JP2009500183A - 準結晶フォトニックヘテロ構造の組み立て - Google Patents

Abstract

準結晶ヘテロ構造を組み立てるための方法およびシステム。複数の粒子には望ましい所定の特徴が与えられている。粒子が媒体中に懸濁され、また、所望の特性を与える配列を得るように粒子を位置させるべくホログラフィック光トラップが使用される。

Description

この研究は、認可番号ＤＭＲ０４５１５８９，ＤＭＲ０２１３０６、ＤＭＲ０２４３００１ならびに米国エネルギ省許可ＤＥ−ＦＧ０２−９１ＥＲ４０６７１を通じて米国国立科学財団によって支援された。

関連特許出願に対する相互参照
本出願は、その全体を参照によって本明細書に組み込まれる２００５年７月８日に出願された米国仮出願第６０／６９７，８７２号の優先権を主張する。

本発明は、一般に準結晶ヘテロ構造の分野に関する。特に、本発明は、２次元のあるいは３次元構造中の任意の２次元に沿う特定の配向対称性を有するあるいは任意の特定の３次元準結晶対称性を有する準結晶フォトニックヘテロ構造の組み立て、および、ホログラフィック光トラップ（ＨＯＴＳ）を使用してその組み立てを行なってこれらのＨＯＴＳの組み立てされた構造を様々な用途で使用することに関する。

結晶材料は、それらの結晶対称性に起因する物理特性のため、多くの光学的用途および電子的用途で長い間利用されてきた。そのような結晶材料によれば、多くの技術的用途を満たすことができるが、そのような結晶対称性によって課される限界がある。例えば、屈折率が高い領域と低い領域とが交互に並ぶ誘電体の順序付けられた配列は、フォトニックバンフォギャップとして知られる光の伝送における特性を示すために知られている。フォトニックバンドギャップ材料の光学的特性は、光が伝搬できずかつ吸収もされない光の周波数範囲によって特徴付けられる。この特性は、電子の輸送において半導体中で生じる電子バンドギャップに類似しており、同様に広い用途範囲をもたらすはずである。材料のフォトニックバンドギャップの程度は、構成誘電体の誘電特性およびそれらの３次元配列の対称性の両方に依存している。結晶配列のために利用できる限られた組の明確な対称性は、十分なフォトニックバンドギャップを得るために非常に大きなコントラストを誘電定数において必要とし、また、これらの対称性は、その光学的特性が構造的かつ化学的な欠陥に非常に影響されやすい光学材料をもたらす。それに対して、準結晶は、結晶において可能なものよりもかなり高い回転対称性を有していることで知られている。これらの準結晶は、結果として、同じ材料の任意の結晶配列よりも大きくかつ均一なフォトニックバンドギャップを示すとともに、欠陥および不規則に対して頑強な光学的特性を有していなければならない。したがって、材料の２次元および３次元準結晶配列は、それらの光学的特性および他の物理的特性に基づく多種多様な技術的用途を有さなければならない。

したがって、本発明の目的は、準結晶構造を形成するための改良されたシステムおよび方法を提供することである。

本発明の他の目的は、ホログラフィック光トラップを使用して準結晶フォトニックヘテロ構造を形成するための改良されたシステムおよび方法を提供することである。

また、本発明の目的は、３次元準結晶フォトニックヘテロ構造の改良された製造物品を提供することである。

本発明の更なる目的は、結晶材料では許されないフォトニックバンドギャップを有する材料を構成するための改良されたシステムおよび方法を提供することである。

本発明の更に他の目的は、結晶材料によって得ることができない光学的特性、機械的特性、化学的特性、生物学的特性、電気的特性、磁気的特性を有する回転対称ヘテロ構造を構成するための改良されたシステムおよび方法を提供することである。

本発明の更なる目的は、プログラム可能な光学的特性、機械的特性、生物学的特性、電気的特性、磁気的特性、化学的特性を有する改良された準結晶ヘテロ構造を提供することである。

また、本発明の他の目的は、選択された技術的用途のための特定のブリユアン領域を有する準結晶構造を構成するための改良されたシステムおよび方法を提供することである。

また、本発明の更なる目的は、略球状のブリユアン領域を有する準結晶材料を構成するための改良されたシステムおよび方法を提供することである。

本発明の更に他の目的は、過渡的な周期性を伴うことなく長期配向秩序を有しかつ電場、磁場、および、電磁放射線のうちの少なくとも１つに応答する所定の様式で作用するように構成された準結晶材料を構成するための改良されたシステムおよび方法を提供することである。

また、本発明の更なる目的は、粒子の位置を変えることで配列の物理的特性、生物学的特性、化学的特性を変えることにより１つの構造状態から他の状態へ切り換えることができる準結晶ヘテロ構造を構成するための改良されたシステムおよび方法を提供することである。

本発明の更に他の目的は、ホログラフィック光トラップを使用して時間依存要件にしたがって化学的特性および物理的特性を動的に変えることにより準結晶ヘテロ構造を構成するための改良されたシステムおよび方法を提供することである。

本発明の他の目的は、電磁放射線の周波数選択フィルタおよび狭帯域導波管の形成を可能にする工学的特徴を形作るためのホログラフィック光トラップを有する準結晶ヘテロ構造を構成するための改良されたシステムおよび方法を提供することである。

本発明の更に他の目的は、所望の技術的用途における化学的特性、生物学的特性、物理特性を得るためにホログラフィック光トラップを使用して異種要素を組織化することにより準結晶ヘテロ構造中に各種の要素を位置させる改良されたシステムおよび方法を提供することである。

また、本発明の目的は、様々な電気的特性、光学的特性、磁気的特性、機械的特性、生物学的特性、化学的特性および用途をプログラム可能に得るための欠陥が意図的に組み入れられる改良されたシステム、製造方法、および、製造物品を提供することである。

更に、本発明の更なる目的は、準結晶の局所的なフォトニック特性を変えるためにサイズまたは形状が異なる球または他の要素に置き換えられた準結晶の改良された方法および製造物品を提供することである。

本発明の更なる目的は、新規な特性を形成するべくあるいは様々な用途のための新規な特性を形成するために準結晶対称性を壊すべく所定の準結晶部位とは異なる部位または異なる化学組成の１つ以上の球または他の分子成分形状の選択的な置換を伴う改良された方法および製造物品を提供することである。

本発明の他の目的は、通常の結晶分子中の粒界のような位相スリップ等の位相的欠陥を有する特定の領域を伴い、それにより、新たな有用な特性を生み出す準結晶の改良された方法および製造物品を提供することである。

本発明の他の目的は、各構成要素領域から選択される光学的特性を有する結果的な組み合わせを伴う高次構造を形成するためにホログラフィックトラップ操作によって形成される２つ以上の準結晶領域の改良された方法および製造物品を提供することである。

更に、本発明の更なる目的は、１つ以上の準結晶領域と１つ以上の結晶領域との組み合わせを形成して有用な高次構造を形成するための改良された方法および製造物品を提供することである。

本発明の更なる目的は、有用な組み合わせ構造を形成するために自己組織化、エレクトロフェレシス（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｅｒｅｓｉｓ）、および、光学的勾配磁場を含む光ピンセットおよび／または他の粒子力組み立て方法を使用する結晶領域および準結晶領域の組み立てを伴う改良された方法および製造物品を提供することである。

本発明のこれらおよび他の目的、利点、特徴は、構成およびその作用様式と共に、以下に記載される添付図面と併せて解釈される際に、以下の詳細な説明から明らかとなる。

多種多様な技術用途における準結晶ヘテロ構造の創出のためのシステムおよび方法が開発されてきた。様々な製造物品および組成物を形成することができる。最も好ましい実施形態では、選択された粒子を所定の位置に位置決めするためにホログラフィック光トラップが開始ツールとして使用される。したがって、好ましい実施形態において、手法は、光トラップの大きな３次元配列を形成するためにコンピュータ生成ホログラムが高開口数顕微鏡対物レンズを通じて投影される周知のホログラフィック光トラッピング技術に基づいている。我々の実施では、液晶空間光変調器（ＳＬＭ）（Ｈａｍａｍａｔｓｕ Ｘ８２６７ ＰＰＭ）を使用する位相限定ホログラムを用いて、周波数逓倍ダイオード励起固体レーザ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｖｅｒｄｉ）から５３２ｎｍの光が印加される。修正されたレーザビームは、それを光トラップに合焦させる倒立光学顕微鏡（Ｎｉｋｏｎ ＴＥ２０００Ｕ）に装着された１００×ＮＡ １．４ ＳＰｌａｎ Ａｐｏ油浸対物レンズの入力瞳へ中継される。顕微鏡の従来の結像トレインを使用することによりトラップされた対象物の像を形成するために同じ対物レンズが使用される。ソフトファブリケーション技術のように、ホログラフィック組み立ては、電子ビームリソグラフィなどの従来の方法よりも必要な処理がかなり少なく、より幅広い範囲の材料に適用できる。ホログラフィック光トラップを用いる組み立ては、図１（ｄ）の八角形領域に組み込まれたチャネルなどの具体的に設計された特徴を有する不均一構造（例えば、微細構造配列、製造物品、組成物）の形成に直ぐに役立つ。そのような構造は、例えば、可視光用の周波数選択性フィルタおよび狭帯域導波管としての機能を果たすことができる。

自由形状ヘテロ構造を組み立てることができるホログラフィックトラッピングの能力は３次元にまでも及ぶ。図２（ａ）〜（ｄ）における回転する２０面体の一連の像は、コロイド球の外観が焦点面からの距離に伴ってどのように変化するのかを示している。この一連の像は、単一のレーザビームを用いるホログラフィックトラッピングが１つの球を各トラップ内に維持しつつ光軸に沿って球を垂直な積層体へとうまく編成できることを実証している。

２０面体自体は、例えば図３（ａ）〜（ｄ）の例などの一種の３次元準結晶の基本的なブィルディングブロックである。ホログラフィック組み立てに関する我々の初期の研究を基に、我々は、計画された準結晶領域の平面投影に対応する球の２次元配列を最初に形成することによって３次元準結晶領域を組み立てる（図３（ａ）参照）。次に、我々は、図３（ｂ）に示されるように、球を準結晶領域内でそれらの最終的な３次元座標へと光軸に沿って並進させる。このプロセスを明確にするために、１つの２０面体単位が図３（ａ）および（ｂ）に強調表示されている。最後に、図３（ｃ）においてトラップ間の分離が減少され、それにより、光学的に密な構造が形成される。この特定の領域は、７つの層をなす１７３個の球から成っており、一般的な粒子間の距離は３μｍである。

完成した準結晶はゲル状をしており、その光学的な回折パターンは、ＨｅＮｅレーザからの平行ビームをサンプルに対して照射して、顕微鏡の対物レンズを用いて回折光を集め、それをバートランドレンズを有する電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラに投影することにより、６３２ｎｍの波長で記録された。明確な回折スポットは、投影された面内で準結晶の５重回転対称を明確に反映する。

水中でのコロイダルシリカ準結晶のホログラフィック組み立ては、多種多様な技術的用途において、各種の光学的特性、電気的特性、磁気的特性、化学的特性、および、機械的特性を有する他の材料に対しても容易に一般化される。ホログラフィック制御下での異種要素の決定論的組織化は、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）キャビティ中にゲイン媒体を埋め込むため、非線形の光学的特性を有する材料を導波管内に組み込んでスイッチを形成するため、および、別個の化学的機能を有する領域を形成するために使用できる。我々が形成した比較的小さい領域は、一連の組み立ておよび空間的に局在化された光重合により、より大きいヘテロ構造へと組み合わせることができる。全ての場合において、このソフトファブリケーションプロセスは、より大きなシステムへと容易に集積できる機械的にかつ環境的に安定した材料をもたらす。

ホログラフィックトラッピングを準結晶材料の製造に即時適用する域を超えて、そのような様々な製造物品および組成物を形成して連続的に最適化できることにより、今まで得ることができなかった製品を得て不可能なプロセスを行なう機会を得ることができる。コロイド状準結晶の動力学および統計力学を評価するなど、多くの他の機能を果たすことができる。本明細書中で説明した光学的に生成される準周期的なポテンシャルエネルギランドスケープは、非周期的に変化される環境を介した輸送の実験研究のためのフレキシブルなモデルシステムを与えることができる。

他の実施形態において、準結晶構造を形成して操作する前述した方法は、組成物を操作して、有用な電気的属性、光学的属性、生物学的属性、機械的属性、磁気的属性化学的属性を得ることができる様々な特定の欠陥をもたらすために更に使用することができる。これらの準結晶構造および関連する欠陥を形成できることよって利用できる多くの自由度に起因して、多数の異なる物理的特性、機械的特性、および、化学的特性を得ることができ、それらの多くは結晶構造またはアモルファス構造を用いて得ることができない。これらの特性は、エレクトロニクス分野、コンピュータ分野、生物学的分野、化学分野、光学分野、機械特性分野および磁気的分野にわたる多種多様な商業領域で使用できる。

また、技術は、球または他の要素を異なるサイズまたは形状の球あるいは異なるサイズまたは形状の要素と置き換えて例えばフォトニック特性などの特性の変更を可能にする準結晶の製造を行なうことができる。この考え方は、選択された場所にある球または他のサイズ、形状要素群を異なる化学的特徴、機械的特徴、電気的特徴、磁気的特徴または光学的特徴を有する構成要素と置き換えることにより、多くの商業分野で役立つ異なる各種の特性を有する準結晶配列の制御された構造を可能にすることにも適用できる。

他の実施形態において、準結晶の領域は、粒界に類似した位相スリップ境界を結晶材料中にもたらして商業的利用において興味深い特性を生み出すように選択的に変えることができる。また、各要素領域の特性の物理的および／または化学的特性特徴を有する高次の構造的要素を形成するために粒子の光トラップ操作によって２つ以上の準結晶領域を形成することができる。更に、そのような組み合わせを結晶領域と一体化させて、各種の商業的用途のための更に高次の構造を形成することができる。

これらの全ての構造の組み立ては、光ピンセットによってだけではなく、他の粒子力移動力源によっても果たすことができる。これらの他の力移動源は、単独であるいは光ピンセットと組み合わせて使用することができ、また、これらの他の粒子力源は、自己組織化、他のフォトニック方法論、および、制御可能な電気的および磁気的分野のうちの少なくとも１つを含むことができる。これらの方法論は、多種多様なプログラムされた物理的特性、生物学的特性、または、化学的特性を示すほぼ任意の所望の構造の制御された構築を可能にする。

以下の非限定的な実施例は、コロイド粒子を準結晶として組み立てる１つの方法を記載している。

直径が１．５３μｍのコロイダルシリカミクロスフェア（Ｄｕｋｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｌｏｔ ５２３８）は、１８０：１２：１（ｗｔ／ｗｔ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎメチレンビスアクリルアミド、ジエトキシアセトフェノン（全て、オールドリッチ電気泳動グレード）の水溶液中に最初に分散させることにより組織化することができる。この溶液は、紫外線照射下で透明なポリアクリルアミドヒドロゲルへと急速に光重合し、さもなければ安定化する。分散液は、ガラス顕微鏡スライドの面に対して＃１カバースリップのエッジを結合させることにより形成される３０μｍ厚のスリット孔内へ吸収された。その後、処理および解析のために、シールされたサンプルが顕微鏡のステージ上に取り付けられた。

シリカ球は、水の約２倍の密度であり、カバースリップの上側に急速に沈殿堆積して単層状態となる。球の希薄層は、ホログラフィック光ピンセットによって、図１（ａ）〜（ｄ）における準結晶の実施例を含む任意の２次元形態へと容易に組織化される。図１（ａ）（ｂ）および（ｃ）は平面的な五角形、七角形、八角形の準結晶領域をそれぞれ示しており、これらの各領域は１００個を超える粒子からなる。強調表示された球は、各領域の対称性を強調している。これらの構造は全て、支柱および穴の微細加工配列をなす２次元ＰＢＧ材料としての機能を果たすように示されている。図１（ｄ）は、組み込まれた導波管を有する八角形準結晶領域を示している。

好ましい実施形態を図示して説明してきたが、その幅広い態様をなす本発明から逸脱することなく当業者が変更および改良を行なうことができることは言うまでもない。本発明の様々な特徴は以下の特許請求の範囲で規定される。

図１（ａ）はホログラフィック光ピンセットによって平面的な五角形準結晶へと組織化されたシリカ球の図を示し（スケールバーは５ミクロンを示す）、図１（ｂ）は七角形の準結晶領域を示し、図１（ｃ）は八角形の準結晶領域配列を示し、図１（ｄ）は組み込まれた導波管を有する八角形準結晶領域を示している。 図２（ａ）はホログラフィック光トラップを使用して誘電コロイド球から組み立てられた２０面体の４つの図面のうちの第１の図面を示し、図２（ｂ）は２重対称軸を有する第２の図を示し、図２（ｃ）は５重対称軸を有する第３の図を示し、図２（ｄ）は第４の図の中央平面を示し、図２（ｅ）は図２（ａ）〜（ｄ）に示されるコロイド状準結晶の進展的な組み立てを示している。 図３（ａ）は３次元２０面体準結晶格子の２次元投影でトラップされた粒子を伴う３次元コロイド準結晶のホログラフィック組み立てを示し、図３（ｂ）は完全に３次元形態へと置き換えられた粒子を示しており、影付きの領域は１つの組み込まれた２０面体であり、図３（ｃ）はコンパクトな３次元準結晶を形成するための格子定数の減少を示し、図３（ｄ）は構成された準結晶における１０重対称ピークを示す測定された光回折パターンを示し、図３（ｅ）は図３（ａ）〜（ｄ）に示されるコロイド準結晶の進展的な組み立てを示している。

Claims (20)

1. 各種の特性を有する準結晶ヘテロ構造を組み立てるための方法であって、
   所定の特徴をなす複数の粒子を供給するステップと、
   前記複数の粒子を流体媒質中に懸濁させるステップと、
   特定の準結晶配列でホログラフィック光トラップを形成して、その特定の配列に前記複数の粒子を作り上げることにより、各種の特性を得るステップと、
   を備える方法。
2. 前記複数の粒子の特定の準結晶配列は、結晶材料によって得ることができない予め選択された対称性を与える、請求項１に記載の方法。
3. 前記粒子は、ミクロ粒子、ナノ粒子、巨大分子、生体細胞のうちの少なくとも１つを含む光トラップにより操作できる対象物のグループから選択される、請求項１に記載の方法。
4. 前記所定の特徴は、所望の化学的特徴、光学的特徴、生物学的特徴、磁気的特徴、電子的特徴、および、機械的特性のうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の方法。
5. 前記各種の特性は、フォトニックバンドギャップ、化学的機能性、導電属性、生物学的属性、および、磁的気属性からなるグループから選択される、請求項１に記載の方法。
6. 前記フォトニックバンドギャップは、誘電体の複合物中での光伝搬を制御する請求項５に記載の方法。
7. 前記化学的機能性が触媒作用を備える、請求項５に記載の方法。
8. 前記導電性は、金属、半導体、超電導のグループから選択される、請求項５に記載の方法。
9. 前記磁気的属性は、前記複数の粒子によって示される高磁束を備える、請求項５に記載の方法。
10. 前記化学的機能性は、予め選択され変化した化学的特性を備える、請求項５に記載の方法。
11. 前記化学的機能性は、同じ化学組成からなる対応する結晶構造にわたる特性の変化を備える、請求項５に記載の方法。
12. 選択された用途における各種の特性のうちの異なる特性を得るために特定の配列を動的に変えるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記選択された用途は、機械的特性、電気的特性、化学的特性、磁気的特性、および、生物学的特性からなるグループから選択される準結晶特性を変えることのうちの少なくとも１つを備える、請求項１２に記載の方法。
14. 電磁場、電場、および、磁場のうちの少なくとも１つを印加して準結晶配列の特性を更に変えるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
15. 工業的用途を果たすためにシステム内に準結晶配列を組み込むステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
16. 粒子の構造が光トラップを用いて配列される準結晶材料を備える製造物品であって、前記準結晶材料は、その対応する結晶化学相対物とは異なる特性を有する製造物品。
17. その対応する結晶化学相対物とは異なる前記特性は、フォトニックバンドギャップ、機械的特性、生物学的特性、磁気的特性、電気的特性、および、化学的特性のうちの少なくとも１つを備える、請求項１６に記載の製造物品。
18. 前記準結晶材料は、プログラムされた欠陥、サイズまたは形状が異なる粒子のうちの置換粒子、位相スリップ境界、および、準結晶領域および結晶領域のうちの少なくとも一方の異なる領域の混合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の製造物品。
19. 各種の特性を有するヘテロ構造を組み立てる方法であって、
    サイズ、形状、生物学的特性または化学的特性からなるグループから選択される所定の特徴をなす複数の粒子を供給するステップと、
    特定の準結晶配列を形成するために粒子移動力を与えるステップと、
    粒子の準結晶配列を形成するために前記粒子移動力を使用して複数の粒子を配列するステップと、
    を備える方法。
20. 準結晶配列中に欠陥状態を形成するステップ、複数の粒子のうちの少なくとも１つをサイズ、形状または特性が異なる粒子と置き換えるステップ、準結晶配列内に異なる準結晶領域を形成するステップ、準結晶配列を有する結晶領域を混ぜ合わせるステップ、自己組織化によって複数の粒子を配列するステップのうちの少なくとも１つを更に含む、請求項１９に記載の方法。