基于光誘導介電泳技術的DNA測序芯片制備與表征

（東南大學微納生物醫(yī)療器械設計與制造實驗室，江蘇 南京 211189）

【摘要】：本文從實驗制備、性能表征等方面，系統(tǒng)的闡釋了光誘導介電泳芯片在DNA測序中的應用。首先，利用磁控濺射制備了氫化非晶硅（a-Si：H）薄膜，得出了濺射功率、沉積氣壓、沉積溫度對a-Si：H薄膜微觀結構的影響。然后，利用不同濃度的硼摻雜研究了摻雜濃度對薄膜光電性能的影響。從而制備出性能優(yōu)越的薄膜芯片

【關鍵詞】：光誘導介電泳；磁控濺射；電導率

1 引言

光誘導介電泳[1]是集合了光鑷技術與傳統(tǒng)介電泳技術的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)光控實時可重構、單粒子高精度操控而具有巨大應用前景。目前，全球有數(shù)十個研究小組在重點研究，如英國的圣安德魯大學[2-5]、美國的加州大學伯克利分校[6-8]、日本的京都大學等先后進行了這方面的研究。目前光誘導介電泳操控技的研究主要在捕獲[9]、分離、運輸微粒子，在DNA測序上面還沒有應用。

為此，本文利用磁控濺射制備出光誘導介電泳技術中關鍵芯片—a-Si：H薄膜，并對其微觀結構、光電性能進行分析。

2 a-Si：H結構研究與性能表征

2.1 實驗制備

通過直流磁控濺射方法，通過改變?yōu)R射功率、時間、溫度等參數(shù)，在載玻片上沉積出不同濃度硼摻雜的a-Si：H薄膜。實驗中氬氣純度為99.99%，氫氣純度為99.99%，濺射靶材為單晶硅靶材。將硼質(zhì)量分數(shù)為0.02%，直徑為5mm，厚度為1.5mm的硼摻雜鬼片放置在濺射靶材的濺射環(huán)附近以實現(xiàn)硼摻雜，摻雜含量通過實驗前后用電子天平分別對硅片和靶材進行稱量，計算質(zhì)量差得到。

2.2 薄膜微結構及光電性能研究

利用AFM所得的越階曲線，算得相應薄膜均方根粗糙度為1.13nm、0.74nm、1.85nm、2.53nm。我們對在濺射功率50～250W范圍內(nèi)制得多個薄膜樣品，利用AFM求得相應均方根粗糙度（RMS），利用Origin擬合，得到如圖1所示的薄膜均方根粗糙度（RMS）與濺射功率的關系。

同樣，我們利用AFM的越階曲線，算得5個濺射樣品在氫氣分壓為0.5～6Pa的均方根粗糙度（RMS）分別為1.8nm、2.5nm、3.3nm、4.2nm、4.5nm。另外，我們在氫氣分壓在0.5～6.0Pa范圍內(nèi)又制得了多個薄膜樣品，然后做AFM研究并得到相應氫氣分壓與RMS的關系，并進行了擬合，如圖2所示。

由圖2得到的實驗結果可知，隨著氫氣分壓的增加，沉積速率隨之下降，薄膜表面粗糙度也相應增大，但到6Pa左右，就會維持在一個相對恒定的值。

圖3給出了三組不同基片溫度下，a-Si：H薄膜的Raman散射圖譜，在歸一化到同一TO模強度下，我們可以看出，a-Si：H薄膜為非晶相，當基片溫度上升，薄膜的Raman譜明顯發(fā)生了變化：基片溫度從100℃上升到250℃時，ITA/ITO從0.66降低到了0.538。另外，類TO模向右偏移了約7.7cm-1左右，半高寬減小了約4.2cm-1。由于a-Si：H薄膜TO模半高寬ΓTO與非晶網(wǎng)絡短程有序狀態(tài)有關。因此，基片溫度的升高使得氫化非晶硅薄膜的短程和中程有序得到了提高，且非晶網(wǎng)絡中的缺陷態(tài)逐漸減少。

利用keithley-4200SCS半導體測試儀，運用共面電極電阻測試法測量電導率。

由圖可知，a-Si：H薄膜由本征態(tài)過渡到摻雜率為0.005%左右時，電導率由9.7×10-10Ω-1cm-1增加到8.7×10-6Ω-1cm-1，當摻雜分數(shù)由0.005%增加到0.035%左右時，電導率由8.7×10-6Ω-1cm-1逐漸增加至9.8×10-4Ω-1cm-1?？傮w來看，薄膜電導率隨著摻雜分數(shù)的提高逐漸增加，增加速率是由快然后趨于穩(wěn)定，在摻雜分數(shù)為0..37%左右趨于飽和。

此外，我們還分析了不同硼摻雜情況下，薄膜的電導率隨光照波長的變化情況。如圖5所示（實驗在室溫下進行）。

從圖中可以看出，在硼輕摻雜的情況下，薄膜的電導率隨著摻雜量的增加而增大。圖中還反應出薄膜的光敏感頻譜變寬，在波長為580～680nm范圍內(nèi)，電導率迅速增加，說明所制得的a-Si：H薄膜對此范圍內(nèi)的光非常敏感。

3 結語

本文利用磁控濺射法制備了光誘導介電泳芯片中的a-Si：H薄膜，研究了在該工藝下不同制備條件對薄膜物理性能的影響。

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