CN104891424B - 一种驱使碳纳米管成链的新型平行电场式光电芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种驱使碳纳米管成链的新型平行电场式光电芯片。平行电场式光电芯片产生的电场方向与衬底表面平行，该衬底表面的光敏薄膜为氢化非晶硅材质。当可编程光斑垂直照射到下方两块空间分离的光电薄膜后，形成虚拟电极产生局部非均匀电场。悬浮于芯片微槽中的碳纳米管受光诱导介电泳力运动。人工调节光斑大小、形状和位置，可实现碳纳米管受光诱导介电泳力作用而相互吸引成链。平行电场式光电芯片控制碳纳米管成链对微型传感器制作和电子器件微加工都具有潜在的实用价值和意义。

Description

一种驱使碳纳米管成链的新型平行电场式光电芯片

技术领域

本发明是一种结构新颖的平行电场式光电芯片，依托光诱导介电泳力驱使碳纳米管成链，属于微电子、微纳米控制领域。

背景技术

当今，微/纳米技术蓬勃发展促使前沿科学探索不断取得新突破。碳纳米管具有很高的机械强度、电导率和热导率被用于电子、化学传感器和生物医疗器具。定向簇状的碳纳米管链条可制作高分子薄膜和复合材料。在微电子器件制作领域，碳纳米管引领的新型微电子材料的加工设计也需要微作用力辅助控制它们的移动与衔接。因此人工控制微观粒子的实验都离不开微作用力的探索。然而，微尺度下的多种微作用力已被大量文献提出和实验使用，行之有效且被大量实验证实的微作用力当属介电泳力（Monti, M., Natali, M.,Torre, L., and Kenny, J.M.: ‘The alignment of single walled carbon nanotubesin an epoxy resin by applying a DC electric field’, Carbon, 2012, 50, pp.2453-2464）。

早期，介电泳力的产生主要依托金属电极。伴随光伏太阳能电池和光敏材料的发展又为微/纳芯片注入新的活力。在此基础上人们又提出了光电芯片（Chiou, P.Y., Ohta,A.T., and Wu, M.C.: ‘Massively parallel manipulation of single cells andmicroparticles using optical images’, Nature, 2005, 436, pp. 370-372）。光电芯片利用光敏薄膜，在空间光照射下，会在光电薄膜表面形成虚拟电极。虚拟电极与传统金属电极一样可以产生介电泳力满足微粒的收集、输运和分离。光电芯片的结构从制作工艺和造价成本上都比金属电极简便和低廉。因此，本发明在传统光电芯片的基础上又创新性的提出一种平行电场式光电芯片。平行电场式光电芯片与Ohta, A.T. （Ohta, A.T., Chiou,P.-Y., Phan, H.L., Sherwood, S.W., Yang, J.M., Lau, A.N.K., Hsu, H.-Y.,Jamshidi, A., and Wu, M.C.: ‘Optically controlled cell discrimination andtrapping using optoelectronic tweezers’, IEEE Journal of Selected Topics inQuantum Electronics, 2007, 13, pp. 235-243）所提出的单底式光电芯片的激励电场方向类似，但本发明依据碳纳米管成链的目的和手段都与其不同，制作方法和使用原理上也有较大区别。借助平行电场式光电芯片结合形态多异的可编程光斑能使碳纳米管成链，由此可满足基于碳纳米管传感器和调谐激光器的制作需求。

发明内容

（一）要解决的技术问题

为了实现碳纳米管成链，需要解决平行电场式光电芯片的制造。平行电场式光电芯片的制作与普通光电芯片的制作方法有所差别。普通光电芯片主要结构为三明治结构，顶层氧化铟锡玻璃和衬底氧化铟锡玻璃共同连接偏置电压。当诱导光斑照射到下表面有氢化非晶硅薄膜的氧化铟锡玻璃镀后，光生载流子会使得氢化非晶硅电导率急剧增大，进而使光电芯片中具有足够强大的电场。但对于平行电场式光电芯片，其激励电压的施加完全依托衬底氧化铟锡玻璃。通过诱导光斑使具有一定距离的两块平行氢化非晶硅薄膜电导通，以此形成非均匀平行电场。通过调节外置电压和频率，以及光斑尺寸、形状、位置来实现碳纳米管的成链。

（二）技术方案

本发明是一种驱使碳纳米管成链的新型平行电场式光电芯片。光电芯片的衬底基片选择氧化铟锡玻璃，芯片内部可以装载一定浓度的碳纳米管。通过施加激励电压和光斑产生的光诱导介电泳力实现碳纳米管成链。

上述方案中，所述的衬底基片采用氧化铟锡玻璃，其长宽为5 cm×2.5 cm，氧化铟锡玻璃具有良好的透光和导电特性被大量光电池中使用。在氧化铟锡玻璃表面采用等离子体增强化学气相沉淀法镀上氢化非晶硅材料，其厚度大约在1 μm左右，使衬底氧化铟锡玻璃具备光敏特性。

上述方案中，在镀有氢化非晶硅的氧化铟锡玻璃表面涂覆光刻胶。投影式曝光7 μm为微槽宽度，该微槽主要用于装载碳纳米管颗粒，显影去除曝光处的光刻胶。

上述方案中，使用反应离子刻蚀方法去除失去光刻胶保护的氢化非晶硅层，由此使平面氢化非晶硅层分离，且间距为7 μm的两块氢化非晶硅子薄膜。对于平行电场式光电芯片的核心部分，分离的两块氢化非晶硅作为光诱导介电泳力中虚拟电极的基底平面。

上述方案中，采用化学湿法在原有7 μm宽微槽上继续腐刻6 μm深的微槽。腐蚀采用碱性溶液，因为碱性溶液对于硅质地玻璃具有很好的各向异性。旋转涂覆的氧化铟锡仅仅为100 nm厚，因此能很轻易去除。

上述方案中，所述的平行电场式光电芯片在分离的左、右表面再次采用光学曝光和反应离子刻蚀腐蚀一定面积的氢化非晶硅，用以连接电极为芯片提供偏置电压。与普通光电芯片相比，虽然激励电压的链接方式无需顶面玻璃，但为了防止微液体蒸发，以及碳纳米管不受微尘污染，进而还需继续引入顶面玻璃。只需在衬底玻璃涂覆玻璃胶，或者非导电的双面胶作为支架，即可封装顶面玻璃。

上述方案中，光源采用商用投影器件，将其发出光斑经过光学聚焦透镜照射在光电芯片左、右的氢化非晶硅光敏面。期间光电芯片放置于显微镜上，观察和调节诱导光斑的大小和形状，以产生一定大小的空间电场。平行电场式光电芯片中的电场产生光诱导介电泳力驱使碳纳米管相互吸引成链。

（三）有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1)本发明设计的一种平行电场式光电芯片，通过空间光斑照射到左、右两块具有一定间距的氢化非晶硅表面后，使光电芯片内电场导通。导通的电场提供的光诱导介电泳力能够迫使碳纳米管形成规则长链。

2)碳纳米管的链型控制，还能通过调节两边的光斑形状。相比传统金属电极，光斑的形状具有灵活性，其面状，梳状，三角状的虚拟电极可用在碳纳米管传感器制作中。

附图说明

以下各图为平行电场式光电芯片的结构图与具体实施方式过程相同。

图1为平行电场式光电芯片的结构和使用说明示意图，其中(a)为平行电场式光电芯片对碳纳米管成链的三维示意图，(b)为平行电场式光电芯片的截面示意图。

图2为基于蒙特卡洛方法模拟碳纳米管在光诱导介电泳力作用下的分布示图，其中(a)为碳纳米管的初始随机分布，(b)为矩形光斑阵列形成的碳纳米管成链分布，(c)为三角形光斑阵列形成的碳纳米管成链分布。

图1中：1、氧化铟锡玻璃基片，2、氢化非晶硅，3、双面胶，4、信号发生器，5、光源，6、数字微全镜，7、碳纳米管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构作进一步的详细说明。

一、平行电场式光电芯片的衬底选用氧化铟锡玻璃，氧化铟锡玻璃具有良好的透光性和导电性，其长宽大致为5 cm×2.5 cm，如图1中1所示。

二、在衬底氧化铟锡玻璃上，采用等离子体增强化学气相沉淀法镀上氢化非晶硅薄膜，薄膜厚度约为1 μm左右，由此使氧化铟锡玻璃具备光敏特征。

三、氢化非晶硅薄膜的氧化铟锡玻璃上旋转涂覆光刻胶。进而可采用光学曝光、显影和反应离子刻蚀中间衬底玻璃，将平整的氢化非晶硅进行均分。左、右两块分离的氢化非晶硅薄膜之间保持7 μm宽。然后，在7 μm微槽表面采用化学湿法继续刻蚀5 μm微槽，保证微槽总深度为6 μm用于装载碳纳米管粒子。

四、为了在左、右镀有氢化非晶硅的氧化铟锡玻璃表面加载电信号，同时也避免光电芯片溶液挥发与污染。在此基础上，又对衬底氧化铟锡玻璃的边缘处进行反应离子刻蚀以连接铜线，使之能够接入电信号发生装置。表面可添加100 μm厚度，0.5 mm宽的双面胶作为顶层玻璃的支撑物。封盖完顶层玻璃，至此完成平行电场式光电芯片的制作。图1(b)完整展示了平行电场式光电芯片的截面示图。

对于平行电场式光电芯片的使用方法现在做出详细叙述。首先，将信号发生器的输入、输出电极分别接于平行电场式光电芯片的左、右位置，如图1(b)所示。然后，采用光学投影机作为光源5输出设备。产生肉眼可视光斑经过数字微全镜6缩至10 ~ 100 μm微米尺度，该光斑自顶向下垂直照射到沉淀的左、右氧化铟锡玻璃表面，与氢化非晶硅微槽边界相切。依靠光斑照射到的氢化非晶硅位置发生光生载流子，迫使该区域氢化非晶硅电导率急剧增大，以至于该位置处电场导通。在光电芯片内的电场会产生光诱导介电泳力，最终实现碳纳米管的排布成链。

Claims (3)

1.一种驱使碳纳米管成链的新型平行电场式光电芯片，由氧化铟锡玻璃衬底、氢化非晶硅薄膜、微槽及一对电极组成，其特征在于：氢化非晶硅薄膜镀在衬底上方；在氢化非晶硅的衬底中间位置制作微槽；在氢化非晶硅的左右两端各引出一个电极；对微槽左、右两侧氢化非晶硅投影10 ~ 100μm光斑，使左、右氢化非晶硅发生光生载流子产生均匀平行电场，形成光诱导介电泳力实现碳纳米管成链。

2.如权利要求1所述的一种驱使碳纳米管成链的新型平行电场式光电芯片，其特征在于：氢化非晶硅薄膜是采用等离子增强化学气相沉淀法镀在氧化铟锡玻璃衬底表面上的，其厚度为1μm。

3.如权利要求1所述的一种驱使碳纳米管成链的新型平行电场式光电芯片，其特征在于：在氢化非晶硅薄膜中间采用反应离子刻蚀方法制作出7μm宽的微槽，露出氧化铟锡玻璃表面；在7μm宽的微槽表面进一步采用化学湿法刻蚀，使得微槽总深度达到6μm。