专利名称：准晶光子异质结构的组装的制作方法
准晶光子异质结构的组装本工作得到了国家科学基金(经费号DMR0451589、 DMR021306 和DMR0243001 )和美国能源部(经费号DE-FG02-91ER40671 )的 支持。相关专利申请的交叉引用本专利申请要求于2005年7月8日提交的美国临时申请第 60/697,872号的优先权并且通过引用将其整体并入本文。发明领域本发明一般涉及准晶异质结构领域。更具体地，本发明涉及在二 维中或沿三维结构中的任何二维以特定的取向对称性、或者以任何特 定的三维准晶对称性的准晶光子异质结构的组装，还涉及使用全息光 阱(HOTS)来执行该组装以及这些HOTS组装的结构在多种应用中 的使用。发明背景长期以来，由于晶体材料的晶体对称性而产生的物理性能，晶体材料在许多光学和电子应用中得到了开发利用。尽管这些晶体材料使得许多科技应用得以实现，但是这种晶体对称性也存在限制。例如， 已知具有高和低折射率的交替畴(domain)的介电材料的有序排列(arrangement)表现出被称作光子带隙(photonic bandgap)的光传输性 能。光子带隙材料的光学性能的特征在于， 一定频率范围的光不能传 播，也不能被吸收。这种性能与用于传输电子的半导体中产生的电子 带隙相似，并且应该导致类似的宽广范围的应用。材料的光子带隙限 度(extent)不但取决于组成介电材料的介电性能还取决于其三维排列的对称性。晶体排列可用的不同对称性的有限组集需要非常大的介电常数反差来获得完全(full)的光子带隙，并且这些对称性产生光学 性能对结构和化学缺陷非常敏感的光学材料。相比之下，已知准晶体 具有比晶体高得多的旋转对称性。因此，准晶体应表现出比相同材料 的任何晶体排列更大且更均匀的光子带隙，并且应该具有更加抵抗缺 陷和无序的光学性能。因此，基于其光学和其它物理性能，材料的二 维和三维准晶排列应该具有宽广范围的科技应用。发明概述因此本发明的一个目的是提供制造准晶结构的改良系统和方法。 本发明的另一个目的是提供使用全息光阱制造准晶光子异质结构的改良系统和方法。本发明的又一个目的是提供三维准晶光子异质结构的改良制品。 本发明的再一个目的是提供用于构造具有在晶体材料中被禁止的光子带隙的材料的改良系统和方法。本发明的另 一个目的是提供用于构造旋转对称异质结构的改良系 统和方法，所述旋转对称异质结构具有晶体材料所不能获得的光学、 力学、化学、生物、电学和磁性能。本发明的一个另外目的是提供具有可设计(programmable)的光 学、力学、生物、电学、磁和化学性能的改良准晶异质结构。本发明的又一个目的是提供用于构造一种准晶结构的改良系统和 方法，所述准晶结构对于选定的科技应用具有特定的布里渊区。本发明的另一个目的是提供用于构造一种准晶材料的改良系统和 方法，所述准晶材料具有大体上为球形的布里渊区。本发明的再一个另外目的是提供用于构造一种准晶材料的改良系 统和方法，所述准晶材料具有长程取向有序性而没有转变周期性，并 且进行构建以便按响应电场、磁场和电磁辐射中至少一种的预定方式 工作。本发明的另一个目的是提供构造准晶异质结构的改良系统和方 法，可以通过重新安置颗粒使所述准晶异质结构从一种结构状态转变为另一种状态从而改变该排列的物理、生物和化学性能。本发明的另一个目的是提供构造准晶异质结构的改良系统和方 法，依照时间敏感性要求，通过使用全息光阱来动态地改变化学和物 理性能。本发明的另一个目的是提供用于构造准晶异质结构的改良系统和 方法，所述准晶异质结构以全息光阱来形成能够产生窄带波导和电磁辐射频率选择滤波器的设计要素(engineered feature)。本发明的又一个目的是提供用于组织不同元件的改良系统和方法，该系统和方法使用全息光阱在准晶异质结构中安置可选的元件来为期望的科技应用建立化学、生物和物理性能。本发明的再一个目的是提供改良的系统、制造方法和制品，其具有故意引入的缺陷用以可设计地获得各种电学、光学、磁、力学、生物和化学性能及应用。本发明的一个另外目的是提供准晶体的改良方法和制品，所述准 晶体具有替换的不同尺寸或形状的球或者其它元件以便改变该准晶体的局部光子特性。本发明的另一个目的是提供一种改良的方法和制品，对于各种应 用，其在不同化学组成的其它分子元件几何结构上或者在不同于给定 准晶位置处选择性地替换一个或多个球来产生新的性能，或者打破该 准晶对称性来产生新的性能。本发明的另一个目的是提供准晶体的改良的方法和制品，该准晶 的特定畴具有拓朴缺陷，例如相滑移，类似于普通晶体分子中的晶界， 从而产生新的有用性能。本发明的另 一个目的是提供一种通过全息捕获操作产生的两个或 者更多准晶畴的改良方法和制品，以产生更高有序结构且所得组合体 具有选自每个分畴的光学性能。本发明的又一个另外目的是提供一种改良的方法和制品，用以产 生一个或多个准晶畴与一个或多个晶畴的组合体来产生有用的更高有 序结构。本发明的另一个目的是提供一种改良的方法和制品，包括使用光镊和/或其它颗粒力组装方法，包括自組装、电泳(electropheresis)、 和光梯度场来组装晶畴和准晶畴以产生有用的组合体结构。由下面的结合下述附图的详细描述，本发明的这些及其它目的、 优点和特性、以及其组织和处理方式将变得显见。附图简述
图1 (a)显示了通过全息光镊组织成平面五边形准晶体的氧化硅 球的视图(标尺代表5微米)；图1 (b)显示了七边形准晶畴；图l (c)显示了八边形准晶畴的排列；而图1 (d)显示了具有嵌入波导 的八边形准晶畴；图2 (a)显示了使用全息光阱从介电胶状球组装的二十面体的四 个视图中的第一个；图2 (b)显示了具有2重对称轴的第二个视图； 图2 (c)显示了具有5重对称轴的第三个视图；而图2 (d)显示了第 四个视图中平面(midplane);图2 (e)显示了图2 (a) - (d)中 所示胶状准晶体的逐步组装；和图3 (a)显示了三维胶状准晶体的全息组装，所述准晶体具有捕 获在三维二十面体准晶晶格的二维投影中的颗粒；图3 (b)显示了替 换进入完全三维结构中的颗粒，阴影区域是一个嵌入的二十面体；图 3 (c)显示了减小晶格常数以产生紧凑的三维准晶体；且图3 (d)显 示了测得的光学衍射图案，其示出了构造的准晶体的IO重对称峰；而 图3 (e)显示了图3(a) - (d)中所示胶状准晶体的逐步组装。优选实施方案详述开发了一种系统和方法来构造用于各种科技应用的准晶异质结 构。可以制备各种制品和物质的组合物。在一个最优选的实施方案中， 使用全息光阱作为起始工具来将选定的颗粒安置在给定的位置。因此， 在该优选实施方案中，该方法是基于众所周知的全息光学捕获技术， 其中通过高数值孔径的显微镜物镜来投射计算机产生的全息图来产生 大的三维光阱阵列。在我们的实施中，利用液晶空间光调制器(SLM)(Hamamatsu X8267 PPM )使倍频二级管泵浦固态激光器(Coherent Verdi)产生的532 nm光印显纯相位全息图。将修正的激光束传递到 安装在倒置式光学显微镜(Nikon TE2000U )中的100倍、NA为1.4 的Splan Apo油浸物镜的输入光瞳，该物镜将其聚焦成光阱。通过使 用显微镜的常规成像群系(train)，同一物镜可以用来形成所捕获物 体的图像。作为一种软制造技术，全息组装比诸如电子束光刻的常规 方法需要的处理显著更少并且可应用于更广范围的材料。全息光阱组 装适合于产生具有特定设计要素的非均匀结构(例如，微观结构排列、 制品和物质的组合物)，例如图1(d)中的嵌入于八边形畴中的沟道。 这些结构可以充当例如可见光的窄带波导和频率选择滤波器。全息捕获组装自由形式的异质结构的能力还延伸到三维。图2(a) -(d)中的旋转二十面体的图像序列显示了胶状球的外观是如何随 着离焦平面的距离而变化的。该序列证实使用单激光束的全息捕获能 成功地沿着光轴将球组织成纵向堆垛，同时保持每个阱中有一个球。二十面体本身是一类三维准晶体的基本构造单元，例如图3(a) -(d)中的例子。基于我们关于全息组装的先前工作进行构造，我们通 过如下组装三维准晶畴，首先产生对应于所计划的准晶畴的平面投影 (见图3 (a))的二维球排列。然后我们沿着光轴将这些球转换到它 们在准晶畴中的最终三维坐标，如图3(b)所示。图3 (a)和(b)中 突出显示了一个二十面体单元以阐明这种方法。最后，在图3(c)中， 减小阱之间的间隔以产生光密的结构。这种特殊的畴由处于7层中的 173个球组成，且典型的颗粒间间隔为3nm。使完成的准晶体胶凝化，并且如下记录其在632nm波长下的光学 衍射图案用HeNe激光器发出的校准光束照射样品，用显微镜的物 镜收集衍射光并且用Bertrand镜头将其投影到电荷耦合器件(CCD) 相机上。轮廓分明的衍射点清楚地反应出准晶体在投影平面上的五重 旋转对称性。胶状氧化硅准晶体在水中的全息组装可容易地推广到具有可选的 光学、电学、磁、化学和力学性能的其它材料，用于各种类型的科技应用。全息控制下的不同元件的确定性组织可用来在光子带隙(PBG) 腔中嵌入增益介质，在波导内安装具有非线性光学性质的材料以形成 开关，以及产生具有不同化学功能的畴。通过顺序组装和空间局部光 致聚合作用，可以将我们制造的相对小的畴结合成较大的异质结构。 在所有情况下，这种软制造方法产生力学上和环境上稳定的材料，可 容易地将该材料合并成更大的系统。除了全息捕获以制造准晶材料之外，产生并不断优化这些多种制 品和物质组合物的能力使得我们有机会获得以前不能得到的产品并且 执行以前不可能的方法。可以执行许多其它的功能性，例如评价胶状 准晶体的动力学和统计力学。这里所描述的光学产生的准周期势能图 谱(landscape)还能为实验研究穿越非周期调制环境的传输提供灵活 的模型系统。在其它实施方案中，上面描述的制造和操作准晶结构的方法还可 用于操作物质组合物以引入各种特别的缺陷，这可以建立有用的电学、 光学、生物、力学、磁和化学属性。由于通过建立这些准晶结构和相 关缺陷的能力可获得的许多自由度，人们能够获得许多不同的物理、 力学和化学性能，许多这些性能是不能用晶体和非晶体结构获得的。 这些性能可以用在各种商业领域中，跨电子、计算机、生物、化学、 光学、力学性能和磁场。该技术还允许制造具有用不同尺寸或形状的球或不同尺寸或形状 的元件进行球或其它元件的替换的准晶体，这可以改变性能，例如光 子特性。这个概念也可用于使用不同化学、力学、电学、磁或光学特 性的成分在选定的位置上替换球或者其它尺寸和形状的元件组，从而 允许具有在许多商业领域中有用的不同可选性能的准晶排列的受控设 计。在其它实施方案中，可以选择性的改变准晶的畴以便引入相滑移 边界(类似于晶体材料中的晶界)，以便开发商业利用所感兴趣的性 能。除此之外，可以通过颗粒的光阱操作来产生两个或更多个准晶畴， 以便产生具有每个组成畴性能的物理和/或化学性能特性的更高有序性的结构元件。另外，这些组合体可以与晶畴结合以便为可选的商业 应用产生更高的有序结构。不仅可以通过使用光镊而且可以通过其它的颗粒力移动力源来实 现所有这些结构的组装。这些其它的力移动源可以单独使用或者与光 镊结合使用，并且这些其它的颗粒移动源可以包括自组装、其它光子 方法以及可控的电和磁场中至少一种。这些方法允许表现出宽范围的 设计的物理、生物或化学性能的几乎任何所需结构的受控构建。下面的非限制实施例描述了一种将胶状颗粒组装成准晶体的方法。实施例可以如下组织直径为1.53 |nm的胶状氧化珪微球(Duke Scientific Lot 5238)，首先将其分散在丙烯酰胺、N，N-亚甲基双丙烯酰胺和二 乙氧基苯乙酮(均为Aldrich电泳等级)按180:12:1 ( wt/wt)的水溶 液中。该溶液在紫外线照射下快速光致聚合成透明的聚丙烯酰胺水凝 胶，而在其它情况下是稳定的。使流体分散液渗入通过将# 1盖玻片 的边缘与显微镜载玻片的表面结合形成的30nm厚的狭缝孔隙。然后将密封的样品安装在显微镜的镜台上以便进行处理和分析。氧化硅球的密度大致是水的两倍从而在盖玻片上方快速沉积成单 层。通过全息光镊可容易地将稀的球层组织成任意的二维结构，包括 图l(a)-(d)中的准晶实施例。图l(a)、 (b)和(c)分别显示了平面的五边 形、七边形和八边形的准晶畴，每一个均由超过100个颗粒组成。突 出显示的球着重了每个畴的对称性。这些结构均显示出充当了的微加 工的柱和孔阵列中的二维PBG材料。图l(d)显示了具有嵌入波导的八 边形准晶畴。尽管已说明和描述了优选的实施方案，然而应当清楚的是，本领本发明。，下:二权;要求中定义了、本发明的各"特征。''
权利要求
1.用于组装具有可选性能的准晶异质结构的方法，包括提供具有预定特性的多个颗粒；将所述多个颗粒悬浮在流体介质中；和在特定的准晶排列中形成全息光阱以便将所述多个颗粒安置在该特定的排列中，来获得可选的性能。
2. 如权利要求l所述的方法，其中所述多个颗粒的特定准晶排列 提供了不能通过晶体材料获得的预选对称性。
3. 如权利要求l所述的方法，其中所述颗粒选自可通过光阱操作 的对象，包括微颗粒、纳米颗粒、大分子和生物细胞中的至少一种。
4. 如权利要求l所述的方法，其中所述预定特性包括期望的化学 特征、光学特征、生物特征、磁特征、电子特征和力学性能中的至少一种o
5. 如权利要求l所述的方法，其中所述可选性能选自光子带隙、 化学功能性、导电性属性、生物属性和磁属性。
6. 如权利要求5所述的方法，其中所述光子带隙控制介电材料复 合物中的光传播。
7. 如权利要求5所述的方法，其中所述化学功能性包括催化活性。
8. 如权利要求5所述的方法，其中所述导电性选自金属导电性、 半导体导电性和超导导电性。
9. 如权利要求5所述的方法，其中所述磁属性包括所述多个颗粒 表现出的高磁通量。
10. 如权利要求5所述的方法，其中所述化学功能性包括预选的 改变的化学性能。
11. 如权利要求5所述的方法，其中所述化学功能性包括相对于 由相同化学组成构成的相应晶体结构的性能改变。
12. 如权利要求1所述的方法，进一步包括动态改变所述特定排 列的步骤，以便为选定的应用获得可选性能中的不同那些。
13. 如权利要求12所述的方法，其中所述选定的应用包括以下至 少一种改变选自力学性能、电学性能、化学性能、磁性能和生物功 能性的准晶性能。
14. 如权利要求1所述的方法，还包括施加电磁场、电场和磁场 中的至少一种来进一步改变准晶排列性能的步骤。
15. 如权利要求1所述的方法，还包括将所述准晶排列嵌入系统 以实现工业应用的步骤。
16. —种制品，其包含具有使用光阱设置的颗粒结构的准晶材料， 所述准晶材料的性能不同于其相应的晶体化学对应物。
17. 如权利要求16所述的制品，其中所述不同于其相应的晶体化 学对应物的性能包括下面的至少一种光子带隙、力学性能、生物性 能、磁性能、电性能和化学性能。
18. 如权利要求16所述的制品，其中所述准晶材料包括如下的至 少一种设计的缺陷、不同尺寸或形状的颗粒的替换的那些、相滑移 边界以及至少一个准晶畴和晶畴的不同畴的混合。
19. 组装具有可选性能的异质结构的方法，包括 提供具有预定特性的多个颗粒，所述预定特性选自尺寸、形状、生物性能或化学性能；提供颗粒移动力以建立特定的准晶排列；和 使用该颗粒移动力安置所述多个颗粒以建立所述颗粒的准晶排列。
20. 如权利要求19所述的方法，还包括至少一个如下步骤在准 晶排列中建立缺陷态，用不同尺寸或形状或性能的颗粒替换所述多个 颗粒中的至少一个，在准晶排列中建立不同的准晶畴，在晶畴内混合 准晶排列以及通过自组装安置所述多个颗粒。
全文摘要
用于组装准晶异质结构的方法和系统。提供具有所需的预定特性的多个颗粒。将这些颗粒悬浮在介质中，并使用全息光阱以一定方式安置所述颗粒以便获得可提供所需性能的排列。
文档编号G02B6/122GK101243342SQ200680029865
公开日2008年8月13日 申请日期2006年7月7日 优先权日2005年7月8日
发明者D·G·戈里尔, P·J·斯泰因哈特, P·M·柴金, Y·罗伊齐曼, 满威宁 申请人:纽约大学;普林斯顿大学理事会