CN102736274B - 一种基于液晶材料的可调谐超材料光镊 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于液晶材料的可调谐超材料光镊。通过在基于多层结构的超材料中引入液晶材料，改变液晶材料的双折射率和介电系数，产生方向和大小可变的光阱力(optical trapping force)，从而实现对不同尺寸生物分子的准确抓获和选择。本发明利用液晶材料的双折射率和介电系数随外加电场或温度改变而变化的特性，实现基于超材料光镊的可调谐功能。该光镊具有体积小、抓获力大、稳定性高等特点。

Description

一种基于液晶材料的可调谐超材料光镊
技术领域
本发明涉及一种基于液晶材料的可调谐超材料光镊，可应用于生命科学及微小生物分子检测等领域。
背景技术
自从1980年，Ashkin等首次提出光镊理论之后，光镊技术已经在众多科学领域获得重大进展。由于光镊技术可以对微纳尺度的生物分子进行非侵入式和非接触式的简易操作，因此其在生命科学领域中的应用更是得到了人们广泛关注。光阱力(optical trapping force)是光镊的重要组成部分之一，其特性取决于光的场强梯度。如何构建光阱力，实现光镊技术是目前该领域的研究热点。2002，Erikesen等利用相位对比技术产生光阱力。同年，Curtis等提出可以通过全息光技术产生光阱力。然而，对于光阱力的研究也面临着新的挑战，比如，如何构建可调谐光阱力，实现可调谐光镊，对生物分子进行动态抓获。为了解决该问题，人们做了很多尝试，由此形成了光镊领域的一个新的热点：可调谐光镊。
2006年，Quidant等提出通过改变入射光的波长，可以调谐光镊中光阱力的大小进而实现对不同尺寸粒子的选择。2009年，Roels 等提出可以通过改变注入到光波导的光场相位对光镊的光阱力的方向进行调谐。2010年，Gao等提出可以通过使用贝塞尔高斯光束对光镊的光阱力进行调谐。2011年，Rodriguez 等人提出通过非对称结构对光镊的光阱力方向进行调谐。
上述可调谐光镊，需要引入外加可调器件，这将会增加光镊的复杂性，给可调谐光镊的实际应用带来很大的难度。
如可直接调节超材料光镊的介电常数，将有效简化可调超材料光镊的实现难度，大大推进其实用化进程。因此，本发明提供一种基于液晶材料的可调谐超材料光镊。通过在金属层-液晶材料层-金属层-氧化层多层结构上，制备具有周期性结构的孔阵列，使其在光照条件下具有光阱力。然后，利用液晶材料的介电系数随外加电场或温度改变而变化的特性，实现超材料光镊中光阱力大小和方向的可调谐性。
发明内容
本发明针对上述可调谐光镊的问题，提供了一种基于液晶材料的可调谐超材料光镊，该器件具有结构简单、操作容易、工作频率调谐范围大等特点。
本发明解决问题采用的技术方案如下：
基于液晶材料的可调谐超材料光镊是基于多层结构的器件。其上具有周期性结构的孔阵列，使其在光照条件下，产生光阱力。然后，通过改变液晶材料的介电常数，使光阱力的大小和方向发生改变，从而实现可调谐超材料光镊。所述的多层结构是通过在玻璃衬底上生长金属层、液晶材料层、金属层和氧化层而成，金属层的宽度在1微米至2厘米、高度在20纳米至10微米，液晶材料层宽度在1微米至2厘米、高度在20纳米至10微米；氧化层宽度在1微米至2厘米、高度在1纳米至1微米。金属层包括Al、Ag、Au、Cu、Ni。液晶材料层包括向列相液晶（nematic），近晶相液晶（smectic），胆甾相液晶（cholesteric），碟型液晶（discotic），热致液晶（thermotropicLC），重现性液晶（recentrantLC），手性液晶，负性液晶，端烯类液晶，嘧啶类液晶，含氟类液晶，炔类液晶，乙烷类液晶，苯基环己烷类液晶。氧化层包括In2O3，SnO2，ITO。
所述的周期性孔矩阵孔是三角形、方形、圆形、椭圆形、弧形、十字形、六边形；孔的宽度在20纳米至1微米、高度在60纳米至30微米。周期性孔矩阵可以通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，如电子束曝光(E-beam lithography)、聚焦离子束曝光(Focus Ion Beam lithography) 和反应离子束刻蚀(Reactive IonEtching, RIE)等，其特点是底部平坦，空壁光滑，侧面形状不限。
所述的多层结构可以通过材料生长工艺实现，如电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，和分子束外延技术
所述的基于液晶材料的可调谐超材料光镊可以通过控制外加电场或温度，改变液晶材料双折射率和介电系数，进而实现可调谐光阱力。
附图说明
图1为可调谐液晶超材料光镊示意图。
图2为可调谐液晶超材料光镊制作流程示意图一。
图3为可调谐液晶超材料光镊制作流程示意图二。
图4为可调谐液晶超材料光镊的各种形状示意图。
图中：1玻璃衬底，2多层结构，3金属层，4液晶材料层，5氧化层，6掩膜，7周期性孔矩阵，8可调谐液晶超材料光镊，9基于多层结构的可调谐超材料光镊。
具体实施方式
为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。其中的材料生长技术包括：电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，和分子束外延技术等常用技术。其中的掩模工艺包括电子束曝光和聚焦离子束曝光等常用技术。其中的刻蚀工艺包括湿法刻蚀和干法刻蚀,如酸法刻蚀、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀等常用工艺。
实施例1
首先，利用材料生长工艺在玻璃衬底1上形成N(N>=1)层多层结构(金属层3-液晶材料层4-金属层3-氧化层5)2，如附图2(a)所示。
其次，在多层结构2上沉积SiO2薄膜作为掩模6，如附图2(b)所示。
然后，通过掩模工艺将设计好的周期孔矩阵样本转换到掩模上，如附图2(c)所示。其中，结构的设计可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。
然后，通过刻蚀工艺，在2材料上制备周期性孔矩阵7，如附图2(d)所示
最后，移除掩模6，得到可调谐超材料光镊8, 如附图2(e)所示。其中基于多层结构的可调谐超材料光镊9，如附图2(f)所示。
实施例2
首先，利用材料生长工艺在玻璃衬底1上形成N(N>=1)层多层结构(金属层3-液晶材料层4-金属层3-氧化层5)2，如附图3(a)所示。
其次，在多层结构2上沉积SiO2薄膜作为掩模6，如附图3(b)所示。
然后，通过掩模工艺将设计好的周期孔矩阵样本转换到掩模上，如附图3(c)所示。其中，结构的设计可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。
然后，通过刻蚀工艺，在2材料上制备周期性孔矩阵7，如附图3(d)所示
最后，移除掩模6，在孔矩阵7内注入液晶材料4封孔，得到可调谐超材料光镊8, 如附图3(e)所示。其中基于多层结构的可调谐超材料光镊9，如附图3(f)所示。
综上所述，本发明提供的基于液晶材料的超材料光镊可以通过温度和外加电场对其光阱力的大小和方向进行调谐，具有结构简单、操作容易、调谐范围大等优点。
以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。

Claims (6)

1.一种基于液晶材料的可调谐超材料光镊，其特征在于，该超材料是基于多层结构(2)的周期孔阵列；所述的多层结构(2)是通过在玻璃衬底(1)上生长金属层(3)、液晶材料层(4)、金属层(3)和氧化层(5)而成，金属层的宽度在1微米至2厘米、高度在20纳米至10微米，液晶材料层宽度在1微米至2厘米、高度在20纳米至10微米；氧化层宽度在1微米至2厘米、高度在1纳米至1微米；周期孔阵列(7)是三角形、方形、圆形、椭圆形、弧形、十字形、六边形；孔的宽度在20纳米至1微米，高度在60纳米至30微米。
2.根据权利要求1所述的可调谐超材料光镊，其特征在于，金属层是Al、Ag、Au、Cu、Ni。
3.根据权利要求1所述的可调谐超材料光镊，其特征在于，液晶材料层是向列相液晶，近晶相液晶，胆甾相液晶，碟型液晶，热致液晶，重现性液晶，手性液晶，负性液晶，端烯类液晶，嘧啶类液晶，含氟类液晶，炔类液晶，乙烷类液晶，苯基环己烷类液晶。
4.根据权利要求1所述的可调谐超材料光镊，其特征在于，氧化层是In2O3，SnO2，ITO。
5.根据权利要求1所述的可调谐超材料光镊，其特征在于，多层结构通过材料生长工艺实现，包括电子束蒸发、金属有机化合物化学气相沉淀、气相外延生长、分子束外延。
6.根据权利要求1所述的可调谐超材料光镊，其特征在于，周期性孔矩阵通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，包括电子束曝光、聚焦离子束曝光、反应离子束刻蚀。
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