專利名稱：低維納米材料高柔性組裝芯片及應用方法
技術領域：
本發(fā)明是一種三維可控的低維納米材料的高柔性組裝芯片技術，涉及微流 控領域以及納米結構材料組裝領域,特別是低維納米材料的主動式組裝領域。
背景技術：
近年來，隨著納米材料合成技術的發(fā)展，金屬材料、絕緣材料和半導體材 料可以通過組裝形成新的納米結構材料，應用于MEMS器件以及生物醫(yī)學器件中。 由于各種納米結構材料在化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性上存在差異性，要實現(xiàn)高水平 的非均質(zhì)納米結構材料的組裝，則存在著巨大的挑戰(zhàn)。目前采用的組裝方法由 兩個步驟組成首先分別合成各種納米結構材料；然后應用某種微操縱方法進 行組裝，從而完成整個微納米器件制造。鑒于近年來材料學和化學領域研究的 不斷發(fā)展，各種材料在各自的處理條件下單獨合成較易實現(xiàn)，而將這些不同材 料組裝并集成于納米結構系統(tǒng)中則缺乏有效的方法，己成為制約微納米器件制 造發(fā)展的瓶頸問題。因此研究發(fā)明一種準確、簡單和高效地納米結構材料組裝 工具，成為納米制造研究領域中極為關鍵且重要的基礎研究課題。該課題的研究是近幾年來各國學者研究的熱點，包括應用微流體技術將 一維納米結構排列成功能網(wǎng)絡或在軌道式微流道中組裝成納米器件；應用微接 觸印刷技術實現(xiàn)無機納米線或碳納米管大面積噴涂；應用Langnrnir-Blodgett 排列技術可以排列納米棒或流體中大量分散的納米線。應用生物樣板組裝技術 可實現(xiàn)生物材料自發(fā)組裝，但其組裝過程機理復雜，難以精確控制。上述組裝技術都是針對納米結構材料(包含類球粒子、納米線、納米管) 群體的非精確操控，而目前微納米器件制造過程中更需要針對單一納米結構材 料個體的精確操縱。近年來已有研究者使用三軸納米機械手或光鑷陷阱實現(xiàn)單個納米結構的精確操縱。納米機械手主要有兩種 一種是通過原子力顯微鏡系統(tǒng)中壓電執(zhí)行器控制樣品平面運動和豎直方向探針與樣品之間距離來實現(xiàn)的；另一種是通過皮米級電機和壓電致動器控制安裝于掃描電子顯微鏡內(nèi)部的兩個探針運動實現(xiàn)的。此類微納米機械手缺點 一方面，操縱過程依賴于精密微電 機和壓電致動器，靈活性差、耗時長且價格昂貴；另一方面，此類操縱不能實 現(xiàn)單個納米結構的大規(guī)模并行操控。光鑷陷阱操縱技術， 一種是貝爾實驗室Ashkin發(fā)明光鑷技術，用于對直徑 在幾十納米到幾十微米的微粒個體進行高精度操縱，另一種是Mogensen和 Gluckstad研究出的動態(tài)全息光鑷，利用相差方法產(chǎn)生任意形狀的激光光束陣 列，用于對多個生物樣品微粒進行并行操縱。但光鑷、動態(tài)全息光鑷捕捉范圍 小(〈l微米)，這就限制了光鑷在大規(guī)模并行操縱中的應用。綜上所述，運用微流體技術、微接觸印刷技術、Langmuir-Blodgett排列技 術和生物樣板組裝技術只能實現(xiàn)將大量納米結構材料作為一個整體進行組裝和 集成，而對單一納米結構個體的單獨操控和并行組裝則無能為力。應用微納米 機械手和光鑷技術雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對單個納米結構的控制，但仍不能同時達到高 精度、高通量、低成本和多維操縱的要求。介電泳(Dielectrophoresis，簡稱DEP)技術作為一種重要的微納米結構 個體操作工具，與上述納米結構材料組裝技術相比，由于沒有移動部件、不需 要昂貴的設備、屬于非接觸非入侵式操控，且實施簡單、滿足大量并行的主動 式(即納米材料主動運動，而微器件內(nèi)的所有部件靜止)操作需求，成為目前 納米結構材料組裝技術中一項重要的使能技術。目前，基于介電泳力的納米結 構材料組裝和運動控制的研究已逐漸成為各國科研熱點，雖然該領域中己取得 了一定的研究成果，但仍存在著亟待解決的問題，目前限制介電泳技術在納米制造領域推廣應用的兩個主要問題表現(xiàn)為① 為了實現(xiàn)對納米結構材料的組裝，需要根據(jù)具體裝配關系(例如納米間隙 的橋接或納米顆粒的嵌入)以及被控納米材料的具體形態(tài)和性質(zhì)，設計和制造 能夠?qū)崿F(xiàn)相應功能的精密電極結構，制造工藝復雜且制作成本高，其柔性很差。② 應用介電泳技術實現(xiàn)納米結構材料組裝過程中，普遍存在的難以實現(xiàn)高效 靈活的單個納米結構的三維控制的問題。此問題進而導致不能實現(xiàn)單納米結構高精確度的大規(guī)模并行組裝。因此，在繼承介電泳技術在低維納米結構材料組裝領域優(yōu)勢的同時，如何提 高電極柔性和可重構性，降低電極結構的制作成本，并實現(xiàn)對大規(guī)模納米結構 材料的精確、三維可控性操縱，成為解決介電泳技術在納米結構材料組裝應用中的關鍵技術問題。 發(fā)明內(nèi)容技術問題本發(fā)明的目的是提供一種低維納米結構材料高柔性組裝芯片及 應用方法，可以在三維空間操控單個低維納米材料并完成組裝，以解決目前用 于納米材料組裝的精密電極結構難以實現(xiàn)對單個納米材料三維控制的不足，以 及制造工藝復雜且制作成本高、柔性很差的缺陷。技術方案本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的第一個問題本發(fā)明提出應用光誘導 介電泳力形成光控勢能形貌阱，通過光模式的實時變化，構造具備不同操縱功 能的勢能形貌阱虛擬電極陣列，從而為設計高柔性、可實時重構的低成本裝配 芯片提供解決方案。針對第二個問題本發(fā)明提出在上述光模式虛擬電極陣列的基礎之上，通過 構造電場邊界可控的實體薄膜電極陣列，產(chǎn)生介電泳力控制納米結構材料在組 裝過程中的定位方向和組裝區(qū)域，并結合虛擬電極陣列的勢能形貌控制，實現(xiàn)單 納米結構的三維控制。綜合上述兩個問題的解決方案，本發(fā)明提出對基于三維可控介電泳的納米結 構材料高柔性主動式組裝芯片及方法。該組裝芯片是一種電場邊界可控的光誘 導介電泳器件,此器件將其內(nèi)部腔底面的光誘導虛擬電極與腔頂面的實體微電 極陣列結合起來，構造出三維可控電場，進而實現(xiàn)三維可控的納米材料組裝。本發(fā)明的低維納米結構材料高柔性組裝芯片主要包括上基板、下基板以及 位于上基板、下基板之間絕緣間隔層形成微流體腔；在上基板中，上部透明基 底的下表面外側設有引腳陣列，下表面內(nèi)側設有微電極陣列、引線；在下基板 中，下部透明基底上設有透明導電層，透明導電層上設有光電導層，光電導層 上設有絕緣層。所述的微電極陣列包含多組并行排列的微電極，并以螺旋展開 的方式延伸至外圍與引腳陣列相連接。所述的低維納米結構材料高柔性組裝芯片的應用方法同時通過以下兩方面 實現(xiàn)微流體腔中的電場分布控制進而構造出用于實現(xiàn)組裝控制的微觀力 一方 面，通過對引腳陣列中的各引腳激勵信號的通斷控制，實現(xiàn)每次只有若干微電 極陣列具有電位，進而改變芯片頂部電場的有效邊界區(qū)域的面積大??；另一方 面，通過縮微光圖案生成器將虛擬電極光圖案陣列投射于光電導層之上，進而限定芯片中微流體腔底部的電場邊界。本發(fā)明提出利用基于三維可控介電泳的組裝控制芯片及方法實現(xiàn)低維納米 結構材料的高柔性主動式組裝。三維可控介電泳組裝控制芯片是一種在芯片的 頂部和底部的電場邊界均可控的光誘導介電泳器件，此器件將其內(nèi)部腔底面的 光誘導虛擬電極與腔頂面的實體微電極陣列結合起來，構造出三維可控電場， 進而實現(xiàn)對微流體腔內(nèi)的納米結構材料進行三維可控的批量組裝。本發(fā)明中的這種微組裝控制芯片是面積在十幾平方厘米，微流體腔厚度在 幾十到幾百微米之間的一種微器件，它用于構建納米結構材料組裝的微環(huán)境， 且其內(nèi)部的上下基板分別集成了實體薄膜電極陣列和光模式虛擬電極陣列(即 投射在光電導層上的縮微光圖案)。虛擬電極陣列的引入實現(xiàn)了高柔性和實時重 構組裝狀態(tài)的目標；實體電極陣列的引入能夠改變上層區(qū)域電場邊界模式(比 如邊界形狀大小和組裝區(qū)域劃分等)，進而結合下基板虛擬電極陣列形成三維電 極陣列實現(xiàn)三維可控的納米材料組裝。虛擬電極和實體電極陣列的同時存在使 得高柔性的實時重構與高效三維控制同時實現(xiàn)，大大提高了納米材料的組裝的 柔性和可控性。該芯片的透明基底采用玻璃或者透明的聚合物材料制作，其間隔層可以使 用不透光的絕緣材料制作，也可使用高透光性的絕緣材料制作以有利于側面的 觀測。組裝控制芯片中上基板底面的薄膜電極材料選擇透光性好的導電材料制 作，薄膜電極陣列的眾多引線端(引腳)通過多路引腳信號控制器實現(xiàn)信號的 選通和模式設定。有益效果本發(fā)明提供的在三維空間操控單個低維納米結構材料并完成組 裝的芯片技術，能夠克服目前納米結構材料組裝工具普遍存在的結構復雜、制 造工藝復雜且成本昂貴、柔性差、缺乏通用性、操縱自由度低、不適合并行操 縱等缺陷。本發(fā)明利用光電導材料的光電導效應構建空間非均勻電場，從而產(chǎn) 生可以實時重構的虛擬電極陣列，并結合芯片上基板的實體電極陣列(該實體 電極陣列可以通過對各個引腳信號的選通控制改變電場邊界區(qū)域)，實現(xiàn)對單個 低維納米結構材料進行三維可控的組裝和并行操縱等功能。這種高效、靈活的 組裝方法在很多應用領域都有很可觀的前景，比如太陽能能量轉換器、熱電冷 卻、垂直場效應管等應用領域。


圖1為本發(fā)明實施例中的低維納米結構材料組裝控制芯片的結構示意圖； 圖2為本發(fā)明實施例中組裝控制芯片上基板底面的透明薄膜電極陣列圖案 示意圖。圖3為本發(fā)明實施例中納米結構材料組裝控制芯片的外圍組件配置示意圖； 以上的圖中有上基板l、引腳陣列ii、引線陣列12、微電極陣列13;間 隔層2;下基板3、絕緣層31、光電導層32、透明導電薄膜33、下部透明基底 34;微流體腔4;縮微光圖案生成器5、交流信號源6、多路引腳控制器7。 在引腳陣列l(wèi)l中有第一組七個引腳(1101、1102、1103、1104、1105、1106、1107)，第二組七個引腳(1111、1112、1113、1114、1115、1116、1117)，第三組七個引腳(1121、1122、1123、1124、1125、1126、1127)，第四組七個引腳(1131、1132、1133、1134、1135、1136、1137)。
具體實施方式
本發(fā)明提供的基于三維介電泳的低維納米材料的高柔性主動式組裝芯片的實施例參見圖l、圖2和圖3。組裝芯片結構、材料以及芯片外圍組件配置的方 式并不局限于本實施例。本實施例中，用于納米材料組裝的組裝控制芯片的結構如圖1所示。該組 裝控制芯片由上基板l、間隔層2、下基板3構成.微電極陣列13、引線12和 引腳11位于上基板1下表面并位于上部透明基底15與微流體腔4之間。下基 板由絕緣層31、光電導層32、銦錫氧化物薄膜33以及下部透明基底34構成。 微電極陣列13以四組螺旋展丌的方式延伸至外圍于引腳11相連接，如圖2所 示。本實施例中，低維納米材料組裝芯片的上部透明基底15和下部透明基底34 采用玻璃或者透明的聚合物材料制作，其間隔層使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA, 俗稱有機玻璃)或者聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)制作，可以提 高透光性，有利于側面的觀測。組裝控制芯片中上基板1底面的透明薄膜電極 13的材料可以選擇ITO(Indium Tin Oxides)薄膜，薄膜電極陣列13的眾多引 線端通過多路引腳信號控制器7實現(xiàn)信號的選通和模式設定(參見圖3)。下基板3中的絕緣層31的材料可以選用氮化硅，光電導層32的材料可以選擇氫化 非晶硅或者摻雜的硫化鎘(CdS)或者參雜的硒化鎘(CdSe)或者是硫化鎘和硒化 鎘的組合等。
納米結構材料組裝控制平臺(如圖3)中的縮微光圖案生成器5、交流信號 源6、多路引腳控制器7構成了組裝過程控制系統(tǒng)。如圖2所示的芯片上基板 底面的引線端子總共分成上、下、左、右四組(這里只是舉例說明，實際上可 以大于四組)，每一組有7個引線端子。如果只有1101 1104, 1111 1114， 1121 1124, U31 1134這16個引腳接通信號，則電場的有效邊界就只有圖2 中的虛線框所圍成的區(qū)域那么大;如果所有引腳都接通信號，則整個陣列區(qū)域都 會具有電位，因此整個電極陣列區(qū)域都成為電場的有效邊界。依次類推，通過 開通不同數(shù)量的引腳信號，即可改變電場的有效邊界區(qū)域的面積大小，進而控 制低維納米材料上端的所受的介電泳力。另一方面，當縮微光圖案生成器5將 光模式虛擬電極陣列投射到芯片下基板之后，產(chǎn)生光誘導介電泳力，形成光控 勢能阱陣列，進而批量捕獲低維納米結構材料，且能夠控制單個納米材料下端 的位置。綜上，這種帶有薄膜電極陣列的組裝控制芯片能夠控制一維納米結構 材料的兩端(微電極陣列用于線型納米結構材料上端的控制，芯片底部的虛擬 電極控制線型材料的下端)。本發(fā)明提出的這種組裝芯片可以較好的控制一維納
米結構材料(比如納米線、納米管)的垂直程度，避免無薄膜電極陣列情況下 的 一維納米材料的傾斜角度難以控制的問題。
本實施例中，在納米材料的組裝過程中，可以通過有選擇的對圖2中的第 一組引腳(1101~1107)、第二組引腳(1111 1117)、第三組引腳(1121 1127)以 及第四組引腳(1131 1137)這四組引腳上的信號進行選通，實現(xiàn)每次只有一組、 兩組、或三組微電極同時接通信號，而相應的另外三組、兩組或一組微電極則 無信號，再結合上述的調(diào)整有效電場邊界區(qū)域大小的方法，則可以幾乎任意的 改變有效電極陣列(即接通了信號的那部分電極)的形狀和面積，于是可以任 意的改變組裝控制芯片上基板的電場邊界區(qū)域，再結合組裝芯片下基板的縮微 光模式虛擬電極陣列的變化控制，由此即可影響和改變微流體腔4中電場的分 布(尤其是靠近上基板的區(qū)域所受影響更為明顯)，進而影響納米材料所受介電 泳組裝力，可以在不同大小的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)規(guī)整的納米材料組裝，也可實現(xiàn)在彼 此間隔的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)整組裝以滿足形式多樣的復雜組裝要求。綜上，目標納米材料(含線型和顆粒納米材料)受三維柔性空間電極陣列(含芯片上基板的受 選通控制的薄膜電極陣列和芯片下基板可變的光虛擬電極陣列)的驅(qū)動和控制， 能夠?qū)崿F(xiàn)三維可控的納米結構材料的靈活組裝和操控。
權利要求
1. 一種低維納米結構材料高柔性組裝芯片，其特征在于，該組裝芯片主要包括上基板(1)、下基板(3)以及位于上基板(1)、下基板(3)之間絕緣間隔層(2)形成微流體腔(4)；在上基板(1)中，上部透明基底(15)的下表面外側設有引腳陣列(11)，下表面內(nèi)側設有微電極陣列(13)、引線(12)；在下基板(3)中，下部透明基底(34)上設有透明導電層(33)，透明導電層(33)上設有光電導層(32)，光電導層(32)上設有絕緣層(31)。
2. 如權利要求1所述的低維納米結構材料高柔性組裝芯片，其特征在于，所 述的微電極陣列(13)包含多組并行排列的微電極，并以螺旋展開的方式延伸至 外圍與引腳陣列(11)相連接。
3. —種如權利要求1所述的低維納米結構材料高柔性組裝芯片的應用方法， 其特征在于，該方法同時通過以下兩方面實現(xiàn)微流體腔(4)中的電場分布控制進 而構造出用于實現(xiàn)組裝控制的微觀力 一方面，通過對引腳陣列(ll)中的各引腳 激勵信號的通斷控制，實現(xiàn)每次只有若干微電極陣列(13)具有電位，進而改變 芯片頂部電場的有效邊界區(qū)域的面積大?。涣硪环矫?，通過縮微光圖案生成器(5) 將虛擬電極光圖案陣列投射于光電導層(32)之上，進而限定芯片中微流體腔(4) 底部的電場邊界。
全文摘要
低維納米結構材料高柔性組裝芯片及應用方法，涉及微流控領域以及納米結構材料組裝領域；該方法通過以下兩方面實現(xiàn)微流體腔(4)中的電場分布控制進而構造出用于實現(xiàn)組裝控制的微觀力一方面，通過對引腳陣列(11)中的各引腳激勵信號的通斷控制，實現(xiàn)每次只有若干微電極陣列(13)具有電位，進而改變芯片頂部電場的有效邊界區(qū)域的面積大??；另一方面，通過縮微光圖案生成器(5)將虛擬電極光圖案陣列投射于光電導層(32)之上，進而限定芯片中微流體腔(4)底部的電場邊界。
文檔編號B82B1/00GK101544351SQ200910031319
公開日2009年9月30日 申請日期2009年5月8日 優(yōu)先權日2009年5月8日
發(fā)明者倪中華, 紅 易, 朱曉璐 申請人:東南大學