一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构

本发明涉及一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构，属于光学超表面。

背景技术：

1、光镊能够紧密聚焦激光束，是捕获和操纵目标粒子的有力工具，在生物和纳米科学技术领域有着广泛的应用。传统光镊通常依靠衍射来聚焦光斑。然而，需要很强的功率密度才能形成梯度力，产生大量热量并导致样品损坏。此外，传统的衍射限制架构也限制了实际应用，因为在捕获目标粒子时很难精确定位它们。

2、近几十年来，等离子体超表面得到了广泛的研究，因为局部倏逝波可以将纳米颗粒限制在超表面结构产生热点的表面。一些结构通过改变入射光的波长来激发等离子体超表面以产生高度局域化的光场(即热点)用来传输粒子。相比之下，其他研究人员通过连续旋转入射光的偏振方向来传输目标。但是金属等离子体光镊的缺点主要体现在其固定结构、调谐限制、实时响应性以及材料损耗方面；其结构常常事先设计完成，难以在操作时即时调整以适应不同实验需求，而调谐范围受到限制。实时响应性方面的问题使得在实验过程中难以灵活地改变性能。由于金属等离子体在共振频率附近存在较大的吸收和散射，可能导致材料损耗，进一步影响光学效能。此外，由于金属结构的不透明性质，监测和观察纳米粒子也是一个挑战。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构，本发明使用石墨烯来解决，石墨烯具有可调性、高透射率和优异的导热性。石墨烯的载流子密度是通过栅极电压对费米能级进行外部控制来调制的，从而改变局部场增强因子。此外，石墨烯远远超过其他金属等离子体结构提供的能力。本发明利用一种电调谐石墨烯梯形孔超表面结构传输粒子，并分析了其工作原理和粒子传输性能。通过在适当的固定入射波长下调节背栅电压来改变石墨烯的载流子密度，可以控制局域场增强。此外，考虑到水溶液中的布朗运动和粘滞阻力带来的影响，对粒子的分布进行精确的模拟和统计分析，分析了不同入射光功率以及费米能级的切换时间下粒子运动的时间响应特征。毫无疑问，这在生物和医学领域的应用前景广阔。

2、优先地，本发明提供一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构，包括衬底、源极、漏极、介电层和石墨烯薄膜，石墨烯薄膜固定设置在衬底上，源极和漏极均内嵌在衬底与石墨烯薄膜之间，介电层固定设置在石墨烯薄膜上，石墨烯薄膜上开设若干个等间距分布的第一石墨烯梯形孔，石墨烯薄膜上开设若干个等间距分布的第二石墨烯梯形孔，第一石墨烯梯形孔和第二石墨烯梯形孔之间的石墨烯薄膜形成传输通道，第一石墨烯梯形孔和第二石墨烯梯形孔横截面为梯形，第一石墨烯梯形孔和第二石墨烯梯形孔对称分布。

3、优先地，包括金属栅极，金属栅极固定设置在衬底底部。

4、优先地，第一石墨烯梯形孔和第二石墨烯梯形孔的横截面为梯形，梯形的上底面为79nm,梯形的下底面为86.5nm，梯形的直角边长度为300nm。

5、优先地，衬底选择折射率为1.45的二氧化硅，衬底厚度为200nm。

6、优先地，传输通道的长度为300nm，传输通道的最大宽度为42nm，传输通道的最小宽度为27nm。

7、优先地，相邻的第一石墨烯梯形孔之间间隔为50nm，相邻的第二石墨烯梯形孔间隔为50nm。

8、优先地，介电层材质为二氧化硅，其厚度为5nm，折射率为1.45。

9、一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构的捕获目标粒子方法，其特征在于，采用上述任一项所述的一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构，执行以下步骤：

10、利用激光器从垂直于石墨烯薄膜所在平面方向自上而下发射激励光，激励光为线偏振光，偏振沿x方向，从而激发超表面等离子体共振，改变石墨烯薄膜的费米能级，使传输通道依次连续产生热点，捕获目标粒子并在传输通道内完成传递。

11、优先地，平面波的波长为5500nm；目标粒子的直径为400nm，材质为聚苯乙烯且折射率为1.59。

12、优先地，一个周期的传输通道具有三个热点区域，三个热点对应的费米能级分别为0.41ev、0.36ev和0.31ev。

13、本发明所达到的有益效果：

14、1.石墨烯在光镊研究中相较金属材料的优势包括极高的导电性和热导性，具有轻质高强度，灵活性强，且对光的透明性好的优点。这些特性使得石墨烯光镊在提高设备性能、轻便耐用和灵活适应设计需求等方面具有显著优势。

15、2.本发明使用了单一入射光波长照射石墨烯超表面，在不同的费米能级下使传输通道内对应的区域产生热点，简化操作和提高效率，还可以降低系统复杂性，简化光学配置，减少设备要求，并提高操控的精确性。此外，单一共振波长的应用能更容易地实现对特定目标的高度选择性操控，从而提高光镊的精准性和可控性。并且不改变偏振方向，有利于维持光场的稳定性，减少偏振变化可能引起的不稳定性和样品干扰。

16、3.本发明具有纳米精度长距离传输目标粒子或者生物分子的能力。使用中红外光谱的波长，对生物样本的吸收能量相对较低，不会导致生物分子或细胞的显著热效应或光损伤。入射光功率很小，很大程度上保护了生物样本的完整性和生物活性。

17、4.本发明中的石墨烯梯形孔具有很好的可扩展性，且加工制造简单，因此在微流控芯片领域具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构，其特征在于，包括衬底（2）、源极（3）、漏极（4）、介电层（6）和石墨烯薄膜（7），石墨烯薄膜（7）固定设置在衬底（2）上，源极（3）和漏极（4）均内嵌在衬底（2）与石墨烯薄膜（7）之间，介电层（6）固定设置在石墨烯薄膜（7）上，石墨烯薄膜（7）上开设若干个等间距分布的第一石墨烯梯形孔（51），石墨烯薄膜（7）上开设若干个等间距分布的第二石墨烯梯形孔（52），第一石墨烯梯形孔（51）和第二石墨烯梯形孔（52）之间的石墨烯薄膜（7）形成传输通道，第一石墨烯梯形孔（51）和第二石墨烯梯形孔（52）横截面为梯形，第一石墨烯梯形孔（51）和第二石墨烯梯形孔（52）对称分布。

2.根据权利要求1所述的一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构，其特征在于，包括金属栅极（1），金属栅极（1）固定设置在衬底（2）底部。

3.根据权利要求1所述的一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构，其特征在于，第一石墨烯梯形孔（51）和第二石墨烯梯形孔（52）的横截面为梯形，梯形的上底面为79nm,梯形的下底面为86.5nm，梯形的直角边长度为300nm。

4.根据权利要求1所述的一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构，其特征在于，衬底（2）选择折射率为1.45的二氧化硅，衬底（2）厚度为200 nm。

5.根据权利要求1所述的一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构，其特征在于，传输通道的长度为300 nm，传输通道的最大宽度为42 nm，传输通道的最小宽度为27 nm。

6.根据权利要求3所述的一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构，其特征在于，相邻的第一石墨烯梯形孔（51）之间间隔为50 nm，相邻的第二石墨烯梯形孔（52）间隔为50 nm。

7.根据权利要求1所述的一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构，其特征在于，介电层（6）材质为二氧化硅，其厚度为5 nm，折射率为1.45。

8.一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构的捕获目标粒子方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构，执行以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构的捕获目标粒子方法，其特征在于，平面波的波长为5500 nm；目标粒子的直径为400 nm，材质为聚苯乙烯且折射率为1.59。

10.根据权利要求8所述的一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构的捕获目标粒子方法，其特征在于，一个周期的传输通道具有三个热点区域，三个热点对应的费米能级分别为0.41 ev、0.36 ev和0.31 ev。

技术总结本发明公开了一种用于微粒传递的电调谐石墨烯梯形孔超表面结构，包括衬底、源极、漏极、介电层和石墨烯薄膜，石墨烯薄膜固定设置在衬底上，源极和漏极均内嵌在衬底与石墨烯薄膜之间，介电层固定设置在石墨烯薄膜上，石墨烯薄膜上开设若干个等间距分布的第一石墨烯梯形孔，石墨烯薄膜上开设若干个等间距分布的第二石墨烯梯形孔，第一石墨烯梯形孔和第二石墨烯梯形孔之间的石墨烯薄膜形成传输通道，第一石墨烯梯形孔和第二石墨烯梯形孔横截面为梯形，第一石墨烯梯形孔和第二石墨烯梯形孔对称分布。本发明具有很高的可扩展性，并且无需调节入射光波长和偏振方向，降低了复杂度。技术研发人员：江敏,李智浩,李锦峰,许舰,龚金阳,郭泽林受保护的技术使用者：无锡学院技术研发日：技术公布日：2024/7/15