[发明专利]低维纳米材料高柔性组装芯片及应用方法

说明书

技术领域

本发明是一种三维可控的低维纳米材料的高柔性组装芯片技术，涉及微流 控领域以及纳米结构材料组装领域，特别是低维纳米材料的主动式组装领域。

背景技术

近年来，随着纳米材料合成技术的发展，金属材料、绝缘材料和半导体材 料可以通过组装形成新的纳米结构材料，应用于MEMS器件以及生物医学器件中。 由于各种纳米结构材料在化学稳定性和热稳定性上存在差异性，要实现高水平 的非均质纳米结构材料的组装，则存在着巨大的挑战。目前采用的组装方法由 两个步骤组成：首先分别合成各种纳米结构材料；然后应用某种微操纵方法进 行组装，从而完成整个微纳米器件制造。鉴于近年来材料学和化学领域研究的 不断发展，各种材料在各自的处理条件下单独合成较易实现，而将这些不同材 料组装并集成于纳米结构系统中则缺乏有效的方法，已成为制约微纳米器件制 造发展的瓶颈问题。因此研究发明一种准确、简单和高效地纳米结构材料组装 工具，成为纳米制造研究领域中极为关键且重要的基础研究课题。

该课题的研究是近几年来各国学者研究的热点，包括：应用微流体技术将 一维纳米结构排列成功能网络或在轨道式微流道中组装成纳米器件；应用微接 触印刷技术实现无机纳米线或碳纳米管大面积喷涂；应用Langmuir-Blodgett 排列技术可以排列纳米棒或流体中大量分散的纳米线。应用生物样板组装技术 可实现生物材料自发组装，但其组装过程机理复杂，难以精确控制。

上述组装技术都是针对纳米结构材料(包含类球粒子、纳米线、纳米管) 群体的非精确操控，而目前微纳米器件制造过程中更需要针对单一纳米结构材 料个体的精确操纵。近年来已有研究者使用三轴纳米机械手或光镊陷阱实现单 个纳米结构的精确操纵。纳米机械手主要有两种：一种是通过原子力显微镜系 统中压电执行器控制样品平面运动和竖直方向探针与样品之间距离来实现的； 另一种是通过皮米级电机和压电致动器控制安装于扫描电子显微镜内部的两个 探针运动实现的。此类微纳米机械手缺点：一方面，操纵过程依赖于精密微电 机和压电致动器，灵活性差、耗时长且价格昂贵；另一方面，此类操纵不能实 现单个纳米结构的大规模并行操控。

光镊陷阱操纵技术，一种是贝尔实验室Ashkin发明光镊技术，用于对直径 在几十纳米到几十微米的微粒个体进行高精度操纵，另一种是Mogensen和 Gluckstad研究出的动态全息光镊，利用相差方法产生任意形状的激光光束阵 列，用于对多个生物样品微粒进行并行操纵。但光镊、动态全息光镊捕捉范围 小(＜1微米)，这就限制了光镊在大规模并行操纵中的应用。

综上所述，运用微流体技术、微接触印刷技术、Langmuir-Blodgett排列技 术和生物样板组装技术只能实现将大量纳米结构材料作为一个整体进行组装和 集成，而对单一纳米结构个体的单独操控和并行组装则无能为力。应用微纳米 机械手和光镊技术虽然能够实现对单个纳米结构的控制，但仍不能同时达到高 精度、高通量、低成本和多维操纵的要求。

介电泳(Dielectrophoresis，简称DEP)技术作为一种重要的微纳米结构 个体操作工具，与上述纳米结构材料组装技术相比，由于没有移动部件、不需 要昂贵的设备、属于非接触非入侵式操控，且实施简单、满足大量并行的主动 式(即纳米材料主动运动，而微器件内的所有部件静止)操作需求，成为目前 纳米结构材料组装技术中一项重要的使能技术。目前，基于介电泳力的纳米结 构材料组装和运动控制的研究已逐渐成为各国科研热点，虽然该领域中已取得 了一定的研究成果，但仍存在着亟待解决的问题，目前限制介电泳技术在纳米 制造领域推广应用的两个主要问题表现为：

①为了实现对纳米结构材料的组装，需要根据具体装配关系(例如纳米间隙 的桥接或纳米颗粒的嵌入)以及被控纳米材料的具体形态和性质，设计和制造 能够实现相应功能的精密电极结构，制造工艺复杂且制作成本高，其柔性很差。

②应用介电泳技术实现纳米结构材料组装过程中，普遍存在的难以实现高效 灵活的单个纳米结构的三维控制的问题。此问题进而导致不能实现单纳米结构 高精确度的大规模并行组装。

因此，在继承介电泳技术在低维纳米结构材料组装领域优势的同时，如何提 高电极柔性和可重构性，降低电极结构的制作成本，并实现对大规模纳米结构 材料的精确、三维可控性操纵，成为解决介电泳技术在纳米结构材料组装应用 中的关键技术问题。

发明内容