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“沃”的實驗 | 超20種神經(jīng)研究技術(shù)方法的視頻詳解,已經(jīng)整理好啦!

深圳市瑞沃德生命科技有限公司 2022-12-21 15:44:13 173  瀏覽
  • 作為21世紀(jì)最熱的研究方向之一,神經(jīng)科學(xué)發(fā)展離不開新技術(shù)與新工具的發(fā)展與應(yīng)用,包括光遺傳學(xué)、神經(jīng)通路示蹤等技術(shù)。但是,這些技術(shù)實操性強(qiáng)、流程復(fù)雜,讓人不得不面對很多難題:

    • 光遺傳的調(diào)控參數(shù)如何設(shè)置才能有效果呢?
    • 光纖記錄的信號如何采集,后續(xù)數(shù)據(jù)如何分析呢?
    • 想學(xué)習(xí)腦機(jī)接口、活體成像和散斑成像等技術(shù),沒有渠道?


    「“沃”的實驗」

    全網(wǎng)最全的生命科學(xué)研究線上學(xué)習(xí)平臺

    第五期內(nèi)容:

    神經(jīng)信號調(diào)控與檢測方法

    以期為你的實驗帶來新啟示新方法


    第五期內(nèi)容有什么?

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    11大課程視頻

     神經(jīng)環(huán)路病毒示蹤技術(shù)
    • 神經(jīng)環(huán)路研究思路大綱

    • 神經(jīng)環(huán)路示蹤技術(shù)背景知識介紹/原理/發(fā)展

    • 實驗操作講解

    ② 光遺傳/化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)
    • 光遺傳&化學(xué)遺傳技術(shù)背景與原理

    • 手術(shù)/實驗方案設(shè)計

    • 文獻(xiàn)實例分析

     ③ 光纖記錄/鈣成像技術(shù)—光纖記錄及內(nèi)窺鏡技術(shù) 
    • 光纖記錄與微型鈣熒光顯微鏡技術(shù)的原理

    • 鈣熒光病毒的選擇與表達(dá)

    • 光纖記錄系統(tǒng)和微型鈣熒光顯微鏡的實際應(yīng)用

     ④ 光纖記錄/鈣成像技術(shù)—光纖記錄實驗及數(shù)據(jù)分析 
    • 鈣離子成像機(jī)制

    • 鈣離子成像方法

    • 光纖記錄實驗

    • 光纖記錄數(shù)據(jù)處理

     ⑤ 在體多通道記錄—在體電生理技術(shù)及神經(jīng)科學(xué)研究解決方案 

    • 在體電生理記錄的基本分類

    • 多通道微絲電極陣列的特點

    • 電極陣列的制作以及手術(shù)植入

    • 神經(jīng)環(huán)路研究解決方案

     ⑥ 在體多通道記錄—在體多通道記錄技術(shù) 

    • 局部場電位

    • 動作電位

    • 多研究方法聯(lián)用案例

     ⑦ 腦電肌電信號記錄 

    • 腦電信號

    • 肌電信號

    • 常見腦電/肌電信號應(yīng)用領(lǐng)域

     ⑧ 腦刺激技術(shù) 

    • 經(jīng)顱電刺激

    • 經(jīng)顱磁刺激

    • 感覺刺激

    • 深部腦刺激

    • 光遺傳刺激

    ⑨ 腦機(jī)接口技術(shù)
    • 無創(chuàng)式腦機(jī)接口

    • 半植入式腦機(jī)接口

    • 全植入式腦機(jī)接口

    ⑩ 活體成像技術(shù)
    • 活體成像研究背景

    • 活體生物發(fā)光成像

    • 活體熒光成像

    ? 散斑成像與多普勒成像
    • 激光散斑血流成像技術(shù)及應(yīng)用

    • 激光多普勒技術(shù)及應(yīng)用

    • 超聲多普勒技術(shù)及應(yīng)用

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    01
    實用性強(qiáng)

    涵蓋科研基礎(chǔ)知識、實驗技能、經(jīng)驗總結(jié)

    02
    形式多樣

    囊括視頻課程、實驗手冊、SOP流程圖……

    03
    內(nèi)容豐富,持續(xù)更新

    “沃”的實驗線上學(xué)習(xí)平臺將陸續(xù)上線,包含常見疾病動物模型、實驗動物手術(shù)操作、實驗動物行為評估、神經(jīng)信號研究、細(xì)胞與分子研究……陪你走過整個學(xué)期,一站式助你提升科研技能

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    操作便捷
    觀看操作方便,可以隨時觀看學(xué)習(xí)


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  • 實驗操作講解

② 光遺傳/化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)
  • 光遺傳&化學(xué)遺傳技術(shù)背景與原理

  • 手術(shù)/實驗方案設(shè)計

  • 文獻(xiàn)實例分析

 ③ 光纖記錄/鈣成像技術(shù)—光纖記錄及內(nèi)窺鏡技術(shù) 
  • 光纖記錄與微型鈣熒光顯微鏡技術(shù)的原理

  • 鈣熒光病毒的選擇與表達(dá)

  • 光纖記錄系統(tǒng)和微型鈣熒光顯微鏡的實際應(yīng)用

 ④ 光纖記錄/鈣成像技術(shù)—光纖記錄實驗及數(shù)據(jù)分析 
  • 鈣離子成像機(jī)制

  • 鈣離子成像方法

  • 光纖記錄實驗

  • 光纖記錄數(shù)據(jù)處理

 ⑤ 在體多通道記錄—在體電生理技術(shù)及神經(jīng)科學(xué)研究解決方案 

  • 在體電生理記錄的基本分類

  • 多通道微絲電極陣列的特點

  • 電極陣列的制作以及手術(shù)植入

  • 神經(jīng)環(huán)路研究解決方案

 ⑥ 在體多通道記錄—在體多通道記錄技術(shù) 

  • 局部場電位

  • 動作電位

  • 多研究方法聯(lián)用案例

 ⑦ 腦電肌電信號記錄 

  • 腦電信號

  • 肌電信號

  • 常見腦電/肌電信號應(yīng)用領(lǐng)域

 ⑧ 腦刺激技術(shù) 

  • 經(jīng)顱電刺激

  • 經(jīng)顱磁刺激

  • 感覺刺激

  • 深部腦刺激

  • 光遺傳刺激

⑨ 腦機(jī)接口技術(shù)
  • 無創(chuàng)式腦機(jī)接口

  • 半植入式腦機(jī)接口

  • 全植入式腦機(jī)接口

⑩ 活體成像技術(shù)
  • 活體成像研究背景

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  • 活體熒光成像

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  • 激光散斑血流成像技術(shù)及應(yīng)用

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實用性強(qiáng)

涵蓋科研基礎(chǔ)知識、實驗技能、經(jīng)驗總結(jié)

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形式多樣

囊括視頻課程、實驗手冊、SOP流程圖……

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內(nèi)容豐富,持續(xù)更新

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2022-12-21 15:44:13 173 0
詳解光纖記錄在神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究中的應(yīng)用

人類的大腦擁有約900億個神經(jīng)元,神經(jīng)元之間通過突觸相互連接形成了復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),并由此產(chǎn)生各種復(fù)雜的功能。大腦能夠合成和釋放上百種神經(jīng)遞質(zhì),神經(jīng)信號通過突觸釋放的神經(jīng)遞質(zhì)從而在神經(jīng)元之間進(jìn)行傳遞。

大腦中神經(jīng)元以復(fù)雜的通路投射到多個腦區(qū),產(chǎn)生了學(xué)習(xí)認(rèn)知、成癮、情感、控制、動機(jī)、獎勵等豐富的功能。光纖記錄系統(tǒng)則可以通過檢測鈣離子和神經(jīng)遞質(zhì)的熒光變化程度來表征群體神經(jīng)元的活動情況。由于光纖記錄實驗操作較為簡便,目前在神經(jīng)科學(xué)研究中應(yīng)用越發(fā)廣泛。

本文將帶領(lǐng)大家了解一些光纖記錄的實驗應(yīng)用場景,幫助各位更好地了解光纖記錄在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用,以及分享光纖記錄如何助力研究新發(fā)現(xiàn)。


1. 抑郁——a片類藥物戒斷產(chǎn)生抑郁行為的分子環(huán)路機(jī)制[1]

抑郁是藥物戒斷產(chǎn)生的厭惡情緒中最為常見的一種,有研究發(fā)現(xiàn)k-a片類受體(KORs)參與a片類藥物戒斷誘發(fā)的抑郁樣行為,并且該行為與伏隔核(NAc)中多巴胺(DA)釋放減少有關(guān)。然而,KORs調(diào)節(jié)這種與a片類藥物戒斷相關(guān)的厭惡情緒的分子機(jī)制和神經(jīng)元回路目前尚不清楚。

Zan等人在mafei戒斷誘導(dǎo)的抑郁小鼠模型中,利用光纖記錄、膜片鉗、化學(xué)遺傳學(xué)和免疫組化等方法,揭示了mafei戒斷通過增加杏仁核中KOR配體dynorphin的表達(dá)來激活KORs,進(jìn)而激活p38 MAPK并促進(jìn)GLT1表達(dá)。GLT1的表達(dá)上調(diào)降低了杏仁核向NAc的谷氨酸輸入,從而促進(jìn)mafei藥物戒斷誘導(dǎo)的抑郁樣行為。

該研究中,Zan等人使用光纖記錄方法檢測mafei戒斷小鼠BLA-NAc神經(jīng)元投射的活性,發(fā)現(xiàn)mafei戒斷后懸尾測試小鼠的信號迅速下降,表明mafei戒斷降低杏仁核到NAc的興奮性突觸傳遞。

mafei戒斷降低杏仁核到NAc的興奮性突觸傳遞


2.記憶——下丘腦環(huán)路調(diào)控海馬神經(jīng)發(fā)生促進(jìn)記憶提取并對抗焦慮樣行為[2]

成年海馬神經(jīng)發(fā)生在記憶和情緒處理中起重要作用,海馬新生神經(jīng)元在DG中產(chǎn)生、成熟并整合到現(xiàn)有環(huán)路中,并且這個過程由神經(jīng)環(huán)路的活動進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。然而,目前尚不清楚神經(jīng)環(huán)路修飾的海馬新生神經(jīng)元對動物行為記憶的影響。

Li等人聚焦于SuM-DG環(huán)路修飾的ABN(成年新生神經(jīng)元)發(fā)育的不同階段,通過光纖記錄、光遺傳、化學(xué)遺傳、膜片鉗和譜系示蹤等方法,揭示了SuM-DG環(huán)路修飾成年海馬新生神經(jīng)元,促進(jìn)記憶提取和對抗焦慮。

在該研究中,Li等人使用光纖記錄方法檢測SuM-DG神經(jīng)元投射的活性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在豐富環(huán)境(EE)中,小鼠SuM神經(jīng)元活性顯著增加,并且SuM消融后,EE誘導(dǎo)的神經(jīng)反應(yīng)和ABN介導(dǎo)的行為改善被消除,提示SuM-DG環(huán)路修飾的ABN能夠調(diào)控記憶行為。

小鼠SuM-DG神經(jīng)元在EE中活性增高


3. 精神障礙——mPFC-Notch1信號通過Hes1抑制GABAB1受體表達(dá)介導(dǎo)METH誘導(dǎo)的精神障礙[3]

甲基benbingan(METH,冰du)是一種被廣泛濫用的興奮劑藥物,大劑量或長期使用METH會誘發(fā)精神障礙(MIP),目前人們對其發(fā)病機(jī)制還知之甚少,雖然Notch1信號通路已被證明在一些精神疾病的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮作用,但其在MIP中的作用仍不清楚。

Ni等人在METH小鼠模型,使用光纖記錄、免疫組化、WB、PCR以及行為學(xué)等方法,揭示了一個之前未被識別的Notch1-Hes1-GABAB1受體依賴機(jī)制,該機(jī)制涉及MIP中mPFC神經(jīng)元活動和行為表型的調(diào)節(jié),提出了Notch1信號傳導(dǎo)與MIP相關(guān)的神經(jīng)可塑性之間的重要關(guān)聯(lián)

在該研究中,Ni等人為了驗證在METH誘導(dǎo)的運動缺陷中mPFC神經(jīng)元活性是否與Notch1信號有關(guān),通過shRNA下調(diào)了mPFC神經(jīng)元NICD表達(dá)水平,并使用光纖記錄技術(shù)同步記錄mPFC神經(jīng)元的鈣信號:結(jié)果顯示第1天急性METH給藥后鈣信號顯著下降,而在第23天給藥后其鈣信號顯著下降后短時間內(nèi)又恢復(fù)正常,同時與給藥前信號相比顯著降低。而當(dāng)給予生理鹽水,急性期及激發(fā)期不同組信號均未見明顯變化,表明mPFCNICD的下調(diào)可以減弱致敏小鼠的神經(jīng)元活性。

mPFC中NICD的下調(diào)可以減弱致敏小鼠的神經(jīng)元活性


4.疼痛——VPMntng1- S1B通路介導(dǎo)鎮(zhèn)痛新機(jī)制[4]

當(dāng)身體的某個部位在受到傷害感到疼痛時,我們會本能地對它進(jìn)行揉搓或按摩,以此減輕疼痛程度,這種現(xiàn)象被稱為觸摸介導(dǎo)的鎮(zhèn)痛。對于觸摸介導(dǎo)的鎮(zhèn)痛機(jī)制,振動觸覺信息主要由初級軀體感覺皮層(somatosensory cortex, S1)處理,但S1在痛覺中的確切作用仍有爭議。相對而言,對于S1是否以及如何處理面部的痛覺信息目前仍然知之甚少。

Lu等人建立了一個觸摸介導(dǎo)的痛覺抑制的行為模型,使用了光纖記錄、化學(xué)遺傳學(xué)、在體鈣成像、免疫組化以及行為學(xué)評估等實驗技術(shù),觀察到小鼠胡須拂動產(chǎn)生觸覺信號能夠顯著緩解面部疼痛,而阻斷這一觸覺信號傳遞所依賴的丘腦到桶狀皮層(barrel cortex, S1B)環(huán)路,則導(dǎo)致該疼痛緩解作用消失。通過對S1B神經(jīng)元的鈣信號進(jìn)行分析,作者發(fā)現(xiàn)胡須拂動改變了S1B神經(jīng)元對痛覺信號的處理,并推動由傷害性刺激引起的神經(jīng)狀態(tài)向非傷害性的行為結(jié)果過渡。該研究表明,S1B整合了面部觸覺和痛覺信號,實現(xiàn)了觸摸介導(dǎo)的鎮(zhèn)痛。

在該研究中,Lu等人為了檢測胡須拂動產(chǎn)生觸覺信號是否需要依賴丘腦腹后內(nèi)側(cè)核(VPM)中表達(dá)Ntng1的神經(jīng)元(VPMNtng1),利用光纖記錄技術(shù)觀察到VPMNtng1神經(jīng)元對非傷害性的吹氣刺激的反應(yīng)比對傷害性的熱或機(jī)械刺激的反應(yīng)要更為強(qiáng)烈,這與VPM主要傳遞觸摸信號的作用相一致,表明胡須拂動產(chǎn)生的觸覺信號確實可以緩解面部疼痛。

VPMNtng1神經(jīng)元主要向S1B傳遞觸覺信號,而非傷害性信號

上述研究中,研究人員們都采用了瑞沃德公司生產(chǎn)的光纖記錄系統(tǒng),為實驗的順利開展提供了助力。迄今,瑞沃德光纖記錄系統(tǒng)已助力國內(nèi)外100+高校的科研工作開展,如北京大學(xué),浙江大學(xué),斯坦福大學(xué),倫敦大學(xué)學(xué)院等,并促成各大課題組研究成果在Nature Neuroscience等頂/級學(xué)術(shù)期刊發(fā)表。

瑞沃德三色多通道光纖記錄R821


  • 9通道,6種激發(fā)光組合模式

  • 高靈敏探測器,穩(wěn)定采集不掉幀

  • 超過20種事件標(biāo)記,靈活定義實驗需求

  • 集成熒光記錄和行為視頻記錄

  • 記錄分析一鍵切換,輕松得到處理結(jié)果

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【參考文獻(xiàn)】

1. Zan Gui-Ying, Wang Yu-Jun, Li Xue-Ping et al. Amygdalar κ-opioid receptor-dependent upregulating glutamate transporter 1 mediates depressive-like behaviors of opioid abstinence.[J] .Cell Rep, 2021, 37: 109913.

2. Li Ya-Dong, Luo Yan-Jia, Chen Ze-Ka et al. Hypothalamic modulation of adult hippocampal neurogenesis in mice confers activity-dependent regulation of memory and anxiety-like behavior.[J] .Nat Neurosci, 2022, 25: 630-645.

3. Ni Tong, Zhu Li, Wang Shuai et al. Medial prefrontal cortex Notch1 signalling mediates methamphetamine-induced psychosis via Hes1-dependent suppression of GABA receptor expression.[J] .Mol Psychiatry, 2022, 27: 4009-4022.

4. Lu Jinghao, Chen Bin, Levy Manuel et al. Somatosensory cortical signature of facial nociception and vibrotactile touch-induced analgesia.[J] .Sci Adv, 2022, 8: eabn6530.



2022-12-16 08:37:14 578 0
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2010-03-02 07:50:13 588 5
詳解磁控濺射技術(shù)


一、磁控濺射的工作原理:

磁控濺射是一種常用的物理氣相沉積(PVD)的方法,具有沉積溫度低、沉積速度快、所沉積的薄膜均勻性好,成分接近靶材成分等眾多優(yōu)點。

磁控濺射的工作原理是:在高真空的條件下充入適量的氬氣,在陰極(柱狀靶或平面靶)和陽極(鍍膜室壁) 之間施加幾百K 直流電壓,在鍍膜室內(nèi)產(chǎn)生磁控型異常輝光放電,電子在電場E的作用下,在飛向基片過程中與氬原子發(fā)生碰撞,使氬氣發(fā)生電離(在高壓作用下Ar 原子電離成為Ar+離子和電子),入射離子(Ar+)在電場的作用下轟擊靶材,使得靶材表面的中性原子或分子獲得足夠動能脫離靶材表面,沉積在基片表面形成薄膜。而產(chǎn)生的二次電子會受到電場和磁場作用,產(chǎn)生E(電場)×B(磁場)所指的方向漂移,簡稱E×B漂移,其運動軌跡近似于一條擺線。若為環(huán)形磁場,則電子就以近似擺線形式在靶表面做圓周運動,它們的運動路徑不僅很長,而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi),并且在該區(qū)域中電離出大量的Ar+ 來轟擊靶材,從而實現(xiàn)了高的沉積速率。隨著碰撞次數(shù)的增加,二次電子的能量消耗殆盡,逐漸遠(yuǎn)離靶表面,并在電場E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低,傳遞給基片的能量很小,致使基片溫升較低。

磁控濺射是入射粒子和靶的碰撞過程。入射粒子在靶中經(jīng)歷復(fù)雜的散射過程,和靶原子碰撞,把部分動量傳給靶原子,此靶原子又和其他靶原子碰撞,形成級聯(lián)過程。在這種級聯(lián)過程中某些表面附近的靶原子獲得向外運動的足夠動量,離開靶被濺射出來。

 

二、磁控濺射優(yōu)點:

(1)沉積速率快,沉積效率高,適合工業(yè)生產(chǎn)大規(guī)模應(yīng)用;在沉積大部分的金屬薄膜,尤其是沉積高熔點的金屬和氧化物薄膜時,如濺射鎢、鋁薄膜和反應(yīng)濺射TiO2、ZrO2薄膜,具有很高的沉積率。

(2)基片溫度低,適合塑料等不耐高溫的基材鍍膜;

(3)制備的薄膜純度高、致密性好、薄膜均勻性好、膜基結(jié)合力強(qiáng)。濺射薄膜與基板有著極好的附著力,機(jī)械強(qiáng)度也得到了改善;濺射的薄膜聚集密度普遍提高了,從顯微照片看,濺射的薄膜表面微觀形貌比較精致細(xì)密,而且非常均勻。

(4)可制備金屬、合金、半導(dǎo)體、鐵磁材料、絕緣體(氧化物、陶瓷)等薄膜;

(5))濺射的薄膜均具有優(yōu)異的性能。如濺射的金屬膜通常能獲得良好的光學(xué)性能、電學(xué)性能及某些特殊性能;

(6)環(huán)保無污染。傳統(tǒng)的濕法電鍍會產(chǎn)生廢液、廢渣、廢氣,對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。不產(chǎn)生環(huán)境污染、生產(chǎn)效率高的磁控濺射鍍膜法則可較好解決這一難題。

 

三、磁控濺射技術(shù)的分類:

(一)磁控濺射按照電源的不同,可以分為直流磁控濺射(DC射頻磁控濺射(RF。

  顧名思義,直流磁控濺射運用的是直流電源,射頻磁控濺射運用的是交流電源(射頻屬于交流范疇,頻率是13.56MHz。我們平常的生活中用電頻率為50Hz)。

  兩種方式的用途不太一樣,直流磁控濺射一般用于導(dǎo)電型(如金屬)靶材的濺射,射頻一般用于非導(dǎo)電型(如陶瓷化合物)靶材的濺射。

 

  兩種方式的不同應(yīng)用

  直流磁控濺射只能用于導(dǎo)電的靶材(靶材表面在空氣中或者濺射過程中不會形成絕緣層的靶材),并不局限于金屬。譬如,對于鋁靶,它的表面易形成不導(dǎo)電的氧化膜層,造成靶表面電荷積累(靶中毒),嚴(yán)重時直流濺射無法進(jìn)行。這時候,就需要射頻電源,簡單的說,用射頻電源的時候,有一小部分時間是在沖抵靶上積累的電荷,不會發(fā)生靶中毒。

  射頻磁控濺射一般都是針對絕緣體的靶材或者導(dǎo)電性相對較差的靶材,利用同一周期內(nèi)電子比正離子速度快進(jìn)而沉積到靶材上的電子數(shù)目比正離子數(shù)目多從而建立起自偏壓對離子進(jìn)行加速實現(xiàn)靶的濺射。

 

  兩種方式的特點:

  1、直流濺射:對于導(dǎo)電性不是很好的金屬靶,很難建立較高的自偏壓,正離子無法獲得足夠的能量去轟擊靶材

  2、射頻的設(shè)備貴,直流的便宜。

 

(二)磁控濺射按照磁場結(jié)構(gòu),可以分為平衡磁控濺射非平衡磁控濺射。

平衡磁控濺射即傳統(tǒng)的磁控濺射,是在陰極靶材背后放置芯部與外環(huán)磁場強(qiáng)度相等或相近的永磁體或電磁線圈,在靶材表面形成與電場方向垂直的磁場。沉積室充入一定量的工作氣體,通常為Ar,在高壓作用下Ar 原了電離成為Ar+離子和電子,產(chǎn)生輝光放電,Ar+ 離子經(jīng)電場加速轟擊靶材,濺射出靶材原子、離子和二次電子等。電子在相互垂直的電磁場的作用下,以擺線方式運動,被束縛在靶材表面,延長了其在等離子體中的運動軌跡,增加其參與氣體分子碰撞和電離的過程,電離出更多的離子,提高了氣體的離化率,在較低的氣體壓力下也可維持放電,因而磁控濺射既降低濺射過程中的氣體壓力,也同時提高了濺射的效率和沉積速率。

 

但平衡磁控濺射也有不足之處,例如:由于磁場作用,輝光放電產(chǎn)生的電子和濺射出的二次電子被平行磁場緊緊地約束在靶面附近,等離子體區(qū)被強(qiáng)烈地束縛在靶面大約60 mm 的區(qū)域,隨著離開靶面距離的增大,等離子濃度迅速降低,這時只能把工件安放在磁控靶表面50~100 mm的范圍內(nèi),以增強(qiáng)離子轟擊的效果。這樣短的有效鍍膜區(qū)限制了待鍍工件的幾何尺寸,不適于較大的工件或裝爐量,制約了磁控濺射技術(shù)的應(yīng)用。且在平衡磁控濺射時,飛出的靶材粒子能量較低,膜基結(jié)合強(qiáng)度較差,低能量的沉積原子在基體表面遷移率低,易生成多孔粗糙的柱狀結(jié)構(gòu)薄膜。提高被鍍工件的溫度固然可以改善膜層的結(jié)構(gòu)和性能,但是在很多的情況下,工件材料本身不能承受所需的高溫。

 

非平衡磁控濺射的出現(xiàn)部分克服了以上缺點,將陰極靶面的等離子體引到濺射靶前200~300 mm 的范圍內(nèi),使基體沉浸在等離子體中,如圖所示。這樣,一方面,濺射出來的原子和粒子沉積在基體表面形成薄膜,另一方面,等離子體以一定的能量轟擊基體,起到離子束輔助沉積的作用,大大的改善了膜層的質(zhì)量。

非平衡磁控濺射系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu),一種是其芯部磁場強(qiáng)度比外環(huán)高,磁力線沒有閉合,被引向真空室壁,基體表面的等離子體密度低,因此該方式很少被采用。另一種是外環(huán)磁場強(qiáng)度高于芯部磁場強(qiáng)度,磁力線沒有完全形成閉合回路,部分外環(huán)的磁力線延伸到基體表面,使得部分二次電子能夠沿著磁力線逃逸出靶材表面區(qū)域,同時再與中性粒子發(fā)生碰撞電離,等離子體不再被完全限制在靶材表面區(qū)域,而是能夠到達(dá)基體表面,進(jìn)一步增加鍍膜區(qū)域的離子濃度,使襯底離子束流密度提高,通常可達(dá)5 mA/cm2 以上。這樣濺射源同時又是轟擊基體表面的離子源,基體離子束流密度與靶材電流密度成正比,靶材電流密度提高,沉積速率提高,同時基體離子束流密度提高,對沉積膜層表面起到一定的轟擊作用。

 

非平衡磁控濺射離子轟擊在鍍膜前可以起到清洗工件的氧化層和其他雜質(zhì),活化工件表面的作用,同時在工件表面上形成偽擴(kuò)散層,有助于提高膜層與工件表面之間的結(jié)合力。在鍍膜過程中,載能的帶電粒子轟擊作用可達(dá)到膜層的改性目的。比如,離子轟擊傾向于從膜層上剝離結(jié)合較松散的和凸出部位的粒子,切斷膜層結(jié)晶態(tài)或凝聚態(tài)的優(yōu)勢生長,從而生更致密,結(jié)合力更強(qiáng),更均勻的膜層,并可以較低的溫度下鍍出性能優(yōu)良的鍍層。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制備各種硬質(zhì)薄膜。

 

(三)反應(yīng)磁控濺射:以金屬、合金、低價金屬化合物或半導(dǎo)體材料作為靶陰極,在濺射過程中或在基片表面沉積成膜過程中與氣體粒子反應(yīng)生成化合物薄膜,這就是反應(yīng)磁控濺射。反應(yīng)磁控濺射廣泛應(yīng)用于化合物薄膜的大批量生產(chǎn),這是因為:

(1)反應(yīng)磁控濺射所用的靶材料 ( 單元素靶或多元素靶 ) 和反應(yīng)氣體 ( 氧、氮、碳?xì)浠衔锏?) 純度很高,因而有利于制備高純度的化合物薄膜。

(2)通過調(diào)節(jié)反應(yīng)磁控濺射中的工藝參數(shù) , 可以制備化學(xué)配比或非化學(xué)配比的化合物薄膜,通過調(diào)節(jié)薄膜的組成來調(diào)控薄膜特性。

(3)反應(yīng)磁控濺射沉積過程中基板升溫較小,而且制膜過程中通常也不要求對基板進(jìn)行高溫加熱,因此對基板材料的限制較少。

(4) 反應(yīng)磁控濺射適于制備大面積均勻薄膜,并能實現(xiàn)單機(jī)年產(chǎn)上百萬平方米鍍膜的工業(yè)化生產(chǎn)。

 

四、磁控濺射的應(yīng)用:

磁控濺射技術(shù)是一種非常有效的沉積鍍膜方法,非常廣泛的用于薄膜沉積和表面覆蓋層制備??杀挥糜谥苽浣饘佟雽?dǎo)體、鐵磁材料、絕緣體(氧化物、陶瓷)等多材料,尤其適合高熔點和低蒸汽壓的材料沉積鍍膜在適當(dāng)條件下多元靶材共濺射方式,可沉積所需組分的混合物、化合物薄膜;在濺射的放電氣中加入氧、氮或其它活性氣體,可沉積形成靶材物質(zhì)與氣體分子的化合物薄膜;且設(shè)備簡單、鍍膜面積大和附著力強(qiáng)。

 

磁控濺射目前是一種應(yīng)用十分廣泛的薄膜沉積技術(shù),濺射技術(shù)上的不斷發(fā)展和對新功能薄膜的探索研究,使磁控濺射應(yīng)用延伸到許多生產(chǎn)和科研領(lǐng)域。

 

(1)在微電子領(lǐng)域作為一種非熱式鍍膜技術(shù),主要應(yīng)用在化學(xué)氣相沉積(CVD)或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長困難及不適用的材料薄膜沉積,而且可以獲得大面積非常均勻的薄膜。包括歐姆接觸的Al、Cu、Au、W、Ti等金屬電極薄膜及可用于柵絕緣層或擴(kuò)散勢壘層的TiN、Ta2O5、TiO、Al2O3、ZrO2、AlN等介質(zhì)薄膜沉積。

 

(2)磁控濺射技術(shù)在光學(xué)薄膜(如增透膜)、低輻射玻璃和透明導(dǎo)電玻璃等方面也得到應(yīng)用。在透明導(dǎo)電玻璃在玻璃基片或柔性襯底上,濺射制備SiO2薄膜和摻雜ZnO或InSn氧化物(ITO)薄膜,使可見光范圍內(nèi)平均光透過率在90%以上。透明導(dǎo)電玻璃廣泛應(yīng)用于平板顯示器件、太陽能電池、微波與射頻屏蔽裝置與器件、傳感器等。

 

(3)在現(xiàn)代機(jī)械加工工業(yè)中,利用磁控濺射技術(shù)制作表面功能膜、超硬膜,自潤滑薄膜,能有效的提高表面硬度、復(fù)合韌性、耐磨損性和抗高溫化學(xué)穩(wěn)定性能,從而大幅度地提高涂層產(chǎn)品的使用壽命。

 

磁控濺射除上述已被大量應(yīng)用的領(lǐng)域,還在高溫超導(dǎo)薄膜、鐵電體薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜發(fā)光材料、太陽能電池、記憶合金薄膜研究方面發(fā)揮重要作用。

 

五、磁控濺射的實用案例:

 

圖1 磁控濺射制備的MoS2薄膜,相比于CVD法,成功在低溫下制備了垂直片層的MoS2薄膜

 

圖2 磁控濺射法制備SiC多層薄膜用于鋰電池正極,可得到有均勻調(diào)制周期和調(diào)制比的多層薄膜


2022-10-28 14:57:47 3564 0
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2022-12-15 17:06:30 323 0
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