[發明專利]高透光基體上復合微納結構陣列、方法及其應用

有效

• 申請號: 200910049955.5
• 申請日: 2009-04-24
• 公開（公告）號: CN101544348A
• 公開（公告）日: 2009-09-30
• 發明（設計）人: 程建功;朱德峰;賀慶國;曹慧敏
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: B81B7/04
• 分類號: B81B7/04;B82B1/00;B81C1/00;B82B3/00;G01N21/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及高透光基體上復合微納結構陣列、方法及其應用。屬于微納 結構及相應的傳感器領域。

背景技術

傳感器領域對低濃度的液體和固體分析物的分析檢測有較大需求，尤其 是國防、公共安全、環境安全等有關的經濟和社會領域。熒光技術是一種很 靈敏的分析檢測技術，熒光共軛聚合物因為其高敏感、快速響應、特異性檢 測以及自放大檢測的特性而受到廣泛關注。

目前，熒光檢測的重點都在提高特異性熒光共軛聚合物自身性能的研究 上，而對聚合物的支撐基體的結構及性能的研究不夠重視，一般都采用常見 的平板涂膜。然而，聚合物制備工藝過程比較復雜，涉及反應條件較多，所 以提高熒光共軛聚合物自身性能往往比較困難，費用也很昂貴。相比較而言， 利用基體結構的設計和改變來調制光學信號，提高檢測性能相對簡單，耗費 也較低。

微納結構的制備是近年來的研究熱點，硅、氧化硅、氧化鈦等材料的納 米粒子和氧化鋁模板、多孔硅等微結構被用于光學調制，氧化鋅納米柱被用 于電致發光和光致發光器件以及其他一些材料的特殊結構的應用都有所報 道。但是這些應用只是針對材料的微尺度性質、光學性質或電學性質中的某 一項去研究和應用，缺少對其性質的綜合研究和利用。實際上，納米粒子不 僅可以用作光波濾波器件，而且將具有特異性傳感能力的熒光共軛聚合物直 接包覆在導光納米結構的表面形成復合納米結構。這樣，既利用了納米結構 的大比表面積的優勢增加有效檢測面積，又利用了微納結構的光學調制作用 增強熒光信號、降低激光閾值，而且與平板基體相比較，復合納米結構傳感 器的檢測靈敏度和使用壽命得到明顯提高。目前，氧化鋅納米柱陣列的使用 迄今為止僅僅局限于用于電致發光、光致發光和太陽能電池器件的制備。基 于本發明的思路，將突破氧化鋅納米柱陣列的應用范圍，利用其高比表面積 的特點和單晶體優異的光學性質，使其同時擔當結構支撐體和光波傳導體。 將單根氧化鋅納米柱看作納米光纖，根據微納光纖的倏逝波理論，當柱徑小 于入射光波長時[L.M.Tong，J.Y.Lou，E.Mazur，Opt.Exp.12，1025(2004).]， 其傳導能量會大量溢出表面(＞70％)到達熒光共軛聚合物包層，與平板基體 相比較，激發的光能量密度提高幾倍(＞5倍)，導致激光閾值降低更易發生 激光效應，從而降低對激發光源能量的要求，有效降低光致漂白。而所得復 合光纖微腔結構的局域場效應及大的比表面積會使熒光信號強度增強，熒光 峰半高寬減小，檢測靈敏度、使用壽命和重復性都增加。微納結構的制備工 藝相對比較簡單，容易大批量和大面積制備，而且通過調節工藝條件可以方 便地調節微納結構的形貌特征、尺寸及組成。

此外，微納結構的制備工藝與MEMS加工工藝相結合，再結合聚合物不同 的涂覆工藝，可以實現熒光檢測器件多功能化和小型化，并且能夠將檢測器 件集成到微檢測系統中，利于進一步的開發和利用。

發明內容

基于以上構思，本發明的目的在于提供一種高透光基體上復合微納米結 構陣列、方法及其在光學傳感中的應用。與現行光學基體相比，微納結構基 體通過微納支撐結構的大比表面積、光傳導倏逝波效應及光學調制作用，有 效提高傳統光學傳感檢測的信號強度、靈敏度、使用壽命和可重復利用性能， 同時降低熒光共軛聚合物在激發光照射下產生光漂白引起的缺陷的概率，并 提供了一種工藝成熟，簡易可行，調節方便，成本低廉，操作簡便，易于系 統集成的光學檢測器件。

本發明的目的是通過如下技術方案實現的：

首先選用高透光材料(360～650nm范圍內透光率高于90％)做基體，因 為光學檢測中采用的熒光共軛聚合物的發光峰一般位于400nm～650nm之間， 所以本發明選定的基體材料能夠傳導360～650nm范圍內激發光，為了降低對 激發光源能級的要求，提高能量利用率，界定高透光基體材料在360～650nm 范圍內的透光率高于90％且具備較好的均一性和平整度，常用的材料為：石 英、摻雜鉺、鐿或錳等元素的石英、氟化鈣玻璃、PDMS等透明硅膠、聚氨酯、 聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯等柔性塑料基質。 基體的形貌根據檢測要求、實際檢測條件和調制光路光學設計的要求有：作 為平面波導的平面結構、用作束狀光傳導的光纖柱狀結構以及其它根據特定 應用需要而制備的特定結構如叉指結構、管道結構等有特殊圖形的結構。