3D实体电极介电泳纳米线操控系统 |
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| 申请号 | CN201610057507.X | 申请日 | 2016-01-27 | 公开(公告)号 | CN105600743A | 公开(公告)日 | 2016-05-25 |
| 申请人 | 东南大学; | 发明人 | 倪中华; 刘林波; 项楠; 陈科; 王欣; 黄笛; 唐文来; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种3D实体 电极 介 电泳 纳米线 操控系统，包括3D实体电极介电泳纳米线操控芯片、 电场 控制单元、流场控制单元和微型计算机；其中，所述电场控制单元包括 信号 发生器、信号 放大器 、信号控制系统，所述流场控制单元包括注射 泵 ，所述观测单元包括 显微镜 ，本发明有效提高了纳米线操控系统的柔性和精确性，并且克服了2D电极层上点电极的电场会被引出线的电场强烈干扰的问题；可广泛用于 纳米材料 的操控与装配纳米器件等领域。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种3D实体电极介电泳纳米线操控系统，其特征在于：包括3D实体电极介电泳纳米线操控芯片(11)、电场控制单元、流场控制单元和微型计算机(12)； |
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| 说明书全文 | 3D实体电极介电泳纳米线操控系统技术领域背景技术[0002] 近些年以来，最引人注目的纳米科技是：将纳米材料作为一种优质基材装配成任意种类的纳米功能器件或系统，包括纳米场效应管，纳米激光器，纳米生化传感器，纳米发电机以及纳米计算系统等。作为一种优秀的纳米基材，纳米线既能为电、热传输的依赖性或空间尺度减小引起的力学性能的研究提供良好载体，也能为纳米电子、光电、电化学和机电器件的制造提供连接部件和功能部件。 [0003] 各国学者针对纳米线的操纵与组装技术进行了大量探索性的研究，主要涉及下列几个方面：一方面，巧妙地利用生物分子作用力、静电作用力、剪切作用力对多根纳米线进行群体性的非精确组装；另一方面，应用扫描探针显微镜、精密微纳米机械手对单根纳米线进行姿态控制与精确操纵；第三，利用磁场对铁磁性材质纳米线进行动态操纵，以及应用光镊对单根纳米线进行高精度操纵。然而，运用生物样板、微流体技术、LB膜排列技术、微接触印刷技术只能将大量纳米线作为整体进行操纵，而在单根纳米线取向和位置的精确控制方面则无能为力；应用纳米机械手能实现对单根纳米线的精确操控，但较高的操作难度和低下的操纵效率使其无法满足多根纳米线批量化组装的要求；而磁镊、光镊则分别受到纳米线材质和光学捕获极限的制约，很难应用于任意材质纳米线的大规模柔性化操控。 [0004] 任何材质都具有一定的介电属性，在外加电场作用下，它们会因极化而诱导产生电偶极矩。当外加电场的空间分布呈现出非均匀性，极化后的材质就会受到一份净力，即介电泳力。随着微/纳米电极制造水平的提高，较小的信号强度就能产生足以驱动纳米材料运动的空间非均匀电场。很多学者开发了一系列二维平面电极结构以产生特定的空间非均匀电场，对一维纳米材料进行操纵和组装。这些操纵大都基于金属实体电极阵列，只能对纳米材料进行简单组装，同时由于金属实体电极的刚性特征，使得操纵缺少柔性。而后来出现的光诱导虚拟电极可以实时改变电极形状大小，操作过程柔性增大，但芯片加工难度增大，成本增加，精确度下降，且操作过程中纳米线只能呈现竖直姿态，且纳米线的姿态和位置难以持续保持，很难适应后续地功能化集成。 [0005] 因此，如能提出一种能够实现纳米线的高柔性与大规模操控系统，以同时满足单根精确操纵和多根批量精确组装，必将在一定程度上克服上述局限。 发明内容[0006] 发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种3D实体电极介电泳纳米线操控系统，该系统实现了纳米线的高柔性、精确性操控。 [0007] 技术方案：所述3D实体电极介电泳纳米线操控系统，包括3D实体电极介电泳纳米线操控芯片、电场控制单元、流场控制单元和微型计算机； [0008] 所述3D实体电极介电泳纳米线操控芯片包括两片2D电极层、位于两片2D电极层之间的两片3D电极层、以及位于两片3D电极层之间的一片流道层；该3D实体电极介电泳纳米线操控芯片以上下对称结构对准封装而成； [0009] 所述电场控制单元包括信号发生器、信号控制系统，所述信号发生器与信号控制系统连接；所述信号控制系统与3D实体电极介电泳纳米线操控芯片的外部连接部分连接； [0012] 具体地，还包括显微镜，通过显微镜与微型计算机实时观测纳米线的操控情况。 [0013] 具体地，所述3D实体电极介电泳纳米线操控芯片进出口部分与废液收集装置连接。 [0014] 具体地，所述电场控制单元还包括信号放大器，所述信号放大器与信号发生器连接。 [0015] 具体地，所述2D电极层包括3X4阵列点电极、引线部分、外部连接部分、对准块部分。 [0016] 具体地，所述3D电极层包括3X4阵列点电极、对准块部分。 [0017] 更具体地，所述3X4阵列点电极为点阵形式排布，且点的个数、每个点的直径、点与点之间的间距可以变动。 [0018] 具体地，所述3D实体电极介电泳纳米线操控芯片结构为2D电极层在第一层和第五层，3D电极层在第二层和第四层，流道层在第三层；五层部分分别根据各自的对准块部分对准键合封装。 [0019] 具体地，所述流道层包括十字形流道、进出口部分、对准块部分。 [0020] 有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：采用3D实体电极介电泳纳米线操控技术，使纳米线在操控过程中的姿态和位置可以任意调整且可以持续保持，有效提高了纳米线操控系统的柔性和精确性；其次，构建3D点阵实体电极一方面所有的二维图形都可以由若干个点近似表达，另一方面3D电极层的设计克服了2D电极层上点电极的电场会被引出线的电场强烈干扰的问题；最后，芯片的对称式设计使得芯片可以制造出任意三维电场来精确操控纳米线，且芯片制造过程简单，可广泛用于纳米材料的操控与装配纳米器件等领域。附图说明 [0021] 图1是本发明3D实体电极介电泳纳米线操控系统整体结构示意图； [0022] 图2是本发明3D实体电极介电泳纳米线操控芯片的整体结构示意图； [0023] 图3是本发明3D实体电极介电泳纳米线操控芯片的2D电极层结构示意图； [0024] 图4是本发明3D实体电极介电泳纳米线操控芯片的3D电极层结构示意图； [0025] 图5是本发明3D实体电极介电泳纳米线操控芯片的流道层结构示意图； [0026] 图6是本发明3D实体电极介电泳纳米线操控芯片操控纳米线的原理示意图。 具体实施方式[0027] 下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。 [0028] 如图1所示，本发明为一种3D实体电极介电泳纳米线操控系统包括3D实体电极介电泳纳米线操控芯片11、微型计算机12、信号发生器13、信号放大器14、信号控制系统15、注射泵16、废液收集装置17和显微镜18；其中，信号发生器13、信号放大器14、信号控制系统15、微型计算机12构成芯片的电场控制系统；微型计算机12与信号发生器13连接；信号发生器13与信号放大器14连接；信号放大器14与信号控制系统15连接；信号控制系统13与芯片的外部连接部分24通过细电线121连接。注射泵16构成芯片的流场控制系统；注射泵16与芯片进出口部分111通过微管19连接；芯片进出口部分111与废液收集装置17通过微管连接。 [0029] 如图2所示，所述3D实体电极介电泳纳米线操控芯片由两片2D电极层21、两片3D电极层22、一片流道层23以对称结构对准封装而成；所述2D电极层21包括3X4阵列点电极26、引线部分25、外部连接部分24、对准块部分27；所述3D电极层22包括3X4阵列点电极26、对准块部分27；所述流道层23包括十字形流道28、进出口部分111、对准块部分27；所述的3D实体电极介电泳纳米线操控芯片11结构为2D电极层21在第一层和第五层，3D电极层22在第二层和第四层，流道层23在第三层；五层部分分别根据各自的对准块部分27对准键合封装。 [0030] 3D实体电极介电泳纳米线操控芯片11的2D电极层21所用材质为透明的ITO(氧化铟锡)玻璃，3D电极层22的结构所用材质为聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯，流道层23的流道结构所用材质为聚二甲基硅氧烷、玻璃、环氧树脂、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种。流道层23的十字形流道28结构可通过光刻技术或其他刻蚀技术快速加工得到，并利用APTES或者其他试剂进行化学修饰等特定方式对流道表面进行改性，以减少流道内表面对纳米线的吸附。设置微结构对准标记，借助紫外/臭氧照射或氧等离子体处理等表面改性技术实现2D电极层21、3D电极层22与流道层23之间的不可逆键合。 [0031] 下面为3D实体电极介电泳纳米线操控系统11的工作流程和基本原理。 [0032] 本发明3D实体电极介电泳纳米线操控系统11的主要工作流程：将纳米线溶液进行稀释、超声震荡配置成均匀、分散的纳米线溶液，注射泵16将纳米线溶液输送到十字形流道28中，同时控制芯片内部的流场，再通过微型计算机12、信号发生器13、信号放大器14、信号控制系统15来控制芯片内部点阵电极中每个点的通断、波形、电压大小、频率、相位，进而控制芯片内的电场，电场与流场相结合来操控纳米线61。 [0033] 如图3所示，2D实体电极层21采用ITO玻璃制作，将ITO玻璃上的ITO薄膜使用湿法刻蚀的方法制作成一定形状作为芯片中的实体电极，黑色部分为ITO玻璃上湿法刻蚀后剩下的ITO薄膜的部分。实体电极为3X4圆点阵列形式，是根据所有的二维图案都可以由若干个点进行近似表达设计的；每个圆点都可以实现单独通断与调节频率和电压大小、相位；三个小正方形块为2D电极层21与3D电极层22、流道层23键合时用来对准的图案部分；边缘的十二个矩形块为用于链接外部电源与圆点阵列中各圆点电极的外部链接部分24；3X4阵列点电极26与外部连接部分24通过引线部分24连接。 [0034] 如图4所示，3D实体电极22层采用的材质为聚二甲基硅氧烷和聚甲基丙烯酸甲酯，两片3D实体电极层22分别用不同的工艺制造，其中一片使用聚二甲基硅氧烷的浇筑成型然后与2D实体电极层21对准键合，然后再在3D实体电极层22的微孔阵列中填充导电银浆，放入真空负压装置中抽真空，让导电银浆充满微孔阵列中，然后将表面多余的导电银浆刮掉后放入烘箱93℃烘15分钟即可成型；另外一片材质用聚甲基丙烯酸甲酯，采用激光打点结合钻头钻孔制造出3X4阵列孔，然后用镊子将打磨清洗处理过的细短金属棒分别插入到12个微孔中，再与一片2D实体电极层21对准键合即可。 [0035] 如图5所示，流道层23的材质为聚二甲基硅氧烷、玻璃、环氧树脂、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种，流道层23的十字形流道28结构可通过光刻技术或其他刻蚀技术快速加工得到，并利用APTES或者其他试剂进行化学修饰等特定方式对流道表面进行改性，以减少流道内表面对纳米线61的吸附。中间为十字形流道28，十字形流道28的四个端部从四侧用打孔器打孔形成芯片进出口部分111，芯片进出口部分111插进微管19然后与注射泵16连接，控制流道内的流场。三个小正方形块为流道层与2D电极层21、3D电极层22键合时用来对准的对准块部分27。 [0036] 如图6所示，纳米线在十字形流道当中被操控的原理为：任何材质都具有一定的介电属性，在外加电场作用下，它们会因极化而诱导产生电偶极矩。当外加电场的空间分布呈现出非均匀性，极化后的材质就会受到一份净力，即介电泳力，如图中24个点有2个通电的点电极62、22个未通电的点电极63，则纳米线61受到两个通电的点电极62中心的连线方向的介电泳力64，这就是电场对纳米线61的作用；同时，十字形流道28的结构使得可以通过注射泵16单独控制两个相互垂直方向的流速，然后根据矢量结合进而控制中心区域即点阵区域的流速大小与方向，进而控制纳米线所受的流场力65，这是流场对纳米线61的作用。电场与流场相结合实现高柔性、精确操控纳米线61。 |
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