CN101544351A - 低维纳米材料高柔性组装芯片及应用方法 - Google Patents

Abstract

低维纳米结构材料高柔性组装芯片及应用方法，涉及微流控领域以及纳米结构材料组装领域；该方法通过以下两方面实现微流体腔(4)中的电场分布控制进而构造出用于实现组装控制的微观力：一方面，通过对引脚阵列(11)中的各引脚激励信号的通断控制，实现每次只有若干微电极阵列(13)具有电位，进而改变芯片顶部电场的有效边界区域的面积大小；另一方面，通过缩微光图案生成器(5)将虚拟电极光图案阵列投射于光电导层(32)之上，进而限定芯片中微流体腔(4)底部的电场边界。

Description

低维纳米材料高柔性组装芯片及应用方法

技术领域

本发明是一种三维可控的低维纳米材料的高柔性组装芯片技术，涉及微流控领域以及纳米结构材料组装领域，特别是低维纳米材料的主动式组装领域。

背景技术

近年来，随着纳米材料合成技术的发展，金属材料、绝缘材料和半导体材料可以通过组装形成新的纳米结构材料，应用于MEMS器件以及生物医学器件中。由于各种纳米结构材料在化学稳定性和热稳定性上存在差异性，要实现高水平的非均质纳米结构材料的组装，则存在着巨大的挑战。目前采用的组装方法由两个步骤组成：首先分别合成各种纳米结构材料；然后应用某种微操纵方法进行组装，从而完成整个微纳米器件制造。鉴于近年来材料学和化学领域研究的不断发展，各种材料在各自的处理条件下单独合成较易实现，而将这些不同材料组装并集成于纳米结构系统中则缺乏有效的方法，已成为制约微纳米器件制造发展的瓶颈问题。因此研究发明一种准确、简单和高效地纳米结构材料组装工具，成为纳米制造研究领域中极为关键且重要的基础研究课题。

该课题的研究是近几年来各国学者研究的热点，包括：应用微流体技术将一维纳米结构排列成功能网络或在轨道式微流道中组装成纳米器件；应用微接触印刷技术实现无机纳米线或碳纳米管大面积喷涂；应用Langmuir-Blodgett排列技术可以排列纳米棒或流体中大量分散的纳米线。应用生物样板组装技术可实现生物材料自发组装，但其组装过程机理复杂，难以精确控制。

上述组装技术都是针对纳米结构材料(包含类球粒子、纳米线、纳米管)群体的非精确操控，而目前微纳米器件制造过程中更需要针对单一纳米结构材料个体的精确操纵。近年来已有研究者使用三轴纳米机械手或光镊陷阱实现单个纳米结构的精确操纵。纳米机械手主要有两种：一种是通过原子力显微镜系统中压电执行器控制样品平面运动和竖直方向探针与样品之间距离来实现的；另一种是通过皮米级电机和压电致动器控制安装于扫描电子显微镜内部的两个探针运动实现的。此类微纳米机械手缺点：一方面，操纵过程依赖于精密微电机和压电致动器，灵活性差、耗时长且价格昂贵；另一方面，此类操纵不能实现单个纳米结构的大规模并行操控。

光镊陷阱操纵技术，一种是贝尔实验室Ashkin发明光镊技术，用于对直径在几十纳米到几十微米的微粒个体进行高精度操纵，另一种是Mogensen和Gluckstad研究出的动态全息光镊，利用相差方法产生任意形状的激光光束阵列，用于对多个生物样品微粒进行并行操纵。但光镊、动态全息光镊捕捉范围小(<1微米)，这就限制了光镊在大规模并行操纵中的应用。

综上所述，运用微流体技术、微接触印刷技术、Langmuir-Blodgett排列技术和生物样板组装技术只能实现将大量纳米结构材料作为一个整体进行组装和集成，而对单一纳米结构个体的单独操控和并行组装则无能为力。应用微纳米机械手和光镊技术虽然能够实现对单个纳米结构的控制，但仍不能同时达到高精度、高通量、低成本和多维操纵的要求。

介电泳(Dielectrophoresis，简称DEP)技术作为一种重要的微纳米结构个体操作工具，与上述纳米结构材料组装技术相比，由于没有移动部件、不需要昂贵的设备、属于非接触非入侵式操控，且实施简单、满足大量并行的主动式(即纳米材料主动运动，而微器件内的所有部件静止)操作需求，成为目前纳米结构材料组装技术中一项重要的使能技术。目前，基于介电泳力的纳米结构材料组装和运动控制的研究已逐渐成为各国科研热点，虽然该领域中已取得了一定的研究成果，但仍存在着亟待解决的问题，目前限制介电泳技术在纳米制造领域推广应用的两个主要问题表现为：

①为了实现对纳米结构材料的组装，需要根据具体装配关系(例如纳米间隙的桥接或纳米颗粒的嵌入)以及被控纳米材料的具体形态和性质，设计和制造能够实现相应功能的精密电极结构，制造工艺复杂且制作成本高，其柔性很差。

②应用介电泳技术实现纳米结构材料组装过程中，普遍存在的难以实现高效灵活的单个纳米结构的三维控制的问题。此问题进而导致不能实现单纳米结构高精确度的大规模并行组装。

因此，在继承介电泳技术在低维纳米结构材料组装领域优势的同时，如何提高电极柔性和可重构性，降低电极结构的制作成本，并实现对大规模纳米结构材料的精确、三维可控性操纵，成为解决介电泳技术在纳米结构材料组装应用中的关键技术问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种低维纳米结构材料高柔性组装芯片及应用方法，可以在三维空间操控单个低维纳米材料并完成组装，以解决目前用于纳米材料组装的精密电极结构难以实现对单个纳米材料三维控制的不足，以及制造工艺复杂且制作成本高、柔性很差的缺陷。

技术方案：本发明针对现有技术存在的第一个问题：本发明提出应用光诱导介电泳力形成光控势能形貌阱，通过光模式的实时变化，构造具备不同操纵功能的势能形貌阱虚拟电极阵列，从而为设计高柔性、可实时重构的低成本装配芯片提供解决方案。

针对第二个问题：本发明提出在上述光模式虚拟电极阵列的基础之上，通过构造电场边界可控的实体薄膜电极阵列，产生介电泳力控制纳米结构材料在组装过程中的定位方向和组装区域，并结合虚拟电极阵列的势能形貌控制，实现单纳米结构的三维控制。

综合上述两个问题的解决方案，本发明提出对基于三维可控介电泳的纳米结构材料高柔性主动式组装芯片及方法。该组装芯片是一种电场边界可控的光诱导介电泳器件，此器件将其内部腔底面的光诱导虚拟电极与腔顶面的实体微电极阵列结合起来，构造出三维可控电场，进而实现三维可控的纳米材料组装。

本发明的低维纳米结构材料高柔性组装芯片主要包括上基板、下基板以及位于上基板、下基板之间绝缘间隔层形成微流体腔；在上基板中，上部透明基底的下表面外侧设有引脚阵列，下表面内侧设有微电极阵列、引线；在下基板中，下部透明基底上设有透明导电层，透明导电层上设有光电导层，光电导层上设有绝缘层。所述的微电极阵列包含多组并行排列的微电极，并以螺旋展开的方式延伸至外围与引脚阵列相连接。

所述的低维纳米结构材料高柔性组装芯片的应用方法同时通过以下两方面实现微流体腔中的电场分布控制进而构造出用于实现组装控制的微观力：一方面，通过对引脚阵列中的各引脚激励信号的通断控制，实现每次只有若干微电极阵列具有电位，进而改变芯片顶部电场的有效边界区域的面积大小；另一方面，通过缩微光图案生成器将虚拟电极光图案阵列投射于光电导层之上，进而限定芯片中微流体腔底部的电场边界。

本发明提出利用基于三维可控介电泳的组装控制芯片及方法实现低维纳米结构材料的高柔性主动式组装。三维可控介电泳组装控制芯片是一种在芯片的顶部和底部的电场边界均可控的光诱导介电泳器件，此器件将其内部腔底面的光诱导虚拟电极与腔顶面的实体微电极阵列结合起来，构造出三维可控电场，进而实现对微流体腔内的纳米结构材料进行三维可控的批量组装。

本发明中的这种微组装控制芯片是面积在十几平方厘米，微流体腔厚度在几十到几百微米之间的一种微器件，它用于构建纳米结构材料组装的微环境，且其内部的上下基板分别集成了实体薄膜电极阵列和光模式虚拟电极阵列(即投射在光电导层上的缩微光图案)。虚拟电极阵列的引入实现了高柔性和实时重构组装状态的目标；实体电极阵列的引入能够改变上层区域电场边界模式(比如边界形状大小和组装区域划分等)，进而结合下基板虚拟电极阵列形成三维电极阵列实现三维可控的纳米材料组装。虚拟电极和实体电极阵列的同时存在使得高柔性的实时重构与高效三维控制同时实现，大大提高了纳米材料的组装的柔性和可控性。

该芯片的透明基底采用玻璃或者透明的聚合物材料制作，其间隔层可以使用不透光的绝缘材料制作，也可使用高透光性的绝缘材料制作以有利于侧面的观测。组装控制芯片中上基板底面的薄膜电极材料选择透光性好的导电材料制作，薄膜电极阵列的众多引线端(引脚)通过多路引脚信号控制器实现信号的选通和模式设定。

有益效果：本发明提供的在三维空间操控单个低维纳米结构材料并完成组装的芯片技术，能够克服目前纳米结构材料组装工具普遍存在的结构复杂、制造工艺复杂且成本昂贵、柔性差、缺乏通用性、操纵自由度低、不适合并行操纵等缺陷。本发明利用光电导材料的光电导效应构建空间非均匀电场，从而产生可以实时重构的虚拟电极阵列，并结合芯片上基板的实体电极阵列(该实体电极阵列可以通过对各个引脚信号的选通控制改变电场边界区域)，实现对单个低维纳米结构材料进行三维可控的组装和并行操纵等功能。这种高效、灵活的组装方法在很多应用领域都有很可观的前景，比如太阳能能量转换器、热电冷却、垂直场效应管等应用领域。

附图说明

图1为本发明实施例中的低维纳米结构材料组装控制芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例中组装控制芯片上基板底面的透明薄膜电极阵列图案示意图。

图3为本发明实施例中纳米结构材料组装控制芯片的外围组件配置示意图；

以上的图中有：上基板1、引脚阵列11、引线阵列12、微电极阵列13；间隔层2；下基板3、绝缘层31、光电导层32、透明导电薄膜33、下部透明基底34；微流体腔4；缩微光图案生成器5、交流信号源6、多路引脚控制器7。在引脚阵列11中有：

第一组七个引脚(1101、1102、1103、1104、1105、1106、1107)，

第二组七个引脚(1111、1112、1113、1114、1115、1116、1117)，

第三组七个引脚(1121、1122、1123、1124、1125、1126、1127)，

第四组七个引脚(1131、1132、1133、1134、1135、1136、1137)。

具体实施方式

本发明提供的基于三维介电泳的低维纳米材料的高柔性主动式组装芯片的实施例参见图1、图2和图3。组装芯片结构、材料以及芯片外围组件配置的方式并不局限于本实施例。

本实施例中，用于纳米材料组装的组装控制芯片的结构如图1所示。该组装控制芯片由上基板1、间隔层2、下基板3构成.微电极阵列13、引线12和引脚11位于上基板1下表面并位于上部透明基底15与微流体腔4之间。下基板由绝缘层31、光电导层32、铟锡氧化物薄膜33以及下部透明基底34构成。微电极阵列13以四组螺旋展开的方式延伸至外围于引脚11相连接，如图2所示。

本实施例中，低维纳米材料组装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，其间隔层使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，俗称有机玻璃)或者聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)制作，可以提高透光性，有利于侧面的观测。组装控制芯片中上基板1底面的透明薄膜电极13的材料可以选择ITO(Indium Tin Oxides)薄膜，薄膜电极阵列13的众多引线端通过多路引脚信号控制器7实现信号的选通和模式设定(参见图3)。下基板3中的绝缘层31的材料可以选用氮化硅，光电导层32的材料可以选择氢化非晶硅或者掺杂的硫化镉(CdS)或者参杂的硒化镉(CdSe)或者是硫化镉和硒化镉的组合等。

纳米结构材料组装控制平台(如图3)中的缩微光图案生成器5、交流信号源6、多路引脚控制器7构成了组装过程控制系统。如图2所示的芯片上基板底面的引线端子总共分成上、下、左、右四组(这里只是举例说明，实际上可以大于四组)，每一组有7个引线端子。如果只有1101～1104，1111～1114，1121～1124，1131～1134这16个引脚接通信号，则电场的有效边界就只有图2中的虚线框所围成的区域那么大；如果所有引脚都接通信号，则整个阵列区域都会具有电位，因此整个电极阵列区域都成为电场的有效边界。依次类推，通过开通不同数量的引脚信号，即可改变电场的有效边界区域的面积大小，进而控制低维纳米材料上端的所受的介电泳力。另一方面，当缩微光图案生成器5将光模式虚拟电极阵列投射到芯片下基板之后，产生光诱导介电泳力，形成光控势能阱阵列，进而批量捕获低维纳米结构材料，且能够控制单个纳米材料下端的位置。综上，这种带有薄膜电极阵列的组装控制芯片能够控制一维纳米结构材料的两端(微电极阵列用于线型纳米结构材料上端的控制，芯片底部的虚拟电极控制线型材料的下端)。本发明提出的这种组装芯片可以较好的控制一维纳米结构材料(比如纳米线、纳米管)的垂直程度，避免无薄膜电极阵列情况下的一维纳米材料的倾斜角度难以控制的问题。

本实施例中，在纳米材料的组装过程中，可以通过有选择的对图2中的第一组引脚(1101～1107)、第二组引脚(1111～1117)、第三组引脚(1121～1127)以及第四组引脚(1131～1137)这四组引脚上的信号进行选通，实现每次只有一组、两组、或三组微电极同时接通信号，而相应的另外三组、两组或一组微电极则无信号，再结合上述的调整有效电场边界区域大小的方法，则可以几乎任意的改变有效电极阵列(即接通了信号的那部分电极)的形状和面积，于是可以任意的改变组装控制芯片上基板的电场边界区域，再结合组装芯片下基板的缩微光模式虚拟电极阵列的变化控制，由此即可影响和改变微流体腔4中电场的分布(尤其是靠近上基板的区域所受影响更为明显)，进而影响纳米材料所受介电泳组装力，可以在不同大小的区域内实现规整的纳米材料组装，也可实现在彼此间隔的区域实现规整组装以满足形式多样的复杂组装要求。综上，目标纳米材料(含线型和颗粒纳米材料)受三维柔性空间电极阵列(含芯片上基板的受选通控制的薄膜电极阵列和芯片下基板可变的光虚拟电极阵列)的驱动和控制，能够实现三维可控的纳米结构材料的灵活组装和操控。

Claims (3)

1.一种低维纳米结构材料高柔性组装芯片，其特征在于，该组装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)之间绝缘间隔层(2)形成微流体腔(4)；在上基板(1)中，上部透明基底(15)的下表面外侧设有引脚阵列(11)，下表面内侧设有微电极阵列(13)、引线(12)；在下基板(3)中，下部透明基底(34)上设有透明导电层(33)，透明导电层(33)上设有光电导层(32)，光电导层(32)上设有绝缘层(31)。

2.如权利要求1所述的低维纳米结构材料高柔性组装芯片，其特征在于，所述的微电极阵列(13)包含多组并行排列的微电极，并以螺旋展开的方式延伸至外围与引脚阵列(11)相连接。

3.一种如权利要求1所述的低维纳米结构材料高柔性组装芯片的应用方法，其特征在于，该方法同时通过以下两方面实现微流体腔(4)中的电场分布控制进而构造出用于实现组装控制的微观力：一方面，通过对引脚阵列(11)中的各引脚激励信号的通断控制，实现每次只有若干微电极阵列(13)具有电位，进而改变芯片顶部电场的有效边界区域的面积大小；另一方面，通过缩微光图案生成器(5)将虚拟电极光图案阵列投射于光电导层(32)之上，进而限定芯片中微流体腔(4)底部的电场边界。

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