率在一定范围内随着功率增大、气压减弱、温度增高而增大，呈现出抛物线的特点。薄膜的表面粗糙度随着溅射功率的增大、气压增强，温度降低而增大。综合实验现象，总结出溅射功率为150W，溅射氢气分压为3Pa，溅射温度为250℃时，沉积的薄膜表面形貌最佳，沉积速率也最快。
　　(2)不同硼掺杂浓度对薄膜性质的影响。随着硼掺杂浓度的增大，薄膜缺陷态增加、电导率增加。综合实验，总结硼掺杂量为0.03％时，薄膜电学性能最好，表面结构最佳。
　　(3)a-Si∶H薄膜具有不稳定性，光照、氧化、温度都对薄膜新能有较大影响。
　　(4)研究了一种固态纳米孔的制备工艺和方法，并通过实验测量和数值计算研究了不同浓度下离子的输运情况。然后利用这种方法制备的氮化硅纳米孔进行DNA过孔实验，实现了DNA通过纳米孔时时间与姿态的辨识，表明该纳米孔芯片可以用于光诱导介电泳DNA测序芯片的研制。
　　(5)利用ANSYS有限元软件对光诱导介电泳芯片进行有限元仿真。研究在光照条件下，氢化非晶硅薄膜芯片对DNA过纳米孔电场以及电场力的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 纳米孔测序的发展历程与亟待解决的问题

1．2．1 纳米孔测序的发展

1．2．2 纳米孔测序亟待解决的问题

1．3 光诱导介电泳(ODEP)理论知识及技术运用

1．3．1 介电泳的基础理论

1．3．2 光诱导介电泳(ODEP)的研究与应用

1．4 常用薄膜制备技术

1．5 本文的研究内容与技术路线

1．5．1 选题依据

1．5．2 论文结构与设计路线

2．1 引言

2．2 氢化非晶硅薄膜结构

2．2．1 氢化非晶硅的Si原子网络结构

2．2．2 氢原子的成键模式与微结构

2．3 氢化非晶硅的光电性能

2．4 a-Si：H的磁控溅射(MSPVD)制备

2．5 薄膜性能表征方法及测试原理

2．5．1 原子力显微镜法

2．5．2 拉曼光谱法(Raman)

2．5．3 傅里叶变换红外光谱法(FTIR)

2．5．4 氢化非晶硅薄膜的电学性能测量

2．6 本章小结

3．1 引言

3．2 实验设计

3．2．2 实验的前处理

3．2．3 磁控溅射的实验过程

3．2．4 薄膜制备结束后处理

3．3 溅射功率对薄膜的影响

3．3．1 溅射功率对薄膜溅射速率的影响

3．3．2 溅射功率对薄膜表面形貌的影响

3．4 沉积气压对薄膜的影响

3．4．1 沉积气压对沉积速率的影响

3．4．2 氢气分压对薄膜表面形貌的影响

3．5 基片温度对沉积a-Si：H薄膜的影响

3．6 本章小结

4．1 引言

4．2 不同含量硼掺杂对薄膜结构的影响

4．3 不同含量硼掺杂对薄膜电学性能的影响

4．3．1 硼掺杂与电导率的关系

4．3．2 不同硼掺杂下薄膜的亮暗电导比

4．4 氢化非晶硅薄膜的不稳定性

4．4．1 光照对薄膜电学性质的影响

4．4．2 薄膜表面氧化对薄膜电学性能的影响

4．4．3 温度对薄膜电学特性的影响

4．5 本章总结

第五章 氮化硅纳米孔制备与DNA过孔实验研究

5．1 引言

5．2 纳米孔的制造

5．2．1 氮化硅薄膜芯片设计制造

5．2．2 基于FIB的纳米孔制造

5．3 纳米孔的离子电流测量及理论分析

5．4 基于氮化硅纳米孔的DNA过孔实验研究

5．4．1 实验注意事项

5．4．2 氮化硅纳米孔检测48kb的λ-DNA研究

5．5 本章小结

第六章 光诱导芯片的有限元分析研究

6．1 引言

6．2 有限元模型的建立与网格划分

6．3 基本属性与边界条件的设定

6．4 模型求解与分析

6．5 本章总结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 研究工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及专利