專利名稱：使用光偶極阱揀選單壁碳納米管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0002本發(fā)明的實(shí)施方式涉及單壁或單層碳納米管，更具體地涉及對(duì)單壁碳納米管(single-walled carbon nanotubes)進(jìn)行揀選。
背景技術(shù)：
0003自從在20世紀(jì)90年代早期發(fā)現(xiàn)碳納米管以來(lái)，碳納米管已經(jīng)引起了相當(dāng)大的興趣?？赡艿膽?yīng)用包括從晶體管、數(shù)字存儲(chǔ)器和顯示器的微型電子發(fā)射器到用于下一代環(huán)境友好機(jī)動(dòng)車的氫氣存儲(chǔ)裝置的所有一切。
0004典型地，潛在的用戶可獲得的一批單壁碳納米管具有不同類型的單壁碳納米管的混合。例如，在一批單壁碳納米管中，可能有金屬單壁碳納米管和半導(dǎo)體單壁碳納米管。在半導(dǎo)體單壁碳納米管內(nèi)，可能有不同長(zhǎng)度、直徑和/或手性或空間螺旋特性的單壁碳納米管。每個(gè)類型的單壁碳納米管具有不同的屬性(例如電的、化學(xué)的、光學(xué)的、機(jī)械的屬性)，這些屬性特別適合不同的應(yīng)用。因?yàn)樗鼈兺ǔＷ鳛榛旌衔锍霈F(xiàn)，所以當(dāng)試圖利用特殊類型的單壁碳納米管用于特定的應(yīng)用時(shí)，不能分開不同的單壁碳納米管是麻煩的事情。


0005在附圖中，相同的數(shù)字一般表示同樣的、功能上相似的和/或結(jié)構(gòu)上等同的元件。在附圖中，第一次出現(xiàn)的元件是由附圖標(biāo)記中最左邊的數(shù)字表示的，其中0006圖1是一個(gè)流程圖，其示例說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式將半導(dǎo)體單壁碳納米管從金屬單壁碳納米管揀選出來(lái)的過(guò)程；0007圖2是單壁碳納米管的六角晶格的二維圖，顯示了手性向量(chiral vector)和手性角度；0008圖3是一個(gè)圖形表示，顯示了電介質(zhì)極化率相對(duì)于諧振頻率或共振頻率的情況；0009圖4是一個(gè)圖形表示，顯示了半導(dǎo)體單壁碳納米管的電子密度態(tài)(electron density of states)；0010圖5是一個(gè)圖形表示，顯示了金屬單壁碳納米管的能帶隙電子態(tài)密度；0011圖6是一個(gè)圖形表示，顯示了單壁碳納米管的能帶隙和直徑之間的關(guān)系；0012圖7是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的微流體系統(tǒng)的俯視圖；0013圖8是一個(gè)流程圖，其示例說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式對(duì)半導(dǎo)體單壁碳納米管進(jìn)行揀選的過(guò)程；0014圖9是一個(gè)微流體系統(tǒng)的俯視圖，該系統(tǒng)適合根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式實(shí)施圖8所示的過(guò)程；0015圖10是一個(gè)微流體系統(tǒng)的俯視圖，該系統(tǒng)適合根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)替代實(shí)施方式對(duì)半導(dǎo)體單壁碳納米管進(jìn)行揀選；和0016圖11是一個(gè)系統(tǒng)的高級(jí)方塊圖，該系統(tǒng)適合根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式使用揀選后的單壁碳納米管。
具體實(shí)施例方式
0017圖1是一個(gè)流程圖，其示例說(shuō)明了過(guò)程100，該過(guò)程根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式將半導(dǎo)體單壁碳納米管從金屬單壁碳納米管揀選出來(lái)。過(guò)程100將被描述成順序執(zhí)行的多個(gè)不連續(xù)的操作，其描述方式最有助于理解本發(fā)明的實(shí)施方式。但是，描述操作的順序不應(yīng)該被解釋為暗示這些操作是必定依賴順序的或者它們應(yīng)該以給出的順序執(zhí)行。當(dāng)然，過(guò)程100僅僅是一個(gè)示例過(guò)程，并且可以使用其他過(guò)程。
0018在塊102中，過(guò)程100確定對(duì)應(yīng)于目標(biāo)類別的單壁碳納米管的直徑和手性(例如扶手椅型(armchair)、鋸齒形的、螺旋狀的(或手性的))。單壁碳納米管可以被模擬為被卷成無(wú)縫圓柱體的一條石墨片，該圓柱體有或沒(méi)有端蓋。它是“單壁的”，因?yàn)樗谋趦H僅是單個(gè)原子厚。當(dāng)卷起石墨片使得該片一個(gè)邊緣上的原子和該片另一邊緣上的原子重合時(shí)就生成了圓柱體。從第一原子指向第二原子的向量被稱為手性向量，而“手性向量”的長(zhǎng)度等于單壁碳納米管的周長(zhǎng)。單壁碳納米管軸的方向垂直于手性向量。
0019圖2是單壁碳納米管的六角晶格的二維圖200，顯示了手性向量和手性角度。手性向量Ch在六角晶格上被定義為Ch＝n1+m2，其中1和2是單位向量，而n和m是整數(shù)。手性角度θ是相對(duì)于1定義的方向測(cè)量的。示例圖200已經(jīng)被構(gòu)造為用于(n，m)＝(4，2)，并且這個(gè)單壁碳納米管的單位晶胞是由OAB’B界定的。為了形成單壁碳納米管，假設(shè)這個(gè)單位晶胞被卷起，使得O和A會(huì)合且B和B’會(huì)合，并且兩端被蓋上(capped)。
0020不同類型的碳納米管具有不同的n和m值。鋸齒型碳納米管對(duì)應(yīng)于(n，0)或(0，m)，并且手性角度為0°，扶手椅型碳納米管具有(n，n)和30°的手性角度，而手性型的碳納米管具有一般的(n，m)值和0°到30°之間的手性角度。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，掃描隧穿顯微術(shù)(scanning tunneling microscopy)可被用于確定和顯示單壁碳納米管的原子結(jié)構(gòu)。
0021具有不同長(zhǎng)度、直徑和/或手性向量的單壁碳納米管具有不同的電子特性。例如，取決于它們的手性向量，直徑小的單壁碳納米管是半導(dǎo)體單壁碳納米管或金屬單壁碳納米管。金屬單壁碳納米管可在室溫導(dǎo)電。半導(dǎo)體單壁碳納米管在室溫不導(dǎo)電。
0022再參考圖1，在塊104中，過(guò)程100識(shí)別目標(biāo)類別的單壁碳納米管的諧振頻率。在一個(gè)實(shí)施方式中，發(fā)射特定頻率的光的激光束可被掃描穿過(guò)單壁碳納米管的混合物。光的電場(chǎng)分量和一個(gè)或多個(gè)單壁碳納米管相互作用。電場(chǎng)分量在目標(biāo)單壁碳納米管中引入了偶極矩。
0023當(dāng)激光束的頻率等于目標(biāo)單壁碳納米管的諧振頻率時(shí)，在目標(biāo)單壁碳納米管中引入的偶極就會(huì)諧振。當(dāng)激光束的頻率低于單壁碳納米管的諧振頻率時(shí)，單壁碳納米管就會(huì)被吸引到激光束(也就是被光學(xué)捕獲)。當(dāng)激光束的頻率高于單壁碳納米管的諧振頻率時(shí)，激光束就排斥單壁碳納米管。(當(dāng)激光束的頻率在單壁碳納米管的諧振頻率附近時(shí)，單壁碳納米管的光學(xué)捕獲就不穩(wěn)定。)0024在電場(chǎng)中引入的中性粒子的偶極矩可被表示為P＝ε0χE。P是在激光束的電場(chǎng)中每單位體積的中性粒子的偶極矩(或極化強(qiáng)度)。ε0是自由空間(free space)的介電常數(shù)或電容率，并且是常數(shù)。χ(ω)是中性粒子變成偶極(即被極化)的電介質(zhì)極化率。電介質(zhì)極化率χ(ω)取決于粒子的電子結(jié)構(gòu)以及周圍的介質(zhì)(例如自由空間、水等等)。
0025圖3是一個(gè)圖形表示300，顯示了相對(duì)于激光束頻率ω，待極化的中性粒子(也就是單壁碳納米管)的電介質(zhì)極化率χ。電介質(zhì)極化率是復(fù)函數(shù)χ(ω)＝χ’(ω)+iχ”(ω)，其取決于試圖極化它的激光束的頻率ω。圖形表示300顯示了電介質(zhì)極化率的虛部302，其總是正的，和實(shí)部304，其在穿過(guò)諧振頻率時(shí)改變正負(fù)(點(diǎn)306)。
0026電介質(zhì)極化率χ’(ω)的實(shí)部符號(hào)確定單壁碳納米管是否被吸引到激光束的電場(chǎng)分量或者從激光束的電場(chǎng)分量被排斥出去。如果實(shí)部χ’(ω)的符號(hào)是正的，那么激光束就吸引單壁碳納米管。如果實(shí)部χ’(ω)的符號(hào)是負(fù)的，那么激光束就排斥單壁碳納米管。電介質(zhì)極化率實(shí)部χ’(ω)的符號(hào)是由激光束的頻率ω確定的。如果激光束的頻率ω低于單壁碳納米管的諧振頻率，那么電介質(zhì)極化率實(shí)部χ’(ω)的符號(hào)就是正的。如果激光束的頻率ω高于單壁碳納米管的諧振頻率，那么電介質(zhì)極化率實(shí)部χ’(ω)的符號(hào)就是負(fù)的。
0027總的相互作用系統(tǒng)能量U(也就是，能量是偶極矩和激光束的電場(chǎng)的乘積)可由U＝-1/2P·E表示，其中E是激光束的電場(chǎng)分量?？偟南嗷プ饔孟到y(tǒng)能量U也可由U＝-1/2ε0χE2表示。因此總的相互作用系統(tǒng)能量U取決于電介質(zhì)極化率實(shí)部χ’(ω)的符號(hào)和激光束的電場(chǎng)分量的強(qiáng)度E2。對(duì)于正的χ’(ω)，U就隨著激光強(qiáng)度E2的增加而減少。因此，具有正χ’(ω)的納米管就傾向于移動(dòng)到更高激光強(qiáng)度的區(qū)域。對(duì)于聚焦的激光束，強(qiáng)度分布通常是高斯分布，最高強(qiáng)度點(diǎn)在激光束的中央，在該最高點(diǎn)，具有正χ’(ω)的中性粒子(也就是納米管)是最穩(wěn)定的(也就是最低的能量U)。這是光引起的偶極(光偶極)阱(optical dipole trap)的原理。
0028再次參考圖1，在塊106中，過(guò)程100確定目標(biāo)類別的單壁碳納米管的諧振頻率和其直徑、手性之間的關(guān)系。圖4是一個(gè)圖形表示，顯示了示例半導(dǎo)體單壁碳納米管的能帶結(jié)構(gòu)400(單壁碳納米管和石墨的態(tài)密度(DOS)相對(duì)于能量/γ0(energy/γ0)；虛線表示石墨)。
0029例如，半導(dǎo)體單壁碳納米管能帶隙結(jié)構(gòu)400包括幾個(gè)峰值對(duì)，其被表示為E11s、E22s等等。這些峰值對(duì)是單壁碳納米管的一維電子態(tài)密度(DOS)中的范霍夫奇異點(diǎn)(van Hove singularities)。E11s是第一能量間距(或能帶隙)。E22s是第二能量間距(或能帶隙)。每個(gè)峰值對(duì)表示單壁碳納米管的諧振頻率。因此E11s表示半導(dǎo)體單壁碳納米管的第一能帶隙和第一諧振頻率，而E22s表示半導(dǎo)體單壁碳納米管的第二能帶隙和第二諧振頻率。
0030圖5是一個(gè)圖形表示，顯示了金屬單壁碳納米管的能帶結(jié)構(gòu)500(單壁碳納米管和石墨的態(tài)密度(DOS)相對(duì)于能量/γ0)。金屬單壁碳納米管能帶隙結(jié)構(gòu)500也包括幾個(gè)峰值對(duì)，其被表示為E11M、E22M等等。E11M是第一能量間距，而E22M是第二能量間距。每個(gè)峰值對(duì)表示單壁碳納米管的諧振頻率。因此E11M表示金屬單壁碳納米管的第一能帶隙和第一諧振頻率。注意，有兩個(gè)峰值對(duì)表示為E11M，這可能是由于三角彎曲效應(yīng)(trigonal warping effect)導(dǎo)致的范霍夫奇異點(diǎn)分裂造成的(也就是，在單壁碳納米管的一維電子結(jié)構(gòu)中費(fèi)米點(diǎn)附近的不對(duì)稱)。
0031也注意到，金屬峰值對(duì)E22M比半導(dǎo)體峰值對(duì)E11s大得多，并且甚至比半導(dǎo)體峰值對(duì)E22大。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，可以使用掃描隧穿顯微術(shù)來(lái)確定和顯示單壁碳納米管的原子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度。
0032對(duì)應(yīng)的范霍夫奇異點(diǎn)之間的能量間隔是光容許的能帶內(nèi)的轉(zhuǎn)變能(transition energy)。能帶內(nèi)的轉(zhuǎn)變能是由每個(gè)單壁碳納米管的直徑和手性確定的。圖6是一個(gè)圖形表示，其示例說(shuō)明了單壁碳納米管諧振頻率(也就是能帶內(nèi)的轉(zhuǎn)變能)相對(duì)于單壁碳納米管直徑的圖600。
0033圖600顯示了對(duì)于所考慮的單壁碳納米管直徑dt在大約0.4＜dt＜3.0納米(nm)范圍的所有(n，m)值，導(dǎo)電性(conduction)的一維電子態(tài)密度(DOS)中的范霍夫奇異點(diǎn)和價(jià)帶之間的計(jì)算的能量間距Eii(例如E11、E22、E33等等)。單壁碳一碳能量重疊積分γ0的值是2.9eV。最近的相鄰碳一碳距離aC-C是1.42埃()。在能帶內(nèi)的轉(zhuǎn)變能Eii中的下標(biāo)i表示第i個(gè)范霍夫奇異點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)變，i＝1時(shí)最靠近在E＝0取的費(fèi)米能級(jí)。
0034如果Eii是已知的，那么就可以確定具體單壁碳納米管的直徑和手性。注意，單壁碳納米管的能帶隙和它的直徑成反比。例如在金屬單壁碳納米管中，E11M≌6γ0aC-C/dt。在半導(dǎo)體單壁碳納米管中，E11S≌2γ0aC-C/dt。這意味著隨著單壁碳納米管的直徑增大，能帶隙和諧振頻率降低。
0035取決于手性，單壁碳納米管的能帶內(nèi)的轉(zhuǎn)變能Eii可偏離與直徑成反比(也就是可偏離E11M≌6γ0aC-C/dt和E11S≌2γ0aC-C/dt)。如上所述，這是由于三角彎曲效應(yīng)導(dǎo)致了范霍夫奇異點(diǎn)的分裂(在金屬單壁碳納米管中)或移動(dòng)(在半導(dǎo)體單壁碳納米管中)。這個(gè)三角彎曲效應(yīng)僅僅發(fā)生在n不等于m時(shí)(也就是扶手椅型單壁碳納米管)。
0036再次參考圖1，在塊108中，單壁碳納米管的混合物被置于微流體系統(tǒng)的一個(gè)層中。單壁碳納米管的混合物包括至少一個(gè)目標(biāo)單壁碳納米管。
0037圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的微流體系統(tǒng)700的俯視圖。在微流體系統(tǒng)700中的單壁碳納米管的混合物包括幾個(gè)單壁碳納米管702、704、708、710、712、714和716。在所示例說(shuō)明的實(shí)施方式中，單壁碳納米管714和716是目標(biāo)單壁碳納米管。
0038微流體系統(tǒng)700可包括粘性流體(例如水)的一層或多層(簡(jiǎn)便起見(jiàn)，顯示了分別在方向732和734流動(dòng)的兩層720和722)，其在層流中彼此相鄰平滑流動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施方式中，單壁碳納米管的混合物可放置在層720中。
0039在一個(gè)實(shí)施方式中，層720和722中的任何一個(gè)的寬度和高度可小于大約1毫米(mm)。
0040在層720或722的任何一個(gè)中的流體流可以由雷諾數(shù)(Reynolds number)RN表征，雷諾數(shù)表示成RN＝ρvd/η，其中ρ是流體密度，v是流體速度，η是粘度，d是和流(flow)關(guān)聯(lián)的幾何尺寸(例如層的寬度和高度)。當(dāng)雷諾數(shù)低于大約2000時(shí)，流體流是分層的或?qū)訝畹?。?dāng)雷諾數(shù)低于大約2000時(shí)，流體流是湍流的或擾動(dòng)的。
0041示例的微流體系統(tǒng)700也包括激光束730。再次參考圖1，在塊110中，激光束730對(duì)準(zhǔn)單壁碳納米管的混合物。激光束730的頻率可低于目標(biāo)單壁碳納米管的諧振頻率。激光束730在目標(biāo)單壁碳納米管中引入電偶極，并且捕獲目標(biāo)單壁碳納米管。
0042在一個(gè)實(shí)施方式中，單壁碳納米管714和716是目標(biāo)半導(dǎo)體單壁碳納米管，而激光束捕獲半導(dǎo)體單壁碳納米管714和716。
0043使用電弧放電、激光切除、化學(xué)氣相沉積(CVD)或其他方法產(chǎn)生的單壁碳納米管具有某個(gè)直徑分布。例如，由公知的高壓CO歧化工藝(HiPCO)制造的單壁碳納米管的直徑分布從大約0.8到1.3nm(見(jiàn)區(qū)域602)。在一個(gè)實(shí)施方式中，激光束的能量被選擇為低于0.55eV。在這個(gè)實(shí)施方式中，大多數(shù)金屬和半導(dǎo)體單壁碳納米管可被捕獲，因?yàn)閷?duì)于E11M和E11S，激光頻率低于單壁碳納米管的諧振頻率(也就是所有的單壁碳納米管可被捕獲)。
0044在一個(gè)替代實(shí)施方式中，激光束的能量被選擇在1.05eV附近。在這個(gè)實(shí)施方式中，大多數(shù)的半導(dǎo)體單壁碳納米管被釋放，并且所有的金屬單壁碳納米管可被捕獲，因?yàn)閷?duì)于E11M，激光頻率低于單壁碳納米管的諧振頻率，而對(duì)于E11S，激光頻率高于單壁碳納米管的諧振頻率(也就是僅在金屬單壁碳納米管中產(chǎn)生陷阱)。
0045在另一實(shí)施方式中，在金屬單壁碳納米管從半導(dǎo)體單壁碳納米管揀選出來(lái)之后，激光束中的能量在0.6-1eV之間被調(diào)整。在這個(gè)實(shí)施方式中，一些半導(dǎo)體單壁碳納米管被釋放，并且一些半導(dǎo)體單壁碳納米管被捕獲，因?yàn)閷?duì)于E11M，激光頻率低于一些單壁碳納米管的諧振頻率，而對(duì)于E11S，激光頻率高于其他單壁碳納米管的諧振頻率(也就是一些半導(dǎo)體單壁碳納米管可被捕獲，而其他半導(dǎo)體單壁碳納米管不被捕獲)。
0046在塊112中，半導(dǎo)體單壁碳納米管714和716從層720被移到層722，而金屬單壁碳納米管702、704、706、708、710、712仍然在層720中。例如激光束730的焦點(diǎn)可從層720移到層722。從前述已知，具有正x’(ω)的單壁碳納米管傾向于移到更高激光強(qiáng)度的區(qū)域，對(duì)于聚焦的激光束，其強(qiáng)度分布是高斯分布，該更高激光強(qiáng)度的區(qū)域是在激光束的中央。因此，激光束730的焦點(diǎn)從層720移到層733的移動(dòng)可導(dǎo)致半導(dǎo)體單壁碳納米管714和716從層720移到層722。
0047在一個(gè)實(shí)施方式中，可使用鏡子(沒(méi)有示出)來(lái)改變激光束730的焦點(diǎn)的位置。例如，鏡子的角度可連續(xù)或逐漸遞增地改變，以改變激光束730的偏轉(zhuǎn)角度。
0048在塊114中，過(guò)程100在一個(gè)收集地736從層722收集半導(dǎo)體單壁碳納米管，而在另一收集地738從層720收集金屬單壁碳納米管702、704、706、708、710、712。
0049為了示例說(shuō)明的目的，描述一個(gè)替代的實(shí)施方式，在其中從組A、B和C半導(dǎo)體單壁碳納米管的混合中分離組B半導(dǎo)體單壁碳納米管是適當(dāng)?shù)摹＜僭O(shè)，A(組)半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率高于B(組)半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率，而B半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率高于C半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率。
0050圖8是一個(gè)流程圖，其示例說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式從A和C半導(dǎo)體單壁碳納米管揀選B半導(dǎo)體單壁碳納米管的過(guò)程800。圖9是一個(gè)微流體系統(tǒng)900的俯視圖，該系統(tǒng)適合根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式實(shí)施過(guò)程800。
0051過(guò)程800將被描述成順序執(zhí)行的多個(gè)不連續(xù)的操作，其描述方式最有助于理解本發(fā)明的實(shí)施方式。但是，描述操作的順序不應(yīng)該被解釋為暗示這些操作是必定依賴順序的或者它們應(yīng)該以給出的順序執(zhí)行。當(dāng)然，過(guò)程800僅僅是一個(gè)示例過(guò)程，并且可以使用其他過(guò)程。
0052在塊802中，激光束930被調(diào)整到頻率ω1，該頻率低于B半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率而高于C半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率。
0053在塊804中，A、B和C半導(dǎo)體單壁碳納米管的混合物被置于層流中的第一微流體層920中。
0054在塊806中，A、B和C半導(dǎo)體單壁碳納米管的混合物流向激光束930，并且激光束930捕捉A和B單壁碳納米管。
0055在塊808中，激光束930的焦點(diǎn)移動(dòng)，這將A和B單壁碳納米管移到層流中的第二微流體層922，而C單壁碳納米管仍然在第一微流體層920中。
0056在塊810中，激光束930被調(diào)整到頻率ω2，該頻率高于B半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率而低于A半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率。
0057在塊812中，A和B半導(dǎo)體單壁碳納米管的混合物流向激光束930，并且激光束930捕捉A單壁碳納米管。
0058在塊814中，激光束930將A半導(dǎo)體單壁碳納米管移到層流中的第三微流體層924，而B單壁碳納米管仍然在第二微流體層922中。
0059在塊816中，過(guò)程800在收集器926中從第三層924收集A半導(dǎo)體單壁碳納米管，而在收集器932中從第二層922收集B半導(dǎo)體單壁碳納米管。
0060圖10示例說(shuō)明了微流體系統(tǒng)1000，該系統(tǒng)適合根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)替代實(shí)施方式對(duì)A、B和C半導(dǎo)體單壁碳納米管進(jìn)行揀選。當(dāng)A半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率高于B半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率，且B半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率高于C半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率時(shí)，這個(gè)實(shí)施方式可能是適合的。
0061激光束1002可被調(diào)整到頻率ω1，該頻率低于A半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率但高于B半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率。激光束1002可捕獲A半導(dǎo)體單壁碳納米管，并且將A半導(dǎo)體單壁碳納米管從微流體層1004移到微流體層1006、移到收集器1008。B和C半導(dǎo)體單壁碳納米管仍然在微流體層1004中。
0062然后激光束1010可被調(diào)整到頻率ω2，該頻率低于B半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率但高于C半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率。激光束1010可捕獲B半導(dǎo)體單壁碳納米管，并且將B半導(dǎo)體單壁碳納米管從微流體層1004移到微流體層1006、移到收集器1012。C半導(dǎo)體單壁碳納米管仍然在微流體層1004中。
0063激光束1014可被調(diào)整到頻率ω3，該頻率低于C半導(dǎo)體單壁碳納米管的諧振頻率。激光束1014可捕獲C半導(dǎo)體單壁碳納米管，并且將C半導(dǎo)體單壁碳納米管從微流體層1004移到微流體層1006、移到收集器1016。
0064常見(jiàn)的是，單壁碳納米管制造商提供給潛在用戶的成批單壁碳納米管聚積在一起，并且由于非常強(qiáng)的范德瓦爾斯力(van derWaals force)形成類似于繩的束。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，在使用光偶極阱進(jìn)行揀選之前，一批單壁碳納米管可被功能化(functionalize)。例如，該批單壁碳納米管可被浸入含水的表面活性溶液中來(lái)給它們解束。合適的表面活性劑是公知的(例如十二烷基硫酸鈉(SDS))。
0065在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，可調(diào)的激光提供激光束?？烧{(diào)的激光因此能夠掃描穿過(guò)頻率或者在頻率之間切換。在一個(gè)替代實(shí)施方式中，可使用多個(gè)激光來(lái)提供激光束。激光束可具有相同的頻率，以提供目標(biāo)類別單壁碳納米管的高效率捕獲(也就是，激光束可同時(shí)指向目標(biāo)類別的單壁碳納米管，使得基本所有的目標(biāo)類別單壁碳納米管可在一遍(掃描)中被捕獲)?；蛘?，具有相同頻率的多個(gè)激光束可逐個(gè)指向目標(biāo)類別的單壁碳納米管，使得基本所有的目標(biāo)類別單壁碳納米管可以以連續(xù)的方式被捕獲。激光束穿過(guò)微流體的掃描速度可足夠快，使得所有的目標(biāo)單壁碳納米管可在一遍掃描中被除去。
0066雖然為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，在實(shí)施方式中只描述了一個(gè)微流體系統(tǒng)，但是可使用幾個(gè)微流體系統(tǒng)來(lái)揀選單壁碳納米管。例如，兩個(gè)或更多的微流體系統(tǒng)可彼此并行地被使用。替換地，兩個(gè)或更多的微流體系統(tǒng)可被彼此連續(xù)地使用。在讀了這里的描述之后，相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可容易地認(rèn)識(shí)到，如何使用兩個(gè)或更多的微流體系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施方式。
0067圖11是一個(gè)系統(tǒng)1100的高級(jí)方塊圖，該系統(tǒng)適合根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式使用揀選后的單壁碳納米管。系統(tǒng)1100可以是掃描隧穿顯微鏡，其包括單壁碳納米管尖端1102；控制尖端1102到樣品1106的距離的、連接的壓電管1104，樣品1106是虛線，因?yàn)樗皇窍到y(tǒng)1100的一部分；放大來(lái)自尖端1102的隧穿電流的隧穿電流放大器1108；為管1104上的電極1112和1114提供電壓的、連接的控制單元1110；和顯示掃描樣品1106的結(jié)果的顯示器1116。適合根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式使用揀選后的單壁碳納米管的掃描隧穿顯微鏡是公知的。
0068適合使用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式通過(guò)能帶隙(也就是光偶極諧振頻率)揀選的單壁碳納米管的其他系統(tǒng)包括晶體管制造系統(tǒng)。例如，在許多裝置中，晶體管能帶隙被控制，以至于在特定裝置上的所有晶體管具有相同的能帶隙。這確保所有的晶體管具有相同的閾值電壓。適合使用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式揀選后的單壁碳納米管的其他系統(tǒng)包括電池制造系統(tǒng)和燃料電池制造系統(tǒng)。
0069本發(fā)明的實(shí)施方式可使用硬件、軟件或者其組合實(shí)現(xiàn)。在使用軟件的實(shí)現(xiàn)中，軟件可存儲(chǔ)在機(jī)器可存取的介質(zhì)上。機(jī)器可存取的介質(zhì)包括以機(jī)器(例如計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、個(gè)人數(shù)字助理、制造工具、具有一組一個(gè)或多個(gè)處理器的任何設(shè)備等等)可存取的形式提供(也就是存儲(chǔ)和/或傳輸)信息的任何機(jī)構(gòu)。例如，機(jī)器可存取的介質(zhì)包括可記錄的和不可記錄的介質(zhì)(例如只讀存儲(chǔ)器[ROM]、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器[RAM]、磁盤存儲(chǔ)介質(zhì)、光存儲(chǔ)介質(zhì)、閃存存儲(chǔ)設(shè)備等等)，以及電的、光的、聲的或者傳播信號(hào)的其他形式(例如載波、紅外信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等等)。
0070上面描述的本發(fā)明示例說(shuō)明的的實(shí)施方式不打算窮盡或者限制本發(fā)明為所公開的精確形式。雖然在此描述本發(fā)明的特定實(shí)施方式和例子為了示例目的，但是在本發(fā)明實(shí)施方式的范圍內(nèi)的各種等同的修改是可能的，如相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的。可根據(jù)上面的詳細(xì)描述對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行這些修改。
0071在上面的描述中，許多具體的細(xì)節(jié)，比如具體的工藝、材料、設(shè)備等等提供了本發(fā)明實(shí)施方式的全面理解。但是相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員可認(rèn)識(shí)到，可在沒(méi)有一個(gè)或多個(gè)該具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明，或者使用其他方法、組件等等實(shí)踐本發(fā)明。在其他情況下，沒(méi)有顯示或詳細(xì)描述公知結(jié)構(gòu)或操作，以避免使對(duì)本說(shuō)明書的理解不清楚。
0072在整個(gè)說(shuō)明書中，提及“一個(gè)實(shí)施方式”或“實(shí)施方式”意味著，結(jié)合實(shí)施方式描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、工藝、塊、或特性被包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式中。因此，貫穿本說(shuō)明書在各個(gè)地方出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施方式中”或“在實(shí)施方式中”不一定是意味著這些短語(yǔ)都指的是同一實(shí)施方式。具體的特征、結(jié)構(gòu)、或特性可以以任何合適的方式結(jié)合在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中。
0073在所附權(quán)利要求中使用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)該解釋為將本發(fā)明的實(shí)施方式限制為在本說(shuō)明書和權(quán)利要求中所公開的具體實(shí)施方式
。相反地，本發(fā)明的實(shí)施方式的范圍是由所附的權(quán)利要求完全決定的，權(quán)利要求是根據(jù)確立的權(quán)利要求解釋的原則解釋的。
權(quán)利要求
1.一種方法，其包括將激光束指向置于層流中的微流體層中的碳納米管混合物，所述激光束的頻率小于至少一個(gè)目標(biāo)類別的碳納米管的諧振頻率，所述諧振頻率是由所述目標(biāo)類別的碳納米管的直徑和手性確定的，所述混合物包括至少一個(gè)目標(biāo)類別的碳納米管；捕獲至少一個(gè)目標(biāo)碳納米管；和將所述目標(biāo)碳納米管移入層流中的第二微流體層中。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括識(shí)別所述目標(biāo)類別的碳納米管的諧振頻率。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括確定所述目標(biāo)類別的碳納米管的直徑和手性。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，進(jìn)一步包括確定所述目標(biāo)類別的碳納米管的直徑、手性和諧振頻率之間的關(guān)系。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括從層流中的所述第二微流體層收集至少一個(gè)目標(biāo)碳納米管。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括解束所述碳納米管的混合物。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述目標(biāo)類別的碳納米管是金屬單壁碳納米管。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述目標(biāo)類別的碳納米管是半導(dǎo)體單壁碳納米管。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述碳納米管的混合物包括另一目標(biāo)類別的碳納米管，所述方法進(jìn)一步包括將具有另一激光頻率的激光束指向所述碳納米管混合物，所述另一激光頻率小于下一目標(biāo)類別的碳納米管的下一諧振頻率，小于其他目標(biāo)類別的碳納米管的直徑和手性確定的其他諧振頻率；捕獲其他目標(biāo)類別的碳納米管；和將其他目標(biāo)類別的碳納米管移入第三微流體層中。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將激光頻率小于所述目標(biāo)類別碳納米管的所述諧振頻率的另一激光束指向所述碳納米管混合物；和捕獲所述目標(biāo)類別的碳納米管；和將所述目標(biāo)碳納米管移入所述第二微流體層中。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述微流體層是水。
12.一種裝置，其包括一個(gè)激光器，其發(fā)射激光束，該激光束的頻率小于對(duì)應(yīng)于目標(biāo)類別的碳納米管的諧振頻率，所述諧振頻率是由所述目標(biāo)類別的碳納米管的直徑和手性確定的；層流中的第一微流體層，所述第一微流體層具有碳納米管混合物，所述碳納米管混合物具有至少一個(gè)目標(biāo)碳納米管；和層流中的第二微流體層，所述第二微流體層和所述第一流體相鄰，所述激光束，其被光學(xué)地耦合，以在所述目標(biāo)碳納米管中引入至少一個(gè)光偶極阱，并且將所述目標(biāo)碳納米管移入到所述第二微流體層中。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述第一微流體層和第二微流體層包括水。
14.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述目標(biāo)類別的碳納米管是金屬單壁碳納米管。
15.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述目標(biāo)類別的碳納米管是半導(dǎo)體單壁碳納米管。
16.如權(quán)利要求12所述的裝置，進(jìn)一步包括層流中的第三微流體層，所述第三微流體層和所述第二微流體層相鄰。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述激光束被耦合，以發(fā)射下一頻率，該頻率低于對(duì)應(yīng)于所述碳納米管混合物中的下一個(gè)目標(biāo)類別碳納米管的諧振頻率，低于由下一個(gè)目標(biāo)類別的碳納米管的直徑和手性確定的下一個(gè)諧振頻率，所述激光束被耦合以捕獲所述下一個(gè)目標(biāo)類別的碳納米管，并且將所述下一個(gè)目標(biāo)類別碳納米管移入所述第三微流體層中。
18.如權(quán)利要求12所述的裝置，進(jìn)一步包括收集所述目標(biāo)類別碳納米管的第一收集器。
19.一種系統(tǒng)，其包括一個(gè)耦合的一個(gè)裝置，其將激光束指向置于層流中的微流體層中的碳納米管混合物，所述激光束的頻率小于至少一個(gè)目標(biāo)類別的碳納米管的諧振頻率，所述諧振頻率是由所述目標(biāo)類別碳納米管的直徑和手性確定的，所述混合物包括至少一個(gè)目標(biāo)類別的碳納米管，所述激光束將所述目標(biāo)碳納米管移入層流中的第二微流體層中，所述裝置從層流中的所述微流體層收集所述目標(biāo)碳納米管；和耦合到所述收集的目標(biāo)碳納米管的一個(gè)壓電管。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括連接到所述收集的目標(biāo)碳納米管的電流放大器。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括連接到所述電流放大器的顯示器。
22.一種制造物，其包括包括數(shù)據(jù)的機(jī)器可存取的介質(zhì)，當(dāng)機(jī)器存取所述數(shù)據(jù)時(shí)，所述數(shù)據(jù)導(dǎo)致所述機(jī)器執(zhí)行以下操作將激光束指向置于層流中的微流體層中的碳納米管混合物，所述激光束的頻率小于至少一個(gè)目標(biāo)類別的碳納米管的諧振頻率，所述諧振頻率是由所述目標(biāo)類別的碳納米管的直徑和手性確定的，所述混合物包括至少一個(gè)目標(biāo)類別的碳納米管；捕獲至少一個(gè)目標(biāo)碳納米管；和將所述目標(biāo)碳納米管移入層流中的第二微流體層中。
23.如權(quán)利要求22所述的制造物，其中所述機(jī)器可存取的介質(zhì)進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)導(dǎo)致所述機(jī)器執(zhí)行包括識(shí)別所述目標(biāo)類別的碳納米管的諧振頻率的操作。
24.如權(quán)利要求23所述的制造物，其中所述機(jī)器可存取的介質(zhì)進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)導(dǎo)致所述機(jī)器執(zhí)行包括識(shí)別對(duì)應(yīng)于所述目標(biāo)類別的碳納米管的諧振頻率的直徑和手性的操作。
25.如權(quán)利要求24所述的制造物，其中所述機(jī)器可存取的介質(zhì)進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)導(dǎo)致所述機(jī)器執(zhí)行包括確定所述目標(biāo)類別的碳納米管的直徑、手性和諧振頻率之間的關(guān)系的操作。
26.如權(quán)利要求22所述的制造物，其中所述機(jī)器可存取的介質(zhì)進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)導(dǎo)致所述機(jī)器執(zhí)行包括從層流中的所述第二微流體層收集所述目標(biāo)碳納米管的操作。
27.如權(quán)利要求22所述的制造物，其中所述機(jī)器可存取的介質(zhì)進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)導(dǎo)致所述機(jī)器執(zhí)行包括解束所述碳納米管的混合物的操作。
全文摘要
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，聚焦激光束的電場(chǎng)在單壁(single－walled)碳納米管中引入了偶極。該單壁碳納米管具有一個(gè)或多個(gè)諧振頻率。當(dāng)激光束的頻率小于單壁碳納米管的諧振頻率時(shí)，單壁碳納米管可被捕獲，并且激光束可將單壁碳納米管從第一微流體層流移動(dòng)到第二微流體層流。當(dāng)激光束的頻率高于單壁碳納米管的諧振頻率時(shí)，單壁碳納米管可被排斥，而且激光束不移動(dòng)單壁碳納米管。
文檔編號(hào)B07C5/12GK1882500SQ200480027355
公開日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2004年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月23日
發(fā)明者Y·張, E·漢娜, T-W·庫(kù) 申請(qǐng)人:英特爾公司