專利名稱：實時監(jiān)視光學(xué)捕獲的碳納米管的制作方法
背景發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明的實施例涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，尤其涉及納米技術(shù)。
相關(guān)技術(shù)的描述碳納米管是納米技術(shù)中很有前景的元件。它們是由石墨薄片(graphene)圓柱體組成的球殼狀碳分子相關(guān)的結(jié)構(gòu)。碳納米管可以被官能化(通過將部分(moiety)連接至碳納米管)以提高它們在溶劑中的溶解性并控制它們與其他分子或固體材料的親和力。
分析碳納米管的現(xiàn)有方法主要關(guān)注實驗后的結(jié)果。這種技術(shù)是間接的，并傾向于很多不確定性源，從而導(dǎo)致對碳納米管的光學(xué)捕獲的真實效果的不恰當(dāng)評價。現(xiàn)在尚不存在在光學(xué)捕獲系統(tǒng)中實時監(jiān)視碳納米管的移動的有效技術(shù)。
附圖簡述通過參考隨后的描述以及用于示出本發(fā)明實施例的附圖就能最好地理解本發(fā)明的各實施例。在附圖中

圖1是示出了在其中能夠?qū)嵺`本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)的示意圖。
圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的CNT的操縱的示意圖。
圖3是示出了能實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的一個實施例使用帶有不同粘度的各層對CNT的操縱的示意圖。
圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例使用偏振激光束對CNT的操縱的示意圖。
描述本發(fā)明的一個實施例是一種實時監(jiān)視碳納米管(CNT)的技術(shù)。碳納米管(CNT)由激光束在流體中操縱。沿著CNT的軸對齊來自光源的照明光以便從CNT中產(chǎn)生光學(xué)響應(yīng)。根據(jù)該光學(xué)響應(yīng)，使用光學(xué)傳感器來監(jiān)視CNT。
在隨后的描述中將闡明各種具體的細(xì)節(jié)。然而，應(yīng)該理解，無需這些具體的細(xì)節(jié)也能實踐本發(fā)明的各實施例。在其它實例中，未示出公知的電路、結(jié)構(gòu)和技術(shù)以免混淆對本發(fā)明的理解。
本發(fā)明的一個實施例可以被描述為通常由流程圖、作業(yè)圖、結(jié)構(gòu)圖或框圖所描繪的過程。雖然流程圖可以將各操作描述為順序過程，但是這些操作中有許多可以并行或同時執(zhí)行。此外，還可以重新安排各操作的次序。一個過程在它的操作完成時終止。一個過程可以對應(yīng)于一種方法、程序、制造或生產(chǎn)方法等等。
本發(fā)明的一個實施例通過實時光學(xué)捕獲監(jiān)視單壁(single-walled)碳納米管(SWNT)的操縱。引入暗場光學(xué)顯微鏡構(gòu)造用于就地觀察以代替實驗后的分析。在光學(xué)捕獲過程期間使用暗場光學(xué)顯微鏡監(jiān)視碳納米管允許對捕獲效果的實時評估。在外部光場下，碳納米管內(nèi)的感應(yīng)偶極矩將碳納米管沿著極化場方向定向。在暗場光學(xué)顯微鏡和鹵素?zé)舻恼彰飨拢軌驈奶技{米管的瑞利散射中識別碳納米管的定向，從而能夠?qū)崟r監(jiān)視光學(xué)捕獲的效果。
單壁碳納米管的直徑約一納米(nm)，長約幾微米(μm)。本發(fā)明的一個實施例提供了一種在光學(xué)分類和操縱期間觀察或目測碳納米管的方法，這允許向研究人員的實時反饋。本發(fā)明一個實施例的優(yōu)點包括(1)實時觀察光學(xué)捕獲的CNT的能力，以及(2)使用來自觀察到的圖像信息的反饋信息使CNT操縱自動化的能力。
圖1是在其中能夠?qū)嵺`本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)100的示意圖。系統(tǒng)100包括光源110和監(jiān)視器120。
光源是適用于為監(jiān)視器120產(chǎn)生照明光的任何光源。在一個實施例中，光源是具有適當(dāng)瓦特數(shù)的鹵素?zé)?。光源的?qiáng)度可被調(diào)節(jié)以便提供合適的亮度。
監(jiān)視器120實時監(jiān)視光學(xué)捕獲的碳納米管(CNT)的位置和移動。監(jiān)視器120包括激光器130、光學(xué)組件140、顯微鏡150、光學(xué)傳感器170和控制器180。
激光器130通過光學(xué)組件140將激光束135聚焦至顯微鏡150。激光器130可由控制器180控制以具有多種工作模式。激光器130可以被控制以具有可變的亮度和光學(xué)頻率。它還能被偏振。
光學(xué)組件140提供處理激光束135的光學(xué)元件。光學(xué)元件的示例包括衍射光學(xué)器件142、透鏡、望遠(yuǎn)鏡式透鏡144、光調(diào)制器和濾波器。光學(xué)組件140將激光束135定向到放置在顯微鏡150內(nèi)含有CNT 1551至155N的流體154。
顯微鏡150包括偏振器152、物鏡160、分色鏡162和分析器164。顯微鏡150還可以包括其他元件。在一個實施例中，顯微鏡150被配置成提供暗場顯微術(shù)。暗場顯微術(shù)通過形成CNT 1551至155N與背景場之間的對比而提供更好的目測和/或增強(qiáng)的圖像。
偏振器152通過沿著CNT的軸對齊照明光來偏振來自光源110的照明光以從CNT中產(chǎn)生光學(xué)響應(yīng)。當(dāng)光沿著CNT的光軸被偏振時，CNT的瑞利散射變強(qiáng)。CNT的光學(xué)響應(yīng)通常是綠光。
流體154包括多層或多通道的不同流體。它可以裝在由玻璃或聚合材料制成的流體通道或容器內(nèi)。流體154包括多個CNT 1551至155N。CNT可以是單壁CNT(SWNT)或多壁CNT(MWNT)。CNT可以被官能化。流體154被放置在偏振器152和物鏡160之間以允許對CNT 1551至155N的位置和移動的觀察和監(jiān)視。
分色鏡162反射通過物鏡160到達(dá)流體154的激光束以操縱CNT。它還為將CNT散射的光學(xué)響應(yīng)傳輸至分析器164提供光路。分析器164是放置在物鏡160的后孔與觀察管(未示出)或放置光學(xué)傳感器170的端口之間的光路內(nèi)的另一個偏振器。
監(jiān)視器120允許以多種方式控制并監(jiān)視流體154內(nèi)的CNT?？刂瓢▽NT的操縱。操縱包括捕獲某一類CNT，移動被捕獲的CNT，釋放被捕獲的CNT，以及對齊這些被捕獲的CNT。使用激光器130來操縱CNT是基于如下將解釋的光學(xué)偶極捕獲的概念。
光學(xué)傳感器170允許根據(jù)光學(xué)響應(yīng)監(jiān)視CNT。在一個實施例中，光學(xué)傳感器170是照相機(jī)或視頻錄像機(jī)。可以將視頻或圖像信息或信號提供給控制器180用于處理。CNT的監(jiān)視包括對光學(xué)響應(yīng)的實時觀察以確定CNT的定位、位置和移動。觀察人員可以通過光學(xué)傳感器170觀察CNT并執(zhí)行必要的操作，諸如手動控制激光器130或激活控制器180。
控制器180使用光學(xué)傳感器170提供的視頻或圖像信息控制激光器130。它可自動執(zhí)行控制功能或由操作人員半自動地執(zhí)行?？刂破?80包括激光器控制單元182、光學(xué)控制單元184和處理器186。
激光器控制單元182對激光器130執(zhí)行多種控制功能以基于觀察到的光學(xué)響應(yīng)的強(qiáng)度和移動之一來影響對CNT的操縱。這些控制功能可以包括改變激光束135的頻率、變化激光束135的焦點位置、關(guān)閉激光束135、阻擋激光束135、過濾激光束135以降低激光強(qiáng)度、移動激光束通過液-固分界面、以及偏振激光束135等等。
光學(xué)控制單元184控制光學(xué)組件140。光學(xué)控制操作可包括衍射光學(xué)器件、透鏡、望遠(yuǎn)鏡式透鏡和濾光器的移動和/或啟用/禁用。對光學(xué)控制單元184的使用也可以是可任選的，并且可以手動執(zhí)行這些光學(xué)控制功能。
處理器186分析流體154中的CNT的圖像信息。處理器186可以包括跟蹤C(jī)NT的光學(xué)響應(yīng)的圖像分析器以及基于光學(xué)響應(yīng)向激光器控制單元182和/或光學(xué)單元184發(fā)送控制信號的決策邏輯。例如，它可以確定由CNT散射的綠光的強(qiáng)度并為激光器控制單元182提供控制信號以控制激光器130，以使得CNT的強(qiáng)度處于某個期望水平。
聚焦的激光束可通過激光束的電場與粒子或分子中感生出的自發(fā)偶極動量之間的交互來捕獲中性粒子或分子。在激光束電場中感生出的中性粒子的偶極動量可以表達(dá)為P＝ε0χE(1)其中P是每單位體積的偏振或偶極動量，ε0是自由空間的介電常數(shù)，χ是電介質(zhì)極化率，而E是電場。
勢能可表達(dá)為U＝(-1/2)＜P·E>＝(-1/2)ε0χ＜E>2(2)電介質(zhì)極化率可以復(fù)數(shù)形式表達(dá)為頻率的函數(shù)如下χ(ω)＝χ′(ω)+iχ″(ω)(3)其中是χ′(ω)實部而χ″(ω)是虛部。
當(dāng)ω＜ω0時，χ′(ω)＞0，其中ω0是共振頻率。
從方程式(2)中可以推導(dǎo)出勢能U在光強(qiáng)增加時降低。此外，假設(shè)激光束的光強(qiáng)分布是高斯分布，則粒子趨向于移至E更高的區(qū)域并且在激光束的中心處被捕獲。
取決于直徑和手性，SWNT可以是金屬或半導(dǎo)體。SWNT的狀態(tài)的電子密度由許多被稱為van Hove奇點的尖峰脈沖組成。相應(yīng)的van Hove奇點之間的能隙是光學(xué)容許的帶間躍遷能量。通過選擇合適的激光頻率或者連續(xù)調(diào)節(jié)激光頻率，能捕獲某一類納米管。MWNT是具有不同直徑和手性的多個SWNT的組合。對MWNT的捕獲取決于它的成分，即不同SWNT類型之比?？梢圆东@所有類型SWNT的激光頻率也能夠捕獲MWNT。
還可以使用偏振激光束來對齊納米管。偶極通常與納米管的軸平行。偏振P可以被分解成平行分量Pp和正交分量PoP＝Pp+Po≌Pp＝ε0χE(4)
其中Ep是E的平行分量。
于是可將勢能表達(dá)為U＝(-1/2)＜P·E>＝(-1/2)＜Ep>2cosθ(5)其中θ是E和CNT的軸之間的夾角。
從上述方程式中可知E的增加會導(dǎo)致U的降低。而當(dāng)ω＜ω0，χ′(ω)＞0時，θ的增加也會導(dǎo)致U的降低。因此，CNT可由偏振的激光束來捕獲和對齊。
圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的對CNT的操縱的示意圖。流體154包括第一層210、緩沖層220和第二層230。
三層210、220和230是層流層。緩沖層220防止CNT在第一與第二層210和230之間的隨機(jī)擴(kuò)散。第一層210包括多個自由CNT 1551至155N。
激光束在第一層210中的位點240處聚焦以捕獲CNT 155k。激光束以被稱為捕獲頻率的特定頻率聚焦，從而能夠選擇性地捕獲和/或釋放響應(yīng)于該捕獲頻率的CNT 155k。一旦CNT 155k被捕獲，它可通過控制激光束來移動和釋放。
為移動CNT 155k，激光焦點的位置從位點240變?yōu)榈诙?30中的位點250。激光可被精確地移動，所以能精確地控制CNT 155k的移動。一旦CNT 155k移動至一個新位置，就能將其釋放。
可以使用多種方法在第一層210或第二層230的任何位置上(例如位點240或250)釋放被捕獲的CNT 155k。在第一種方法中，僅關(guān)閉激光器110，從而切斷激光束。移除電場，于是CNT 155k變得自由。在第二種方法中，激光束被光學(xué)或機(jī)械阻擋塊阻擋。在第三種方法中，通過使用光學(xué)組件120內(nèi)或激光器110本身內(nèi)的濾光器調(diào)低激光強(qiáng)度。在第四種方法中，改變激光器110的頻率使其與捕獲頻率不同。在第五種方法中，第二層230內(nèi)的流體用帶有與第一層210不同的粘性或介電常數(shù)的另一種流體代替。在第六種方法中，激光束移動通過液-固分界面(例如，微流體通道壁)。
CNT的捕獲、移動和釋放可通過將激光束的掃描與釋放CNT的事件同步來連續(xù)執(zhí)行。
圖3是示出了能夠?qū)崿F(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明一個實施例使用帶有不同粘度的層對CNT的操縱的示意圖。流體具有三層310、320和330。
激光束在第一層310內(nèi)聚焦到CNT。CNT 155在位點340處被光學(xué)捕獲。通過移動激光束能將被捕獲的CNT 155k移動至第二層320內(nèi)的位點350。隨后，當(dāng)由于第三層330而使得對CNT 155的剪切力要大于激光捕獲力時，在具有不同粘度的兩個層流層320和330的分界面處釋放被捕獲的CNT 155。
激光束可以在位點340和第三層內(nèi)的位點360之間來回掃過以捕獲、移動并在第二與第三層320和330之間的分界面處釋放CNT 155。該技術(shù)不需要調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度或改變頻率以釋放CNT。
圖3中的一個極端情況是層330是固體(例如，微流體通道壁)。
圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例使用偏振激光束對CNT的操縱的示意圖。流體130包括第一和第二層410和420。層440是固體底層(例如，玻璃、硅)。粘合層430可以被涂覆在襯底440上。
CNT 155由激光束在第一層410的位點450處捕獲。CNT 155響應(yīng)于一偏振。激光是偏振激光。CNT 155與該偏振激光束所提供的定向?qū)R。通過相應(yīng)地改變激光焦點的位置，將被捕獲的CNT 155移至第二層420的位點460處。隨后在第二層420和粘合層430之間的表面處釋放被捕獲的CNT 155。層430提供了對釋放的CNT 155的支承。
層430還固定CNT 155并同時保持其對齊或定向與激光偏振方向相同。可以使用光刻法形成層430的圖案以進(jìn)一步定義CNT 155能附著的位置。
如果被捕獲的CNT 155與襯底440的表面有較高的親和力，就無需粘合層430，并可由襯底440執(zhí)行對CNT 155的固定。
第二層420可以起到防止CNT隨機(jī)擴(kuò)散至層430或?qū)?40的作用。如果第一層410內(nèi)的CNT濃度淡到足以忽略對表面430和440的非特異性結(jié)合，則無需第二層420。
襯底440的表面可以被官能化以固定CNT 155同時保持其對齊或定向相同。這可由多種方法實現(xiàn)。例如，襯底440上可以涂覆帶正電分子層430(例如，自聚集的3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3-Aminoprophltriethoxysilane)單層)，該層在CNT155接近表面時能夠結(jié)合到CNT 155或者已官能化的CNT 155上的官能團(tuán)或化學(xué)部分。
激光束可以在位點450和襯底440內(nèi)的位點470之間來回掃過，以捕獲、對齊、移動、釋放以及在底層440上沉積(固定)CNT 155。
雖然根據(jù)若干實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到本發(fā)明不限于所描述的實施例，而是可以用所附權(quán)利要求精神和范圍內(nèi)的修改和變化來實踐。因此可認(rèn)為該描述是示意性而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括用激光束操縱流體中的碳納米管(CNT)；沿著所述CNT的軸對齊來自光源的照明光以產(chǎn)生來自所述CNT的光學(xué)響應(yīng)；以及根據(jù)所述光學(xué)響應(yīng)使用光學(xué)傳感器監(jiān)視所述CNT。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述操縱包括捕獲所述CNT、移動所述被捕獲的CNT、釋放所述被捕獲的CNT、通過偏振所述激光束來對齊所述被捕獲的CNT、以及固定所述CNT中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對齊包括沿著所述CNT的軸對齊來自鹵素?zé)舻乃稣彰鞴狻?br> 4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對齊包括沿著所述CNT的軸偏振所述照明光。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述偏振包括沿著所述CNT的軸偏振所述照明光以產(chǎn)生來自所述CNT的瑞利散射的綠光。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述監(jiān)視包括使用耦合至暗場顯微鏡的所述光學(xué)傳感器來觀察所述光學(xué)響應(yīng)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述光學(xué)傳感器是照相機(jī)和視頻錄像機(jī)中的一種。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述監(jiān)視包括使用耦合至暗場顯微鏡的所述光學(xué)傳感器來觀察所述綠光。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述監(jiān)視還包括控制所述激光束以基于所述觀察到的光學(xué)響應(yīng)的強(qiáng)度和移動中的一種來影響對所述CNT的操縱。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，控制所述激光束包括改變所述激光束的頻率、變化所述激光束的焦點位置、關(guān)閉所述激光束、阻擋所述激光束、過濾所述激光束以降低激光強(qiáng)度、移動所述激光束通過液-固分界面、以及偏振所述激光束中的一種。
11.一種裝置，包括激光器，所述激光器將激光束聚焦到流體中的碳納米管(CNT)以執(zhí)行對所述CNT的操縱；顯微鏡，所述顯微鏡沿著所述CNT的軸對齊來自光源的照明光以產(chǎn)生來自所述CNT的光學(xué)響應(yīng)；以及光學(xué)傳感器，所述光學(xué)傳感器耦合至所述顯微鏡以根據(jù)所述光學(xué)響應(yīng)來監(jiān)視所述CNT。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述操縱包括捕獲所述CNT、移動所述被捕獲的CNT、釋放所述被捕獲的CNT、通過偏振所述激光束來對齊所述被捕獲的CNT、以及固定所述CNT中的一種。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述顯微鏡包括偏振器，所述偏振器沿著所述CNT的軸對齊來自鹵素?zé)舻乃稣彰鞴狻?br> 14.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述偏振器沿著所述CNT的軸偏振所述照明光。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述偏振器沿著所述CNT的軸偏振所述照明光以產(chǎn)生來自所述CNT的瑞利散射的綠光。
16.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述光學(xué)傳感器允許用顯微鏡的暗場構(gòu)造來觀察所述光學(xué)響應(yīng)。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述光學(xué)傳感器是照相機(jī)和視頻錄像機(jī)中的一種。
18.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述光傳感器允許用顯微鏡的暗場構(gòu)造來觀察所述光學(xué)響應(yīng)。
19.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，還包括控制器，所述控制器控制所述激光束以基于所述觀察到的光學(xué)響應(yīng)的強(qiáng)度和移動中的一種來影響對所述CNT的操縱。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，所述控制器通過改變所述激光束的頻率、變化所述激光束的焦點位置、關(guān)閉所述激光束、阻擋所述激光束、過濾所述激光束以降低激光強(qiáng)度、移動所述激光束通過液-固分界面、以及偏振所述激光束中的一種來控制所述激光束。
21.一種系統(tǒng)，包括光源，所述光源產(chǎn)生照明光；以及耦合至所述光源的監(jiān)視器，所述監(jiān)視器包括激光器，所述激光器將激光束聚焦到流體中的碳納米管(CNT)以執(zhí)行對所述CNT的操縱，顯微鏡，所述顯微鏡沿著所述CNT的軸對齊所述照明光以產(chǎn)生來自所述CNT的光學(xué)響應(yīng)，以及光學(xué)傳感器，所述光學(xué)傳感器耦合至所述顯微鏡以根據(jù)所述光學(xué)響應(yīng)來監(jiān)視所述CNT。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述操縱包括捕獲所述CNT、移動所述被捕獲的CNT、釋放所述被捕獲的CNT、通過偏振所述激光束來對齊所述被捕獲的CNT、以及固定所述CNT中的一種。
23.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述顯微鏡包括偏振器，所述偏振器沿著所述CNT的軸對齊來自光源的所述照明光，所述光源是鹵素?zé)簟?br> 24.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振器沿著所述CNT的軸偏振所述照明光。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述偏振器沿著所述CNT的軸偏振所述照明光以產(chǎn)生來自所述CNT的瑞利散射的綠光。
26.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)傳感器允許用顯微鏡的暗場構(gòu)造來觀察所述光學(xué)響應(yīng)。
27.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)傳感器是照相機(jī)和視頻錄像機(jī)中的一種。
28.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)傳感器允許用顯微鏡的暗場構(gòu)造來觀察所述光學(xué)響應(yīng)。
29.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)視器還包括控制器，所述控制器控制所述激光束以基于所述觀察到的光學(xué)響應(yīng)的強(qiáng)度和移動中的一種來影響對所述CNT的操縱。
30.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器通過改變所述激光束的頻率、變化所述激光束的焦點位置、關(guān)閉所述激光束、阻擋所述激光束、過濾所述激光束以降低激光強(qiáng)度、移動所述激光束通過液-固分界面、以及偏振所述激光束中的一種來控制所述激光束。
全文摘要
本發(fā)明的一個實施例是一種監(jiān)視碳納米管(CNT)的技術(shù)。用激光束操縱流體中的碳納米管(CNT)。沿著該CNT的軸對齊來自光源的照明光以產(chǎn)生來自該CNT的光學(xué)響應(yīng)。根據(jù)上述光學(xué)響應(yīng)使用光學(xué)傳感器來監(jiān)視該CNT。
文檔編號C01B31/02GK101018640SQ200580020536
公開日2007年8月15日 申請日期2005年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月24日
發(fā)明者談詩達(dá), 張躍鋼 申請人:英特爾公司