基於三維可控介電泳的低維納米結構材料組裝晶片的製作方法

2023-11-05 13:07:17 3

專利名稱：基於三維可控介電泳的低維納米結構材料組裝晶片的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種三維可控的低維納米材料的高柔性組裝晶片技術，涉及微流控領域 以及納米結構材料組裝領域，特別是低維納米材料的主動式組裝領域。
背景技術：
近年來，隨著納米材料合成技術的發展，金屬材料、絕緣材料和半導體材料可以通過 組裝形成新的納米結構材料，應用於MEMS器件以及生物醫學器件中。由於各種納米結構材 料在化學穩定性和熱穩定性上存在差異性，要實現高水平的非均質納米結構材料的組裝， 則存在著巨大的挑戰。目前採用的組裝方法由兩個步驟組成首先分別合成各種納米結構 材料；然後應用某種微操縱方法進行組裝，從而完成整個微納米器件製造。鑑於近年來材 料學和化學領域研究的不斷發展，各種材料在各自的處理條件下單獨合成較易實現，而將 這些不同材料組裝併集成於納米結構系統中則缺乏有效的方法，已成為制約微納米器件制 造發展的瓶頸問題。因此研究發明一種準確、簡單和高效地納米結構材料組裝工具，成為 納米製造研究領域中極為關鍵且重要的基礎研究課題。該課題的研究是近幾年來各國學者研究的熱點，包括應用微流體技術將一維納米結 構排列成功能網絡或在軌道式微流道中組裝成納米器件；應用微接觸印刷技術實現無機納 米線或碳納米管大面積噴塗；應用Langmuir-Blodgett排列技術可以排列納米棒或流體中 大量分散的納米線。應用生物樣板組裝技術可實現生物材料自發組裝，但其組裝過程機理 複雜，難以精確控制。上述組裝技術都是針對納米結構材料(包含類球粒子、納米線、納米管)群體的非精 確操控，而目前微納米器件製造過程中更需要針對單一納米結構材料個體的精確操縱。近 年來已有研究者使用三軸納米機械手或光鑷陷阱實現單個納米結構的精確操縱。納米機械 手主要有兩種 一種是通過原子力顯微鏡系統中壓電執行器控制樣品平面運動和豎直方向 探針與樣品之間距離來實現的；另一種是通過皮米級電機和壓電致動器控制安裝於掃描電子顯微鏡內部的兩個探針運動實現的。此類微納米機械手缺點 一方面，操縱過程依賴於 精密微電機和壓電致動器，靈活性差、耗時長且價格昂貴；另一方面，此類操縱不能實現 單個納米結構的大規模並行操控。光鑷陷阱操縱技術， 一種是貝爾實驗室Ashkin發明光鑷技術，用於對直徑在幾十納米 到幾十微米的微粒個體進行高精度操縱，另一種是Mogensen和Gluckstad研究出的動態全 息光鑷，利用相差方法產生任意形狀的雷射光束陣列，用於對多個生物樣品微粒進行並行 操縱。但光鑷、動態全息光鑷捕捉範圍小(〈l微米)，這就限制了光鑷在大規模並行操縱中綜上所述，運用微流體技術、微接觸印刷技術、Langmuir-Blodgett排列技術和生物樣 板組裝技術只能實現將大量納米結構材料作為一個整體進行組裝和集成，而對單一納米結 構個體的單獨操控和並行組裝則無能為力。應用微納米機械手和光鑷技術雖然能夠實現對單個納米結構的控制，但仍不能同時達到高精度、高通量、低成本和多維操縱的要求。介電泳(Dielectrophoresis，簡稱DEP)技術作為一種重要的微納米結構個體操作工 具，與上述納米結構材料組裝技術相比，由於沒有移動部件、不需要昂貴的設備、屬於非 接觸非入侵式操控，且實施簡單、滿足大量並行的主動式(即納米材料主動運動，而微器 件內的所有部件靜止)操作需求，成為目前納米結構材料組裝技術中一項重要的使能技術。 目前，基於介電泳力的納米結構材料組裝和運動控制的研究已逐漸成為各國科研熱點，雖 然該領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 在納米製造領域推廣應用的兩個主要問題表現為① 為了實現對納米結構材料的組裝，需要根據具體裝配關係(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和性質，設計和製造能夠實現相應功能的 精密電極結構，製造工藝複雜且製作成本高，其柔性很差。② 應用介電泳技術實現納米結構材料組裝過程中，普遍存在的難以實現高效靈活的單 個納米結構的三維控制的問題。此問題進而導致不能實現單納米結構高精確度的大規模並 行組裝。因此，在繼承介電泳技術在低維納米結構材料組裝領域優勢的同時，如何提高電極柔 性和可重構性，降低電極結構的製作成本，並實現對大規模納米結構材料的精確、三維可 控性操縱，成為解決介電泳技術在納米結構材料組裝應用中的關鍵技術問題。發明內容技術問題本實用新型的目的是提供一種基於三維可控介電泳的低維納米結構材料組 裝晶片，可以在三維空間操控單個低維納米材料並完成組裝，以解決目前用於納米材料組 裝的精密電極結構難以實現對單個納米材料三維控制的不足，以及製造工藝複雜且製作成 本高、柔性很差的缺陷。技術方案本實用新型針對現有技術存在的第一個問題本實用新型提出應用光誘導 介電泳力形成光控勢能形貌阱，通過光模式的實時變化，構造具備不同操縱功能的勢能形 貌阱虛擬電極陣列，從而為設計高柔性、可實時重構的低成本裝配晶片提供解決方案。針對第二個問題本實用新型提出在上述光模式虛擬電極陣列的基礎之上，通過構造 電場邊界可控的實體薄膜電極陣列，產生介電泳力控制納米結構材料在組裝過程中的定位 方向和組裝區域，並結合虛擬電極陣列的勢能形貌控制，實現單納米結構的三維控制。綜合上述兩個問題的解決方案，本實用新型提出對基於三維可控介電泳的納米結構材 料高柔性主動式組裝晶片及方法。該組裝晶片是一種電場邊界可控的光誘導介電泳器件，此器件將其內部腔底面的光誘導虛擬電極與腔頂面的實體微電極陣列結合起來，構造出三維 可控電場，進而實現三維可控的納米材料組裝。本實用新型的基於三維可控介電泳的低維納米結構材料組裝晶片主要包括上基板、下 基板以及位於上基板、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 的下表面外側設有引腳陣列，下表面內側設有微電極陣列、引線；在下基板中，下部透明 基底上設有透明導電層，透明導電層上設有光電導層，光電導層上設有絕緣層。所述的微 電極陣列包含多組並行排列的微電極，並以螺旋展開的方式延伸至外圍與引腳陣列相連接。所述的低維納米結構材料高柔性組裝晶片的應用方法同時通過以下兩方面實現微流體 腔中的電場分布控制進而構造出用於實現組裝控制的微觀力 一方面，通過對引腳陣列中 的各引腳激勵信號的通斷控制，實現每次只有若干微電極陣列具有電位，進而改變晶片頂 部電場的有效邊界區域的面積大小；另一方面，通過縮微光圖案生成器將虛擬電極光圖案 陣列投射於光電導層之上，進而限定晶片中微流體腔底部的電場邊界。本實用新型提出利用基於三維可控介電泳的組裝控制晶片及方法實現低維納米結構材 料的高柔性主動式組裝。三維可控介電泳組裝控制晶片是一種在晶片的頂部和底部的電場 邊界均可控的光誘導介電泳器件,此器件將其內部腔底面的光誘導虛擬電極與腔頂面的實 體微電極陣列結合起來，構造出三維可控電場，進而實現對微流體腔內的納米結構材料進 行三維可控的批量組裝。本實用新型中的這種微組裝控制晶片是面積在十幾平方釐米，微流體腔厚度在幾十到 幾百微米之間的一種微器件，它用於構建納米結構材料組裝的微環境，且其內部的上下基 板分別集成了實體薄膜電極陣列和光模式虛擬電極陣列(即投射在光電導層上的縮微光圖 案)。虛擬電極陣列的引入實現了高柔性和實時重構組裝狀態的目標；實體電極陣列的引入 能夠改變上層區域電場邊界模式(比如邊界形狀大小和組裝區域劃分等)，進而結合下基板 虛擬電極陣列形成三維電極陣列實現三維可控的納米材料組裝。虛擬電極和實體電極陣列 的同時存在使得高柔性的實時重構與高效三維控制同時實現，大大提高了納米材料的組裝 的柔性和可控性。該晶片的透明基底採用玻璃或者透明的聚合物材料製作，其間隔層可以使用不透光的 絕緣材料製作，也可使用高透光性的絕緣材料製作以有利於側面的觀測。組裝控制晶片中 上基板底面的薄膜電極材料選擇透光性好的導電材料製作，薄膜電極陣列的眾多引線端(引 腳)通過多路引腳信號控制器實現信號的選通和模式設定。有益效果本實用新型提供的在三維空間操控單個低維納米結構材料並完成組裝的芯 片技術，能夠克服目前納米結構材料組裝工具普遍存在的結構複雜、製造工藝複雜且成本 昂貴、柔性差、缺乏通用性、操縱自由度低、不適合併行操縱等缺陷。本發明利用光電導 材料的光電導效應構建空間非均勻電場，從而產生可以實時重構的虛擬電極陣列，並結合 晶片上基板的實體電極陣列(該實體電極陣列可以通過對各個引腳信號的選通控制改變電 場邊界區域)，實現對單個低維納米結構材料進行三維可控的組裝和並行操縱等功能。這種高效、靈活的組裝方法在很多應用領域都有很可觀的前景，比如太陽能能量轉換器、熱電 冷卻、垂直場效應管等應用領域。


圖1為本實用新型實施例中的低維納米結構材料組裝控制晶片的結構示意圖；圖2為本實用新型實施例中組裝控制晶片上基板底面的透明薄膜電極陣列圖案示意圖。圖3為本實用新型實施例中納米結構材料組裝控制晶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、光電導層32、透明導電薄膜33、下部透明基底34;微流體腔4;縮微光圖案生 成器5、交流信號源6、多路引腳控制器7。 在引腳陣列11中有-第一組七個引腳(1101、1102、1103、1104、1105、1106、1107),第二組七個引腳(1111、1112、1113、1114、1115、1116、1117),第三組七個引腳(1121、1122、1123、1124、1125、1126、1127)，第四組七個引腳(1131、1132、1133、1134、1135、1136、1137)。
具體實施方式
本實用新型提供的基於三維介電泳的低維納米材料的高柔性主動式組裝晶片的實施例參見圖l、圖2和圖3。組裝晶片結構、材料以及晶片外圍組件配置的方式並不局限於本實 施例。本實施例中，用於納米材料組裝的組裝控制晶片的結構如圖1所示。該組裝控制晶片 由上基板1、間隔層2、下基板3構成.微電極陣列13、引線12和引腳11位於上基板1下 表面並位於上部透明基底15與微流體腔4之間。下基板由絕緣層31、光電導層32、銦錫 氧化物薄膜33以及下部透明基底34構成。微電極陣列13以四組螺旋展開的方式延伸至外 圍於引腳ll相連接，如圖2所示。本實施例中，低維納米材料組裝晶片的上部透明基底15和下部透明基底34採用玻璃 或者透明的聚合物材料製作，其間隔層使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,俗稱有機玻璃)或者 聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)製作，可以提高透光性，有利於側面的觀 測。組裝控制晶片中上基板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控制器7實現信號的選通 和模式設定(參見圖3)。下基板3中的絕緣層31的材料可以選用氮化矽，光電導層32的 材料可以選擇氫化非晶矽或者摻雜的硫化鎘(CdS)或者參雜的硒化鎘(CdSe)或者是硫化鎘 和硒化鎘的組合等。納米結構材料組裝控制平臺(如圖3)中的縮微光圖案生成器5、交流信號源6、多路引腳控制器7構成了組裝過程控制系統。如圖2所示的晶片上基板底面的引線端子總共分 成上、下、左、右四組(這裡只是舉例說明，實際上可以大於四組)，每一組有7個引線端 子。如果只有1101 1104， 1111 1114, 1121 1124, U31 1134這16個引腳接通信號， 則電場的有效邊界就只有圖2中的虛線框所圍成的區域那麼大;如果所有引腳都接通信號， 則整個陣列區域都會具有電位，因此整個電極陣列區域都成為電場的有效邊界。依次類推， 通過開通不同數量的引腳信號，即可改變電場的有效邊界區域的面積大小，進而控制低維 納米材料上端的所受的介電泳力。另一方面，當縮微光圖案生成器5將光模式虛擬電極陣 列投射到晶片下基板之後，產生光誘導介電泳力，形成光控勢能阱陣列，進而批量捕獲低 維納米結構材料，且能夠控制單個納米材料下端的位置。綜上，這種帶有薄膜電極陣列的 組裝控制晶片能夠控制一維納米結構材料的兩端(微電極陣列用於線型納米結構材料上端 的控制，晶片底部的虛擬電極控制線型材料的下端)。本發明提出的這種組裝晶片可以較好 的控制一維納米結構材料(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進行選通，實現每次只有一組、兩組、或三組微電極同時 接通信號，而相應的另外三組、兩組或一組微電極則無信號，再結合上述的調整有效電場 邊界區域大小的方法，則可以幾乎任意的改變有效電極陣列(即接通了信號的那部分電極) 的形狀和面積，於是可以任意的改變組裝控制晶片上基板的電場邊界區域，再結合組裝芯 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域所受影響更為明顯)，進而影響納米材料所受介電泳組裝 力，可以在不同大小的區域內實現規整的納米材料組裝，也可實現在彼此間隔的區域實現 規整組裝以滿足形式多樣的複雜組裝要求。綜上，目標納米材料(含線型和顆粒納米材料) 受三維柔性空間電極陣列(含晶片上基板的受選通控制的薄膜電極陣列和晶片下基板可變 的光虛擬電極陣列)的驅動和控制，能夠實現三維可控的納米結構材料的靈活組裝和操控。
權利要求1.一種基於三維可控介電泳的低維納米結構材料組裝晶片，其特徵在於，該組裝晶片主要包括上基板(1)、下基板(3)以及位於上基板(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)的下表面外側設有引腳陣列(11)，下表面內側設有微電極陣列(13)、引線(12)；在下基板(3)中，下部透明基底(34)上設有透明導電層(33)，透明導電層(33)上設有光電導層(32)，光電導層(32)上設有絕緣層(31)。
2. 如權利要求1所述的基於三維可控介電泳的低維納米結構材料組裝晶片,其特徵在於, 所述的微電極陣列(13)包含多組並行排列的微電極，並以螺旋展開的方式延伸至外圍與引 腳陣列(11)相連接。
專利摘要基於三維可控介電泳的低維納米結構材料組裝晶片，其上下基板分別具有微電極陣列層(13)和光電導層(32)。光電導層(32)被縮微光圖案照射後產生的光電導效應能夠產生實時重構的虛擬電極陣列；晶片上基板的微電極陣列(13)包含多組並行排列的微電極，並以螺旋展開的方式延伸至外圍於引腳(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通斷控制進而構建出所需要的空間非均勻電場，實現對單個低維納米結構材料進行三維可控的組裝和並行操縱等功能。這種低維納米材料組裝方法在太陽能能量轉換器、熱電冷卻、垂直場效應管等應用領域都有可觀的前景。
文檔編號B82B3/00GK201386022SQ20092004059
公開日2010年1月20日 申請日期2009年5月8日 優先權日2009年5月8日
發明者倪中華, 紅 易, 朱曉璐 申請人:東南大學