JP2008531298A - ホログラフィック光ピンセットによりナノワイヤを処理するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

液体中のナノワイヤをホログラフィック光トラップのアレイにより操作かつ処理するためのシステムおよび方法。本発明のシステムおよび方法は、物体を３次元で操作する能力を有する数百個の個別に制御される光トラップを生成することができる。２０ｎｍもの小ささの断面および２０μｍを越える長さを有する個々のナノワイヤは、単一トラップが認識可能な影響を及ぼさないような条件下で、ホログラフィック光トラップのアレイにより分離させ、並進させ、回転させ、基板上に堆積させることができる。合焦トラップによって誘発される空間的に局在化する光熱および光化学プロセスも、個々のナノワイヤの局在化された領域を融解させ、かつナノワイヤ接合部を融着させるために使用することができる。

Description

本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づき、２００５年１月１２日に出願した米国特許仮出願第６０／６４３，３８４号の利点を主張する出願であり、その内容全体を参照により本明細書に組み込む。

この研究は、認可番号ＤＭＲ−０２３３９７１およびＤＢＩ−０４５０８７８により米国国立科学財団の支援を受けた。

［発明の分野］
本発明は、一般的に半導体および金属ナノワイヤに関する。さらに詳しくは、本発明は、ホログラフィック光トラップのアレイによって、溶液中にある半導体および金属ナノワイヤを操作する手法および処理する手法に関する。

半導体および金属のナノワイヤは、ナノスケールのデバイスで構成単位として使用される独特な電気的および光学的特性を有する１次元構造物である。それらが低い次元性をもつことは、それらが量子閉じ込め効果を発現することを意味する。このため、およびその他の理由から、そのようなナノワイヤは、機能性を備える電子的なおよびフォトニックなデバイスを組み上げる際の汎用性のある構成単位となる。それらの潜在的能力を実現するには、それらを複雑でありかつ特別に設定された構造となるように組み立てるための効率的な方法が必要である。

したがって本発明の目的は、半導体および金属ナノワイヤを操作するための改善されたシステムおよび方法を提供することである。

本発明の別の目的は、放射による損傷を最小化する一方で半導体および金属ナノワイヤに加えることのできる力の量を増加させるための改善されたシステムおよび方法を提供することである。

本発明の追加の実施形態は、半導体および金属ナノワイヤを並進させるための改善されたシステムおよび方法を提供する。

上記目的および本明細書で下述する他の目的に従って、本発明は、ホログラフィック光ピンセットのアレイを使用してナノワイヤを精密に編成された２次元および３次元構造物に組み立てるためのシステムおよび方法を含む。２０ｎｍもの小ささの断面および２０μｍを超える長さを有する個々のナノワイヤは、個々のトラップが認識可能な影響を及ぼさないという条件下で、ホログラフィック光トラップのアレイによって分離させ、並進させ、回転させ、若しくは他の方法で操作し、または基板上に堆積させることができる。合焦トラップによって誘発される空間的に局在化する光熱および光化学プロセスも、個々のナノワイヤの局在化された領域を融解させ、かつナノワイヤ接合部を融着させるために使用することができる。

本発明のこれらおよび他の目的、利点、および特徴は、その構成および動作方法と共に、添付の図面に関連して取り上げる以下の詳細な説明から明らかになる。図中、同様の要素は下述する幾つかの図面を通して同様の符合を有する。

本発明は、溶液中にあるナノワイヤをホログラフィック光トラップのアレイにより操作かつ処理するためのシステムおよび方法を提供する。本発明のある実施形態では、ＣｄＳおよびＳｉナノワイヤが、本発明を実施するために水中に分散される。この特定の実施形態では、ＣｄＳナノワイヤは８０ｎｍの公称直径および最大２０μｍまでの長さを有する一方、Ｓｉナノワイヤは２０ｎｍもの小ささの直径で、よりいっそう大きなアスペクト比を有する。これらの試料は、きれいなカバーガラスの縁を顕微鏡用スライドの表面にして形成された、厚さ約４０μｍのスリット細孔内に装填される。どちらの材料も水より実質的に高密度であり（ρ_CdS＝４．８ｇ／ｃｍ³、ρ_Si＝２３ｇ／ｃｍ³）、下側のガラス壁上に急速に沈殿し、ＣｄＳ試料ではほとんど完全に平面内に位置する。本発明の本実施形態では、密封された試料は、観察および操作のために、１００倍、ＮＡ１．４のＳ−Ｐｌａｎ Ａｐｏ油浸対物レンズを装備したＺｅｉｓｓ Ａｘｉｏｖｅｒｔ Ｓ１００−ＴＶ顕微鏡のステージ上に搭載される。このレンズは、分散されたナノワイヤの明視野画像を生成するため、および５３２ｎｍで動作する連続波（ＣＷ）周波数２倍化Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｖｅｒｄｉ）からの光を光トラップに合焦させるためにも使用される。

精密に集束させた単一光ビームは、メゾスコピックな物体を３次元で捕獲することのできる、光ピンセットとして知られる光トラップを形成する。しかし、およそ１Ｗ未満のレーザ出力では、個々の光ピンセットは、いずれの型の半導体ナノワイヤも移動させることができないようである。より高い出力での急速加熱によって、焦点がナノワイヤを通過する場合には、蒸気の泡が発生する。そのような急速加熱はまた、曲げ、小結節の形成、および切断さえも含む、ナノワイヤ自体の可視的変化を導く。このことは、焦点体積を通過する光子束のもたらす大きな光吸収による加熱とも矛盾しない。

放射による損傷を最小化しながら、ナノワイヤに対しより大きい力を加えるために、動的ホログラフィック光ピンセット技術を用いて多数の回折限界光トラップが投射される。この手法は、空間光変調器（ＳＬＭ）（Ｈａｍａｍａｔｓｕ Ｘ７５５０ ＰＡＬ−ＳＬＭ）を使用して、集光前に、所望のトラップのアレイを符号化しているコンピュータ設計された位相オンリホログラムをレーザビームの波面に刻み付ける。アレイにおける各トラップは、中間トラップ構成のシーケンスを符号化する一連のホログラムを投射することにより、独立に３次元において並進させることができる。

図１（ａ）の画像は、図１（ｂ）でＣｄＳナノワイヤを移動させる、線形６０トラップのアレイからの集束光を示す。この場合、アレイをナノワイヤの面から０．５μｍ以内に集束させ、１トラップ当たり３ｍＷの出力とした。当初、光トラップのアレイと直角に向けられたナノワイヤは、そのような比較的低いレーザ出力でさえも、数秒内に回転して整列する。０．４μｍのトラップ間距離を前提として、およそ１５個のトラップがこのナノワイヤに同時にその最終構成に照準される。

上記の条件を前提として、ひとたびナノワイヤがアレイに対して整列すると、アレイを視野内で移動させることによって、または試料台をアレイに対して動かすことによって、およそｕ＝１０μｍ／秒までの速度で並進させることができる。出力を増大させ、レーザ波長を最適化し、あるいはトラップ当たりの有効な力を高めるための様々な他の機構のいずれかによって、ナノワイヤはｕ＝１０μｍ／秒を超える速度で並進することができることに留意されたい。低レイノルズ数で粘度ηの無限流体中を並進する長さＬおよび半径ａの円筒の抗力は、近似的に次の通りである。

ここでε＝［ｌｎ（Ｌ／Ａ）］^-1であり、それは、この断面積のＣｄＳナノワイヤに対し１トラップ当たり０．２ｆＮの光学的に加えられる力の下限を設定する。このナノワイヤに対する実際の抗力は、ナノワイヤの中心からｈ≒０．５μｍの距離の境界ガラス表面によって実質的に強化され、次式によって最低次数のａ／ｈで与えられる。

これは捕獲力の推定値を少なくとも２倍に増大させる。

上記の推定値は、単一光ピンセットがナノワイヤを移動させることができるはずであることを示唆する。しかし、たとえそのようであったとしても、ナノワイヤは運動方向の抗力を最小化する方向に回転し、したがってトラップから逃避する。ホログラフィック光ピンセットのアレイによってもたらされる空間的に延びる捕獲ポテンシャルは、ナノワイヤの向きを維持し、したがって制御された並進を可能にする。

光ピンセットに対するナノワイヤの応答の従来の性質は、ヘリカル位相プロファイル

をＳＬＭで捕獲用レーザの波面に刻み付けることによって個々のトラップが光渦（optical voltex）に変換されるときに、さらによく実証される。この状況で、

は、ビームの軸線に対しビームに垂直な面内の極座標であり、

は波面のヘリシティを定義する整数の巻数である。この変調の効果は、点状光ピンセットを、半径が巻数と線形的に縮尺されるリング状トラップに変形することであり、その光子は各々それらの固有スピン角運動量に加えて、

の軌道角運動量を運ぶ。この角運動量は、光のリングを照射される物体に伝達することができ、結果的に光の強度に比例する正味トルクが生じる。

ＳｉおよびＣｄＳナノワイヤはどちらもそれら自体、光のリングの接線方向に整列する傾向がある。ひとたび接線方向に向けられると、放射圧を受ける断面が大きくなり、それらは半径方向に押しのけられる。それにもかかわらず、光渦トラップの領域内にある間、ナノワイヤは、従来のマイクロメートル規模の誘電体球と同じ方向に、周縁部を推進される。これらの観察結果は、ナノワイヤが、それらの極めて小さい断面積にもかかわらず、従来の光勾配力のトラップとして光ピンセットの作用を受けるという解釈と矛盾しない。

光ピンセットはまた、単一ナノワイヤを光軸に沿って垂直方向に移動させることもでき、それらを基板に対して押し付けることができる。ナノワイヤを堆積させないように安定化させるために特別の注意を払わない場合には、これによって、ナノワイヤがファンデルワールス相互作用によって基板に不可逆的に固着されるという結果を招来する。ナノワイヤが例えば１層の吸着ポリマ界面活性剤によって安定化される場合、それらは依然として、選択的光化学または光熱プロセスによって所定の位置に固定させることができる。これらの最も単純な方法は、安定化層が脱着または破壊されるまでレーザ出力を高めることを含む。そのような選択的接触堆積は、予め作製された機能基板へナノワイヤを制御して組立てるための基礎を提供することができる。そのような光学処理のより積極的な形態を使用して、ナノワイヤ間の接触部を選択的に融解させ、よってそれを融着させて永久的構造物にすることができる。より高精度の変形例は線形または非線形光化学プロセスを使用して、特定の機能性が生成されるように、光化学変化をナノワイヤ接合部に選択的に誘発させることができる。

本明細書に記載した型のナノワイヤは、特定の強度または特定の波長の光をナノワイヤに照射することによって変更することもできる。それぞれの強度および波長は、ナノワイヤの長さに沿って特定の変化に影響するように選択される。達成することのできる変化は、ナノワイヤの融解、ナノワイヤの切断、および化学的変換を含む。これらの変化は全て、同様または異なる材料から構成されるナノワイヤ間の接合部で発生することができる。そのような変換は結果的に、ナノワイヤ間のみならず、ナノワイヤと他の基板との間にも、機械的、電気的、または光学的接触部を形成することもできる。

ここに提示する結果は、ホログラフィック光ピンセットのアレイを使用して、半導体ナノワイヤを精密編成２次元および３次元構造物に組み立てることができることを実証する。このプロセスは、光捕獲力を増強するようにレーザ波長を調整することによって最適化することができ、ホログラフィック捕獲技術の進歩と並行してかなり高速化し、かつ大きく前進する。

本発明の実施形態の上述の説明は、例証および解説のために提示したものである。それは全てを余すところなく記載し尽くしたものではなく、本発明を開示した厳密な形に限定する意図は無く、上記教示に照らして変形および変化が可能であり、あるいは本発明の実施から得られるかもしれない。本実施形態は、当業者が本発明を様々な実施形態で、かつ考えられる特定の用途に適するように様々な変形を施して利用することができるように、本発明の原理および実際の適用を説明するために選択され記載された。

線形６０トラップのアレイからの合焦光ビームを示す像である。 光トラップのアレイによって回転かつ並進させた単一ＣｄＳナノワイヤの多重露光を示す像である。

Claims (11)

1. 複数の光ビームを入力するステップと、
   複数の光トラップを形成するステップと、
   前記複数の光トラップを第１のナノワイヤに投射するステップと、
   前記少なくとも第１のナノワイヤを処理するステップと
   を含むナノワイヤを処理する方法。
2. 前記少なくとも第１のナノワイヤを処理する前記ステップが、前記少なくとも第１のナノワイヤを操作し、分離し、加熱し、および化学的に変換するステップうちの少なくともいずれかを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも第１のナノワイヤが金属ナノワイヤおよび半導体ナノワイヤの少なくともいずれかを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記少なくとも第１のナノワイヤがＣｄＳおよびＳｉの少なくともいずれかを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記少なくとも第１のナノワイヤに対する前記光トラップのアレイの位置を変更することによって、前記少なくとも第１のナノワイヤを並進させるステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
6. 第２のナノワイヤを提供するステップと、
   前記光トラップのアレイの少なくともいずれかによって投射される出力を増加させることによって、前記少なくとも第１のナノワイヤを前記第２のナノワイヤに融着させるステップと
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記複数の光トラップの少なくともいずれかを少なくともいずれかの光渦に変換するステップと、
   前記少なくともいずれかの光渦を使用して、前記少なくとも第１のナノワイヤを半径方向に並進させるステップと
   をさらに含む請求項１に記載の方法。
8. 前記少なくとも第１のナノワイヤに少なくとも部分的な変化をもたらすために、前記複数の光ビームが所定の波長を有する、請求項１に記載の方法。
9. 前記少なくとも第１のナノワイヤに少なくとも部分的な変化をもたらすために、前記複数の光ビームが所定の強度を有する、請求項１に記載の方法。
10. 前記少なくとも第１のナノワイヤおよび前記第２のナノワイヤが、同一材料および異なる材料の群から選択される、請求項１に記載の方法。
11. 前記変化は、前記少なくとも第１のナノワイヤおよび前記第２のナノワイヤ、前記第２のナノワイヤおよび非ナノワイヤ基板、ならびに前記少なくとも第１のナノワイヤおよび前記非ナノワイヤ基板の少なくとも２つの間に接触部を形成するものであり、
    前記接触部が、機械的接触部、電気的接触部、および光学的接触部からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。

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