基因芯片技术在磁性材料研制中的应用及其前景

摘要：高通量组合设计、合成和筛选技术可用于磁性材料芯片的研制。本文阐述芯片技术的发展概况、磁性材料芯片的制备流程和特点、研制磁性材料芯片需要解决的一些问题、目前的进展情况和应用前景。

一、引言
随着科学技术的迅猛发展，工农业生产效率的不断提高，人类生活内容和方式的快速变化，对于各种各样新材料的需求与日俱增。尽管目前世界上每年有数以百万计的新材料被发现，但有实用价值的仅为百分之一左右，且其中大部分还是在偶然情况下发现的。
对于多元复杂体系的新材料研制，迄今尚缺乏成熟的先验性理论，人们多半靠经验的较为粗浅的理论来研制，因此，研制周期长、风险大、效率低和成本高。显然，传统的研制方法和手段已远不能满足科学技术、国防建设和工农业生产发展的需要。
人们在免疫系统抗病毒原理研究中发现，人类一旦受到病毒的侵袭，体内会瞬间释放出高达个抗体，且会通过生化过程迅速自动筛选出绑定病原体的有用抗体。受到这一原理的启发，H.Geysen等人提出了组合化学技术，随后人们在催化剂和聚合物等化工材料、新药和基因芯片等技术的研究过程中，进一步发展了组合化学和高通量功能筛选技术，从而大大加速了化工材料、新药和基因芯片的开发进程。将组合学和高通量功能筛选技术应用于多元、复杂系统的各种化合物研制上，也明显提高了这些材料的研制和开发速度。
基因芯片是一种生物芯片，生物芯片包括蛋白芯片、组织芯片、细胞芯片、基因芯片和微流体芯片等。基因芯片技术科技含量很高，它是一种应用高通量组合设计、合成和筛选技术，在玻璃、硅片或特种膜片上制备大量、高密度“基因探针”的技术。基因芯片的用途相当广泛，例如，在孕妇的产前检查中，只要抽取少量羊水或者父母的血液就可检测出胎儿是否患有遗传性疾病；由于“基因探针”密度非常高，它可同时鉴别出几十乃几千种遗传疾病。
目前，从化工材料、新药和基因芯片等的研究过程中发展起来的组合化学和高通量功能筛选技术，已得到了国外不少政府部门和科技工作者的极大重视，并已将这一技术扩展到半导体材料、超导材料、发光材料和电子材料，以及微传感器阵列等研制领域中。例如，美国商业部国家技术与标准局已制订了新技术发展计划，对组合化学和材料研究从软件到硬件进行全方位投资，国防部针对集成组合技术所需要的微传感器阵列研究投入了巨资，能源部、国家基金委和许多大公司也对各自感兴趣的领域投入了大量的人力和物力。日本、德国、英国和法国的政府机构、大学和公司也对这个高新技术给以了高度的重视和重点加以研究。
国内也早已对组合化学和高通量功能筛选技术引起了重视。1998年中国科学院上海原子核研究所率先应用组合离子注入法制备了第一枚硅基材料芯片。中国科学院上海生命科学院和上海高校近两年来应用这一新技术研制出了百余项新药。1999年11月，国家自然科学基金会在制订化学学科2015发展规划（划案）时，也把组合技术和基因芯片列为优先发展的新技术。

二、材料芯片制备及其特点
基因芯片技术的核心是高通量组合设计、合成、筛选技术和生物技术，高通量组合设计、合成和筛选技术同样可以用来研制磁性材料等固体新材料；换句话说，结合材料的不同特点，采用高通量组合设计，合成和筛选技术同样也可以用于合成和制备一个高密度材料库，即材料芯片。
1、制备特点
制备材料芯片的特点有三：（1）可用自动化设备进行高通量制备。（2）特别适合于制备多组无复杂混合物，以此获得大量新材料。（3）用高通量方法可以制备得到多元和多成分材料，可使偶然发现有用新材料的概率大大增加。
2、材料芯片的高通量组合设计、合成和筛选流程
材料芯片研制与应用组合化学技术研制化合物和新药的方法有许多共同之处，其高通量组合设计、合成和筛选流程大体上如图1所示。

为了清晰地了解图1所示的各个流程，下面以研究掺Co锐钛矿铁磁性薄膜为例，较为具体地阐述磁性材料芯片的高通量组合设计、合成和筛选过程。
是一种在可见光到近红外区域透明的高折射率和高介电常量材料，通常具有金红石型、锐钛矿型和板钛矿型三种晶体结构，Ti离子占据八面体位[5]，是一种宽带隙氧化物半导体，但不是稀磁半导体。将3d过渡金属掺入能否变成稀磁半导体呢？从理论上讲是可行的，然而用传统晶体生长方法研究（制），不仅难度很大，而且研究（制）周期十分漫长。Y.Matsumoto采用集成组合材料芯片技术，在较短时间内就很好地解决了这个问题。
（1）靶标的确定
磁性材料芯片研制首先需要明确确定研制或发现何种材料，其物理和化学性能应达到哪些要求。例如，要求发现在可见光到近红外区域内为无色透明的稀磁半导体晶体薄膜材料。
业已发现，在III-V和II-VI族半导体基质中掺入磁性杂质可以得到铁磁性的半导体，这是一类自旋电子学的关键材料。利用其电子电荷与自旋的相关性，可以做成与自旋相关的电子器件，如巨磁电阻和自旋场效应晶体三极管[6，7]。按照理论预测，ZnO中掺入3d过渡金属元素可以变成铁磁性的稀磁氧化物[8]。锐钛矿是一种高迁移率的n型氧化物半导体，根据以上理论和实验发现，在锐钛矿中掺入Co有望成为透明的稀磁半导体材料。基于此，可以初步确定的研制方案为：应用高通量组合设计方法，根据靶标的光、电、磁性能要求，在同一个（001）LαAl和（001）SrTiC单晶衬底上外延生长9个不同掺Co量的锐钛矿薄膜样品。
（2）材料库制备
对于高通量组合材料库，即材料芯片的制备，一般都要用掩膜技术，因此制备材料芯片需要涉及设计掩膜策略、选定淀积集成组合薄膜材料的方法和热处理等诸方面。
芯片可用组合激光分子束外延技术来制备，在温度为950-1000K，氧气压为1×-1×Torr的条件下，用λ=248nm的KrF激光脉冲蒸发和掺Co的Co0.5Ti0.5O2陶瓷靶来制备薄膜，在淀积制备过程中需要同时采用组合掩膜的旋转方案[9]。
根据各种材料及其特性的不同要求，制备材料芯片的方法还有多种：组合离子注入法，多靶共溅射薄膜沉积技术+离子束技术，多靶电子束蒸发技术和多靶共溅射薄膜沉积技术等。
为了提高高通量材料库，即材料芯片的性能，一般还需要进行热处理和结构调整。热处理方法有：气氛（如氢气）退火，快速热退火炉退火，真空溅射室原位退火，超高真空STM在位退火等。
按照现有技术水平，材料芯片的密度可以做得相当高。J.S.Wang等人[10]早在1998年就采用四分组合掩膜策略和光刻法，在2.5×2.5cm2的加热氧化Si基片上，用RF/DC溅射和脉冲激光淀积制备了1024个不同掺杂（Ag）成分/SiO2薄膜样品（图2），由此发现了这类兰荧光材料。可以预期，随着制备技术的发展和检测手段的不断提高，材料芯片的密度必将越来越高。
（3）库表征
材料芯片制成以后，需要对芯片中所有薄膜样品进行各种物理和化学性能的检测，应用计算机对检测结果进行理论分析和模拟。
对于掺Co二氧化钛材料芯片，在温度T=3K处用扫描超导量子干涉元件（SQUID）显微镜观察发现，不同含Co量的锐钛矿薄膜中均存在尺度20μm的磁畴，而在纯（x=0）薄膜和LaAl衬底中均未观察到磁畴（图3），这表明在掺Co的锐钛矿中相中存在铁磁性长程有序。在室温和磁场方向平行于薄膜表面情况下，对淀积在（001）SrTi衬底上的掺Co薄膜测量到了M-H磁滞回线，M为薄膜的磁化强度。通过M-T测量得到了居里温度Tc>400K。光学测量表明，掺Co薄膜在近红外到可见光区域是无色透明的。
检测材料芯片的手段是很多的。一般地说，利用背散射分析（μ-RBS）、质子探针、俄歇（Auger）谱仪和拉曼光谱等微区分析手段可以进行组分分析，利用STM、AFM和扫描电镜（SEM）等方法可以对样品表面进行形貌观察，利用微束X射线衍射技术、广延X射线吸收谱（EXAFS）、X射线吸收近边结构（XANS）、穆斯堡尔谱、慢正电子湮灭、X射线光电子谱（XPS）、扫描透射电子显微镜（STEM）、磁力显微镜（MFM）、表面磁光克尔效应（SMOKE）和低能电子衍射（LEED）等方法可以分析经热处理后的晶粒长大、空位迁移、相析出、磁畴结构、表面和界面原子结构等结构信息。利用磁力显微镜、磁光克尔谱仪和磁阻测试仪等设备可以测量材料芯片的电、光、磁性能等。
对于高密度集成材料芯片，用传统的探测头是很难进行精确测量的，因此，为了高效、快速、可靠的测量，还必需对相关测试设备配备微传感器及其探头阵列。
（4）数据采集
对材料芯片检测所取得的大量数据必需要进行有效的采集和分类，为此，可以根据被研究材料的理论知识，实验规律、实验数据和相关结果，应用数据库技术建立被研制样品的成分—制备工艺—材料结构—物理和化学性能的数据库。采用编码技术对数据库进行分类，采用人工智能技术建立数据库的搜索引擎，编写数据库检索和可视化集成软件。在此基础上，按指令将所需的数据采集出来。
（5）材料初选
根据采集到的大量数据，自动择优筛选出材料芯片中满足性能要求的所有薄膜样品。
（6）二次制备和筛选材料
对初选材料的成分、制备工艺、材料结构、物理和化学性能进行分析、研究后，按图1所示步骤，进行第二次库制备等步骤，在此基础上筛选出先导材料。
（7）规模化试制
针对筛选出来的先导材料进行规模化试制，为规模生产打下基础。

三、需要研究和解决的一些问题
磁性材料芯片研制和开发是一个复杂的系统工程，它涉及组合设计方法学、材料学、信息学、模拟技术、各种物理和化学性能的检测技术、材料库制备技术、高速并行分析技术、微传感器技术、微机械技术、以及样品库的编码和定位技术。对于高密度材料库，则还要涉及数据库管理系统和数据挖掘系统，以及高速大容量并行计算机系统和高带宽网络系统；需要综合材料学、物理学、化学、计算数学、自动化、微机械和微电子学等多学科的优势，因此，科技含量极高。
磁性材料芯片研制在国际上尚属起步阶段，需要研究和解决的问题很多。主要有如下几个方面：掩膜和组合设计方法研究，预测算法和优化技术研究，复杂体系的分子动力学模拟和性质模拟技术，被研制材料的特有性能研究及其检测方法，物理和化学等性能的一体化筛选技术，微传感器及其探头阵列的研究，高密度样品库的编码和精确定位技术，建立数据库搜索引擎，数据库可视化集成软件包，材料性质与各种空间尺度和时间尺度关联性的研究等。

四、目前进展情况
应用高通量组合设计、合成和筛选技术研制新型磁性材料已取得了初步进展。G.Brice駉 等人[11]应用薄膜淀积组合和物理掩膜技术制备了含有128个不同成份和化学计量的薄膜的材料库，其中Ln=Y，Lα，M=Pb，Cα，Sr或Bα。研究发现，这类含Co化合物的磁致伸缩随碱土离子的大小而增加，与含Mn化合物刚好相反。
Y.Matsumoto等人[3]应用高通量组合设计、合成和筛选技术，研究了过渡金属在中的固溶性及其磁性质，发现锐钛薄膜是一种无色透明的铁磁性物质，它又是一种宽带隙氧化物半导体。这表明，稀磁半导体和宽带隙氧化物半导体有可能成为很有前途的磁光材料。

五、应用范围和前景
高通量组合设计、合成（制备）和筛选技术是材料科学研究领域中的一大突破，应用这一技术可以大大提高（磁性）材料的合成和筛选效率，大大提高发现新材料的概率。这一技术可以用于新药合成，催化剂、聚合物和各中固态化合物等化工材料，以及上面介绍的制备集成器件用的各种各样薄膜材料。根据材料芯片研制的基本原理和特点可以看出，这一技术同样可以用来研制各种新型块状单晶和多晶材料，包括各种磁性单晶、磁光单晶、磁性和磁光多晶材料，当然，研制的具体方法和步骤与研制材料芯片应有所不同。
材料芯片技术的进展还将促进大容量数据存储、高速计算机、机器人、微机电系统、微传感器技术和高速平行分析技术等技术领土攻行业的发展。
综上所述，材料芯片技术在研究和开发新型磁性材料方面具有巨大的潜力和应用前景，谁率先掌握和运用这一先进技术，谁就有可能占领发现和开发新型磁性材料的制高点，其经济效益和社会效益，进而其政治和军事意义将难以估量。■

参考文献
[1] H.M. Geysen，R.H.Meloen and S.J. Barteling，《Use of peptide synthesis to probeviral antidens for epitopes to a resolution of
a single aminoacid》， Proc.Natl Acad. USA，1984，81:3998.
[2] X.D.Xiang， X.Sun， G.Briceho，Y.Lou， K.A. Wang， et al.，Science，268，(1995)1738.
[3] E.Danielson，J.H. Golden， E.W.Mcfarland，C.M.Reaves， W.H. Weinberg and X.D.Wu，Nature，389，(1997)944.
[4] P.G. Schultz， R.A.Lemer，Science，269，(1995)1835.
[5] Y.Matsumoto， M.Murakami， Shono，T.Hasegawa，T.Fukumura，M. Kawasaki，P.Ahmet，T.Chikyow，S.Koshiha and H.Koinuma，
《Room-temperature ferromagnetism in transparent transition metal-doped Titanium dioxide》，Science，291，(2001)854.
[6] H.Ohno，Science，281，(1998)951.
[7] J.K.Furdyna，J.Appl.Phys.，64，(1998)R29.
[8] T.Fukumura，Z.W. Jin， A. Ohtomo，H.Koinuma and M.Kawasaki，Appl.Phys.Lett.， 75，(2000)3366.
[9] Y.Matsumoto et al.，Jpn.J.Appl..Phys.38，L603(1999).
[10] J.S. Wang，Y.Yoo，C.Gao，I.Takeuchi，X.D.Sun，H.Y.Chang，X.D.Xiang and P.G. Schultz，Science，279，(1998)1712.
[11] G.Briceno，H.Y.Chang，X.D， Sun， P.G. Schultz and X.-D. Xiang，《Aclass of Cobalt oxide magnetoresistance materials discovered
with combinatoria》， Science，270，(1995)273.