一种基于磁场驱动磁性纳米粒子自组装的系统及加工方法

本发明涉及磁场驱动磁性纳米粒子自组装领域，具体涉及一种基于磁场驱动磁性纳米粒子自组装的系统及加工方法。

背景技术：

随着纳米技术的发展，采用基于自下而上的方式制备具有规则结构的功能化纳米材料的方法，由于具有高生产量和低成本等特点，自提出提来便引起了人们的广泛关注。其中，基于磁场驱动磁性纳米粒子自组装的方法由于磁控制的非接触性、瞬时性以及各向异性等特点，常被用于合成或设计功能材料和设备。

但是，目前关于磁场控制磁性纳米粒子自组装方面，依然面临着粒子自组装结构一致性差且产量低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于磁场驱动磁性纳米粒子自组装的系统及加工方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明借助于特殊设计的凹槽结构的几何约束作用，以及纳米软磁体的高局域强磁偶极子吸引力作用，促使磁性纳米粒子在外加偏置磁场的作用下，自组装形成稳定的组装结构。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于磁场驱动磁性纳米粒子自组装的系统，包括硅衬底，硅衬底上设置有凹槽结构，所述凹槽结构包括第一金薄膜和第二金薄膜，所述第一金薄膜位于第二金薄膜之上，且二者一体化成型，所述第二金薄膜内部呈阵列嵌套有若干纳米软磁体，所述第一金薄膜上设置有若干贯穿槽，且贯穿槽和纳米软磁体一一对应设置，所述凹槽结构上侧设置有用于流通磁性纳米粒子悬浮液的微流体通道，所述微流体通道的上侧和硅衬底的下侧分别设置有偏置磁场。

进一步地，所述纳米软磁体采用坡莫合金，所述坡莫合金以质量分数计，由78％fe和22％ni组成。

进一步地，所述贯穿槽的中心线和纳米软磁体的中心线对齐。

进一步地，所述偏置磁场由圆柱形ndfeb永磁体产生，且圆柱形ndfeb永磁体的直径是5cm，高度是3cm。

进一步地，所述贯穿槽的深度与磁性纳米粒子的直径相等。

进一步地，所述微流体通道的深度为5μm。

进一步地，所述纳米软磁体的厚度为200nm，所述第二金薄膜的厚度为200nm，所述第一金薄膜的厚度为100nm。

进一步地，在使用过程中，当进行粒子组装时，磁性纳米粒子悬浮液在微流体通道中的流速为1mm/s，永磁体产生的外加偏置磁场的磁感应强度bbias为500mt。

进一步地，当粒子组装完成后，磁性纳米粒子悬浮液在微流体通道中的流速为50mm/s，永磁体产生的外加偏置磁场的磁感应强度bbias为100mt。

一种基于磁场驱动磁性纳米粒子自组装的系统的加工方法，基于电子束蒸镀技术在硅衬底上蒸镀一层坡莫合金，然后经过旋胶、曝光和显影后，采用离子铣技术刻蚀坡莫合金，形成阵列排布的纳米软磁体，再采用电子束蒸镀技术在纳米软磁体周围蒸镀一层金薄膜，经丙酮超声剥离后，得到凹槽结构，然后采用电感耦合等离子体刻蚀技术和微纳光刻技术获得微流体通道，并借助于氧等离子体键合技术将凹槽结构和微流体通道进行封装。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明在使用时，初始时刻，一定浓度的磁性纳米粒子悬浮液被注入微流体通道，在外加偏置磁场的作用下，被磁化的纳米软磁体产生高度局域化的强梯度磁场区域，并驱使磁性纳米粒子向纳米软磁体表面沉积，在粒子间强磁偶极子接触力的作用下，粒子自组装形成了复杂的三维堆叠结构。

进一步地，为了提高粒子组装结构的一致性，本发明通过提高通道入口流速的方法，可加强作用在粒子上的流体粘滞力，并驱使那些未被约束在凹槽内的粒子随着流体的流动而离开微流体通道，而被限制在贯穿槽内的纳米粒子在外部磁场的作用下形成稳定的组装结构。

进一步地，纳米软磁体的厚度以及贯穿槽的槽深与磁性纳米粒子的粒径保持一致，以确保贯穿槽内仅沉积单层颗粒；且纳米软磁体以及贯穿槽沿x-y平面的几何尺寸与磁性纳米粒子的粒径之间存在一定的整数倍关系，以促使沉积在贯穿槽内的颗粒数目为整数。

进一步地，不仅提供了纳米精度的磁场梯度区域，而且通过调节微流体通道入口流速，可获得高精度的纳米粒子组装结构。此外，本发明提出的纳米软磁体和凹槽结构，可重复多次使用，这较大地缩减了实验经费的投入。

本发明的加工方法提出采用先蒸镀坡莫合金，再蒸镀金薄膜的方案，仅经过单次旋胶过程，即可获得彼此对齐的纳米软磁体和凹槽结构，省去了多次旋胶和结构对齐的复杂加工过程，极大地简化了加工工艺的难度，并提高了加工结构的精度。

附图说明

图1为本发明中提出的基于磁场驱动磁性纳米粒子自组装的系统示意图；

图2为纳米软磁体和凹槽阵列的结构示意图；

图3为微纳技术加工流程图，其中(a)为蒸镀ni薄膜；(b)为旋涂光刻胶；(c)为电子束直写；(d)为显影；(e)为金属刻蚀机刻蚀；(f)为镀非磁性材料；(g)为剥离。

其中，1为硅衬底；2为纳米软磁体；3为第一金薄膜；4为第二金薄膜；5为微流体通道。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：

参见图1和图2，一种基于磁场驱动磁性纳米粒子自组装的系统，包括硅衬底1、凹槽结构以及微流体通道5，且微流体通道5底部与凹槽结构直接接触，凹槽结构包括第一金薄膜3和第二金薄膜4，所述第一金薄膜3位于第二金薄膜4之上，且二者一体化成型，所述第二金薄膜4内部呈阵列嵌套有若干纳米软磁体2，所述第一金薄膜3上设置有若干贯穿槽，且贯穿槽和纳米软磁体2一一对应设置，所述贯穿槽的中心线和纳米软磁体2的中心线对齐，且贯穿槽的深度与磁性纳米粒子的直径相同，从而极大地限制了被局限在凹槽内的粒子的运动空间，所述微流体通道5的上侧和硅衬底1的下侧分别设置有偏置磁场，偏置磁场由圆柱形ndfeb永磁体产生，且圆柱形ndfeb永磁体的直径是5cm，高度是3cm。

其中，纳米软磁体2的几何结构与贯穿槽一致，均为立方体结构、圆柱体结构或其他立体结构，材料为坡莫合金，由78％fe和22％ni组成，贯穿槽的槽深与磁性纳米粒子直径相同，纳米软磁体2的厚度为200nm，当采用圆柱体结构时直径为300nm，可产生高局域性的强梯度磁场区域；所述第二金薄膜4的厚度为200nm，所述第一金薄膜3的厚度为100nm，二者的厚度之和比纳米软磁体厚100nm，用于约束沉积在磁体表面的粒子；微流体通道5的深度为5μm，在粒子组装过程中，流体的流速为1mm/s，外加偏置磁场的磁感应强度bbias为500mt，1min即可实现粒子的自组装，自组装结束后调整流体流速为50mm/s，同时外加偏置磁感应强度bbias为100mt，可清除未沉积在贯穿槽内的粒子。

其中，离子铣技术刻蚀坡莫合金表面时，离子束与衬底表面的夹角接近垂直，可极大地削弱材料的二次沉积问题。

另外，本发明基于微纳技术实现纳米软磁体的加工，包括基于电子束蒸镀技术在硅衬底上蒸镀一层坡莫合金，然后经过旋胶、曝光和显影步骤后，采用离子铣技术刻蚀坡莫合金，形成纳米软磁体阵列，离子铣技术刻蚀坡莫合金表面时，离子束与衬底表面的夹角接近垂直，可极大地削弱材料的二次沉积问题，最后再采用电子束蒸镀技术在软磁体周围蒸镀一层金薄膜，最后经丙酮超声剥离后，得到凹槽结构，采用电感耦合等离子体刻蚀技术和微纳光刻技术获得微流体通道，并借助于氧等离子体键合技术将纳米软磁体结构和微流体通道进行封装。

本发明的主要亮点在于，本发明提出采用先蒸镀坡莫合金，再蒸镀金薄膜的方案，仅经过单次旋胶过程，即可获得彼此对齐的纳米软磁体和凹槽结构，省去了多次旋胶和结构对齐的复杂加工过程，极大地简化了加工工艺的难度，并提高了加工结构的精度；

下面结合实施例对本发明实施过程做进一步详细描述：

本发明提供了一种微流体辅助软磁体阵列驱动磁性纳米粒子自组装的系统设计及其加工方案。图1是微流体通道和纳米软磁体阵列的集成化系统，包括硅衬底1、呈阵列布置的纳米软磁体2、纳米软磁体2周围的第二金薄膜4、第二金薄膜4上的第一金薄膜3、以及微流体通道5；其中微流体通道5包括一个入口和一个出口，分别用于注入磁性纳米粒子悬浮液和收集废液，第一金薄膜3上设置有与纳米软磁体2对应的贯穿槽，纳米软磁体2、第一金薄膜3和第二金薄膜4共同组成凹槽结构，且微流体通道5的底部直接与凹槽结构接触。如图2所示，纳米软磁体2的几何结构与贯穿槽的几何结构保持一致，用于约束粒子组装结构的几何区域。

如图3所示，本发明中纳米软磁体单元的加工中仅采用单步旋胶的方法，实现纳米软磁体的加工，以及凹槽结构的制作。首先采用电子束蒸镀技术在1cm×1cm的硅衬底1上蒸镀一层厚度为200nm的坡莫合金(78％fe+22％ni)，如图3(a)所示；紧接着，再利用匀胶机在坡莫合金的表面旋涂一层厚度为100nm的光刻胶，如图3(b)所示；然后，利用电子束直写技术在光刻胶表面写出预设计的几何图案(如本发明的长方形图案)，如图3(c)所示；写完图案后，利用相应的光刻胶显影液显影，并清洗和烘干，如图3(d)所示；接下来，采用离子铣技术将坡莫合金薄膜刻蚀成相应图案的纳米软磁体2，如图3(e)所示；然后在采用电子束蒸镀技术在纳米软磁体周围蒸镀一层厚度为300nm的金薄膜，如图3(f)所示；最后，经过超声剥离，得到纳米软磁体以及凹槽结构，最后采用电感耦合等离子体刻蚀技术和微纳光刻技术获得微流体通道，并借助于氧等离子体键合技术将纳米软磁体结构和微流体通道进行封装，使用时，通过微流体通道入口注入磁性纳米粒子悬浮液，利用外部偏置磁场的作用，可实现粒子的动态自组装，并提高粒子组装结构的一致性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。