CN100497168C - 使用光偶极阱拣选单壁碳纳米管 - Google Patents

使用光偶极阱拣选单壁碳纳米管 Download PDF

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Abstract

在本发明的实施方式中，聚焦激光束的电场在单壁(single-walled)碳纳米管中引入了偶极。该单壁碳纳米管具有一个或多个谐振频率。当激光束的频率小于单壁碳纳米管的谐振频率时，单壁碳纳米管可被捕获，并且激光束可将单壁碳纳米管从第一微流体层流移动到第二微流体层流。当激光束的频率高于单壁碳纳米管的谐振频率时，单壁碳纳米管可被排斥，而且激光束不移动单壁碳纳米管。

Description

使用光偶极阱拣选单壁碳纳米管
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。
技术领域
【0002】本发明的实施方式涉及单壁或单层碳纳米管，更具体地涉及对单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes)进行拣选。
背景技术
【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。
发明内容
本发明提供一种方法，其包括：将激光束指向置于层流中的微流体层中的碳纳米管混合物，所述激光束的频率小于至少一个目标类别的碳纳米管的谐振频率，所述谐振频率是由所述目标类别的碳纳米管的直径和手性确定的，所述混合物包括至少一个目标类别的碳纳米管；捕获至少一个目标碳纳米管；和将所述目标碳纳米管移入层流中的第二微流体层中。
在所述方法中，进一步包括识别所述目标类别的碳纳米管的谐振频率。
在所述方法中，进一步包括确定所述目标类别的碳纳米管的直径和手性。
在所述方法中，进一步包括确定所述目标类别的碳纳米管的直径、手性和谐振频率之间的关系。
在所述方法中，进一步包括从层流中的所述第二微流体层收集至少一个目标碳纳米管。
在所述方法中，进一步包括解束所述碳纳米管的混合物。
在所述方法中，所述目标类别的碳纳米管可以是金属单壁碳纳米管。
在所述方法中，所述目标类别的碳纳米管可以是半导体单壁碳纳米管。
在所述方法中，所述碳纳米管的混合物包括另一目标类别的碳纳米管，所述方法进一步包括：将具有另一激光频率的激光束指向所述碳纳米管混合物，所述另一激光频率小于下一目标类别的碳纳米管的下一谐振频率，所述下一谐振频率由所述下一目标类别的碳纳米管的直径和手性确定；捕获其他目标类别的碳纳米管；和将其他目标类别的碳纳米管移入第三微流体层中。
在所述方法中，进一步包括：将激光频率小于所述目标类别碳纳米管的所述谐振频率的另一激光束指向所述碳纳米管混合物；和捕获所述目标类别的碳纳米管；和将所述目标碳纳米管移入所述第二微流体层中。
在所述的方法中，所述微流体层可以是水。
本发明也提供一种装置，其包括：一个激光器，其发射激光束，该激光束的频率小于对应于目标类别的碳纳米管的谐振频率，所述谐振频率是由所述目标类别的碳纳米管的直径和手性确定的；层流中的第一微流体层，所述第一微流体层具有碳纳米管混合物，所述碳纳米管混合物具有至少一个目标碳纳米管；和层流中的第二微流体层，所述第二微流体层和所述第一流体相邻，所述激光束，其被光学地耦合，以在所述目标碳纳米管中引入至少一个光偶极阱，并且将所述目标碳纳米管移入到所述第二微流体层中。
在所述的装置中，所述第一微流体层和第二微流体层包括水。
在所述的装置中，所述目标类别的碳纳米管可以是金属单壁碳纳米管。
在所述的装置中，所述目标类别的碳纳米管可以是半导体单壁碳纳米管。
在所述的装置中，进一步包括层流中的第三微流体层，所述第三微流体层和所述第二微流体层相邻。
在所述的装置中，其中所述激光束被耦合，以发射下一频率，该频率低于对应于所述碳纳米管混合物中的下一个目标类别碳纳米管的谐振频率，所述下一个目标类别碳纳米管的谐振频率由所述下一个目标类别的碳纳米管的直径和手性确定，所述激光束被光学地耦合以捕获所述下一个目标类别的碳纳米管，并且将所述下一个目标类别碳纳米管移入所述第三微流体层中。
在所述的装置中，进一步包括收集所述目标类别碳纳米管的第一收集器。
本发明进一步提供一种系统，其包括：一个装置，其被连接以将激光束指向置于层流中的微流体层中的碳纳米管混合物，所述激光束的频率小于至少一个目标类别的碳纳米管的谐振频率，所述谐振频率是由所述目标类别碳纳米管的直径和手性确定的，所述混合物包括至少一个目标类别的碳纳米管，所述激光束将所述目标碳纳米管移入层流中的第二微流体层中，所述装置从层流中的所述微流体层收集所述目标碳纳米管；和连接到所述收集的目标碳纳米管的一个压电管。
在所述的系统中，进一步包括连接到所述收集的目标碳纳米管的电流放大器。
在所述的系统中，进一步包括连接到所述电流放大器的显示器。
本发明还提供一种制造物，其包括：包括数据的机器可存取的介质，当机器存取所述数据时，所述数据导致所述机器执行以下操作：将激光束指向置于层流中的微流体层中的碳纳米管混合物，所述激光束的频率小于至少一个目标类别的碳纳米管的谐振频率，所述谐振频率是由所述目标类别的碳纳米管的直径和手性确定的，所述混合物包括至少一个目标类别的碳纳米管；捕获至少一个目标碳纳米管；和将所述目标碳纳米管移入层流中的第二微流体层中。
在所述的制造物中，所述机器可存取的介质进一步包括数据，该数据导致所述机器执行包括识别所述目标类别的碳纳米管的谐振频率的操作。
在所述的制造物中，所述机器可存取的介质进一步包括数据，该数据导致所述机器执行包括识别对应于所述目标类别的碳纳米管的谐振频率的直径和手性的操作。
在所述的制造物中，所述机器可存取的介质进一步包括数据，该数据导致所述机器执行包括确定所述目标类别的碳纳米管的直径、手性和谐振频率之间的关系的操作。
在所述的制造物中，所述机器可存取的介质进一步包括数据，该数据导致所述机器执行包括从层流中的所述第二微流体层收集所述目标碳纳米管的操作。
在所述的制造物中，所述机器可存取的介质进一步包括数据，该数据导致所述机器执行包括解束所述碳纳米管的混合物的操作。
本发明还提供一种系统，其包括：
具有至少一个激光器的机器，其用于发射激光束，该激光束的频率小于对应于目标类别的碳纳米管的谐振频率，所述谐振频率由所述目标类别的碳纳米管的直径和手性确定；
层流中的第一微流体层，所述第一微流体层具有碳纳米管混合物，所述碳纳米管混合物具有至少一个目标碳纳米管；
层流中的第二微流体层，所述第二微流体层和所述第一流体相邻，所述激光束，其被光学地耦合，以在所述目标碳纳米管中引入至少一个光偶极阱，并且将所述目标碳纳米管移入到所述第二微流体层中；和
包括数据的机器可存取的介质，当机器存取所述数据时，所述数据导致所述机器执行以下操作：
将激光束指向置于层流中的微流体层中的碳纳米管混合物，所述激光束的频率小于至少一个目标类别的碳纳米管的谐振频率，所述谐振频率由所述目标类别的碳纳米管的直径和手性确定，所述混合物包括至少一个目标类别的碳纳米管；
捕获至少一个目标碳纳米管；和
将所述目标碳纳米管移入层流中的第二微流体层中。
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。
具体实施方式
【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
Figure C200480027355D0013144853QIETU
其中
Figure C200480027355D0013144901QIETU
和
Figure C200480027355D0013144905QIETU
是单位向量，而n和m是整数。手性角度θ是相对于
Figure C200480027355D0013144911QIETU
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＝ε0xE。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。x(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x(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x。电介质极化率是复函数x(ω)＝x’(ω)+ix”(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x’(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x’(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x’(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x’(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x’(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x’(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＝—1/2ε0xE2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x’(ω)的符号和激光束的电场分量的强度E2。对于正的x’(ω)，U就随着激光强度E2的增加而减少。因此，具有正x’(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x’(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E11 s、E22 s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)。E11 s是第一能量间距(或能带隙)。E22 s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E11 s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E22 s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E11 M、E22 M等等。E11 M是第一能量间距，而E22 M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E11 M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E11 M，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E22 M比半导体峰值对E11 s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—碳能量重叠积分γ0的值是2.9eV。最近的相邻碳—碳距离aC-C是1.42埃
Figure C200480027355D00161
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，E11 M≌6γ0aC-Cdt。在半导体单壁碳纳米管中，E11 s≌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E11 M≌6 γ0aC-C/dt和E11 s≌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E11 M和E11 s，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E11 M，激光频率低于单壁碳纳米管的谐振频率，而对于E11 s，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E11 M，激光频率低于一些单壁碳纳米管的谐振频率，而对于E11 s，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 derWaals 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。

Claims (27)

1.一种方法，其包括：
将激光束指向置于层流中的微流体层中的碳纳米管混合物，所述激光束的频率小于至少一个目标类别的碳纳米管的谐振频率，所述谐振频率是由所述目标类别的碳纳米管的直径和手性确定的，所述混合物包括至少一个目标类别的碳纳米管；
捕获至少一个目标碳纳米管；和
将所述目标碳纳米管移入层流中的第二微流体层中。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括识别所述目标类别的碳纳米管的谐振频率。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括确定所述目标类别的碳纳米管的直径和手性。
4.如权利要求3所述的方法，进一步包括确定所述目标类别的碳纳米管的直径、手性和谐振频率之间的关系。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括从层流中的所述第二微流体层收集至少一个目标碳纳米管。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括解束所述碳纳米管的混合物。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述目标类别的碳纳米管是金属单壁碳纳米管。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述目标类别的碳纳米管是半导体单壁碳纳米管。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述碳纳米管的混合物包括另一目标类别的碳纳米管，所述方法进一步包括：
将具有另一激光频率的激光束指向所述碳纳米管混合物，所述另一激光频率小于下一目标类别的碳纳米管的下一谐振频率，所述下一谐振频率由所述下一目标类别的碳纳米管的直径和手性确定；
捕获其他目标类别的碳纳米管；和
将其他目标类别的碳纳米管移入第三微流体层中。
10.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
将激光频率小于所述目标类别碳纳米管的所述谐振频率的另一激光束指向所述碳纳米管混合物；和
捕获所述目标类别的碳纳米管；和
将所述目标碳纳米管移入所述第二微流体层中。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述微流体层是水。
12.一种装置，其包括：
一个激光器，其发射激光束，该激光束的频率小于对应于目标类别的碳纳米管的谐振频率，所述谐振频率是由所述目标类别的碳纳米管的直径和手性确定的；
层流中的第一微流体层，所述第一微流体层具有碳纳米管混合物，所述碳纳米管混合物具有至少一个目标碳纳米管；和
层流中的第二微流体层，所述第二微流体层和所述第一流体相邻，
所述激光束，其被光学地耦合，以在所述目标碳纳米管中引入至少一个光偶极阱，并且将所述目标碳纳米管移入到所述第二微流体层中。
13.如权利要求12所述的装置，其中所述第一微流体层和第二微流体层包括水。
14.如权利要求12所述的装置，其中所述目标类别的碳纳米管是金属单壁碳纳米管。
15.如权利要求12所述的装置，其中所述目标类别的碳纳米管是半导体单壁碳纳米管。
16.如权利要求12所述的装置，进一步包括层流中的第三微流体层，所述第三微流体层和所述第二微流体层相邻。
17.如权利要求16所述的装置，其中所述激光束被耦合，以发射下一频率，该频率低于对应于所述碳纳米管混合物中的下一个目标类别碳纳米管的谐振频率，所述下一个目标类别碳纳米管的谐振频率由所述下一个目标类别的碳纳米管的直径和手性确定，所述激光束被光学地耦合以捕获所述下一个目标类别的碳纳米管，并且将所述下一个目标类别碳纳米管移入所述第三微流体层中。
18.如权利要求12所述的装置，进一步包括收集所述目标类别碳纳米管的第一收集器。
19.一种系统，其包括：
一个装置，其被连接以将激光束指向置于层流中的微流体层中的碳纳米管混合物，所述激光束的频率小于至少一个目标类别的碳纳米管的谐振频率，所述谐振频率是由所述目标类别碳纳米管的直径和手性确定的，所述混合物包括至少一个目标类别的碳纳米管，所述激光束将所述目标碳纳米管移入层流中的第二微流体层中，所述装置从层流中的所述微流体层收集所述目标碳纳米管；和
连接到所述收集的目标碳纳米管的一个压电管。
20.如权利要求19所述的系统，进一步包括连接到所述收集的目标碳纳米管的电流放大器。
21.如权利要求20所述的系统，进一步包括连接到所述电流放大器的显示器。
22.一种系统，包括：
具有至少一个激光器的机器，其用于发射激光束，该激光束的频率小于对应于目标类别的碳纳米管的谐振频率，所述谐振频率由所述目标类别的碳纳米管的直径和手性确定；
层流中的第一微流体层，所述第一微流体层具有碳纳米管混合物，所述碳纳米管混合物具有至少一个目标碳纳米管；
层流中的第二微流体层，所述第二微流体层和所述第一流体相邻，所述激光束，其被光学地耦合，以在所述目标碳纳米管中引入至少一个光偶极阱，并且将所述目标碳纳米管移入到所述第二微流体层中；和
包括数据的机器可存取的介质，当机器存取所述数据时，所述数据导致所述机器执行以下操作：
将激光束指向置于层流中的微流体层中的碳纳米管混合物，所述激光束的频率小于至少一个目标类别的碳纳米管的谐振频率，所述谐振频率由所述目标类别的碳纳米管的直径和手性确定，所述混合物包括至少一个目标类别的碳纳米管；
捕获至少一个目标碳纳米管；和
将所述目标碳纳米管移入层流中的第二微流体层中。
23.如权利要求22所述的制造物，其中所述机器可存取的介质进一步包括数据，该数据导致所述机器执行包括识别所述目标类别的碳纳米管的谐振频率的操作。
24.如权利要求23所述的制造物，其中所述机器可存取的介质进一步包括数据，该数据导致所述机器执行包括识别对应于所述目标类别的碳纳米管的谐振频率的直径和手性的操作。
25.如权利要求24所述的制造物，其中所述机器可存取的介质进一步包括数据，该数据导致所述机器执行包括确定所述目标类别的碳纳米管的直径、手性和谐振频率之间的关系的操作。
26.如权利要求22所述的制造物，其中所述机器可存取的介质进一步包括数据，该数据导致所述机器执行包括从层流中的所述第二微流体层收集所述目标碳纳米管的操作。
27.如权利要求22所述的制造物，其中所述机器可存取的介质进一步包括数据，该数据导致所述机器执行包括解束所述碳纳米管的混合物的操作。
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