一种用于微粒传递和分选的石墨烯超表面结构及应用制造技术

本发明专利技术提供一种用于微粒传递和分选的石墨烯超表面结构，包括依次设置的电子凝胶层，石墨烯周期圆环阵列层，介电保护层；所述电子凝胶层上设置有栅极区，所述栅极区内设置有金属栅极；所述石墨烯周期圆环阵列层包括多组依次设置的石墨烯圆环单元，每组石墨烯圆环单元均包括外环直径依次增大的第三圆环、第二圆环和第一圆环；所述第一圆环、第二圆环、第三圆环的内环直径相同。本发明专利技术通过将单层石墨烯设置成不同大小的圆环状，组成多组石墨烯圆环单元，再将各组石墨烯圆环单元设置成周期性阵列，通过调节石墨烯的费米能级来让不同大小的石墨烯圆环依次被激发热点，在传输微粒过程中无需调节入射激光的频率，减少了超表面光镊应用的复杂性。用的复杂性。用的复杂性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于微粒传递和分选的石墨烯超表面结构及应用


[0001]本专利技术涉及光镊
，更具体的，涉及一种用于微粒传递和分选的石墨烯超表面结构及应用。

技术介绍

[0002]等离子体光镊由于其可无接触操纵微粒的特性，避免了传统机械方法对微粒造成的损伤，因而在生物学、医学等领域得到了广泛的发展。等离子体光镊通过将光限制在结构表面，即倏逝场范围内，解决了早期光镊存在衍射极限的问题，成功捕获了亚微米级的粒子。进一步的，在能稳定捕获微粒后，人们开始研究如何传输微粒。Han Xue等人使用基于金环形孔阵列的等离子体镊子捕获1um的聚苯乙烯微粒。Shi Yuzhi等人使用硅纳米波导对阵列捕获了200
‑
500nm的微粒。Lu Changgui等人将等离子金天线阵列作为传送带，通过改变共振波长来传输微粒。虽然金属等离子体光镊可以稳定捕获并传输亚微米级的微粒，但是其本身也并非是完美的。第一，金属缺乏实时可调谐性，一旦结构形状确定，入射光源的激发波长和偏振方向也就相应确定了；为了传输微粒，在操作时不得不随时改变光源的波长，这无疑会增加应用成本。第二，入射光功率不变的情况下，半径小的微粒所受光场的梯度力要小于大微粒，常见的解决办法就是增大入射光源的功率，但是金属结构吸收入射光产生的焦耳热很多，一方面捕获的微粒可能因为高功率的入射光而损坏，另一方面温升引起的热泳和对流也会影响微粒的稳定捕获。为此，需要新的材料来克服金属等离子体光镊的缺点。
[0003]石墨烯作为一种可调谐且具有高导热性的材料在近十几年来取得了很多的研究发展，石墨烯材料已被证明可在不同的光谱区激发等离子体共振，从而实现微粒的稳定捕获。已有的石墨烯等离子体结构有圆形孔、具有纳米间隙的同轴孔阵列、沟槽等，但是已有的石墨烯等离子体结构仍然存在缺陷，其对入射光源要求高，入射光源频率需要不断调节且激励光偏振受到严格限制，这样就使得超表面光镊的应用复杂化。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供一种用于微粒传递和分选的石墨烯超表面结构及应用，通过将石墨烯设置成周期圆环阵列，其对光源偏振方向无依赖性，在传输微粒过程中无需调节入射激光的频率，减少了超表面光镊应用的复杂性。
[0005]本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案：
[0006]一种用于微粒传递和分选的石墨烯超表面结构，包括依次设置的电子凝胶层，石墨烯周期圆环阵列层，介电保护层；
[0007]所述电子凝胶层上设置有栅极区，所述栅极区内设置有金属栅极；
[0008]所述石墨烯周期圆环阵列层包括多组依次设置的石墨烯圆环单元，每组石墨烯圆环单元均包括依次排列，且外环直径依次增大的第三圆环、第二圆环和第一圆环；
[0009]所述第一圆环、第二圆环、第三圆环的内环直径相同。
[0010]进一步地，所述第一圆环、第二圆环、第三圆环的内环直径均为100
‑
1000nm，且所述第一圆环、第二圆环、第三圆环均为单层石墨烯，其厚度均为1nm。
[0011]上述技术方案中，本专利技术通过将单层石墨烯设置成不同大小的圆环状，组成多组石墨烯圆环单元，再将各组石墨烯圆环单元设置成周期性阵列，其对入射光源偏振方向无依赖性，在传输微粒过程中无需调节入射激光的频率；而不同大小的石墨烯圆环，在单色激励光照射下，可以仅通过按一定时序改变金属栅极电压实现不同大小的石墨烯圆环的依次激发，近而使得微粒沿着热点路径被定向传递，操作简单，减少了超表面光镊应用的复杂性。
[0012]进一步地，所述第一圆环的外环直径为410
‑
3200nm，所述第二圆环的外环直径为370
‑
3100nm，所述第三圆环的外环直径为330
‑
3000nm。
[0013]在上述技术方案中，保证第一圆环、第二圆环、第三圆环的内环直径相同，而三者的外环直径不相同，当施加电压调节石墨烯的费米能级的时候可以使得不同大小的石墨烯圆环依次被激发，近而使得微粒沿着热点路径被定向传递。
[0014]更进一步地，所述第一圆环、第二圆环、第三圆环，两两之间的距离为55
‑
65nm。
[0015]进一步地，所述电子凝胶层的厚度为200nm
‑
5um，所述介电保护层的厚度为2
‑
5nm。
[0016]本专利技术还提供一种用于微粒传递和分选的石墨烯超表面结构在微粒传递和分选的方法中的应用，所述微粒传递和分选的方法采用所述石墨烯超表面结构进行微粒传递和分选；具体包括如下步骤：
[0017]S1：给电子凝胶层上的金属栅极施加电压调节石墨烯的费米能级，打开太赫兹频率的激光光源照射于所述石墨烯超表面结构；
[0018]S2：所述第三圆环、第二圆环、第一圆环各对应一种费米能级，在相应的太赫兹波段激光光源的激励下，调节到各圆环对应的费米能级时，相应的石墨烯圆环被激发出热点；
[0019]S3：待捕获和分离微粒经由石墨烯表面形成的强电场区域，也叫热点，产生的梯度力来捕获和分离。
[0020]进一步地，所述第三圆环对应的费米能级为0.40eV，所述第二圆环对应的费米能级为0.45eV，所述第一圆环对应的费米能级为0.50eV。
[0021]进一步地，所述太赫兹波段激光光源的频率为9um
‑
12um。
[0022]在上述技术方案中，石墨烯中独特的狄拉克等离激元，通过外加栅极电压，可以调整石墨烯的载流子浓度，即可以控制石墨烯费米能级的变化，从而改变被捕获微粒的位置，实现微粒的稳定传输；此外，石墨烯超表面的激发光源的频率在太赫兹波段，太赫兹光谱区的光子能量相对较低，且石墨烯的导热性好，对生物分子的热损伤较小。
[0023]进一步地，因微粒的大小或者折射率的不同，微粒受到的梯度力就不一样，从公式中可清楚得知；
[0024]更进一步地，步骤S3中，当石墨烯圆环被激发出热点后，待捕获微粒在所述石墨烯超表面结构x方向上移动受到的梯度力满足如下表达式：
[0025][0026][0027]F
dr
＝γv
[0028][0029]其中，F
op
为光学梯度力，F
br
为布朗力，R为高斯随机数，K
B
为玻尔兹曼常数，F
dr
为粘滞力，d为直径，γ为与微粒半径正相关的粘滞系数，假设极短时间内作用于微粒的力保持不变，取Δt＝0.1μs，Δχ是一次时间间隔内微粒的位移。
[0030]上述技术方案中，x方向即微粒移动方向的梯度力达到PN量级，捕获势阱的深度也超过了1K
b
T这个阈值，因此本专利技术可以稳定捕获和传输微粒。
[0031]进一步地，不同的微粒由于半径和折射率的区别会导致受力大小不同，进而在不同大小的石墨烯圆环上移动时的速度也不一致，折射率不同微粒的分离时间满足如下表达式：
[0032][0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于微粒传递和分选的石墨烯超表面结构，其特征在于：包括依次设置的电子凝胶层(3)，石墨烯周期圆环阵列层(2)，介电保护层(1)；所述电子凝胶层(3)上设置有栅极区，所述栅极区内设置有金属栅极(4)；所述石墨烯周期圆环阵列层(2)包括多组依次设置的石墨烯圆环单元，每组石墨烯圆环单元均包括依次排列，且外环直径依次增大的第三圆环(23)、第二圆环(22)和第一圆环(21)；所述第一圆环(21)、第二圆环(22)、第三圆环(23)的内环直径相同。2.根据权利要求1所述的用于微粒传递和分选的石墨烯超表面结构，其特征在于：所述第一圆环(21)的外环直径为410
‑
3200nm，所述第二圆环(22)的外环直径为370
‑
3100nm，所述第三圆环(23)的外环直径为330
‑
3000nm。3.根据权利要求1所述的用于微粒传递和分选的石墨烯超表面结构，其特征在于：所述第一圆环(21)、第二圆环(22)、第三圆环(23)的内环直径均为100
‑
1000nm，且所述第一圆环(21)、第二圆环(22)、第三圆环(23)均为单层石墨烯，其厚度均为1nm。4.根据权利要求3所述的用于微粒传递和分选的石墨烯超表面结构，其特征在于：所述第一圆环(21)、第二圆环(22)、第三圆环(23)，两两之间的距离为55
‑
65nm。5.根据权利要求1所述的用于微粒传递和分选的石墨烯超表面结构，其特征在于：所述电子凝胶层(3)的厚度为200nm
‑
5um，所述介电保护层(1)的厚度为2
‑
5nm。6.一种如权利要求1
‑
5任一项所述的用于微粒传递和分选的石墨烯超表面结...

【专利技术属性】
技术研发人员：江敏，郭泽林，李昊楠，李锦峰，李智浩，
申请(专利权)人：无锡学院，
类型：发明
国别省市：