【0003】自从在20世纪90年代早期发现碳纳米管以来，碳纳米 管已经引起了相当大的兴趣。可能的应用包括从晶体管、数字存储器 和显示器的微型电子发射器到用于下一代环境友好机动车的氢气存储 装置的所有一切。
【0004】典型地，潜在的用户可获得的一批单壁碳纳米管具有不 同类型的单壁碳纳米管的混合。例如，在一批单壁碳纳米管中，可能 有金属单壁碳纳米管和半导体单壁碳纳米管。在半导体单壁碳纳米管 内，可能有不同长度、直径和/或手性或空间螺旋特性的单壁碳纳米管。 每个类型的单壁碳纳米管具有不同的属性(例如电的、化学的、光学 的、机械的属性)，这些属性特别适合不同的应用。因为它们通常作为 混合物出现，所以当试图利用特殊类型的单壁碳纳米管用于特定的应 用时，不能分开不同的单壁碳纳米管是麻烦的事情。
附图说明
【0005】在附图中，相同的数字一般表示同样的、功能上相似的 和/或结构上等同的元件。在附图中，第一次出现的元件是由附图标记 中最左边的数字表示的，其中：
【0006】图1是一个流程图，其示例说明根据本发明的实施方式 将半导体单壁碳纳米管从金属单壁碳纳米管拣选出来的过程；
【0007】图2是单壁碳纳米管的六角晶格的二维图，显示了手性 向量(chiral vector)和手性角度；
【0008】图3是一个图形表示，显示了电介质极化率相对于谐振 频率或共振频率的情况；
【0009】图4是一个图形表示，显示了半导体单壁碳纳米管的电 子密度态(electron density of states)；
【0010】图5是一个图形表示，显示了金属单壁碳纳米管的能带 隙电子态密度；
【0011】图6是一个图形表示，显示了单壁碳纳米管的能带隙和 直径之间的关系；
【0012】图7是根据本发明一个实施方式的微流体系统的俯视图；
【0013】图8是一个流程图，其示例说明了根据本发明的一个实 施方式对半导体单壁碳纳米管进行拣选的过程；
【0014】图9是一个微流体系统的俯视图，该系统适合根据本发 明的一个实施方式实施图8所示的过程；
【0015】图10是一个微流体系统的俯视图，该系统适合根据本发 明的一个替代实施方式对半导体单壁碳纳米管进行拣选；和
【0016】图11是一个系统的高级方块图，该系统适合根据本发明 的实施方式使用拣选后的单壁碳纳米管。

【0017】图1是一个流程图，其示例说明了过程100，该过程根 据本发明的实施方式将半导体单壁碳纳米管从金属单壁碳纳米管拣选 出来。过程100将被描述成顺序执行的多个不连续的操作，其描述方 式最有助于理解本发明的实施方式。但是，描述操作的顺序不应该被 解释为暗示这些操作是必定依赖顺序的或者它们应该以给出的顺序执 行。当然，过程100仅仅是一个示例过程，并且可以使用其他过程。
【0018】在块102中，过程100确定对应于目标类别的单壁碳纳 米管的直径和手性(例如扶手椅型(armchair)、锯齿形的、螺旋状的 (或手性的))。单壁碳纳米管可以被模拟为被卷成无缝圆柱体的一条 石墨片，该圆柱体有或没有端盖。它是“单壁的”，因为它的壁仅仅是 单个原子厚。当卷起石墨片使得该片一个边缘上的原子和该片另一边 缘上的原子重合时就生成了圆柱体。从第一原子指向第二原子的向量 被称为手性向量，而“手性向量”的长度等于单壁碳纳米管的周长。 单壁碳纳米管轴的方向垂直于手性向量。
【0019】图2是单壁碳纳米管的六角晶格的二维图200，显示了 手性向量和手性角度。手性向量Ch在六角晶格上被定义为Ch＝n 1+m2，其中1和2是单位向量，而n和m是整数。手性角度θ是相 对于1定义的方向测量的。示例图200已经被构造为用于(n，m)＝(4，2)， 并且这个单壁碳纳米管的单位晶胞是由OAB’B界定的。为了形成单壁 碳纳米管，假设这个单位晶胞被卷起，使得O和A会合且B和B’会 合，并且两端被盖上(capped)。
【0020】不同类型的碳纳米管具有不同的n和m值。锯齿型碳纳 米管对应于(n，0)或(0，m)，并且手性角度为0°，扶手椅型碳纳米管具有 (n，n)和30°的手性角度，而手性型的碳纳米管具有一般的(n，m)值和0 °到30°之间的手性角度。在本发明的实施方式中，扫描隧穿显微术 (scanning tunneling microscopy)可被用于确定和显示单壁碳纳米管的 原子结构。
【0021】具有不同长度、直径和/或手性向量的单壁碳纳米管具有 不同的电子特性。例如，取决于它们的手性向量，直径小的单壁碳纳 米管是半导体单壁碳纳米管或金属单壁碳纳米管。金属单壁碳纳米管 可在室温导电。半导体单壁碳纳米管在室温不导电。
【0022】再参考图1，在块104中，过程100识别目标类别的单 壁碳纳米管的谐振频率。在一个实施方式中，发射特定频率的光的激 光束可被扫描穿过单壁碳纳米管的混合物。光的电场分量和一个或多 个单壁碳纳米管相互作用。电场分量在目标单壁碳纳米管中引入了偶 极矩。
【0023】当激光束的频率等于目标单壁碳纳米管的谐振频率时， 在目标单壁碳纳米管中引入的偶极就会谐振。当激光束的频率低于单 壁碳纳米管的谐振频率时，单壁碳纳米管就会被吸引到激光束(也就 是被光学捕获)。当激光束的频率高于单壁碳纳米管的谐振频率时，激 光束就排斥单壁碳纳米管。(当激光束的频率在单壁碳纳米管的谐振 频率附近时，单壁碳纳米管的光学捕获就不稳定。)
【0024】在电场中引入的中性粒子的偶极矩可被表示为P＝ε0χ E。P是在激光束的电场中每单位体积的中性粒子的偶极矩(或极化强 度)。ε0是自由空间(free space)的介电常数或电容率，并且是常数。 χ(ω)是中性粒子变成偶极(即被极化)的电介质极化率。电介质极化 率χ(ω)取决于粒子的电子结构以及周围的介质(例如自由空间、水等 等)。
【0025】图3是一个图形表示300，显示了相对于激光束频率ω， 待极化的中性粒子(也就是单壁碳纳米管)的电介质极化率χ。电介 质极化率是复函数χ(ω)＝χ’(ω)+iχ”(ω)，其取决于试图极化它的 激光束的频率ω。图形表示300显示了电介质极化率的虚部302，其总 是正的，和实部304，其在穿过谐振频率时改变正负(点306)。
【0026】电介质极化率χ’(ω)的实部符号确定单壁碳纳米管是否 被吸引到激光束的电场分量或者从激光束的电场分量被排斥出去。如 果实部χ’(ω)的符号是正的，那么激光束就吸引单壁碳纳米管。如果 实部χ’(ω)的符号是负的，那么激光束就排斥单壁碳纳米管。电介质 极化率实部χ’(ω)的符号是由激光束的频率ω确定的。如果激光束的 频率ω低于单壁碳纳米管的谐振频率，那么电介质极化率实部χ’(ω) 的符号就是正的。如果激光束的频率ω高于单壁碳纳米管的谐振频率， 那么电介质极化率实部χ’(ω)的符号就是负的。
【0027】总的相互作用系统能量U(也就是，能量是偶极矩和激 光束的电场的乘积)可由U＝-1/2P·E表示，其中E是激光束的电场分 量。总的相互作用系统能量U也可由U＝-1/2ε0χE2表示。因此总 的相互作用系统能量U取决于电介质极化率实部χ’(ω)的符号和激光 束的电场分量的强度E2。对于正的χ’(ω)，U就随着激光强度E2的增 加而减少。因此，具有正χ’(ω)的纳米管就倾向于移动到更高激光强 度的区域。对于聚焦的激光束，强度分布通常是高斯分布，最高强度 点在激光束的中央，在该最高点，具有正χ’(ω)的中性粒子(也就是 纳米管)是最稳定的(也就是最低的能量U)。这是光引起的偶极(光 偶极)阱(optical dipole trap)的原理。
【0028】再次参考图1，在块106中，过程100确定目标类别的 单壁碳纳米管的谐振频率和其直径、手性之间的关系。图4是一个图 形表示，显示了示例半导体单壁碳纳米管的能带结构400(单壁碳纳米 管和石墨的态密度(DOS)相对于能量/γ0(energy/γ0)；虚线表示石 墨)。
【0029】例如，半导体单壁碳纳米管能带隙结构400包括几个峰 值对，其被表示为E11s、E22s等等。这些峰值对是单壁碳纳米管的一 维电子态密度(DOS)中的范霍夫奇异点(van Hove singularities)。E11s 是第一能量间距(或能带隙)。E22s是第二能量间距(或能带隙)。每个 峰值对表示单壁碳纳米管的谐振频率。因此E11s表示半导体单壁碳纳 米管的第一能带隙和第一谐振频率，而E22s表示半导体单壁碳纳米管 的第二能带隙和第二谐振频率。
【0030】图5是一个图形表示，显示了金属单壁碳纳米管的能带 结构500(单壁碳纳米管和石墨的态密度(DOS)相对于能量/γ0)。金 属单壁碳纳米管能带隙结构500也包括几个峰值对，其被表示为E11M、 E22M等等。E11M是第一能量间距，而E22M是第二能量间距。每个峰值 对表示单壁碳纳米管的谐振频率。因此E11M表示金属单壁碳纳米管的 第一能带隙和第一谐振频率。注意，有两个峰值对表示为E11M，这可 能是由于三角弯曲效应(trigonal warping effect)导致的范霍夫奇异点 分裂造成的(也就是，在单壁碳纳米管的一维电子结构中费米点附近 的不对称)。
【0031】也注意到，金属峰值对E22M比半导体峰值对E11s大得多， 并且甚至比半导体峰值对E22大。在本发明的实施方式中，可以使用扫 描隧穿显微术来确定和显示单壁碳纳米管的原子结构和电子态密度。
【0032】对应的范霍夫奇异点之间的能量间隔是光容许的能带内 的转变能(transition energy)。能带内的转变能是由每个单壁碳纳米管 的直径和手性确定的。图6是一个图形表示，其示例说明了单壁碳纳 米管谐振频率(也就是能带内的转变能)相对于单壁碳纳米管直径的 图600。
【0033】图600显示了对于所考虑的单壁碳纳米管直径dt在大约 0.4＜dt＜3.0纳米(nm)范围的所有(n，m)值，导电性(conduction)的一 维电子态密度(DOS)中的范霍夫奇异点和价带之间的计算的能量间 距Eii(例如E11、E22、E33等等)。单壁碳一碳能量重叠积分γ0的值是 2.9eV。最近的相邻碳一碳距离aC-C是1.42埃()。在能带内的转变能 Eii中的下标i表示第i个范霍夫奇异点之间的转变，i＝1时最靠近在 E＝0取的费米能级。
【0034】如果Eii是已知的，那么就可以确定具体单壁碳纳米管的 直径和手性。注意，单壁碳纳米管的能带隙和它的直径成反比。例如 在金属单壁碳纳米管中，E11M≌6γ0aC-C/dt。在半导体单壁碳纳米管中， E11S≌2γ0aC-C/dt。这意味着随着单壁碳纳米管的直径增大，能带隙和 谐振频率降低。
【0035】取决于手性，单壁碳纳米管的能带内的转变能Eii可偏离 与直径成反比(也就是可偏离E11M≌6γ0aC-C/dt和E11S≌2γ0aC-C/dt)。 如上所述，这是由于三角弯曲效应导致了范霍夫奇异点的分裂(在金 属单壁碳纳米管中)或移动(在半导体单壁碳纳米管中)。这个三角弯 曲效应仅仅发生在n不等于m时(也就是扶手椅型单壁碳纳米管)。
【0036】再次参考图1，在块108中，单壁碳纳米管的混合物被 置于微流体系统的一个层中。单壁碳纳米管的混合物包括至少一个目 标单壁碳纳米管。
【0037】图7是根据本发明的一个实施方式的微流体系统700的 俯视图。在微流体系统700中的单壁碳纳米管的混合物包括几个单壁 碳纳米管702、704、708、710、712、714和716。在所示例说明的实 施方式中，单壁碳纳米管714和716是目标单壁碳纳米管。
【0038】微流体系统700可包括粘性流体(例如水)的一层或多 层(简便起见，显示了分别在方向732和734流动的两层720和722)， 其在层流中彼此相邻平滑流动。在一个实施方式中，单壁碳纳米管的 混合物可放置在层720中。
【0039】在一个实施方式中，层720和722中的任何一个的宽度 和高度可小于大约1毫米(mm)。
【0040】在层720或722的任何一个中的流体流可以由雷诺数 (Reynolds number)RN表征，雷诺数表示成RN＝ρvd/η，其中ρ是流 体密度，v是流体速度，η是粘度，d是和流(flow)关联的几何尺寸 (例如层的宽度和高度)。当雷诺数低于大约2000时，流体流是分层 的或层状的。当雷诺数低于大约2000时，流体流是湍流的或扰动的。
【0041】示例的微流体系统700也包括激光束730。再次参考图1， 在块110中，激光束730对准单壁碳纳米管的混合物。激光束730的 频率可低于目标单壁碳纳米管的谐振频率。激光束730在目标单壁碳 纳米管中引入电偶极，并且捕获目标单壁碳纳米管。
【0042】在一个实施方式中，单壁碳纳米管714和716是目标半 导体单壁碳纳米管，而激光束捕获半导体单壁碳纳米管714和716。
【0043】使用电弧放电、激光切除、化学气相沉积(CVD)或其 他方法产生的单壁碳纳米管具有某个直径分布。例如，由公知的高压 CO歧化工艺(HiPCO)制造的单壁碳纳米管的直径分布从大约0.8到 1.3nm(见区域602)。在一个实施方式中，激光束的能量被选择为低于 0.55eV。在这个实施方式中，大多数金属和半导体单壁碳纳米管可被 捕获，因为对于E11M和E11S，激光频率低于单壁碳纳米管的谐振频率 (也就是所有的单壁碳纳米管可被捕获)。
【0044】在一个替代实施方式中，激光束的能量被选择在1.05eV 附近。在这个实施方式中，大多数的半导体单壁碳纳米管被释放，并 且所有的金属单壁碳纳米管可被捕获，因为对于E11M，激光频率低于 单壁碳纳米管的谐振频率，而对于E11S，激光频率高于单壁碳纳米管的 谐振频率(也就是仅在金属单壁碳纳米管中产生陷阱)。
【0045】在另一实施方式中，在金属单壁碳纳米管从半导体单壁 碳纳米管拣选出来之后，激光束中的能量在0.6-1eV之间被调整。在这 个实施方式中，一些半导体单壁碳纳米管被释放，并且一些半导体单 壁碳纳米管被捕获，因为对于E11M，激光频率低于一些单壁碳纳米管 的谐振频率，而对于E11S，激光频率高于其他单壁碳纳米管的谐振频率 (也就是一些半导体单壁碳纳米管可被捕获，而其他半导体单壁碳纳 米管不被捕获)。
【0046】在块112中，半导体单壁碳纳米管714和716从层720 被移到层722，而金属单壁碳纳米管702、704、706、708、710、712 仍然在层720中。例如激光束730的焦点可从层720移到层722。从前 述已知，具有正x’(ω)的单壁碳纳米管倾向于移到更高激光强度的区 域，对于聚焦的激光束，其强度分布是高斯分布，该更高激光强度的 区域是在激光束的中央。因此，激光束730的焦点从层720移到层733 的移动可导致半导体单壁碳纳米管714和716从层720移到层722。
【0047】在一个实施方式中，可使用镜子(没有示出)来改变激 光束730的焦点的位置。例如，镜子的角度可连续或逐渐递增地改变， 以改变激光束730的偏转角度。
【0048】在块114中，过程100在一个收集地736从层722收集 半导体单壁碳纳米管，而在另一收集地738从层720收集金属单壁碳 纳米管702、704、706、708、710、712。
【0049】为了示例说明的目的，描述一个替代的实施方式，在其 中从组A、B和C半导体单壁碳纳米管的混合中分离组B半导体单壁 碳纳米管是适当的。假设，A(组)半导体单壁碳纳米管的谐振频率高 于B(组)半导体单壁碳纳米管的谐振频率，而B半导体单壁碳纳米 管的谐振频率高于C半导体单壁碳纳米管的谐振频率。
【0050】图8是一个流程图，其示例说明了根据本发明的一个实 施方式从A和C半导体单壁碳纳米管拣选B半导体单壁碳纳米管的过 程800。图9是一个微流体系统900的俯视图，该系统适合根据本发明 的一个实施方式实施过程800。
【0051】过程800将被描述成顺序执行的多个不连续的操作，其 描述方式最有助于理解本发明的实施方式。但是，描述操作的顺序不 应该被解释为暗示这些操作是必定依赖顺序的或者它们应该以给出的 顺序执行。当然，过程800仅仅是一个示例过程，并且可以使用其他 过程。
【0052】在块802中，激光束930被调整到频率ω1，该频率低于 B半导体单壁碳纳米管的谐振频率而高于C半导体单壁碳纳米管的谐 振频率。
【0053】在块804中，A、B和C半导体单壁碳纳米管的混合物 被置于层流中的第一微流体层920中。
【0054】在块806中，A、B和C半导体单壁碳纳米管的混合物 流向激光束930，并且激光束930捕捉A和B单壁碳纳米管。
【0055】在块808中，激光束930的焦点移动，这将A和B单壁 碳纳米管移到层流中的第二微流体层922，而C单壁碳纳米管仍然在 第一微流体层920中。
【0056】在块810中，激光束930被调整到频率ω2，该频率高于 B半导体单壁碳纳米管的谐振频率而低于A半导体单壁碳纳米管的谐 振频率。
【0057】在块812中，A和B半导体单壁碳纳米管的混合物流向 激光束930，并且激光束930捕捉A单壁碳纳米管。
【0058】在块814中，激光束930将A半导体单壁碳纳米管移到 层流中的第三微流体层924，而B单壁碳纳米管仍然在第二微流体层 922中。
【0059】在块816中，过程800在收集器926中从第三层924收 集A半导体单壁碳纳米管，而在收集器932中从第二层922收集B半 导体单壁碳纳米管。
【0060】图10示例说明了微流体系统1000，该系统适合根据本 发明的一个替代实施方式对A、B和C半导体单壁碳纳米管进行拣选。 当A半导体单壁碳纳米管的谐振频率高于B半导体单壁碳纳米管的谐 振频率，且B半导体单壁碳纳米管的谐振频率高于C半导体单壁碳纳 米管的谐振频率时，这个实施方式可能是适合的。
【0061】激光束1002可被调整到频率ω1，该频率低于A半导体 单壁碳纳米管的谐振频率但高于B半导体单壁碳纳米管的谐振频率。 激光束1002可捕获A半导体单壁碳纳米管，并且将A半导体单壁碳 纳米管从微流体层1004移到微流体层1006、移到收集器1008。B和C 半导体单壁碳纳米管仍然在微流体层1004中。
【0062】然后激光束1010可被调整到频率ω2，该频率低于B半 导体单壁碳纳米管的谐振频率但高于C半导体单壁碳纳米管的谐振频 率。激光束1010可捕获B半导体单壁碳纳米管，并且将B半导体单壁 碳纳米管从微流体层1004移到微流体层1006、移到收集器1012。C 半导体单壁碳纳米管仍然在微流体层1004中。
【0063】激光束1014可被调整到频率ω3，该频率低于C半导体 单壁碳纳米管的谐振频率。激光束1014可捕获C半导体单壁碳纳米管， 并且将C半导体单壁碳纳米管从微流体层1004移到微流体层1006、 移到收集器1016。
【0064】常见的是，单壁碳纳米管制造商提供给潜在用户的成批 单壁碳纳米管聚积在一起，并且由于非常强的范德瓦尔斯力(van der Waals force)形成类似于绳的束。在本发明的一个实施方式中，在使用 光偶极阱进行拣选之前，一批单壁碳纳米管可被功能化(functionalize)。 例如，该批单壁碳纳米管可被浸入含水的表面活性溶液中来给它们解 束。合适的表面活性剂是公知的(例如十二烷基硫酸钠(SDS))。
【0065】在本发明的一个实施方式中，可调的激光提供激光束。 可调的激光因此能够扫描穿过频率或者在频率之间切换。在一个替代 实施方式中，可使用多个激光来提供激光束。激光束可具有相同的频 率，以提供目标类别单壁碳纳米管的高效率捕获(也就是，激光束可 同时指向目标类别的单壁碳纳米管，使得基本所有的目标类别单壁碳 纳米管可在一遍(扫描)中被捕获)。或者，具有相同频率的多个激光 束可逐个指向目标类别的单壁碳纳米管，使得基本所有的目标类别单 壁碳纳米管可以以连续的方式被捕获。激光束穿过微流体的扫描速度 可足够快，使得所有的目标单壁碳纳米管可在一遍扫描中被除去。
【0066】虽然为了简便起见，在实施方式中只描述了一个微流体 系统，但是可使用几个微流体系统来拣选单壁碳纳米管。例如，两个 或更多的微流体系统可彼此并行地被使用。替换地，两个或更多的微 流体系统可被彼此连续地使用。在读了这里的描述之后，相关领域的 普通技术人员可容易地认识到，如何使用两个或更多的微流体系统来 实现本发明的实施方式。
【0067】图11是一个系统1100的高级方块图，该系统适合根据 本发明的实施方式使用拣选后的单壁碳纳米管。系统1100可以是扫描 隧穿显微镜，其包括单壁碳纳米管尖端1102；控制尖端1102到样品 1106的距离的、连接的压电管1104，样品1106是虚线，因为它不是 系统1100的一部分；放大来自尖端1102的隧穿电流的隧穿电流放大 器1108；为管1104上的电极1112和1114提供电压的、连接的控制单 元1110；和显示扫描样品1106的结果的显示器1116。适合根据本发明 的实施方式使用拣选后的单壁碳纳米管的扫描隧穿显微镜是公知的。
【0068】适合使用根据本发明的实施方式通过能带隙(也就是光 偶极谐振频率)拣选的单壁碳纳米管的其他系统包括晶体管制造系统。 例如，在许多装置中，晶体管能带隙被控制，以至于在特定装置上的 所有晶体管具有相同的能带隙。这确保所有的晶体管具有相同的阈值 电压。适合使用根据本发明的实施方式拣选后的单壁碳纳米管的其他 系统包括电池制造系统和燃料电池制造系统。
【0069】本发明的实施方式可使用硬件、软件或者其组合实现。 在使用软件的实现中，软件可存储在机器可存取的介质上。机器可存 取的介质包括以机器(例如计算机、网络设备、个人数字助理、制造 工具、具有一组一个或多个处理器的任何设备等等)可存取的形式提 供(也就是存储和/或传输)信息的任何机构。例如，机器可存取的介 质包括可记录的和不可记录的介质(例如只读存储器[ROM]、随机存 取存储器[RAM]、磁盘存储介质、光存储介质、闪存存储设备等等)， 以及电的、光的、声的或者传播信号的其他形式(例如载波、红外信 号、数字信号等等)。
【0070】上面描述的本发明示例说明的的实施方式不打算穷尽或 者限制本发明为所公开的精确形式。虽然在此描述本发明的特定实施 方式和例子为了示例目的，但是在本发明实施方式的范围内的各种等 同的修改是可能的，如相关领域的技术人员将认识到的。可根据上面 的详细描述对本发明的实施方式进行这些修改。
【0071】在上面的描述中，许多具体的细节，比如具体的工艺、 材料、设备等等提供了本发明实施方式的全面理解。但是相关领域的 技术人员可认识到，可在没有一个或多个该具体细节的情况下实践本 发明，或者使用其他方法、组件等等实践本发明。在其他情况下，没 有显示或详细描述公知结构或操作，以避免使对本说明书的理解不清 楚。
【0072】在整个说明书中，提及“一个实施方式”或“实施方式” 意味着，结合实施方式描述的具体特征、结构、工艺、块、或特性被 包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，贯穿本说明书在各个地 方出现的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”不一定是意 味着这些短语都指的是同一实施方式。具体的特征、结构、或特性可 以以任何合适的方式结合在一个或多个实施方式中。
【0073】在所附权利要求中使用的术语不应该解释为：将本发明 的实施方式限制为在本说明书和权利要求中所公开的具体实施方式。 相反地，本发明的实施方式的范围是由所附的权利要求完全决定的， 权利要求是根据确立的权利要求解释的原则解释的。
相关申请的交叉参考
【0001】本申请是2002年3月26提交的10/107,833号美国申请 的部分继续申请，并且要求该申请的优先权权益。