一種驅(qū)使碳納米管成鏈的新型平行電場式光電芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種結(jié)構(gòu)新穎的平行電場式光電芯片，依托光誘導(dǎo)介電泳力驅(qū)使碳納米管成鏈，屬于微電子、微納米控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]當今，微/納米技術(shù)蓬勃發(fā)展促使前沿科學(xué)探索不斷取得新突破。碳納米管具有很高的機械強度、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率被用于電子、化學(xué)傳感器和生物醫(yī)療器具。定向簇狀的碳納米管鏈條可制作高分子薄膜和復(fù)合材料。在微電子器件制作領(lǐng)域，碳納米管引領(lǐng)的新型微電子材料的加工設(shè)計也需要微作用力輔助控制它們的移動與銜接。因此人工控制微觀粒子的實驗都離不開微作用力的探索。然而，微尺度下的多種微作用力已被大量文獻提出和實驗使用，行之有效且被大量實驗證實的微作用力當屬介電泳力(Monti, M., Natali, Μ.,Torre, L., and Kenny, J.M.:1The alignment of single walled carbon nanotubesin an epoxy resin by applying a DC electric field’ , Carbon, 2012, 50, pp.2453-2464)。
[0003]早期，介電泳力的產(chǎn)生主要依托金屬電極。伴隨光伏太陽能電池和光敏材料的發(fā)展又為微/納芯片注入新的活力。在此基礎(chǔ)上人們又提出了光電芯片(Ch1u，P.Y.,Ohta, A.T., and Wu, Μ.C.: ‘Massively parallel manipulat1n of single cellsand microparticles using optical images’ , Nature, 2005, 436, pp.370-372)。光電芯片利用光敏薄膜，在空間光照射下，會在光電薄膜表面形成虛擬電極。虛擬電極與傳統(tǒng)金屬電極一樣可以產(chǎn)生介電泳力滿足微粒的收集、輸運和分離。光電芯片的結(jié)構(gòu)從制作工藝和造價成本上都比金屬電極簡便和低廉。因此，本發(fā)明在傳統(tǒng)光電芯片的基礎(chǔ)上又創(chuàng)新性的提出一種平行電場式光電芯片。平行電場式光電芯片與Ohta, A.T.(Ohta,A.T., Ch1u, P.-Y., Phan, H.L., Sherwood, S.ff., Yang, J.Μ., Lau, Α.N.K., Hsu,
H.-Y., Jamshidi, A., and Wu, Μ.C.: ^Optically controlled cell discriminat1nand trapping using optoelectronic tweezers’ , IEEE Journal of Selected Topicsin Quantum Electronics, 2007, 13, pp.235-243)所提出的單底式光電芯片的激勵電場方向類似，但本發(fā)明依據(jù)碳納米管成鏈的目的和手段都與其不同，制作方法和使用原理上也有較大區(qū)別。借助平行電場式光電芯片結(jié)合形態(tài)多異的可編程光斑能使碳納米管成鏈，由此可滿足基于碳納米管傳感器和調(diào)諧激光器的制作需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一)要解決的技術(shù)問題
為了實現(xiàn)碳納米管成鏈，需要解決平行電場式光電芯片的制造。平行電場式光電芯片的制作與普通光電芯片的制作方法有所差別。普通光電芯片主要結(jié)構(gòu)為三明治結(jié)構(gòu)，頂層氧化銦錫玻璃和襯底氧化銦錫玻璃共同連接偏置電壓。當誘導(dǎo)光斑照射到下表面有氫化非晶硅薄膜的氧化銦錫玻璃鍍后，光生載流子會使得氫化非晶硅電導(dǎo)率急劇增大，進而使光電芯片中具有足夠強大的電場。但對于平行電場式光電芯片，其激勵電壓的施加完全依托襯底氧化銦錫玻璃。通過誘導(dǎo)光斑使具有一定距離的兩塊平行氫化非晶硅薄膜電導(dǎo)通，以此形成非均勻平行電場。通過調(diào)節(jié)外置電壓和頻率，以及光斑尺寸、形狀、位置來實現(xiàn)碳納米管的成鏈。
[0005](二)技術(shù)方案
本發(fā)明是一種驅(qū)使碳納米管成鏈的新型平行電場式光電芯片。光電芯片的襯底基片選擇氧化銦錫玻璃，芯片內(nèi)部可以裝載一定濃度的碳納米管。通過施加激勵電壓和光斑產(chǎn)生的光誘導(dǎo)介電泳力實現(xiàn)碳納米管成鏈。
[0006]上述方案中，所述的襯底基片采用氧化銦錫玻璃，其長寬為5 cmX2.5 cm，氧化銦錫玻璃具有良好的透光和導(dǎo)電特性被大量光電池中使用。在氧化銦錫玻璃表面采用等離子體增強化學(xué)氣相沉淀法鍍上氫化非晶硅材料，其厚度大約在I μ m左右，使襯底氧化銦錫玻璃具備光敏特性。
[0007]上述方案中，在鍍有氫化非晶硅的氧化銦錫玻璃表面涂覆光刻膠。投影式曝光7μ m為微槽寬度，該微槽主要用于裝載碳納米管顆粒，顯影去除曝光處的光刻膠。
[0008]上述方案中，使用反應(yīng)離子刻蝕方法去除失去光刻膠保護的氫化非晶硅層，由此使平面氫化非晶硅層分離，且間距為7 y m的兩塊氫化非晶硅子薄膜。對于平行電場式光電芯片的核心部分，分離的兩塊氫化非晶硅作為光誘導(dǎo)介電泳力中虛擬電極的基底平面。
[0009]上述方案中，采用化學(xué)濕法在原有7 ym寬微槽上繼續(xù)腐刻6 ym深的微槽。腐蝕采用堿性溶液，因為堿性溶液對于硅質(zhì)地玻璃具有很好的各向異性。旋轉(zhuǎn)涂覆的氧化銦錫僅僅為100 nm厚，因此能很輕易去除。
[0010]上述方案中，所述的平行電場式光電芯片在分離的左、右表面再次采用光學(xué)曝光和反應(yīng)離子刻蝕腐蝕一定面積的氫化非晶硅，用以連接電極為芯片提供偏置電壓。與普通光電芯片相比，雖然激勵電壓的鏈接方式無需頂面玻璃，但為了防止微液體蒸發(fā)，以及碳納米管不受微塵污染，進而還需繼續(xù)引入頂面玻璃。只需在襯底玻璃涂覆玻璃膠，或者非導(dǎo)電的雙面膠作為支架，即可封裝頂面玻璃。
[0011]上述方案中，光源采用商用投影器件，將其發(fā)出光斑經(jīng)過光學(xué)聚焦透鏡照射在光電芯片左、右的氫化非晶硅光敏面。期間光電芯片放置于顯微鏡上，觀察和調(diào)節(jié)誘導(dǎo)光斑的大小和形狀，以產(chǎn)生一定大小的空間電場。平行電場式光電芯片中的電場產(chǎn)生光誘導(dǎo)介電泳力驅(qū)使碳納米管相互吸引成鏈。
[0012](三)有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
I)本發(fā)明設(shè)計的一種平行電場式光電芯片，通過空間光斑照射到左、右兩塊具有一定間距的氫化非晶硅表面后，使光電芯片內(nèi)電場導(dǎo)通。導(dǎo)通的電場提供的光誘導(dǎo)介電泳力能夠迫使碳納米管形成規(guī)則長鏈。
[0013]2)碳納米管的鏈型控制，還能通過調(diào)節(jié)兩邊的光斑形狀。相比傳統(tǒng)金屬電極，光斑的形狀具有靈活性，其面狀，梳狀，三角狀的虛擬電極可用在碳納米管傳感器制作中。
【附圖說明】
[0014]以下各圖為平行電場式光電芯片的結(jié)構(gòu)圖與【具體實施方式】過程相同。
[0015]圖1為平行電場式光電芯片的結(jié)構(gòu)和使用說明示意圖，其中(a)為平行電場式光電芯片對碳納米管成鏈的三維示意圖，(b)為平行電場式光電芯片的截面示意圖。
[0016]圖2為基于蒙特卡洛方法模擬碳納米管在光誘導(dǎo)介電泳力作用下的分布示圖，其中(a)為碳納米管的初始隨機分布，(b)為矩形光斑陣列形成的碳納米管成鏈分布，(C)為三角形光斑陣列形成的碳納米管成鏈分布。
[0017]圖1中:1、氧化銦錫玻璃基片，2、氫化非晶硅，3、雙面膠，4、信號發(fā)生器，5、光源，6、數(shù)字微全鏡，7、碳納米管。
【具體實施方式】
[0018]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)作進一步的詳細說明。
[0019]一、平行電場式光電芯片的襯底選用氧化銦錫玻璃，氧化銦錫玻璃具有良好的透光性和導(dǎo)電性，其長寬大致為5 cmX 2.5 cm，如圖1中I所示。
[0020]二、在襯底氧化銦錫玻璃上，采用等離子體增強化學(xué)氣相沉淀法鍍上氫化非晶硅薄膜，薄膜厚度約為I ym左右，由此使氧化銦錫玻璃具備光敏特征。
[0021]三、氫化非晶硅薄膜的氧化銦錫玻璃上旋轉(zhuǎn)涂覆光刻膠。進而可采用光學(xué)曝光、顯影和反應(yīng)離子刻蝕中間襯底玻璃，將平整的氫化非晶硅進行均分。左、右兩塊分離的氫化非晶硅薄膜之間保持7 ym寬。然后，在7 ym微槽表面采用化學(xué)濕法繼續(xù)刻蝕5 ym微槽，保證微槽總深度為6 μm用于裝載碳納米管粒子
四、為了在左、右鍍有氫化非晶硅的氧化銦錫玻璃表面加載電信號，同時也避免光電芯片溶液揮發(fā)與污染。在此基礎(chǔ)上，又對襯底氧化銦錫玻璃的邊緣處進行反應(yīng)離子刻蝕以連接銅線，使之能夠接入電信號發(fā)生裝置。表面可添加100 ^!11厚度，0.5 _寬的雙面膠作為頂層玻璃的支撐物。封蓋完頂層玻璃，至此完成平行電場式光電芯片的制作。圖1(b)完整展示了平行電場式光電芯片的截面示圖。
[0022]五、對于平行電場式光電芯片的使用方法現(xiàn)在做出詳細敘述。首先，將信號發(fā)生器的輸入、輸出電極分別接于平行電場式光電芯片的左、右位置，如圖1(b)所示。然后，采用光學(xué)投影機作為光源5輸出設(shè)備。產(chǎn)生肉眼可視光斑經(jīng)過數(shù)字微全鏡6縮至10 ~ 100 μπι微米尺度，該光斑自頂向下垂直照射到沉淀的左、右氧化銦錫玻璃表面，與氫化非晶硅微槽邊界相切。依靠光斑照射到的氫化非晶硅位置發(fā)生光生載流子，迫使該區(qū)域氫化非晶硅電導(dǎo)率急劇增大，以至于該位置處電場導(dǎo)通。在光電芯片內(nèi)的電場會產(chǎn)生光誘導(dǎo)介電泳力，最終實現(xiàn)碳納米管的排布成鏈。
【主權(quán)項】
1.一種驅(qū)使碳納米管成鏈的新型平行電場式光電芯片，由氧化銦錫玻璃襯底、氫化非晶硅薄膜、微槽及一對電極組成，其特征在于:氫化非晶硅薄膜鍍在襯底上方；在氫化非晶硅的襯底中間位置制作微槽；在氫化非晶硅的左右兩端各引出一個電極。2.如權(quán)利要求1所述的一種驅(qū)使碳納米管成鏈的新型平行電場式光電芯片，其特征在于:氫化非晶硅薄膜是采用等離子增強化學(xué)氣相沉淀法鍍在氧化銦錫玻璃襯底表面上的，其厚度為I ym。3.如權(quán)利要求1所述的一種驅(qū)使碳納米管成鏈的新型平行電場式光電芯片，其特征在于:在氫化非晶硅薄膜中間采用反應(yīng)離子刻蝕方法制作出7 ym寬的微槽，露出氧化銦錫玻璃表面；在7 μ m寬的微槽表面進一步采用化學(xué)濕法刻蝕，使得微槽總深度達到6 μ mo
【專利摘要】本發(fā)明提出一種驅(qū)使碳納米管成鏈的新型平行電場式光電芯片。平行電場式光電芯片產(chǎn)生的電場方向與襯底表面平行，該襯底表面的光敏薄膜為氫化非晶硅材質(zhì)。當可編程光斑垂直照射到下方兩塊空間分離的光電薄膜后，形成虛擬電極產(chǎn)生局部非均勻電場。懸浮于芯片微槽中的碳納米管受光誘導(dǎo)介電泳力運動。人工調(diào)節(jié)光斑大小、形狀和位置，可實現(xiàn)碳納米管受光誘導(dǎo)介電泳力作用而相互吸引成鏈。平行電場式光電芯片控制碳納米管成鏈對微型傳感器制作和電子器件微加工都具有潛在的實用價值和意義。
【IPC分類】B81B7/02
【公開號】CN104891424
【申請?zhí)枴緾N201510280836
【發(fā)明人】趙勇, 胡晟
【申請人】東北大學(xué)
【公開日】2015年9月9日
【申請日】2015年5月28日