專利名稱：基于三維可控介電泳的低維納米結(jié)構(gòu)材料組裝芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種三維可控的低維納米材料的高柔性組裝芯片技術(shù)，涉及微流控領(lǐng)域 以及納米結(jié)構(gòu)材料組裝領(lǐng)域，特別是低維納米材料的主動(dòng)式組裝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著納米材料合成技術(shù)的發(fā)展，金屬材料、絕緣材料和半導(dǎo)體材料可以通過 組裝形成新的納米結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)用于MEMS器件以及生物醫(yī)學(xué)器件中。由于各種納米結(jié)構(gòu)材 料在化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性上存在差異性，要實(shí)現(xiàn)高水平的非均質(zhì)納米結(jié)構(gòu)材料的組裝， 則存在著巨大的挑戰(zhàn)。目前采用的組裝方法由兩個(gè)步驟組成首先分別合成各種納米結(jié)構(gòu) 材料；然后應(yīng)用某種微操縱方法進(jìn)行組裝，從而完成整個(gè)微納米器件制造。鑒于近年來材 料學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域研究的不斷發(fā)展，各種材料在各自的處理?xiàng)l件下單獨(dú)合成較易實(shí)現(xiàn)，而將 這些不同材料組裝并集成于納米結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中則缺乏有效的方法，已成為制約微納米器件制 造發(fā)展的瓶頸問題。因此研究發(fā)明一種準(zhǔn)確、簡單和高效地納米結(jié)構(gòu)材料組裝工具，成為 納米制造研究領(lǐng)域中極為關(guān)鍵且重要的基礎(chǔ)研究課題。該課題的研究是近幾年來各國學(xué)者研究的熱點(diǎn)，包括應(yīng)用微流體技術(shù)將一維納米結(jié) 構(gòu)排列成功能網(wǎng)絡(luò)或在軌道式微流道中組裝成納米器件；應(yīng)用微接觸印刷技術(shù)實(shí)現(xiàn)無機(jī)納 米線或碳納米管大面積噴涂；應(yīng)用Langmuir-Blodgett排列技術(shù)可以排列納米棒或流體中 大量分散的納米線。應(yīng)用生物樣板組裝技術(shù)可實(shí)現(xiàn)生物材料自發(fā)組裝，但其組裝過程機(jī)理 復(fù)雜，難以精確控制。上述組裝技術(shù)都是針對納米結(jié)構(gòu)材料(包含類球粒子、納米線、納米管)群體的非精 確操控，而目前微納米器件制造過程中更需要針對單一納米結(jié)構(gòu)材料個(gè)體的精確操縱。近 年來已有研究者使用三軸納米機(jī)械手或光鑷陷阱實(shí)現(xiàn)單個(gè)納米結(jié)構(gòu)的精確操縱。納米機(jī)械 手主要有兩種 一種是通過原子力顯微鏡系統(tǒng)中壓電執(zhí)行器控制樣品平面運(yùn)動(dòng)和豎直方向 探針與樣品之間距離來實(shí)現(xiàn)的；另一種是通過皮米級電機(jī)和壓電致動(dòng)器控制安裝于掃描電子顯微鏡內(nèi)部的兩個(gè)探針運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。此類微納米機(jī)械手缺點(diǎn) 一方面，操縱過程依賴于 精密微電機(jī)和壓電致動(dòng)器，靈活性差、耗時(shí)長且價(jià)格昂貴；另一方面，此類操縱不能實(shí)現(xiàn) 單個(gè)納米結(jié)構(gòu)的大規(guī)模并行操控。光鑷陷阱操縱技術(shù)， 一種是貝爾實(shí)驗(yàn)室Ashkin發(fā)明光鑷技術(shù)，用于對直徑在幾十納米 到幾十微米的微粒個(gè)體進(jìn)行高精度操縱，另一種是Mogensen和Gluckstad研究出的動(dòng)態(tài)全 息光鑷，利用相差方法產(chǎn)生任意形狀的激光光束陣列，用于對多個(gè)生物樣品微粒進(jìn)行并行 操縱。但光鑷、動(dòng)態(tài)全息光鑷捕捉范圍小(〈l微米)，這就限制了光鑷在大規(guī)模并行操縱中綜上所述，運(yùn)用微流體技術(shù)、微接觸印刷技術(shù)、Langmuir-Blodgett排列技術(shù)和生物樣 板組裝技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)將大量納米結(jié)構(gòu)材料作為一個(gè)整體進(jìn)行組裝和集成，而對單一納米結(jié) 構(gòu)個(gè)體的單獨(dú)操控和并行組裝則無能為力。應(yīng)用微納米機(jī)械手和光鑷技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對單個(gè)納米結(jié)構(gòu)的控制，但仍不能同時(shí)達(dá)到高精度、高通量、低成本和多維操縱的要求。介電泳(Dielectrophoresis，簡稱DEP)技術(shù)作為一種重要的微納米結(jié)構(gòu)個(gè)體操作工 具，與上述納米結(jié)構(gòu)材料組裝技術(shù)相比，由于沒有移動(dòng)部件、不需要昂貴的設(shè)備、屬于非 接觸非入侵式操控，且實(shí)施簡單、滿足大量并行的主動(dòng)式(即納米材料主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而微器 件內(nèi)的所有部件靜止)操作需求，成為目前納米結(jié)構(gòu)材料組裝技術(shù)中一項(xiàng)重要的使能技術(shù)。 目前，基于介電泳力的納米結(jié)構(gòu)材料組裝和運(yùn)動(dòng)控制的研究已逐漸成為各國科研熱點(diǎn)，雖 然該領(lǐng)域中己取得了一定的研究成果，但仍存在著亟待解決的問題，目前限制介電泳技術(shù) 在納米制造領(lǐng)域推廣應(yīng)用的兩個(gè)主要問題表現(xiàn)為① 為了實(shí)現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)材料的組裝，需要根據(jù)具體裝配關(guān)系(例如納米間隙的橋接或 納米顆粒的嵌入)以及被控納米材料的具體形態(tài)和性質(zhì)，設(shè)計(jì)和制造能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能的 精密電極結(jié)構(gòu)，制造工藝復(fù)雜且制作成本高，其柔性很差。② 應(yīng)用介電泳技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)材料組裝過程中，普遍存在的難以實(shí)現(xiàn)高效靈活的單 個(gè)納米結(jié)構(gòu)的三維控制的問題。此問題進(jìn)而導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)單納米結(jié)構(gòu)高精確度的大規(guī)模并 行組裝。因此，在繼承介電泳技術(shù)在低維納米結(jié)構(gòu)材料組裝領(lǐng)域優(yōu)勢的同時(shí)，如何提高電極柔 性和可重構(gòu)性，降低電極結(jié)構(gòu)的制作成本，并實(shí)現(xiàn)對大規(guī)模納米結(jié)構(gòu)材料的精確、三維可 控性操縱，成為解決介電泳技術(shù)在納米結(jié)構(gòu)材料組裝應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問題。發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實(shí)用新型的目的是提供一種基于三維可控介電泳的低維納米結(jié)構(gòu)材料組 裝芯片，可以在三維空間操控單個(gè)低維納米材料并完成組裝，以解決目前用于納米材料組 裝的精密電極結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)對單個(gè)納米材料三維控制的不足，以及制造工藝復(fù)雜且制作成 本高、柔性很差的缺陷。技術(shù)方案本實(shí)用新型針對現(xiàn)有技術(shù)存在的第一個(gè)問題本實(shí)用新型提出應(yīng)用光誘導(dǎo) 介電泳力形成光控勢能形貌阱，通過光模式的實(shí)時(shí)變化，構(gòu)造具備不同操縱功能的勢能形 貌阱虛擬電極陣列，從而為設(shè)計(jì)高柔性、可實(shí)時(shí)重構(gòu)的低成本裝配芯片提供解決方案。針對第二個(gè)問題本實(shí)用新型提出在上述光模式虛擬電極陣列的基礎(chǔ)之上，通過構(gòu)造 電場邊界可控的實(shí)體薄膜電極陣列，產(chǎn)生介電泳力控制納米結(jié)構(gòu)材料在組裝過程中的定位 方向和組裝區(qū)域，并結(jié)合虛擬電極陣列的勢能形貌控制，實(shí)現(xiàn)單納米結(jié)構(gòu)的三維控制。綜合上述兩個(gè)問題的解決方案，本實(shí)用新型提出對基于三維可控介電泳的納米結(jié)構(gòu)材 料高柔性主動(dòng)式組裝芯片及方法。該組裝芯片是一種電場邊界可控的光誘導(dǎo)介電泳器件，此器件將其內(nèi)部腔底面的光誘導(dǎo)虛擬電極與腔頂面的實(shí)體微電極陣列結(jié)合起來，構(gòu)造出三維 可控電場，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維可控的納米材料組裝。本實(shí)用新型的基于三維可控介電泳的低維納米結(jié)構(gòu)材料組裝芯片主要包括上基板、下 基板以及位于上基板、下基板之間絕緣間隔層形成微流體腔；在上基板中，上部透明基底 的下表面外側(cè)設(shè)有引腳陣列，下表面內(nèi)側(cè)設(shè)有微電極陣列、引線；在下基板中，下部透明 基底上設(shè)有透明導(dǎo)電層，透明導(dǎo)電層上設(shè)有光電導(dǎo)層，光電導(dǎo)層上設(shè)有絕緣層。所述的微 電極陣列包含多組并行排列的微電極，并以螺旋展開的方式延伸至外圍與引腳陣列相連接。所述的低維納米結(jié)構(gòu)材料高柔性組裝芯片的應(yīng)用方法同時(shí)通過以下兩方面實(shí)現(xiàn)微流體 腔中的電場分布控制進(jìn)而構(gòu)造出用于實(shí)現(xiàn)組裝控制的微觀力 一方面，通過對引腳陣列中 的各引腳激勵(lì)信號(hào)的通斷控制，實(shí)現(xiàn)每次只有若干微電極陣列具有電位，進(jìn)而改變芯片頂 部電場的有效邊界區(qū)域的面積大??；另一方面，通過縮微光圖案生成器將虛擬電極光圖案 陣列投射于光電導(dǎo)層之上，進(jìn)而限定芯片中微流體腔底部的電場邊界。本實(shí)用新型提出利用基于三維可控介電泳的組裝控制芯片及方法實(shí)現(xiàn)低維納米結(jié)構(gòu)材 料的高柔性主動(dòng)式組裝。三維可控介電泳組裝控制芯片是一種在芯片的頂部和底部的電場 邊界均可控的光誘導(dǎo)介電泳器件,此器件將其內(nèi)部腔底面的光誘導(dǎo)虛擬電極與腔頂面的實(shí) 體微電極陣列結(jié)合起來，構(gòu)造出三維可控電場，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對微流體腔內(nèi)的納米結(jié)構(gòu)材料進(jìn) 行三維可控的批量組裝。本實(shí)用新型中的這種微組裝控制芯片是面積在十幾平方厘米，微流體腔厚度在幾十到 幾百微米之間的一種微器件，它用于構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)材料組裝的微環(huán)境，且其內(nèi)部的上下基 板分別集成了實(shí)體薄膜電極陣列和光模式虛擬電極陣列(即投射在光電導(dǎo)層上的縮微光圖 案)。虛擬電極陣列的引入實(shí)現(xiàn)了高柔性和實(shí)時(shí)重構(gòu)組裝狀態(tài)的目標(biāo)；實(shí)體電極陣列的引入 能夠改變上層區(qū)域電場邊界模式(比如邊界形狀大小和組裝區(qū)域劃分等)，進(jìn)而結(jié)合下基板 虛擬電極陣列形成三維電極陣列實(shí)現(xiàn)三維可控的納米材料組裝。虛擬電極和實(shí)體電極陣列 的同時(shí)存在使得高柔性的實(shí)時(shí)重構(gòu)與高效三維控制同時(shí)實(shí)現(xiàn)，大大提高了納米材料的組裝 的柔性和可控性。該芯片的透明基底采用玻璃或者透明的聚合物材料制作，其間隔層可以使用不透光的 絕緣材料制作，也可使用高透光性的絕緣材料制作以有利于側(cè)面的觀測。組裝控制芯片中 上基板底面的薄膜電極材料選擇透光性好的導(dǎo)電材料制作，薄膜電極陣列的眾多引線端(引 腳)通過多路引腳信號(hào)控制器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的選通和模式設(shè)定。有益效果本實(shí)用新型提供的在三維空間操控單個(gè)低維納米結(jié)構(gòu)材料并完成組裝的芯 片技術(shù)，能夠克服目前納米結(jié)構(gòu)材料組裝工具普遍存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造工藝復(fù)雜且成本 昂貴、柔性差、缺乏通用性、操縱自由度低、不適合并行操縱等缺陷。本發(fā)明利用光電導(dǎo) 材料的光電導(dǎo)效應(yīng)構(gòu)建空間非均勻電場，從而產(chǎn)生可以實(shí)時(shí)重構(gòu)的虛擬電極陣列，并結(jié)合 芯片上基板的實(shí)體電極陣列(該實(shí)體電極陣列可以通過對各個(gè)引腳信號(hào)的選通控制改變電 場邊界區(qū)域)，實(shí)現(xiàn)對單個(gè)低維納米結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行三維可控的組裝和并行操縱等功能。這種高效、靈活的組裝方法在很多應(yīng)用領(lǐng)域都有很可觀的前景，比如太陽能能量轉(zhuǎn)換器、熱電 冷卻、垂直場效應(yīng)管等應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例中的低維納米結(jié)構(gòu)材料組裝控制芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中組裝控制芯片上基板底面的透明薄膜電極陣列圖案示意圖。圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中納米結(jié)構(gòu)材料組裝控制芯片的外圍組件配置示意圖；以上 的圖中有上基板l、引腳陣列11、引線陣列12、微電極陣列13:間隔層2;下基板3、 絕緣層31、光電導(dǎo)層32、透明導(dǎo)電薄膜33、下部透明基底34;微流體腔4;縮微光圖案生 成器5、交流信號(hào)源6、多路引腳控制器7。 在引腳陣列11中有-第一組七個(gè)引腳(1101、1102、1103、1104、1105、1106、1107),第二組七個(gè)引腳(1111、1112、1113、1114、1115、1116、1117),第三組七個(gè)引腳(1121、1122、1123、1124、1125、1126、1127)，第四組七個(gè)引腳(1131、1132、1133、1134、1135、1136、1137)。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供的基于三維介電泳的低維納米材料的高柔性主動(dòng)式組裝芯片的實(shí)施例參見圖l、圖2和圖3。組裝芯片結(jié)構(gòu)、材料以及芯片外圍組件配置的方式并不局限于本實(shí) 施例。本實(shí)施例中，用于納米材料組裝的組裝控制芯片的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該組裝控制芯片 由上基板1、間隔層2、下基板3構(gòu)成.微電極陣列13、引線12和引腳11位于上基板1下 表面并位于上部透明基底15與微流體腔4之間。下基板由絕緣層31、光電導(dǎo)層32、銦錫 氧化物薄膜33以及下部透明基底34構(gòu)成。微電極陣列13以四組螺旋展開的方式延伸至外 圍于引腳ll相連接，如圖2所示。本實(shí)施例中，低維納米材料組裝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，其間隔層使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,俗稱有機(jī)玻璃)或者 聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)制作，可以提高透光性，有利于側(cè)面的觀 測。組裝控制芯片中上基板1底面的透明薄膜電極13的材料可以選擇IT0(Indi咖Tin Oxides)薄膜，薄膜電極陣列13的眾多引線端通過多路引腳信號(hào)控制器7實(shí)現(xiàn)信號(hào)的選通 和模式設(shè)定(參見圖3)。下基板3中的絕緣層31的材料可以選用氮化硅，光電導(dǎo)層32的 材料可以選擇氫化非晶硅或者摻雜的硫化鎘(CdS)或者參雜的硒化鎘(CdSe)或者是硫化鎘 和硒化鎘的組合等。納米結(jié)構(gòu)材料組裝控制平臺(tái)(如圖3)中的縮微光圖案生成器5、交流信號(hào)源6、多路引腳控制器7構(gòu)成了組裝過程控制系統(tǒng)。如圖2所示的芯片上基板底面的引線端子總共分 成上、下、左、右四組(這里只是舉例說明，實(shí)際上可以大于四組)，每一組有7個(gè)引線端 子。如果只有1101 1104， 1111 1114, 1121 1124, U31 1134這16個(gè)引腳接通信號(hào)， 則電場的有效邊界就只有圖2中的虛線框所圍成的區(qū)域那么大;如果所有引腳都接通信號(hào)， 則整個(gè)陣列區(qū)域都會(huì)具有電位，因此整個(gè)電極陣列區(qū)域都成為電場的有效邊界。依次類推， 通過開通不同數(shù)量的引腳信號(hào)，即可改變電場的有效邊界區(qū)域的面積大小，進(jìn)而控制低維 納米材料上端的所受的介電泳力。另一方面，當(dāng)縮微光圖案生成器5將光模式虛擬電極陣 列投射到芯片下基板之后，產(chǎn)生光誘導(dǎo)介電泳力，形成光控勢能阱陣列，進(jìn)而批量捕獲低 維納米結(jié)構(gòu)材料，且能夠控制單個(gè)納米材料下端的位置。綜上，這種帶有薄膜電極陣列的 組裝控制芯片能夠控制一維納米結(jié)構(gòu)材料的兩端(微電極陣列用于線型納米結(jié)構(gòu)材料上端 的控制，芯片底部的虛擬電極控制線型材料的下端)。本發(fā)明提出的這種組裝芯片可以較好 的控制一維納米結(jié)構(gòu)材料(比如納米線、納米管)的垂直程度，避免無薄膜電極陣列情況 下的一維納米材料的傾斜角度難以控制的問題。本實(shí)施例中，在納米材料的組裝過程中，可以通過有選擇的對圖2中的第一組引腳 (1101~1107)、第二組引腳(1111-1117)、第三組引腳(1121-1127)以及第四組引腳 (1131 1137)這四組引腳上的信號(hào)進(jìn)行選通，實(shí)現(xiàn)每次只有一組、兩組、或三組微電極同時(shí) 接通信號(hào)，而相應(yīng)的另外三組、兩組或一組微電極則無信號(hào)，再結(jié)合上述的調(diào)整有效電場 邊界區(qū)域大小的方法，則可以幾乎任意的改變有效電極陣列(即接通了信號(hào)的那部分電極) 的形狀和面積，于是可以任意的改變組裝控制芯片上基板的電場邊界區(qū)域，再結(jié)合組裝芯 片下基板的縮微光模式虛擬電極陣列的變化控制，由此即可影響和改變微流體腔4中電場 的分布(尤其是靠近上基板的區(qū)域所受影響更為明顯)，進(jìn)而影響納米材料所受介電泳組裝 力，可以在不同大小的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)規(guī)整的納米材料組裝，也可實(shí)現(xiàn)在彼此間隔的區(qū)域?qū)崿F(xiàn) 規(guī)整組裝以滿足形式多樣的復(fù)雜組裝要求。綜上，目標(biāo)納米材料(含線型和顆粒納米材料) 受三維柔性空間電極陣列(含芯片上基板的受選通控制的薄膜電極陣列和芯片下基板可變 的光虛擬電極陣列)的驅(qū)動(dòng)和控制，能夠?qū)崿F(xiàn)三維可控的納米結(jié)構(gòu)材料的靈活組裝和操控。
權(quán)利要求1.一種基于三維可控介電泳的低維納米結(jié)構(gòu)材料組裝芯片，其特征在于，該組裝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)之間絕緣間隔層(2)形成微流體腔(4)；在上基板(1)中，上部透明基底(15)的下表面外側(cè)設(shè)有引腳陣列(11)，下表面內(nèi)側(cè)設(shè)有微電極陣列(13)、引線(12)；在下基板(3)中，下部透明基底(34)上設(shè)有透明導(dǎo)電層(33)，透明導(dǎo)電層(33)上設(shè)有光電導(dǎo)層(32)，光電導(dǎo)層(32)上設(shè)有絕緣層(31)。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于三維可控介電泳的低維納米結(jié)構(gòu)材料組裝芯片,其特征在于, 所述的微電極陣列(13)包含多組并行排列的微電極，并以螺旋展開的方式延伸至外圍與引 腳陣列(11)相連接。
專利摘要基于三維可控介電泳的低維納米結(jié)構(gòu)材料組裝芯片，其上下基板分別具有微電極陣列層(13)和光電導(dǎo)層(32)。光電導(dǎo)層(32)被縮微光圖案照射后產(chǎn)生的光電導(dǎo)效應(yīng)能夠產(chǎn)生實(shí)時(shí)重構(gòu)的虛擬電極陣列；芯片上基板的微電極陣列(13)包含多組并行排列的微電極，并以螺旋展開的方式延伸至外圍于引腳(11)相連接。通過對光圖案陣列的形狀控制和對每根微電極的信號(hào)通斷控制進(jìn)而構(gòu)建出所需要的空間非均勻電場，實(shí)現(xiàn)對單個(gè)低維納米結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行三維可控的組裝和并行操縱等功能。這種低維納米材料組裝方法在太陽能能量轉(zhuǎn)換器、熱電冷卻、垂直場效應(yīng)管等應(yīng)用領(lǐng)域都有可觀的前景。
文檔編號(hào)B82B3/00GK201386022SQ20092004059
公開日2010年1月20日 申請日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者倪中華, 紅 易, 朱曉璐 申請人:東南大學(xué)