CN111834028B - 硅三聚体纳米光镊结构及纳米颗粒捕获移动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了硅三聚体纳米光镊结构及纳米颗粒捕获移动的方法，包括用于吸收激光光场中产生的焦耳热的硅基底；位于基底上，用于与激光作用形成局域电场，将纳米颗粒进行捕获的硅三聚体；用于与硅三聚体作用产生消逝场的平面光波。计算纳米颗粒在硅三聚体纳米光镊结构所在光场的电场增强分布，光力和势能可以定量分析被捕获纳米颗粒的最小尺寸以及捕获位置。改变激光的偏振可以实现硅三聚体中热点位置的变换，从而改变硅三聚体中纳米颗粒的捕获位置，实现纳米颗粒在硅三聚体中移动的功能。实现了纳米级别的微观颗粒操纵，有利于应用到操纵手性粒子，进行纳米级别的测量。
Description
技术领域
本发明属于光操纵技术领域，特别是涉及一种硅三聚体纳米光镊结构及纳米颗粒捕获移动的方法。
背景技术
光镊具有无机械损伤和无接触操纵的特点，能在三维空间中对微粒进行操纵，也可以直接测量微小力、扩散系数、微粒材料折射率，控制DNA拉伸、病毒筛选以及对细胞形变的研究等，这些优点使得光镊在现代医学、生物、化学、物理等领域上有着重要的应用。
然而，金属纳米光镊进行颗粒捕获时存在严重的光热效应问题，由于金属在光学频率上的强吸收损耗，等离子体纳米光镊会出现焦耳热，这通常会降低捕获的稳定性。会导致热泳和对流，甚至导致在捕获点水的沸腾，样品在高强度下会出现损伤。
金属纳米结构中的局域表面等离激元共振具有独特的光学特性，能够使原来均匀分布的光场在某些结构表面的强度增强数倍，导致形成光学势阱，让附近随机运动的纳米颗粒被捕获在这些光场局域增强位置，形成光镊。但是，金属材质本身具有较大的非辐射损耗(例如欧姆损耗)限制了其相关应用性能的进一步提高。于是，有研究提出，可以用介电材料制造纳米结构，取代金属纳米结构，介电材料具有高折射率、低损耗的特点，才能既实现光场的局域增强，又有较低的热损耗（非辐射损耗）。
近年来，人们发现高折射率低损耗的介电纳米结构中的光学共振同样可以突破衍射极限，在亚波长尺度上实现对入射光的操纵。
介电纳米光镊是采用介电纳米结构形成光学捕获功能的光镊，是相对于金属纳米光镊和在介电材料表面镀有部分金属层的纳米光镊来说的。介电纳米光镊相对于等离子体纳米光镊的两个关键优势是：首先，由于低吸收损耗，纳米天线产生的热量很低，温度升高非常小。第二，介电纳米光镊具有强电谐振和强磁谐振两种热点。
同时，除了捕获纳米颗粒，利用纳米结构进行光场调制，可以实现运输，旋转，排列组装等微纳米级别物质，改变硅三聚体纳米光镊结构的光场能够拓展介电材料光操纵功能的多样性。因此，利用介电材料设计出一种既能避免热损伤又具有快速高效捕获能力的光操控结构和方法是非常有意义的事情。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种硅三聚体纳米光镊结构，能够实现低热吸收，对捕获物质无热损伤，可以稳定捕获纳米颗粒，并且可以移动运输纳米颗粒，解决了光操纵领域热损伤的问题以及填补了介电结构移动运输纳米颗粒的空白。
本发明实施例的另一目的是提供一种纳米颗粒捕获移动的方法。
本发明所采用的技术方案是，硅三聚体纳米光镊结构，用于形成近场消逝波，利用局域场增强捕获纳米颗粒。
进一步的，包括硅基底，用于吸收激光光场中产生的焦耳热，并且作为硅三聚体纳米光镊结构的基底；
硅三聚体，位于基底上，用于与激光作用形成局域电场，将纳米颗粒进行捕获；
平面光波，用于产生激光并与硅三聚体作用产生消逝场；
纳米颗粒，用于计算的被捕获的纳米颗粒。
进一步的，所述硅三聚体，包括三个硅圆柱组成的硅三聚体，硅圆柱直径和高为200nm，两两相聚的圆心距离为250nm。
进一步的，所述硅三聚体纳米光镊结构处在水的环境中。
进一步的，所述平面光波，入射方向为垂直硅三聚体以及硅基底方向，光波长为1064nm，光场强度为300 mW/µm2。
进一步的，所述纳米颗粒，为介电颗粒或金属颗粒或活体细胞生物材料。
本发明所采用的另一技术方案是：一种纳米颗粒捕获移动的方法，采用硅三聚体纳米光镊结构，按照以下步骤进行：
步骤一、先将硅三聚体纳米光镊结构进行建模，确定三维分解的方向；再计算硅三聚体在线性偏振的均匀平面波照射下在纵向切面以及横向切面的电场增强图，其中线性偏振光与硅三聚体任意两个硅圆柱的主轴平行；得到电场增强图中场增强最强的区域在硅三聚体与均匀平面波线性偏振平行的间隔处；
步骤二、确定硅圆柱直径和高为200nm，两两相聚的圆心距离为250nm，合适捕获间隔为50nm，光场强度为300 mW/µm2，光波长为1064nm；
步骤三、定量分析硅三聚体纳米光镊结构捕获纳米颗粒的捕获光力；先利用麦克斯韦张量法或者体积法计算线偏振光下光合力在三维方向在（x,y,z）三个方向上进行三个分力Fx,Fy,Fz的分解，分析三个光分力是否存在光力为零，并且光分力对分力方向求导为负数的点，该点即为被捕获位置，在三个分解方向上共同确定具体捕获位置；
定量分析硅三聚体纳米光镊结构捕获纳米颗粒的捕获势能；将光力从无穷远处积分，得到势能曲线，当势能大于1 K B T，颗粒就能克服布朗力，被限制在势阱中；势能越大，越能稳定捕获纳米颗粒，其中K B 为玻尔兹曼常数，T为温度；
步骤改变均匀平面光波的偏振，利用改变偏振法从而移动颗粒；将入射光的线性偏振光的偏振角进行旋转，改变偏振角，电场增强图中的热点位置会随着偏振角的变化而变化，从而改变颗粒被捕获的位置，利用偏振依赖性进行纳米颗粒在硅三聚体纳米光镊结构中捕获位置的移动，实现运输纳米颗粒的目的；
计算圆偏振光下硅三聚体纳米光镊结构捕获纳米颗粒的捕获能力；圆偏振光时通过电场增强图发现硅三聚体形成三个热点位置，能够扩大捕获纳米颗粒的范围，同时捕获更多的纳米颗粒。
本发明的有益效果：硅三聚体纳米光镊在近红外波段的热吸收远小于金属纳米光镊，极少的热吸收也将带来极低的温升，纳米颗粒在光场中的布朗运动不会激烈，能够大大降低由光热效应带来的负面影响，提高光镊在捕获颗粒时的稳定性。同时，高折射率低损耗的硅三聚体纳米光镊中的光学共振同样可以突破衍射极限，在亚波长尺度上实现对入射光的操纵。能够捕获半径为15nm的介电颗粒，实现纳米级别的操纵。通过控制入射光的偏振角度，还可以改变纳米颗粒的位置，实现纳米颗粒在硅三聚体纳米光镊结构中的移动和传输，可以应用到计算微观的分子力，捕获病毒和操纵手性材料分子等方面。硅三聚体纳米光镊吸热少，相较于金属纳米结构引起的环境温度变化低，导热系数高，散热快，不容易造成热损伤，通过与输入激光的相互作用形成在纳米结构附近的消逝场，利用局域在纳米结构的高度集中的消逝场对纳米颗粒进行捕获。计算纳米颗粒在硅三聚体纳米光镊结构所在光场的电场增强分布，光力和势能可以定量分析被捕获纳米颗粒的最小尺寸以及捕获位置。改变激光的偏振可以实现硅三聚体中热点位置的变换，从而改变硅三聚体中纳米颗粒的捕获位置，实现纳米颗粒在硅三聚体中移动运输的功能。硅三聚体纳米光镊解决了光操纵领域热损伤的问题以及填补了全介电结构移动运输纳米颗粒的空白，拓展介电材料光操纵功能的多样性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明硅三聚体纳米光镊捕获纳米颗粒示意图。
图2是本发明利用线性偏振光进行纳米颗粒捕获的电场增强图。其中，图2a 当沿x轴偏振的均匀平面波垂直入射硅三聚体纳米光镊结构，电场在x-y 平面的分布图；图2b 当沿x轴偏振的均匀平面波垂直入射硅三聚体纳米光镊结构，电场在x-z 平面的分布图。
图3是本发明利线性偏振光进行纳米颗粒捕获的光力及势能图。图3a 半径为15nm的介电纳米颗粒在硅三聚体纳米光镊结构中沿z方向移动受到的光力，图3b 半径为15nm的介电纳米颗粒在硅三聚体纳米光镊结构中沿z方向的势能图。
图4是本发明改变线性偏振光的偏振角进行纳米颗粒移动的电场增强图。
图5是本发明利用圆偏振光进行纳米颗粒捕获的电场增强图。图5a 当圆偏振的均匀平面波垂直入射硅三聚体纳米光镊结构，电场在x-y 平面的分布图。图5b 当圆偏振的均匀平面波垂直入射硅三聚体纳米光镊结构，电场在x-z 平面的分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
硅三聚体纳米光镊结构，结构如图1所示，用于形成近场消逝波，利用局域场增强捕获纳米颗粒；具体包括：
硅基底：用于吸收激光光场中产生的焦耳热，并且作为硅三聚体纳米光镊结构的基底。激光通过纳米结构后会形成光场的重新分布，尤其在局域增强的部分，由于光场强度较大，导致局部产生焦耳热。
硅三聚体：位于基底上，用于与激光作用形成局域电场，将纳米颗粒进行捕获。局域电场如图2a、2b所示，如果没有三聚体纳米结构，光场是均匀分布的，因为有此纳米结构，在2个纳米柱之间形成局域电场增强。光是一种电磁波，光镊的性质主要跟电场分量有关，所以本文讨论的是局域电场。硅三聚体与激光作用形成局域电场属于本领域的公知常识。这归因于两个纳米硅柱的偶极模式之间的耦合。
平面光波：用于与硅三聚体作用产生消逝场。
纳米颗粒：用于计算的被捕获的纳米颗粒。
其中，硅三聚体包括三个硅圆柱组成的硅三聚体。硅圆柱直径和高为200nm，两两相聚的圆心距离为250nm。
其中，硅三聚体纳米光镊结构所处在水的环境中。
其中，平面光波，入射方向为垂直硅三聚体以及硅基底方向，光波长为1064nm，光场强度为300 mW/µm2。
其中，纳米颗粒，为介电颗粒或金属材料颗粒或活体细胞生物材料。
本发明中，通过改变激光偏振的方法来改变硅三聚体中纳米颗粒的捕获位置：改变硅三聚体纳米光镊结构的电场分布，从而改变纳米颗粒在硅三聚体中的光力和势能。
改变激光偏振的方法来改变硅三聚体中纳米颗粒的捕获位置，包括以下三种方法：
线性偏振光捕获纳米颗粒法：用与三聚体任意两个硅圆柱的主轴平行的线性偏振光进行纳米颗粒捕获研究。具体而言：采用麦克斯韦张量法或者体积法进行计算光力，将光力从无穷远处（势能为零处）积分得到势能曲线，用于定量分析纳米颗粒被捕获的颗粒尺寸以及捕获位置。
圆偏振光捕获纳米颗粒法：采用圆偏振光进行捕获纳米颗粒。用于在硅三聚体纳米光镊结构中同时形成三个热点，用多个热点捕获多个颗粒。
旋转线偏振光偏振角度法：改变激光偏振角，用来改变纳米颗粒在硅三聚体中的捕获位置。
一种纳米颗粒捕获移动运输的方法，具体包括：
步骤一、先将硅三聚体纳米光镊结构进行建模，确定三维分解的方向；再计算硅三聚体在线性偏振的均匀平面波照射下在纵向切面以及横向切面的电场增强图，其中线性偏振光与硅三聚体任意两个硅圆柱的主轴平行；得到电场增强图中场增强最强的区域在硅三聚体与均匀平面波线性偏振平行的间隔处。
线性偏振光与硅三聚体任意两个硅圆柱的主轴平行；在此两个硅圆柱之间出现明显的局域场增强如图2a、2b所示。
步骤二、不断改变硅三聚体结构参数，优化硅三聚体纳米光镊结构，得到最佳结构和最佳波长。固定结构的直径和高，改变间隔宽度以及光波长。找出结构中合适间隔宽度的最佳光波长，最佳光波长即电场增强最大时的波长。以及计算硅三聚体的吸收光谱，消光光谱，散射光谱图，确定合适捕获间隔为50nm，光波长为1064nm。
硅三聚体结构参数指：直径、高度、柱间距离；因为不同结构对应的响应波长不同，可以根据使用激光器的不同，进一步优化结构。我们选用1064 nm的红外激光器，这个结构在此波长下工作情况好。
确定合适的捕获间隔通过仿真计算得到，考虑不同结构对应的场增强倍数、最佳波长，光波长、强度会需要与结构一起调整。
研究了不同入射波长下的场增强和光学截面，以优化硅纳米结构的参数。研究表明，在电场增强过程中，间隙大小起主导作用，而不是纳米柱的尺寸（即直径和高度）。而且，在较长的波长下工作会增加场增强。增强趋势在1000 nm后减慢。同时，减小间隙尺寸可以提高电场强度。为了给纳米颗粒留下足够的俘获空间，本发明选择间隙尺寸为50 nm。从纳米三聚体的散射光谱、吸收光谱和消光光谱可以看出，它的散射和消光截面相对较大，这使得硅纳米结构非常适合用于表面增强光谱分析。此外，硅三聚体在近红外区的吸收截面接近于零，导致光阱中的局部加热超低。此外，水在800nm到1100 nm的波长范围内吸收的热量要少得多。基于这些分析，硅纳米三聚体提供了宽范围的工作波长，而加热效应可以忽略不计。考虑到1064nm红外激光器是最常用的激光器之一，本发明的实施例中，选取入射光的波长为1064nm。
步骤三、定量分析硅三聚体纳米光镊结构捕获纳米颗粒的捕获光力。先利用麦克斯韦张量法或者体积法计算线偏振光下光合力在三维方向在（x,y,z）三个方向上进行三个分力Fx,Fy,Fz的分解，分析三个光分力是否存在光力为零，并且光分力对分力方向求导为负数的点，该点即为被捕获位置，在三个分解方向上共同确定具体捕获位置。由步骤一知局域电场增强最强区域为间隔区域，计算区域便只需在间隔区域确定。图3a给出半径15nm的介电纳米颗粒在此硅三聚体纳米光镊结构中沿z方向的光分力变化。可以看出在z方向上，介电纳米颗粒的受力平衡点为z = - 130nm，当介电纳米颗粒偏离平衡点时，光力会把纳米颗粒拉回。同理，可找到此硅三聚体纳米光镊结构的捕获位置为x = 0 , y = 5 nmf, z =-130 nm。
定量分析硅三聚体纳米光镊结构捕获纳米颗粒的捕获势能。如图3b所示，将光力从无穷远处（势能为零处）积分，得到势能曲线。通常当势能大于1 K B T，颗粒就能克服布朗力，被限制在势阱中。势能越大，越能稳定捕获纳米颗粒，其中K B 为玻尔兹曼常数，T为温度。改变被捕获的纳米颗粒种类，将介电纳米颗粒改成金属颗粒，硅三聚体纳米光镊结构对不同材料的纳米颗粒有不同的捕获能力。同等光照强度下同等尺寸的金属颗粒的光力和势能都更大。实现单一纳米颗粒的捕获。
以上是讨论线性偏振光捕获纳米颗粒的方法。
步骤改变均匀平面光波的偏振，利用改变偏振法从而移动颗粒。将入射光的线性偏振光的偏振角进行旋转，改变偏振角，电场增强图中的热点位置会随着偏振角的变化而变化，见图4，从而改变颗粒被捕获的位置，利用偏振依赖性进行纳米颗粒在硅三聚体纳米光镊结构中捕获位置的移动，实现运输纳米颗粒的目的。从而实现单一纳米颗粒的捕获位置的移动。本段即采用的旋转线偏振光偏振角度法。
计算圆偏振光下硅三聚体纳米光镊结构捕获纳米颗粒的捕获能力。圆偏振光时通过电场增强图可以发现硅三聚体能形成三个热点位置，见图5a、5b，能够扩大捕获纳米颗粒的范围，同时捕获更多的纳米颗粒。从而实现多纳米颗粒的同时捕获。
根据实际应用需要选择三种方法之一，通过控制入射光的偏振就可以实现。
步骤四，计算硅三聚体纳米光镊结构捕获纳米颗粒的捕获能力随激光强度的变化，激光强度越大，纳米颗粒在硅三聚体纳米光镊结构中受到的光力越大，势能也越大。
讨论激光强度对捕获能力的影响：光强越强，颗粒受到光力越强，捕获越稳定。但是也要考虑实际应用中，光强对捕获颗粒的影响。例如，光太强会影响病毒、细胞等生物样品的活性。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种纳米颗粒捕获移动的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤一、先将硅三聚体纳米光镊结构进行建模，确定三维分解的方向；再计算硅三聚体在线性偏振的均匀平面波照射下在纵向切面以及横向切面的电场增强图，其中线性偏振光与硅三聚体任意两个硅圆柱的主轴平行；得到电场增强图中场增强最强的区域在硅三聚体与均匀平面波线性偏振平行的间隔处；
步骤二、确定硅圆柱直径和高为200nm，两两相聚的圆心距离为250nm，合适捕获间隔为50nm，光场强度为300mW/μm2，光波长为1064nm；
步骤三、定量分析硅三聚体纳米光镊结构捕获纳米颗粒的捕获光力；先利用麦克斯韦张量法或者体积法计算线偏振光下光合力在三维方向在(x,y,z)三个方向上进行三个分力Fx,Fy,Fz的分解，分析三个光分力是否存在光力为零，并且光分力对分力方向求导为负数的点，该点即为被捕获位置，在三个分解方向上共同确定具体捕获位置；
定量分析硅三聚体纳米光镊结构捕获纳米颗粒的捕获势能；将光力从无穷远处积分，得到势能曲线，当势能大于1KBT，颗粒就能克服布朗力，被限制在势阱中；势能越大，越能稳定捕获纳米颗粒，其中KB为玻尔兹曼常数，T为温度；
步骤改变均匀平面光波的偏振，利用改变偏振法从而移动颗粒；将入射光的线性偏振光的偏振角进行旋转，改变偏振角，电场增强图中的热点位置会随着偏振角的变化而变化，从而改变颗粒被捕获的位置，利用偏振依赖性进行纳米颗粒在硅三聚体纳米光镊结构中捕获位置的移动，实现运输纳米颗粒的目的；
计算圆偏振光下硅三聚体纳米光镊结构捕获纳米颗粒的捕获能力；圆偏振光时通过电场增强图发现硅三聚体形成三个热点位置，能够扩大捕获纳米颗粒的范围，同时捕获更多的纳米颗粒；
所述硅三聚体纳米光镊结构用于形成近场消逝波，利用局域场增强捕获纳米颗粒；
所述硅三聚体纳米光镊结构包括
硅基底，用于吸收激光光场中产生的焦耳热，并且作为硅三聚体纳米光镊结构的基底；
硅三聚体，位于基底上，用于与激光作用形成局域电场，将纳米颗粒进行捕获；
平面光波，用于产生激光并与硅三聚体作用产生消逝场；
纳米颗粒，用于计算的被捕获的纳米颗粒；
所述硅三聚体，包括三个硅圆柱组成的硅三聚体；
所述硅三聚体纳米光镊结构处在水的环境中；
所述平面光波，入射方向为垂直硅三聚体以及硅基底方向；
所述纳米颗粒，为介电颗粒或金属颗粒或活体细胞生物材料。
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