专利名称:使用光阱控制碳纳米管的制作方法
技术领域：
本发明的实施方案涉及半导体领域，并且特别地，涉及纳米技术。
技术背景
碳纳米管是纳米技术中有前景的元件。它们是和富勒烯(fullerene)相关的结 构，由二维碳原子片圆柱体(graphene cylinder)组成。碳纳米管可以被功能化(通过将 分子的部分(moiety)连到纳米管)，以提高其在溶剂中的溶解性，并控制其与其他分子或 固体材料的亲合性。
当前用于纳米管分离的方法是离心以及基于化学亲合性的液相色谱法。捕获在介 电电泳电极的边缘完成。对于纳米管操纵，当前的方法是基于扫描探针显微镜(scanning probemicroscope)和直流(DC)或交流(AC)电场排列(alignment)。对于用于各种应用场 合来讲，这些技术不够精确和灵活。
通过参考下面的描述以及用来说明本发明的实施方案的附图，可以最佳地理解本 发明的实施方案。在附图中
图1是说明在其中可以实践本发明的一个实施方案的系统的图。
图2是根据本发明的一个实施方案说明CNT操纵的图。
图3是根据本发明的一个可实践的实施方案，说明使用具有不同粘度的层操纵 CNT的图。
图4是根据本发明的一个实施方案，说明使用偏振激光束操纵CNT的图。
具体实施方式
本发明的实施方案是控制碳纳米管(carbon nanotube,CNT)的技术。激光束被聚 焦于流体中的碳纳米管(CNT)。CNT对捕获频率有响应。通过控制聚焦激光束来操纵CNT。
在下列描述中，给出了许多具体细节。但是要理解，无需这些具体细节也可以实践 本发明的实施方案。在其他的实例中，为了不使对描述的理解模糊，没有示出公知的电路、 结构和技术。
本发明的一个实施方案可以被描述为一种过程，它通常被描绘为流程图、流图、结 构图或框图。尽管流程图可以将操作描述为顺序的过程，但是很多操作可以被并行执行或 同时执行。此外，可以重新安排操作的顺序。当过程的操作完成时，所述过程被终止。过程 可以对应于方法、程序、制造或制作的方法，等等。
图1是示出系统100的图，在系统100中可以实践本发明的一个实施方案。系统 100包括激光器110、光学组件120和流体130。
激光器110将激光束125通过光学组件120聚焦到腔130。激光器110可以被控 制为具有很多个工作模式。它可以被控制为具有变化的强度和光学频率。它可以被偏振。[0014]光学组件120提供处理激光束125的光学元件。光学元件的实施例包括衍射光学 装置、透镜、望远透镜、光学调制器以及滤光器。光学组件120将激光束125引导到流体130 中的碳纳米管(CNT)。
流体130包括多个层或通道的不同流体。它可以被包含在由玻璃或聚合材料制 成的流体通道中或者容器中。流体130包括很多个CNT 1351到135,。CNT可以是单壁 CNT (SffNT)或多壁CNT (MWNT)。CNT可以被功能化。
系统100允许以很多种方式控制流体130中的CNT。操纵包括捕获某种类别的 CNT、移动被捕获的CNT、释放被捕获的CNT，以及排列被捕获的CNT。使用激光器110操纵 CNT是基于光偶极子阱(optical dipole trap)的概念。
通过在激光束的电场和粒子或分子中诱导的(induced)自发偶极子动量 (spontaneousdipole momentum)之间的相互作用，聚焦激光束能够捕获中性粒子或分子。 中性粒子在激光束的电场中的感生偶极子动量可以被表示为
P= ε 0xE(1)
其中P是每单位体积的极化强度或偶极子动量，ε C1是自由空间的介电常数，X是 电介质极化率，并且E是电场。
势能可以被表示为
U = (-1/2) <Ρ · Ε> = (-1/2) ε 0 χ <Ε>2(2)
电介质极化率可以以复数形式表示为如下频率的函数
χ ( ω ) = χ，( ω ) + χ，，( ω )(3)
其中，X，(ω)是实部，并且χ ”(ω)是虚部。
当ω < ω。时，χ，(ω) >0，其中ω。是谐振频率。
从等式(2)得出，当光强增加时，势能U降低。此外，假设激光束的光强分布是高 斯型的，则粒子容易移动到较高E的区域并被捕获(trap)在激光束的中心。
依赖于直径和手性(chirality)，SffNT可以是金属的或半导体。SWNT的电子态密 M (electron density ofstates) fifH^^^J van Hove 胃&白勺丰勾@。)(寸jS白勺 ran Hove 奇点之间的能隙是光学上允许的带间跃迁(inter-band transition)能。通过选择适当的 激光频率或者连续地对激光频率进行调谐，可以捕获某种类型的纳米管。MWNT是多个具有 不同直径和手性的SWNT的组件。MWNT的捕获依赖于其组成，即不同SWNT类型的比例。能 够捕获所有类型的SWNT的激光频率也能够捕获MWNT。
还可以使用偏振激光束排列(align)纳米管。 极化强度P可以被分解为平行分量Pp和正交分量P。
P = Pp+P。^ Pp = ε 0 χ Ep(4)
其中，Ep是E的平行分量。
然后，势能可以被表示为
U = (-1/2) <Ρ ‘ E> = (-1/2)<Ep>2cos θ(5)
其中θ是E和CNT的轴线之间的角度。
由上面的等式，E的增加导致U的降低。而且，当ω < ω。 降低导致U的降低。因此，偏振激光束可以捕获并排列CNT。
图2是根据本发明的一个实施方案说明CNT的操纵的图，
偶极子总是平行于纳米管的轴线。
X，(ω) > 0 时，θ 的 流体130包括第一层210、缓冲层220和第二层230。
三个层210、220和230是层流层(laminar flow layer)。缓冲层220防止CNT在 第一层210和第二层230之间的随机扩散。第一层210包含许多自由CNT ISS1到135N。
激光束被聚焦，以俘获(capture)在第一层210中的部位(site) 240处的CNT 135k。激光束被以被称作捕获频率的特定频率聚焦，以选择性地捕获和/或释放对该捕获 频率有响应的CNT 135k。一旦将CNT 135k捕获，则可以通过控制激光束将其移动和释放。
为了移动CNT 135k，激光焦点的位置被从部位240改变到第二层230中的部位 250。可以精确地移动激光，因此可以精确地控制CNT 135k的移动。一旦将CNT 135k移动 到新位置，则可将其释放。
可以使用许多种方法，在第一层210或第二层230处任意位置(例如部位240或 250)释放捕获的CNT 135k。在第一种方法中，激光器110被简单地关闭，切断激光束。电场 被去除，CNT 135k变成自由的。在第二种方法中，激光束被光学或机械阻挡器所阻挡。在第 三种方法种，通过在光学组件120或激光器110自身中使用滤光器，减小激光强度。在第四 种方法中，激光器110的频率被改变为与捕获频率不同。在第五种方法中，第二层230处的 流体被用具有和第一层210不同的粘度或介电常数的另一种流体代替。在第六种方法中， 激光束跨越液_固界面(例如微流体通道的壁)移动。
通过使激光束的扫描和释放CNT的事件同步，捕获、移动和释放CNT可以被连续地 执行。
图3是根据本发明的一个可实践的实施方案，说明使用具有不同粘度的层操纵 CNT的图。流体具有三个层310、320和330。
激光束被聚焦于第一层310中的CNT。以光学方法将CNT 135捕获在部位340。通 过移动激光束，被捕获的CNT 135可以被移动到第二层320部位350处。然后，当CNT 135 上因第三层330所致的剪切力(shear force)大于激光捕获力时，被捕获的CNT 135在两 个具有不同粘度的层流层320和330的界面处被释放。
激光束可以在部位340和第三层330中的部位360之间来回扫描，以便在第二层 320和第三层330之间的界面处捕获、移动和释放CNT 135。这种技术不要求激光强度调制 或频率改变来释放CNT。
图3中的一种极端情况是层330是固体(例如微流体通道的壁)。
图4是根据本发明的一个实施方案，说明使用偏振激光束操纵CNT的图。流体130 包括第一和第二层410和420。层440是固体衬底(例如玻璃、硅)。粘附层(adhesion layer) 430可以涂敷在衬底440上。
CNT 135被激光束捕获在第一层410的部位450处。CNT 135对偏振有响应。激 光器是偏振激光器。CNT 135按偏振激光束提供的取向排列。通过相应地改变激光焦点的 位置，将被捕获的CNT 135移动到第二层420处的部位460。然后，在第二层420和粘附层 430之间的表面处将捕获的CNT 135释放。层430为被释放的CNT 135提供支撑。
层430在保持CNT 135的排列或取向和激光偏振方向相同的同时也可以固定 CNT135。可以利用光刻方法图形化层430，以进一步限定CNT 135能够附着到的位置。
如果被捕获的CNT 135具有和衬底440的表面的高亲合性，则粘附层430是不必 要的，并且CNT 135的固定可以由衬底层440执行。[0049]第二层420的角色是防止CNT随机地扩散到层430或层440。如果第一层410中 的CNT浓度足够稀释以至于表面430或440上的非特异性结合(non-specific binding) 可忽略，则第二层420是不必要的。
衬底层440的表面可以被功能化，以在保持CNT 135的排列或取向相同的同时将 其固定。这可以通过很多种方式完成。例如，衬底层440可以用带正电的分子的层430(例 如自组装(self-assembled) 3-氨基丙基三乙氧基硅烷单分子层)涂敷，当CNT 135接近表 面时，所述分子可以结合到CNT 135或被功能化的CNT 135上的功能基团或化学分子的部 分(chemical moiety)。
激光束可以在部位450和衬底层440中的部位470之间来回扫描，以在衬底层440 上捕获、移动、释放和沉积(固定)CNT 135。
虽然已经以几个实施方案的形式描述了本发明，但是普通技术人员将发现，本发 明不限于所描述的实施方案，并且能够利用在所附权利要求
书的范围和精神以内的修改和 变更来实践。因此，描述要被视为说明性的而非限制性的。
权利要求
一种方法，包括将激光束聚焦于流体中的碳纳米管，所述碳纳米管对捕获频率有响应；通过控制所述聚焦激光束操纵所述碳纳米管，其中，所述操纵步骤包括通过改变所述激光束的频率以便与所述捕获频率匹配，将所述碳纳米管捕获在所述流体中的第一层中的捕获部位；以及在具有不同的粘度的第一和第二层之间的界面处释放所述被捕获的碳纳米管。
2.如权利要求
1所述的方法，其中，操纵步骤包括通过将所述激光束的焦点位置从第一位置改变到第二位置，将所述被捕获的碳纳米管 从所述第一层中的第一部位移动到所述流体中的第二层中的第二部位。
3.如权利要求
2所述的方法，其中，操纵步骤包括通过以下手段之一释放所述被捕获的碳纳米管关闭所述激光束、阻挡所述激光束、对 所述激光束滤光以便减小激光强度、改变所述激光束的频率、在所述第二层处使用具有不 同的粘度或介电常数的不同流体介质，以及移动所述激光束跨越液_固界面。
4.如权利要求
1所述的方法，其中，操纵步骤包括通过使所述激光束偏振来排列所述被捕获的碳纳米管。
5.如权利要求
1所述的方法，其中，操纵步骤包括通过功能化衬底层来固定所述碳纳米管。
6.如权利要求
1所述的方法，其中，聚焦步骤包括将所述激光束聚焦于具有多个单壁碳纳米管的多壁碳纳米管，以操纵所述多壁碳纳米管。
7.一种装置，包括流体容器，该流体容器具有包含碳纳米管的流体，所述流体具有第一层中的捕获部位， 所述碳纳米管对捕获频率有响应，所述碳纳米管被激光器控制的聚焦激光束操纵，其中，当改变所述激光束的频率来与所述捕获频率匹配时，所述碳纳米管在所述捕获 部位处被捕获，且在具有不同的粘度的所述第一和第二层之间的界面处释放所述被捕获的 碳纳米管。
8.如权利要求
7所述的装置，其中，所述激光器将所述激光束的焦点位置从第一位置 改变到第二位置，以将所述被捕获的碳纳米管从所述第一层中的第一部位移动到第二层中 的第二部位。
9.如权利要求
8所述的装置，其中，通过以下手段之一释放所述被捕获的碳纳米管关 闭所述激光束、阻挡所述激光束、对所述激光束滤光以便减小激光强度、改变所述激光束的 频率、在所述第二层处使用具有不同的粘度或介电常数的不同流体介质，以及移动所述激 光束跨越液-固界面。
10.如权利要求
7所述的装置，其中，通过使所述激光束偏振来排列所述被捕获的碳纳 米管。
11.如权利要求
7所述的装置，还包括用于通过被功能化来固定所述碳纳米管的衬底层。
12.如权利要求
7所述的装置，其中，将所述激光束聚焦于具有多个单壁碳纳米管的多 壁碳纳米管，以操纵所述多壁碳纳米管。
13.一种系统，包括流体容器，具有包含碳纳米管)的流体，所述流体具有第一层中的捕获部位，所述碳纳 米管对捕获频率有响应；激光器，用于将激光束聚焦于所述碳纳米管以便通过控制所述激光束来操纵所述碳纳 米管；以及放置在所述激光器和所述流体之间的光学组件，用于调制所述激光束，其中，当改变所述激光束的频率来与所述捕获频率匹配时，所述碳纳米管在所述捕获 部位处被捕获，且在具有不同粘度的所述第一和第二层之间的界面处释放所述被捕获的碳 纳米管。
14.如权利要求
13所述的系统，其中，所述激光器将所述激光束的焦点位置从第一位 置改变到第二位置，以将所述被捕获的碳纳米管从所述第一层中的第一部位移动到第二层 中的第二部位。
15.如权利要求
14所述的系统，其中，通过以下手段之一释放所述被捕获的碳纳米管 关闭所述激光束、阻挡所述激光束、对所述激光束滤光以便减小激光强度、改变所述激光束 的频率、在所述第二层处使用具有不同的粘度或介电常数的不同流体介质，以及移动所述 激光束跨越液-固界面。
16.如权利要求
13所述的系统，其中，通过使所述激光束偏振来排列所述被捕获的碳 纳米管。
17.如权利要求
13所述的系统，还包括用于通过被功能化来固定所述碳纳米管的衬底层。
18.如权利要求
13所述的系统，其中，将所述激光束聚焦于具有多个单壁碳纳米管的 多壁碳纳米管，以操纵所述多壁碳纳米管。
专利摘要
本发明的实施方案是控制碳纳米管(CNT)的技术。激光束被聚焦于流体中的碳纳米管(CNT)。CNT对捕获频率有响应。通过控制聚焦激光束来操纵CNT。
文档编号B07C5/00GKCN1898151 B发布类型授权 专利申请号CN 200480038184
公开日2010年12月15日 申请日期2004年12月22日
发明者Y·张 申请人:英特尔公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (6), 非专利引用 (2),