KR20060096438A - 광학 쌍극자 트랩을 사용하는 단중벽 탄소 나노튜브의 분류 - Google Patents

광학 쌍극자 트랩을 사용하는 단중벽 탄소 나노튜브의 분류 Download PDF

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태웅 구
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인텔 코포레이션
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Abstract

본 발명의 실시양태에서, 집속 레이저 빔의 전기장은 단중벽 탄소 나노튜브에 쌍극자를 유도한다. 단중벽 탄소 나노튜브는 1종 이상의 공명 주파수를 갖는다. 레이저 빔의 주파수가 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 낮은 경우, 단중벽 탄소 나노튜브가 트래핑될 것이고, 레이저 빔은 단중벽 탄소 나노튜브를 제1의 미세유체 층류에서 제2의 미세유체 층류로 이동시킬 것이다. 레이저 빔의 주파수가 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 높은 경우, 단중벽 탄소 나노튜브는 반발될 것이고 레이저 빔은 단중벽 탄소 나노튜브를 이동시키지 않을 것이다.

Description

광학 쌍극자 트랩을 사용하는 단중벽 탄소 나노튜브의 분류 {SORTING OF SINGLE-WALLED CARBON NANOTUBES USING OPTICAL DIPOLE TRAPS}
관련 출원의 교차 참고
본 출원은 미국 출원 제 10/107,833호 (2002년 3월 26일)의 일부 계속 출원이고 이에 대한 우선권의 이익을 주장한다.
1. 분야
본 발명의 실시양태는 단중벽 탄소 나노튜브 (single-walled carbon nanotube) 및, 특히 단중벽 탄소 나노튜브의 분류에 관한 것이다.
2. 관련 기술에 대한 설명
탄소 나노튜브는 1990년대 초 이의 발견 이래 상당한 관심을 불러일으켜 왔다. 잠재적인 용도는 트랜지스터, 디지털 메모리, 및 디스플레이용 소형 전자 방출체에서부터 차세대 환경 친화적 자동차용 수소 가스 저장 장치에 이르기까지의 모든 용도를 포함한다.
통상적으로, 잠재적인 사용자에게 이용가능한 단중벽 탄소 나노튜브의 배치 (batch)는 상이한 유형의 단중벽 탄소 나노튜브의 혼합체를 갖는다. 예를 들어, 단중벽 탄소 나노튜브의 배치에는, 금속성 단중벽 탄소 나노튜브 및 반도체 단중벽 탄소 나노튜브가 있을 수 있다. 반도체 단중벽 탄소 나노튜브 내에는 상이한 길이, 직경, 및/또는 키랄성의 단중벽 탄소 나노튜브가 존재할 수 있다. 각 유형의 단중벽 탄소 나노튜브는 다양한 용도에 특히 적절한 다양한 특성 (예를 들어, 전기적, 화학적, 광학적, 기계적 특성)을 갖는다. 상기 다양한 특성은 함께 존재하여 다양한 단중벽 탄소 나노튜브를 분리할 수 없기 때문에, 특정 용도를 위한 특정 유형의 단중벽 탄소 나노튜브를 이용하고자 할 때 문제가 될 수 있다.
[도면의 간단한 설명]
도면에서, 유사한 참조 번호는 일반적으로 동일하고/하거나, 기능적으로 유사하고/하거나 구조적으로 동일한 요소를 나타낸다. 특정 요소가 처음으로 등장하는 도면은 참조 번호의 최좌측 숫자(들)로 표시되며,
도 1은 본 발명의 실시양태에 따라 반도체 단중벽 탄소 나노튜브를 금속성 단중벽 탄소 나노튜브로부터 분류하는 공정을 예시하는 흐름도이고;
도 2는 키랄 벡터 및 키랄 각을 보여주는, 단중벽 탄소 나노튜브의 육각형 격자의 2차원 도표이고;
도 3은 공명 주파수에 대한 유전 감수율을 보여주는 도표이고;
도 4는 반도체 단중벽 탄소 나노튜브에 대한 전자 상태 밀도를 보여주는 도표이고;
도 5는 금속성 단중벽 탄소 나노튜브에 대한 밴드갭(bandgap) 전자 상태 밀도를 보여주는 도표이고;
도 6은 단중벽 탄소 나노튜브에 대한 밴드갭과 직경 사이의 관계를 보여주는 도표이고;
도 7은 본 발명의 실시양태에 따른 미세유체 시스템의 평면도이고;
도 8은 본 발명의 실시양태에 따른 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 분류 공정을 예시하는 흐름도이고;
도 9는 본 발명의 실시양태에 따라 도 8에서 예시된 공정을 실행하기에 적절한 미세유체 시스템의 평면도이고;
도 10은 본 발명의 대체 실시양태에 따른 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 분류에 적절한 미세유체 시스템의 평면도이며;
도 11은 본 발명의 실시양태에 따라 분류된 단중벽 탄소 나노튜브를 사용하기에 적절한 시스템의 고공 블록 도표이다.
도 1은 본 발명의 실시양태에 따라 반도체 단중벽 탄소 나노튜브를 금속성 단중벽 탄소 나노튜브로부터 분류하는 공정 (100)을 예시하는 흐름도이다. 공정 (100)은 본 발명의 실시양태를 이해하는 데 가장 도움이 되는 방식으로 복수개의 분리된 과정을 차례로 수행하는 것으로 기술될 것이다. 그러나, 상기 과정이 기술되는 순서는 이 과정이 반드시 그 순서에 따라야 한다거나 이 공정이 이들이 제공되는 순서로 수행되어야 한다는 것을 의미하는 것으로 이해되어서는 안된다. 물론, 공정 (100)은 오로지 예시적인 공정이고 기타 공정을 사용할 수 있다.
블록 (102)에서, 공정 (100)은 표적 단중벽 탄소 나노튜브 부류에 상응하는 직경 및 키랄성 (예를 들어, 암 체어(arm chair)형, 지그재그형, 나선형 (또는 키랄형))을 결정한다. 단중벽 탄소 나노튜브는 덮개(end cap)가 있거나 없는 이음매 없는 실린더 형태로 둥글게 말린 그래파이트 시트의 스트립 모형으로 만들어질 수 있다. "단중벽"이라고 불리는 이유는 그 벽이 단지 단일 원자의 두께이기 때문이다. 실린더는 시트의 한쪽 가장자리에 있는 원자가 시트의 다른쪽 가장자리에 있는 원자와 만나도록 그래파이트 구조 시트가 감겨지는 경우에 생성된다. 첫번째 원자로부터 두번째 원자 쪽으로 향하는 벡터는 키랄 벡터라 칭하고 이 "키랄 벡터"의 길이는 단중벽 탄소 나노튜브의 원주와 동일하다. 단중벽 탄소 나노튜브 축의 방향은 키랄 벡터에 수직이다.
도 2는 키랄 벡터 및 키랄 각을 보여주는, 단중벽 탄소 나노튜브의 육각형 격자의 2차원 도표 (200)이다. 키랄 벡터 Ch는 육각형 격자 상에서 Ch =
Figure 112006027969384-PCT00001
로서 정의되고, 이때
Figure 112006027969384-PCT00002
및
Figure 112006027969384-PCT00003
는 단위 벡터이고, n 및 m은 정수이다. 키랄 각 θ는
Figure 112006027969384-PCT00004
에 의해 정의된 방향에 대하여 측정된다. 예시적 도표 (200)는 (n, m) = (4, 2)에 대해 작도한 것이고, 상기 단중벽 탄소 나노튜브의 단위 격자는 OAB'B로 표시된다. 단중벽 탄소 나노튜브를 형성하기 위하여, O가 A와 만나고, B가 B'와 만나며, 양 끝이 덮이도록 격자를 둥글게 마는 것을 생각할 수 있다.
상이한 유형의 탄소 나노튜브는 상이한 n 및 m 값을 가진다. 지그재그형 나노튜브는 (n, 0) 또는 (0, m)에 해당되고 키랄 각이 0°이며, 암체어형 나노튜브는 (n, n)을 갖고 키랄 각이 30°인 한편, 키랄형 나노튜브는 일반적인 (n, m) 값을 갖고 키랄 각이 0° 내지 30°이다. 본 발명의 실시양태에서, 스캐닝 터널링 현미경 (scanning tunneling microscope)을 사용하여 단중벽 탄소 나노튜브의 원자 구조를 결정하고 이를 나타낼 수 있다.
상이한 길이, 직경, 및/또는 키랄 벡터를 갖는 단중벽 탄소 나노튜브는 상이한 전자 특성을 갖는다. 예를 들어, 이들의 키랄 벡터에 따라, 직경이 작은 단중벽 탄소 나노튜브는 반도체 단중벽 탄소 나노튜브이거나 금속성 단중벽 탄소 나노튜브이다. 금속성 단중벽 탄소 나노튜브는 실온에서 전기를 전도할 수 있다. 반도체 단중벽 탄소 나노튜브는 실온에서 전도하지 않는다.
도 1을 다시 참고하면, 블록 (104)에서, 공정 (100)은 표적 단중벽 탄소 나노튜브 부류의 공명 주파수를 확인한다. 한 실시양태에서, 특정 주파수의 광을 방사하는 레이저 빔은 단중벽 탄소 나노튜브의 혼합체를 가로질러 스캐닝될 수 있다. 광의 전기장 성분은 1종 이상의 단중벽 탄소 나노튜브와 상호작용한다. 전기장 성분은 표적 단중벽 탄소 나노튜브에서 쌍극자 모멘트를 유도한다.
레이저 빔의 주파수가 표적 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수와 동일한 경우, 표적 단중벽 탄소 나노튜브에서 유도된 쌍극자가 공진할 것이다. 레이저빔의 주파수가 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 낮은 경우, 단중벽 탄소 나노튜브는 레이저 빔에 끌리게 (즉, 광학 트래핑(optical trapping))될 것이다. 레이저 빔의 공명 주파수가 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 높은 경우, 레이저 빔은 단중벽 탄소 나노튜브를 밀 것이다. (레이저 빔의 주파수가 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수와 가까운 경우, 단중벽 탄소 나노튜브의 광학 트래핑은 불안정함)
전기장에서 중성 입자의 유도 쌍극자 모멘트는 Ｐ = εoχＥ로 나타낼 수 있다. Ｐ는 레이저 빔의 전기장에서 중성 입자의 단위 부피당 쌍극자 모멘트 (또는 편광도)이다. εo는 자유 공간의 유전율이고 이는 일정하다. χ(ω)는 쌍극자가 되기 위한 (즉, 편광되기 위한) 중성 입자의 유전 감수율이다. 유전 감수율 χ(ω)는 입자의 전자 구조뿐 아니라 주위 매질 (예를 들어, 자유 공간, 물, 등)에 의존하게 된다.
도 3은 중성 입자가 편광되기 위한, 레이저 빔 주파수 ω에 대한 중성 입자 (즉, 단중벽 탄소 나노튜브)의 유전 감수율 χ을 보여주는 도표 (300)이다. 유전 감수율은 복소 함수 χ(ω) = χ'(ω) + iχ"(ω)이고, 이는 이를 편광시키려는 레이저 빔의 주파수 ω에 의존하게 된다. 도표 (300)는 항상 양수인, 유전 감수율에 대한 허수부 (302), 및 공명 주파수(포인트 (306))를 가로지를 때 부호가 바뀌는 실수부 (304)를 보여준다.
유전 감수율의 실수부 χ'(ω)의 부호는 단중벽 탄소 나노튜브가 레이저 빔의 전기장 성분에 끌리게 될 지 또는 이로부터 반발될 지를 결정한다. 실수부 χ'(ω)의 부호가 양인 경우, 레이저 빔은 단중벽 탄소 나노튜브를 끌어당긴다. 실수부인 χ'(ω)의 부호가 음인 경우, 레이저 빔은 단중벽 탄소 나노튜브를 밀게 될 것이다. 유전 감수율의 실수부인 χ'(ω)의 부호는 레이저 빔의 주파수 ω에 의해 결정된다. 레이저 빔의 주파수 ω가 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 낮은 경우, 유전 감수율의 실수부인 χ'(ω)의 부호는 양이다. 레이저 빔의 주파수 ω가 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 높은 경우, 유전 감수율의 실수부인 χ'(ω)의 부호는 음이다.
총 상호작용 시스템 에너지 (total interaction system energy) Ｕ(즉, 쌍극자 모멘트 및 레이저 빔의 전기장으로부터 생성된 에너지)는 Ｕ = -1/2ＰㆍＥ로 나타낼 수 있고, 이때 Ｅ는 레이저 빔의 전기장 성분이다. 총 상호작용 시스템 에너지 Ｕ는 또한 Ｕ = -1/2εoχＥ2로도 나타낼 수 있다. 따라서, 총 상호작용 시스템 에너지 Ｕ는 유전 감수율의 실수부 χ'(ω)의 부호 및 레이저 빔의 전기장 성분의 강도 Ｅ2에 의존하게 된다. χ'(ω)가 양의 값인 경우, Ｕ는 레이저 강도 Ｅ2가 증가함에 따라 감소한다. 따라서, χ'(ω)가 양의 값인 나노튜브는 더 고강도의 레이저 영역으로 이동하는 경향을 나타낼 것이다. 집속(focused) 레이저 빔의 경우, 강도 분포는 정상적으로 레이저 빔의 중앙에서 가장 높은 강도점을 가진 가우스 분포이고, 이때 양의 χ'(ω)를 갖는 중성 입자 (즉, 나노튜브)가 가장 안정 (즉, 시스템 에너지 Ｕ가 가장 낮음)할 것이다. 이것이 광학 유도 쌍극자 (광학 쌍극자) 트랩의 원리이다.
다시 도 1을 참조하면, 블록 (106)에서, 공정 (100)은 표적 단중벽 탄소 나노튜브 부류의 공명 주파수와 직경 및 키랄성 사이의 관계를 결정한다. 도 4는 예시적 반도체 단중벽 탄소 나노튜브에 대한 밴드 구조 (400)를 보여주는 도표 (단중벽 탄소 나노튜브 및 그래파이트의 상태 밀도 (DOS)에 대한 에너지/γo; 점선은 그래파이트를 나타냄)이다.
예를 들어, 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 밴드갭 구조 (400)는 Ｅ11 S, E22 S 등으로서 기록된 몇몇 피크 쌍 (peak pair)을 포함한다. 이들 피크 쌍은 단중벽 탄소 나노튜브에 대한 1차원의 전자 상태 밀도(DOS)에 있어서 반 호프 특이점이다. Ｅ11 S는 첫번째 에너지 분리 (또는 밴드갭)이다. E22 S 는 두번째 에너지 분리 (또는 밴드갭)이다. 각 피크 쌍은 단중벽 탄소 나노튜브에 대한 공명 주파수를 나타낸다. 따라서, Ｅ11 S는 반도체 단중벽 탄소 나노튜브에 대한 첫번째 밴드갭 및 첫번째 공명 주파수를 나타내고, E22 S 는 반도체 단중벽 탄소 나노튜브에 대한 두번째 밴드갭 및 두번째 공명 주파수를 나타낸다.
도 5는 금속성 단중벽 탄소 나노튜브에 대한 밴드 구조 (500)를 보여주는 도표이다 (단중벽 탄소 나노튜브 및 그래파이트의 상태 밀도 (DOS)에 대한 에너지/γo). 또한 금속성 단중벽 탄소 나노튜브의 밴드갭 구조 (500)는 Ｅ11 M, E22 M 등으로 기록된 몇몇 피크 쌍을 포함한다. Ｅ11 M는 첫번째 에너지 분리이다. E22 M는 두번째 에너지 분리이다. 각 피크 쌍은 단중벽 탄소 나노튜브에 대한 공명 주파수를 나타낸다. 따라서, Ｅ11 M는 금속성 단중벽 탄소 나노튜브에 대한 첫번째 밴드갭 및 첫번째 공명 주파수를 나타낸다. Ｅ11 M로 기록된 2개의 피크 쌍이 존재하는 것에 주목할 필요가 있는데, 이는 삼방정계 뒤틀림 효과 (trigonal warping effect) (즉, 단중벽 탄소 나노튜브의 1차원 전자 구조에서 페르미(Fermi) 점 근처의 비대칭)에 의해 생긴 반 호프 특이점의 갈라짐 (splitting)에 의한 것일 수 있다.
또한, 금속성 피크 쌍 Ｅ11 M은 반도체 피크 쌍 Ｅ11 S보다 훨씬 더 크고 반도체 Ｅ22보다 훨씬 더 큰 것에 주목할 필요가 있다. 본 발명의 실시양태에서, 스캐닝 터널링 현미경을 사용하여 단중벽 탄소 나노튜브에 대한 원자 구조 및 전자 상태 밀도를 결정하고 이를 나타낼 수 있다.
상응하는 반 호프 특이점 사이의 에너지 간격은 광학적으로 허용되는 밴드간 전이 에너지(inter-band transition energy)이다. 이 밴드간 전이 에너지는 각 단중벽 탄소 나노튜브의 직경 및 키랄성에 의해 결정된다. 도 6은 단중벽 탄소 나노튜브의 직경에 대한 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수(즉, 밴드간 전이 에너지)의 죄표 (600)를 예시하는 도표이다.
좌표 (600)는 전도의 1차원 전자 밀도 상태 (DOS)에서의 반 호프 특이점과, 대략 0.4 < dt < 3.0 나노미터 (nm) 범위의 직경 dt를 갖는 고려되는 단중벽 탄소 나노튜브의 모든 (n, m) 값에 대한 원자가 밴드 사이의 계산된 에너지 분리 Ｅii (예를 들어, Ｅ11, Ｅ22, Ｅ33 등)를 보여준다. 단중벽 탄소-탄소 에너지 겹치기 적분값 γo은 2.9 eV이다. 가장 가까운 인접 탄소-탄소의 거리 ac -c는 1.42 옹스트롬 (Å)이다. 밴드간 전이 Eii의 지수 i는 i번째 반 호프 특이점 사이의 전이를 나타내고, 이때 i는 Ｅ = 0에서 취해진 페르미 에너지 수준에 가장 근접한다.
Ｅii가 공지된 경우, 특정 단중벽 탄소 나노튜브의 직경 및 키랄성을 결정할 수 있다. 단중벽 탄소 나노튜브의 밴드갭은 이의 직경에 반비례한다는 것에 주목할 필요가 있다. 예를 들어, 금속성 단중벽 탄소 나노튜브에서 Ｅ11 M
Figure 112006027969384-PCT00005
6 γo ac-c/dt이다. 반도체 단중벽 탄소 나노튜브에서 Ｅ11 S
Figure 112006027969384-PCT00006
2 γo ac -c/dt이다. 이는 단중벽 탄소 나노튜브의 직경이 증가함에 따라, 밴드갭 및 공명 주파수가 감소함을 의미하는 것이다.
키랄성에 따라, 단중벽 탄소 나노튜브의 밴드간 전이 에너지 Ｅii는 직경에 반비례하지 않을 수 있다 (즉, Ｅ11 M
Figure 112006027969384-PCT00007
6 γo ac -c/dt 및 Ｅ11 S
Figure 112006027969384-PCT00008
2 γo ac -c/dt에서 벗어날 수 있음). 상술한 바와 같이, 이는 삼방정계 뒤틀림 효과로 인한 반 호프 특이점의 갈라짐 (금속성 단중벽 탄소 나노튜브의 경우) 또는 이동 (반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 경우)으로 인한 것이다. 상기 삼방정계 뒤틀림 효과는 n과 m이 동일하지 않은 경우 (즉, 암체어형 단중벽 탄소 나노튜브)에만 발생한다.
도 1을 다시 참조하면, 블록 (108)에서, 단중벽 탄소 나노튜브의 혼합체는 미세유체 시스템의 층 내에 배치된다. 단중벽 탄소 나노튜브의 혼합체는 1종 이상의 표적 단중벽 탄소 나노튜브를 포함한다.
도 7은 본 발명의 실시양태에 따른 미세유체 시스템 (700)의 평면도이다. 미세유체 시스템 (700)의 단중벽 탄소 나노튜브의 혼합체는 여러 단중벽 탄소 나노튜브 (702, 704, 706, 708, 710, 712, 714, 및 716)를 포함한다. 예시적 실시양태에서, 단중벽 탄소 나노튜브 (714 및 716)가 표적 단중벽 탄소 나노튜브이다.
미세유체 시스템 (700)은 층류에서 서로 인접하여 층류로 부드럽게 유동하는 점성 유체 (예를 들어, 물)의 하나 이상의 층 (간명함을 위해 각각 방향 (732 및 734)로 유동하는 2개 층 (720 및 722)을 도시함)을 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 단중벽 탄소 나노튜브의 혼합체는 층 (720)에 배치될 수 있다.
한 실시양태에서, 층 (720 및 722) 중 임의의 층의 폭 및 높이는 대략 1 밀리미터 (mm) 미만일 수 있다.
층 (720 또는 722) 중 임의의 층의 유체 유동은 레이놀드 수 RN로 특징지어질 수 있고, 상기 레이놀드 수는 RN = ρυｄ/η으로 나타내어지고, 이때 ρ는 유체 밀도이고, υ는 유체 속도이고, η는 점도이며, d는 유동과 관련된 기하학적 치수 (예를 들어, 층의 폭 및 높이)이다. 레이놀드 수가 대략 2000 미만인 경우, 유체 유동은 층류이다. 레이놀드 수가 대략 2000 초과인 경우, 유체 유동은 난류이다.
예시적 미세유체 시스템 (700)은 또한 레이저 빔 (730)을 포함한다. 도 1을 다시 참조하면, 블록 (110)에서, 레이저 빔 (730)은 단중벽 탄소 나노튜브의 혼합체로 방사된다. 레이저 빔 (730)의 주파수는 표적 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 낮을 수 있다. 레이저 빔 (730)은 표적 단중벽 탄소 나노튜브에 전기 쌍극자를 유도하고 표적 단중벽 탄소 나노튜브를 트래핑한다.
한 실시양태에서, 단중벽 탄소 나노튜브 (714 및 716)가 표적 반도체 단중벽 탄소 나노튜브이고 레이저 빔 (730)은 이 반도체 단중벽 탄소 나노튜브 (714 및 716)을 트래핑한다.
아크 방전, 레이저 증착법(laser ablation), 화학 증기 증착 (CVD), 또는 기타 방법을 이용하여 제조한 단중벽 탄소 나노튜브의 직경은 특정 분포를 갖는다. 예를 들어, 공지된 고압 CO 불균등화 공정 (HiPCO)에 의해 제조된 단중벽 탄소 나노튜브의 직경은 대략 0.8 mm 내지 1.3 mm의 범위의 직경을 갖는다 (영역 (602) 참고). 한 실시양태에서, 레이저 빔의 에너지는 0.55 eV 미만으로 선택된다. 이러한 실시양태에서, 대부분의 금속성 및 반도체 단중벽 탄소 나노튜브를 트래핑할 수 있는데, 그 이유는 레이저 주파수가 Ｅ11 M 및 Ｅ11 S에 대한 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 낮기 때문이다 (즉, 모든 단중벽 탄소 나노튜브가 트래핑될 수 있음).
대체 실시양태에서, 레이저 빔의 에너지는 약 1.05 eV로 선택한다. 이러한 실시양태에서, 대부분의 반도체 단중벽 탄소 나노튜브는 반발되고 모든 금속성 단중벽 탄소 나노튜브는 트래핑되는데, 그 이유는 레이저 주파수가 Ｅ11 M 에 대한 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 낮고 Ｅ11 S에 대한 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 높기 때문이다 (즉, 트래핑은 오로지 금속성 단중벽 탄소 나노튜브에서만 발생할 것이다.)
또다른 실시양태에서, 금속성 단중벽 탄소 나노튜브가 반도체 단중벽 탄소 나노튜브로부터 분류된 후, 레이저 빔의 에너지는 0.6 - 1 eV로 조정된다. 이러한 실시양태에서, 일부 반도체 단중벽 탄소 나노튜브는 반발되고 일부 반도체 단중벽 탄소 나노튜브는 트래핑되는데, 그 이유는 레이저 주파수가 Ｅ11 S에 대한 일부 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 낮고 Ｅ11 S에 대한 나머지 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 높기 때문이다 (즉, 일부 반도체 단중벽 탄소 나노튜브는 트래핑될 수 있지만 나머지 반도체 단중벽 탄소 나노튜브는 트래핑되지 않을 수 있음).
블록 (112)에서, 반도체 단중벽 탄소 나노튜브 (714 및 716)는 레이저 (720)에서 레이저 (722)로 이동하고, 금속성 단중벽 탄소 나노튜브 (702, 704, 706, 708, 710, 712)는 레이저 (720)에 남아있다. 예를 들어, 레이저 빔 (730)의 초점은 레이저 (720)에서 레이저 (722)로 이동할 것이다. 전술한 바로부터, 양의 χ'(ω)을 갖는 단중벽 탄소 나노튜브는 강도 분포가 가우스 분포인 집속 레이저 빔의 경우 레이저 빔의 중앙에 위치한 고강도 레이저 영역으로 이동하는 경향을 나타낸다는 것을 기억해야 한다. 따라서, 레이저 빔 (730)의 초점이 층 (720)에서 층 (722)으로 이동하면 반도체 단중벽 탄소 나노튜브 (714 및 716)가 층 (720)으로부터 층 (722)로 이동할 것이다.
한 실시양태에서, 거울 (도시되어 있지 않음)을 사용하여 레이저 빔 (730)의 초점의 위치를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 거울의 각도는 지속적으로 또는 점증적으로 변화하여 레이저 빔 (730)의 편각을 변화시킬 수 있다.
블록 (114)에서, 공정 (100)은 한 수집 위치 (736)에서 층 (722)으로부터 반도체 단중벽 탄소 나노튜브 (714 및 716)를 수집하고, 또다른 수집 위치 (738)에서 금속성 단중벽 탄소 나노튜브 (702, 704, 706, 708, 710, 712)를 수집한다.
대체 실시양태를 설명하기 위한 목적에서, B 군의 반도체 단중벽 탄소 나노튜브를 A, B, 및 C 군의 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 혼합체로부터 분리하는 것이 적절하다. A 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수는 B 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 높고, B 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수는 C 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 높은 것으로 가정한다.
도 8은 본 발명의 실시양태에 따라 B 반도체 단중벽 탄소 나노튜브를 A 및 C 반도체 단중벽 탄소 나노튜브로부터 분류하기 위한 공정 (800)을 예시하는 흐름도이다. 도 9는 본 발명의 실시양태에 따라 공정 (800)을 수행하기에 적절한 미세유체 시스템 (900)의 평면도이다.
공정 (800)은 본 발명의 실시양태를 이해하는 데 가장 도움이 되는 방식으로 차례로 복수개의 개별 공정을 수행하는 것으로 기술될 것이다. 그러나, 상기 작업이 기술되는 순서는 이 공정이 반드시 그 순서에 따라야 한다거나 이 공정이 이들이 기술되는 순서로 수행되어야 한다는 것을 의미하는 것으로 이해되어서는 안된다. 물론, 공정 (800)은 오로지 예시적인 공정이고 기타 공정을 사용할 수 있다.
블록 (802)에서, 레이저 빔 (930)은 B 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 낮고 C 반도체 단중벽 탄소 나노튜브 공명 주파수보다 높은 주파수 ω1으로 조율된다.
블록 (804)에서, A, B, 및 C 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 혼합체는 층류 중의 제1의 미세유체 층 (902) 내에 배치된다.
블록 (806)에서, A, B, 및 C 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 혼합체는 레이저 빔 (930)을 향해 유동하고 레이저 빔 (930)은 A 및 B 단중벽 탄소 나노튜브를 트래핑한다.
블록 (808)에서, 레이저 빔 (930)의 초점이 이동하고, 이는 A 및 B 단중벽 탄소 나노튜브가 층류 중의 제2의 미세유체 층 (922)으로 이동하게 하는 반면, C 단중벽 탄소 나노튜브는 제1의 미세유체 층 (920)에 남아있다.
블록 (810)에서, 레이저 빔 (930)은 B 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 높으나 A 반도체 단중벽 탄소 나노튜브 공명 주파수보다 낮은 주파수 ω2으로 조율된다.
블록 (812)에서, A와 B 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 혼합체는 레이저 빔 (930)을 향해 유동하고 레이저 빔 (930)은 A 단중벽 탄소 나노튜브를 트래핑한다.
블록 (814)에서, 레이저 빔 (930)은 A 단중벽 탄소 나노튜브가 층류 중의 제3의 미세유체 층 (924)으로 이동하게 하는 반면, B 단중벽 탄소 나노튜브는 제2의 미세유체 층 (922)에 남아있다.
블록 (816)에서, 공정 (800)은 수집기 (926)에서 제3의 층 (924)로부터 A 반도체 단중벽 탄소 나노튜브를 수집하고 수집기 (932)에서 제2의 층 (922)로부터 B 반도체 단중벽 탄소 나노튜브를 수집한다.
도 10은 본 발명의 대체 실시양태에 따른 A, B, 및 C 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 분류에 적절한 미세유체 시스템 (1000)을 예시한다. 상기 실시양태는 A 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수가 B 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 높고, B 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수가 C 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 높은 경우에 적합할 것이다.
레이저 빔 (1002)은 A 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 낮지만 B 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 높은 주파수 ω1으로 조율될 수 있다. 상기 레이저 빔 (1002)은 A 반도체 단중벽 탄소 나노튜브를 트래핑할 수 있고, A 반도체 단중벽 탄소 나노튜브를 미세유체 층 (1004)로부터 미세유체 층 (1006)으로, 그리고 수집기 (1008)로 이동시킬 수 있다. B 및 C 반도체 단중벽 탄소 나노튜브는 미세유체 층 (1004)에 남아 있다.
그 후, 레이저 빔 (1010)은 B 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 낮지만 C 반도체 단중벽 탄소 나노튜브 공명 주파수보다 높은 주파수 ω2으로 조율될 수 있다. 상기 레이저 빔 (1010)은 B 반도체 단중벽 탄소 나노튜브를 트래핑할 수 있고, B 반도체 단중벽 탄소 나노튜브를 미세유체 층 (1004)으로부터 미세유체 층 (1006)으로, 그리고 수집기 (1012)로 이동시킨다. C 반도체 단중벽 탄소 나노튜브는 미세유체 층 (1004)에 남아 있을 수 있다.
레이저 빔 (1014)은 C 반도체 단중벽 탄소 나노튜브의 공명 주파수보다 낮은 주파수 ω3으로 조율될 수 있다. 상기 레이저 빔 (1014)은 C 반도체 단중벽 탄소 나노튜브를 트래핑할 수 있고, C 반도체 단중벽 탄소 나노튜브를 미세유체 층 (1004)으로부터 미세유체 층 (1006)으로, 그리고 수집기 (1016)로 이동시킨다.
단중벽 탄소 나노튜브 제조업체에 의해 잠재적 사용자에게 제공되는 단중벽 탄소 나노튜브 배치는 매우 강한 반데르발스 인력으로 인하여 서로 결집하여 밧줄과 유사한 다발을 형성하는 것이 매우 일반적이다. 본 발명의 한 실시양태에서, 단중벽 탄소 나노튜브 배치는 광학 쌍극자 트랩을 사용하여 분류되기 이전에 기능화될 수 있다. 예를 들어, 단중벽 탄소 나노튜브의 배치를 계면활성제 수용액 내에 분산시켜 이를 푼다. 적절한 계면활성제는 공지되어 있다 (예를 들어, 황산도데실나트륨 (SDS)).
본 발명의 한 실시양태에서, 가변(tunable) 레이저가 레이저 빔을 제공한다. 따라서, 가변 레이저는 주파수를 가로질러 스캐닝할 수 있거나 주파수 사이에서 변환될 수 있다. 대체 실시양태에서, 복수개의 레이저를 사용하여 레이저 빔을 제공할 수 있다. 레이저 빔은 동일한 주파수를 가져서 높은 효율로 표적 단중벽 탄소 나노튜브 부류를 트래핑할 수 있다 (즉, 레이저 빔을 표적 탄소 나노튜브 부류를 향해 동시에 방사하여 1회 통과시에 실질적으로 모든 표적 단중벽 탄소 나노튜브 부류를 트래핑할 수 있음). 별법으로, 동일한 주파수를 갖는 복수개의 레이저 빔을 표적 단중벽 탄소 나노튜브 부류로 향해 순차적으로 방사하여 실질적으로 모든 표적 단중벽 탄소 나노튜브 부류를 일련의 방식으로 트래핑할 수 있다. 미세유체 유동을 가로지르는 레이저 빔의 스위핑(sweeping) 속도는 1회 통과시에 모든 표적 단중벽 탄소 나노튜브를 제거할 수 있을 정도로 충분히 빠를 수 있다.
간명함을 위해, 오로지 하나의 미세유체 시스템을 기재하였다 하더라도, 실시양태에서 여러개의 미세유체 시스템을 사용하여 단중벽 탄소 나노튜브를 분류할 수 있다. 예를 들어, 2개 이상의 미세유체 시스템을 서로 병렬식으로 실행시킬 수 있다. 별법으로, 2개 이상의 미세유체 시스템을 서로 직렬식으로 실행시킬 수 있다. 본원의 기재 사항을 읽은 후, 당업자는 2개 이상의 미세유체 시스템을 사용하여 본 발명의 실시양태를 수행하는 방법을 용이하게 이해할 것이다.
도 11은 본 발명의 실시양태에 따라 분류된 단중벽 탄소 나노튜브를 사용하기에 적절한 시스템 (1100)의 고공 블록 도표이다. 시스템 (1100)은 단중벽 탄소 나노튜브 팁 (1102), 팁 (1102)과 샘플 (1106) (이는 시스템 (1100)의 일부가 아니므로 점선으로 표시함) 사이의 거리를 조절하기 위하여 커플링된 압전 튜브 (1104), 팁 (1102)으로부터의 터널링 전류를 증폭시키기 위한 터널링 전류 증폭기 (1108), 튜브 (1104) 상의 전극 (1112 및 1114)에 전압을 제공하기 위해 커플링된 제어 유니트 (1110), 및 샘플 (1106)의 스캐닝 결과를 보여주는 디스플레이 (1116)를 포함하는 스캐닝 터널링 현미경일 수 있다. 본 발명의 실시양태에 따라 분류된 단중벽 탄소 나노튜브를 사용하기에 적합한 스캐닝 터널링 현미경은 공지되어 있다.
본 발명의 실시양태에 따른 밴드갭 (즉, 광학 쌍극자 공명 주파수)에 의해 분류된 단중벽 탄소 나노튜브를 사용하기에 적합한 다른 시스템으로는 트랜지스터 조립 시스템을 들 수 있다. 예를 들어, 다수의 장치에 있어서, 트랜지스터 밴드갭은 특정 장치 상의 모든 트랜지스터가 동일한 밴드갭을 갖도록 조절된다. 이는 모든 트랜지스터가 동일한 역치 전압을 갖는 것을 보장해 준다. 본 발명의 실시양태에 따라 분류된 단중벽 탄소 나노튜브를 사용하기에 적합한 다른 시스템으로는 배터리 제조 시스템, 및 연료 전지 제조 시스템을 들 수 있다.
본 발명의 실시양태는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 이의 조합물을 사용하여 실시할 수 있다. 소프트웨어를 사용하여 실시하는 경우, 이 소프트웨어는 기계로 접근가능한(machine-accessible) 매체에 저장될 수 있다. 기계로 접근가능한 매체는 기계 (예를 들어, 컴퓨터, 네트워크 장치, 개인 디지탈 보조기, 제조 도구, 하나 이상의 프로세서의 세트가 장착된 임의의 장치 등)에 의해 접근가능한 형태로 정보를 제공 (즉, 저장 및/또는 전달)하는 임의의 메커니즘을 포함한다. 예를 들어, 기계로 접근가능한 매체는 기록가능 매체 또는 기록 불가능 매체 (예를 들어, 판독 전용 기억장치 [ROM], 랜덤 접근 기억장치 [RAM], 자기 디스크 저장 매체, 광학 저장 매체, 플래시 메모리 장치 등)뿐 아니라, 전기적, 광학적, 청각적, 또는 기타 형태의 전파 신호 (예를 들어, 반송파, 적외선 신호, 디지털 신호 등)를 포함한다.
본 발명의 예시적 실시양태에 대한 상기 설명은 철저한 설명을 하기 위한 것이지 본 발명을 개시된 정확한 형태에 국한하고자 하는 것이 아니다. 본 발명의 특정 실시양태, 및 그의 예는 본원에서 예시적 목적으로 기재되어 있는 반면, 본 발명의 범위 이내에서 등가의 다양한 변형이 가능하고, 당업자는 이를 이해할 것이다. 이들 변형은 상기 상세한 설명의 관점에서 본 발명의 실시양태로 만들어질 수 있다.
상기 설명에서, 다수의 구체적인 세부사항, 예컨대 특정 공정, 물질, 장치 등은 본 발명의 실시양태의 완전한 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 당업자는 본 발명의 실시양태가 특정 세부사항 중 하나 이상이 없는 상태에서, 또는 기타 방법, 성분 등이 있는 상태에서 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 상기 설명에 대한 이해를 불명확하게 만드는 것을 피하기 위하여 잘 공지되어 있는 구조체 또는 작동체는 도시하거나 상세하게 설명하지 않았다.
본 명세서에서 언급한 "한 실시양태"는 그 실시양태와 관련하여 기술한 특정 양상, 구조, 공정, 블록, 또는 특징이 본 발명의 적어도 한 실시양태에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서의 곳곳에서의 "한 실시양태"라는 문구의 사용은 반드시 그 모든 문구가 동일한 실시양태를 언급한다는 것을 의미하지는 않는다. 특정 양상, 구조, 또는 특징은 하나 이상의 실시양태에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
하기의 특허청구범위에서 사용된 용어는 본 발명의 실시양태를 명세서 및 특허청구범위에서 개시된 특정 실시양태에 국한하고자 하는 것으로 이해해서는 안된다. 그보다는, 본 발명의 실시양태의 범위는 확립된 특허청구범위 해석 원칙에 따라 이해될, 하기의 특허청구범위에 의해 전적으로 결정되여야 한다.

Claims (27)

  1. 레이저 빔을 층류 중의 미세유체 층 내에 배치된 탄소 나노튜브의 혼합체에 방사하는 단계 (여기서, 상기 레이저 빔은 1종 이상의 표적 탄소 나노튜브 부류의 공명 주파수보다 낮은 주파수를 갖고, 상기 공명 주파수는 표적 탄소 나노튜브 부류의 직경 및 키랄성에 의해 결정되며, 상기 혼합체는 1종 이상의 표적 탄소 나노튜브 부류를 포함함);
    1종 이상의 표적 탄소 나노튜브를 트래핑(trapping)하는 단계; 및
    상기 표적 탄소 나노튜브를 층류 중의 제2의 미세유체 층 내로 이동시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 표적 탄소 나노튜브 부류의 공명 주파수를 확인하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 표적 탄소 나노튜브 부류의 직경 및 키랄성을 측정하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 표적 탄소 나노튜브 부류의 직경, 키랄성, 및 공명 주파수 사이의 관계를 결정하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 층류 중의 제2의 미세유체 층으로부터 1종 이상의 표적 탄소 나노튜브를 수집하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 탄소 나노튜브의 혼합체 다발을 풀어주는 것을 추가로 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 표적 탄소 나노튜브 부류가 금속성 단중벽 탄소 나노튜브 인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 표적 탄소 나노튜브 부류가 반도체 단중벽 탄소 나노튜브인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 탄소 나노튜브의 혼합체가 또다른 표적 탄소 나노 튜브 부류를 포함하는 것이고,
    또다른 레이저 주파수를 갖는 레이저 빔을 탄소 나노튜브의 혼합체에 방사하는 단계 (여기서, 상기 또다른 레이저 주파수는 다음 표적 탄소 나노튜브 부류의 다음 공명 주파수보다 낮고, 나머지 공명 주파수는 나머지 표적 탄소 나노튜브 부류의 직경 및 키랄성에 의해 결정됨);
    상기 나머지 표적 탄소 나노튜브 부류를 트래핑하는 단계; 및
    상기 나머지 표적 탄소 나노튜브 부류를 제3의 미세유체 층 내로 이동시키는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    표적 탄소 나노튜브 부류의 공명 주파수보다 낮은 레이저 주파수를 갖는 또다른 레이저 빔을 탄소 나노튜브의 혼합체에 방사하는 단계;
    표적 탄소 나노튜브 부류를 트래핑하는 단계; 및
    상기 표적 탄소 나노튜브를 제2의 미세유체 층 내로 이동시키는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 미세유체 층이 물인 방법.
  12. 표적 탄소 나노튜브 부류의 직경 및 키랄성에 의해 결정된 공명 주파수인, 표적 탄소 나노튜브 부류에 상응하는 공명 주파수보다 낮은 주파수를 갖는 레이저 빔을 방사하는 레이저;
    1종 이상의 표적 탄소 나노튜브를 갖는 탄소 나노튜브의 혼합체를 갖는, 층류 중의 제1의 미세유체 층;
    제1의 유체와 근접한, 층류 중의 제2의 미세유체 층; 및
    표적 탄소 나노튜브에서 1회 이상의 광학 쌍극자 트랩을 유도하고 상기 표적 탄소 나노튜브를 상기 제2의 미세유체 층 내로 이동시키기 위하여 광학적으로 커플링된 레이저 빔
    을 포함하는 장치.
  13. 제12항에 있어서, 제1 및 제2 미세유체 층이 물을 포함하는 것인 장치.
  14. 제12항에 있어서, 표적 탄소 나노튜브 부류가 금속성 단중벽 탄소 나노튜브인 장치.
  15. 제12항에 있어서, 표적 탄소 나노튜브 부류가 반도체 단중벽 탄소 나노튜브인 장치.
  16. 제12항에 있어서, 제2의 미세유체 층과 근접한, 층류 중의 제3 미세유체 층을 추가로 포함하는 장치.
  17. 제16항에 있어서, 레이저 빔이 탄소 나노튜브의 혼합체 중의 다음 표적 탄소 나노튜브 부류에 상응하는 공명 주파수보다 낮은 다음 주파수를 방사하기 위해 커플링되고, 상기 다음 공명 주파수가 다음 표적 탄소 나노튜브 부류의 직경 및 키랄성에 의해 결정되며, 상기 레이저 빔이 다음 표적 탄소 나노튜브 부류를 트래핑하고 다음 표적 탄소 나노튜브 부류를 제3의 미세유체 층으로 이동시키기 위해 광학 적으로 커플링된 것인 장치.
  18. 제12항에 있어서, 다음 표적 탄소 나노튜브 부류를 수집하는 제1의 수집기를 추가로 포함하는 장치.
  19. 레이저 빔을 층류 중의 미세유체 층 내에 배치된 탄소 나노튜브의 혼합체에 방사하기 위해 커플링된 장치 (여기서, 상기 레이저 빔은 1종 이상의 표적 탄소 나노튜브 부류의 공명 주파수보다 낮은 레이저 주파수를 갖고, 상기 공명 주파수는 표적 탄소 나노튜브 부류의 직경 및 키랄성에 의해 결정되고, 상기 혼합체는 1종 이상의 표적 탄소 나노튜브 부류를 포함하고, 상기 레이저 빔은 표적 탄소 나노튜브를 층류 중의 제2의 미세유체 층 내로 이동시키며, 상기 장치는 층류 중의 미세유체 층으로부터 상기 표적 탄소 나노튜브를 수집하기 위한 장치임); 및
    수집된 표적 탄소 나노튜브에 커플링된 압전 튜브
    를 포함하는 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 수집된 표적 탄소 나노튜브에 커플링된 전류 증폭기를 추가로 포함하는 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 전류 증폭기에 커플링된 디스플레이를 추가로 포함하는 시스템.
  22. 기계로 접근하는 경우, 상기 기계가
    레이저 빔을 층류 중의 미세유체 층 내에 배치된 탄소 나노튜브의 혼합체에 방사하는 단계 (여기서, 상기 레이저 빔은 1종 이상의 표적 탄소 나노튜브 부류의 공명 주파수보다 낮은 주파수를 갖고, 상기 공명 주파수는 표적 탄소 나노튜브 부류의 직경 및 키랄성에 의해 결정되며, 상기 혼합체는 1종 이상의 표적 탄소 나노튜브 부류를 포함함);
    1종 이상의 표적 탄소 나노튜브를 트래핑하는 단계; 및
    상기 표적 탄소 나노튜브를 층류 중의 제2의 미세유체 층으로 이동시키는 단계를 포함하는 과정을 수행하게 하는 데이타를 비롯한, 기계로 접근가능한 (machine-accessible) 매체
    를 포함하는 제품.
  23. 제22항에 있어서, 기계로 접근가능한 매체가 기계로 하여금 표적 탄소 나노튜브 부류의 공명 주파수를 확인하는 것을 포함하는 과정을 수행하게 하는 데이타를 추가로 포함하는 것인 제품.
  24. 제23항에 있어서, 기계로 접근가능한 매체가 기계로 하여금 표적 탄소 나노튜브 부류의 공명 주파수에 상응하는 직경 및 키랄성을 확인하는 것을 포함하는 과정을 수행하게 하는 데이타를 추가로 포함하는 것인 제품.
  25. 제24항에 있어서, 기계로 접근가능한 매체가 기계로 하여금 표적 탄소 나노튜브 부류의 직경, 키랄성, 및 공명 주파수 사이의 관계를 결정하는 것을 포함하는 과정을 수행하게 하는 데이타를 추가로 포함하는 것인 제품.
  26. 제22항에 있어서, 기계로 접근가능한 매체가 기계로 하여금 층류 중의 제2의 미세유체 층으로부터 표적 탄소 나노튜브를 수집하는 것을 포함하는 과정을 수행하게 하는 데이타를 추가로 포함하는 것인 제품.
  27. 제22항에 있어서, 기계로 접근가능한 매체가 기계로 하여금 탄소 나노튜브의 혼합체 다발을 풀어주는 것을 포함하는 과정을 수행하게 하는 데이타를 추가로 포함하는 것인 제품.
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