实时监视光学捕获的碳纳米管

背景

发明领域

本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及纳米技术。

相关技术的描述

碳纳米管是纳米技术中很有前景的元件。它们是由石墨薄片(graphene)圆柱 体组成的球壳状碳分子相关的结构。碳纳米管可以被官能化(通过将部分(moiety) 连接至碳纳米管)以提高它们在溶剂中的溶解性并控制它们与其他分子或固体材料 的亲和力。

分析碳纳米管的现有方法主要关注实验后的结果。这种技术是间接的，并倾 向于很多不确定性源，从而导致对碳纳米管的光学捕获的真实效果的不恰当评价。 现在尚不存在在光学捕获系统中实时监视碳纳米管的移动的有效技术。

附图简述

通过参考随后的描述以及用于示出本发明实施例的附图就能最好地理解本发 明的各实施例。在附图中：

图1是示出了在其中能够实践本发明一个实施例的系统的示意图。

图2是示出了根据本发明一个实施例的CNT的操纵的示意图。

图3是示出了能实现根据本发明的一个实施例使用带有不同粘度的各层对 CNT的操纵的示意图。

图4是示出了根据本发明的一个实施例使用偏振激光束对CNT的操纵的示意 图。

描述

本发明的一个实施例是一种实时监视碳纳米管(CNT)的技术。碳纳米管 (CNT)由激光束在流体中操纵。沿着CNT的轴对齐来自光源的照明光以便从CNT 中产生光学响应。根据该光学响应，使用光学传感器来监视CNT。

在随后的描述中将阐明各种具体的细节。然而，应该理解，无需这些具体的 细节也能实践本发明的各实施例。在其它实例中，未示出公知的电路、结构和技术 以免混淆对本发明的理解。

本发明的一个实施例可以被描述为通常由流程图、作业图、结构图或框图所 描绘的过程。虽然流程图可以将各操作描述为顺序过程，但是这些操作中有许多可 以并行或同时执行。此外，还可以重新安排各操作的次序。一个过程在它的操作完 成时终止。一个过程可以对应于一种方法、程序、制造或生产方法等等。

本发明的一个实施例通过实时光学捕获监视单壁(single-walled)碳纳米管 (SWNT)的操纵。引入暗场光学显微镜构造用于就地观察以代替实验后的分析。 在光学捕获过程期间使用暗场光学显微镜监视碳纳米管允许对捕获效果的实时评 估。在外部光场下，碳纳米管内的感应偶极矩将碳纳米管沿着极化场方向定向。在 暗场光学显微镜和卤素灯的照明下，能够从碳纳米管的瑞利散射中识别碳纳米管的 定向，从而能够实时监视光学捕获的效果。

单壁碳纳米管的直径约一纳米(nm)，长约几微米(μm)。本发明的一个实施例 提供了一种在光学分类和操纵期间观察或目测碳纳米管的方法，这允许向研究人员 的实时反馈。本发明一个实施例的优点包括：(1)实时观察光学捕获的CNT的能 力，以及(2)使用来自观察到的图像信息的反馈信息使CNT操纵自动化的能力。

图1是在其中能够实践本发明一个实施例的系统100的示意图。系统100包 括光源110和监视器120。

光源是适用于为监视器120产生照明光的任何光源。在一个实施例中，光源 是具有适当瓦特数的卤素灯。光源的强度可被调节以便提供合适的亮度。

监视器120实时监视光学捕获的碳纳米管(CNT)的位置和移动。监视器120 包括激光器130、光学组件140、显微镜150、光学传感器170和控制器180。

激光器130通过光学组件140将激光束135聚焦至显微镜150。激光器130 可由控制器180控制以具有多种工作模式。激光器130可以被控制以具有可变的亮 度和光学频率。它还能被偏振。

光学组件140提供处理激光束135的光学元件。光学元件的示例包括衍射光 学器件142、透镜、望远镜式透镜144、光调制器和滤波器。光学组件140将激光 束135定向到放置在显微镜150内含有CNT 1551至155N的流体154。

显微镜150包括偏振器152、物镜160、分色镜162和分析器164。显微镜150 还可以包括其他元件。在一个实施例中，显微镜150被配置成提供暗场显微术。暗 场显微术通过形成CNT 1551至155N与背景场之间的对比而提供更好的目测和/或 增强的图像。

偏振器152通过沿着CNT的轴对齐照明光来偏振来自光源110的照明光以从 CNT中产生光学响应。当光沿着CNT的光轴被偏振时，CNT的瑞利散射变强。 CNT的光学响应通常是绿光。

流体154包括多层或多通道的不同流体。它可以装在由玻璃或聚合材料制成 的流体通道或容器内。流体154包括多个CNT 1551至155N。CNT可以是单壁CNT (SWNT)或多壁CNT(MWNT)。CNT可以被官能化。流体154被放置在偏振 器152和物镜160之间以允许对CNT 1551至155N的位置和移动的观察和监视。

分色镜162反射通过物镜160到达流体154的激光束以操纵CNT。它还为将 CNT散射的光学响应传输至分析器164提供光路。分析器164是放置在物镜160 的后孔与观察管(未示出)或放置光学传感器170的端口之间的光路内的另一个偏 振器。

监视器120允许以多种方式控制并监视流体154内的CNT。控制包括对CNT 的操纵。操纵包括捕获某一类CNT，移动被捕获的CNT，释放被捕获的CNT，以 及对齐这些被捕获的CNT。使用激光器130来操纵CNT是基于如下将解释的光学 偶极捕获的概念。

光学传感器170允许根据光学响应监视CNT。在一个实施例中，光学传感器 170是照相机或视频录像机。可以将视频或图像信息或信号提供给控制器180用于 处理。CNT的监视包括对光学响应的实时观察以确定CNT的定位、位置和移动。 观察人员可以通过光学传感器170观察CNT并执行必要的操作，诸如手动控制激 光器130或激活控制器180。

控制器180使用光学传感器170提供的视频或图像信息控制激光器130。它可 自动执行控制功能或由操作人员半自动地执行。控制器180包括激光器控制单元 182、光学控制单元184和处理器186。

激光器控制单元182对激光器130执行多种控制功能以基于观察到的光学响 应的强度和移动之一来影响对CNT的操纵。这些控制功能可以包括改变激光束135 的频率、变化激光束135的焦点位置、关闭激光束135、阻挡激光束135、过滤激 光束135以降低激光强度、移动激光束通过液-固分界面、以及偏振激光束135等 等。

光学控制单元184控制光学组件140。光学控制操作可包括衍射光学器件、透 镜、望远镜式透镜和滤光器的移动和/或启用/禁用。对光学控制单元184的使用也 可以是可任选的，并且可以手动执行这些光学控制功能。

处理器186分析流体154中的CNT的图像信息。处理器186可以包括跟踪 CNT的光学响应的图像分析器以及基于光学响应向激光器控制单元182和/或光学 单元184发送控制信号的决策逻辑。例如，它可以确定由CNT散射的绿光的强度 并为激光器控制单元182提供控制信号以控制激光器130，以使得CNT的强度处 于某个期望水平。

聚焦的激光束可通过激光束的电场与粒子或分子中感生出的自发偶极动量之 间的交互来捕获中性粒子或分子。在激光束电场中感生出的中性粒子的偶极动量可 以表达为：

P＝ε0χE    (1)

其中P是每单位体积的偏振或偶极动量，ε0是自由空间的介电常数，χ是电 介质极化率，而E是电场。

势能可表达为：

U＝(-1/2)＝(-1/2)ε0χ2(2)

电介质极化率可以复数形式表达为频率的函数如下：

χ(ω)＝χ′(ω)+iχ″(ω)(3)

其中是χ′(ω)实部而χ″(ω)是虚部。

当ω＜ω0时，χ′(ω)＞0，其中ω0是共振频率。

从方程式(2)中可以推导出势能U在光强增加时降低。此外，假设激光束的光 强分布是高斯分布，则粒子趋向于移至E更高的区域并且在激光束的中心处被捕 获。

取决于直径和手性，SWNT可以是金属或半导体。SWNT的状态的电子密度 由许多被称为van Hove奇点的尖峰脉冲组成。相应的van Hove奇点之间的能隙是 光学容许的带间跃迁能量。通过选择合适的激光频率或者连续调节激光频率，能捕 获某一类纳米管。MWNT是具有不同直径和手性的多个SWNT的组合。对MWNT 的捕获取决于它的成分，即不同SWNT类型之比。可以捕获所有类型SWNT的激 光频率也能够捕获MWNT。

还可以使用偏振激光束来对齐纳米管。偶极通常与纳米管的轴平行。偏振P 可以被分解成平行分量Pp和正交分量P0：

$P=P_p+P_o\cong P_p={ϵ}_0\mathrm{\chi E}---\left(4\right)$

其中Ep是E的平行分量。

于是可将势能表达为：

U＝(-1/2)＝(-1/2)2cosθ(5)

其中θ是E和CNT的轴之间的夹角。

从上述方程式中可知E的增加会导致U的降低。而当ω＜ω0，χ′(ω)＞0时，θ的 增加也会导致U的降低。因此，CNT可由偏振的激光束来捕获和对齐。

图2是示出了根据本发明的一个实施例的对CNT的操纵的示意图。流体154 包括第一层210、缓冲层220和第二层230。

三层210、220和230是层流层。缓冲层220防止CNT在第一与第二层210 和230之间的随机扩散。第一层210包括多个自由CNT 1551至155N。

激光束在第一层210中的位点240处聚焦以捕获CNT 155k。激光束以被称为 捕获频率的特定频率聚焦，从而能够选择性地捕获和/或释放响应于该捕获频率的 CNT 155k。一旦CNT 155k被捕获，它可通过控制激光束来移动和释放。

为移动CNT 155k，激光焦点的位置从位点240变为第二层230中的位点250。 激光可被精确地移动，所以能精确地控制CNT 155k的移动。一旦CNT 155k移动至 一个新位置，就能将其释放。

可以使用多种方法在第一层210或第二层230的任何位置上(例如位点240 或250)释放被捕获的CNT 155k。在第一种方法中，仅关闭激光器110，从而切断 激光束。移除电场，于是CNT 155k变得自由。在第二种方法中，激光束被光学或 机械阻挡块阻挡。在第三种方法中，通过使用光学组件120内或激光器110本身内 的滤光器调低激光强度。在第四种方法中，改变激光器110的频率使其与捕获频率 不同。在第五种方法中，第二层230内的流体用带有与第一层210不同的粘性或介 电常数的另一种流体代替。在第六种方法中，激光束移动通过液-固分界面(例如， 微流体通道壁)。

CNT的捕获、移动和释放可通过将激光束的扫描与释放CNT的事件同步来连 续执行。

图3是示出了能够实现的根据本发明一个实施例使用带有不同粘度的层对 CNT的操纵的示意图。流体具有三层310、320和330。

激光束在第一层310内聚焦到CNT。CNT 155在位点340处被光学捕获。通 过移动激光束能将被捕获的CNT 155k移动至第二层320内的位点350。随后，当 由于第三层330而使得对CNT 155的剪切力要大于激光捕获力时，在具有不同粘 度的两个层流层320和330的分界面处释放被捕获的CNT 155。

激光束可以在位点340和第三层内的位点360之间来回扫过以捕获、移动并 在第二与第三层320和330之间的分界面处释放CNT 155。该技术不需要调节激光 强度或改变频率以释放CNT。

图3中的一个极端情况是层330是固体(例如，微流体通道壁)。

图4是示出了根据本发明一个实施例使用偏振激光束对CNT的操纵的示意 图。流体130包括第一和第二层410和420。层440是固体底层(例如，玻璃、硅)。 粘合层430可以被涂覆在衬底440上。

CNT 155由激光束在第一层410的位点450处捕获。CNT 155响应于一偏振。 激光是偏振激光。CNT 155与该偏振激光束所提供的定向对齐。通过相应地改变激 光焦点的位置，将被捕获的CNT 155移至第二层420的位点460处。随后在第二 层420和粘合层430之间的表面处释放被捕获的CNT 155。层430提供了对释放的 CNT 155的支承。

层430还固定CNT 155并同时保持其对齐或定向与激光偏振方向相同。可以 使用光刻法形成层430的图案以进一步定义CNT 155能附着的位置。

如果被捕获的CNT 155与衬底440的表面有较高的亲和力，就无需粘合层 430，并可由衬底440执行对CNT 155的固定。

第二层420可以起到防止CNT随机扩散至层430或层440的作用。如果第一 层410内的CNT浓度淡到足以忽略对表面430和440的非特异性结合，则无需第 二层420。

衬底440的表面可以被官能化以固定CNT 155同时保持其对齐或定向相同。 这可由多种方法实现。例如，衬底440上可以涂覆带正电分子层430(例如，自聚 集的3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3-Aminoprophltriethoxysilane)单层)，该层在CNT 155接近表面时能够结合到CNT 155或者已官能化的CNT 155上的官能团或化学 部分。

激光束可以在位点450和衬底440内的位点470之间来回扫过，以捕获、对 齐、移动、释放以及在底层440上沉积(固定)CNT 155。

虽然根据若干实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该认识到本 发明不限于所描述的实施例，而是可以用所附权利要求精神和范围内的修改和变化 来实践。因此可认为该描述是示意性而非限制性的。