專利名稱：利用全息光學(xué)鑷子處理納米導(dǎo)線的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：


圖1 (b)是被光學(xué)陷阱陣列旋轉(zhuǎn)和平移的單個CdS納米 導(dǎo)線的多次膝光圖像。
具體實(shí)施例方式
0012本發(fā)明提供一種在有全息光學(xué)陷阱陣列的溶液中操作和處 理納米導(dǎo)線的系統(tǒng)和方法。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，CdS和Si納米 導(dǎo)線被分散在水中以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。在這個具體的實(shí)施例中，CdS納米 導(dǎo)線的標(biāo)稱直徑是80 nm和長度高達(dá)20 pm，而Si納米導(dǎo)線有更大的 縱橫比，其直徑可以小至20nm。這些樣本被注入到約40nm厚的縫 隙中，它是通過密封透明玻璃蓋片的邊緣到顯微鏡栽片的表面上制成 的。這兩種材料的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水的密度(pCdS=4.8 g/cm3， ps產(chǎn)2.3 g/cm3)，并快速地沉積到較低的玻璃壁上，其中CdS樣本基本上完 全是在該平面上。在本發(fā)明的這個實(shí)施例中，密封的樣本被安裝到 Zeiss Axiovert S100-TV顯微鏡的平臺上便于觀察和操作，它裝備lOOx NA 1.4 S-Plan Apo油浸物鏡。這個透鏡用于建立被分散納米導(dǎo)線的明 場圖像并把連續(xù)波(CW)倍頻Nd:YV04激光器的光聚焦成光學(xué)陷阱， 該激光器工作在532 nm ( Coherent Verdi)。
0013高度聚焦的單個光束形成稱之為光學(xué)鑷子的光學(xué)陷阱，它 能夠沿三維方向捕獲中型物體。然而，在低于約1W的激光功率下， 單個光學(xué)鑷子似乎不能夠移動任何類型的半導(dǎo)體納米導(dǎo)線。每當(dāng)焦點(diǎn) 傳輸通過納米導(dǎo)線時，在較高功率下的快速加熱可以導(dǎo)致汽泡的形成。 這種快速加熱還可以導(dǎo)致納米導(dǎo)線本身的明顯變化，其中包括彎曲， 球狀體的形成，和甚至裂紋。這是與在^L大的光子通量傳輸通過聚焦 體積時形成的光吸收加熱一致。
0014為了在減小輻射損傷的同時有更大的力作用到納米導(dǎo)線 上，利用動態(tài)全息光學(xué)鑷子技術(shù)，投射大量衍射受限的光學(xué)陷阱。這
種方法利用空間光調(diào)制器(SLM ) ( Hamamatsu X7550 PAL-SLM ) 印制計算機(jī)設(shè)計的相位全息圖，它可以在聚焦之前編碼理想的陷阱陣 列到激光束的波前上。通過投射一 系列編碼中間捕獲配置序列的全息 圖，該陷阱陣列中的每個陷阱可以沿三維方向獨(dú)立地平移。
0015圖1 (a)中的圖像表示來自線性60-陷阱陣列的聚焦光， 它可以移動圖1 (b)中所示的CdS納米導(dǎo)線。在這種情況下，該陷 阱陣列被聚焦成在0.5 nm內(nèi)的納米導(dǎo)線平面和每個陷阱提供3 mW的 功率。即使在這種比較低的激光功率下，初始取向垂直于光學(xué)陷阱陣 列的納米導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)成在幾秒內(nèi)的重合。給定陷阱之間隔開的距離為0.4 jLun，在它的最終配置中大致有15個陷阱被同時排列到這個納米導(dǎo)線 上。
0016給定以上的條件， 一旦納米導(dǎo)線與陷阱陣列對齊，通過在 視場上移動該陣列或相對于該陣列移動樣本平臺，就能夠以大致ii-lO Hm/sec的速度平移該納米導(dǎo)線。應(yīng)當(dāng)注意，通過增大功率，優(yōu)化激光 波長，或利用增大每個陷阱的有效力的任何各種其他機(jī)構(gòu)，平移納米 導(dǎo)線的速度可以大于11=10 nm/sec。作用在長度L和半徑a的圓柱體 上的曳力近似地可以由以下的公式給出，其中該圓柱體平移通過低 Reynolds數(shù)的粘滯度T]的無界液體
其中s-ln (L/A) 1"，它設(shè)定作用到這個橫截面的CdS納米導(dǎo)線 上的光學(xué)力0.2fn/trap的下限。通過限制玻璃表面與納米導(dǎo)線中心的 距離為h 0.5jim，可以大大增強(qiáng)作用到這個納米導(dǎo)線上的實(shí)際曳力， 并可以由以下公式中a/h的最低級次表示
它至少可以使捕獲力的估算值增大2倍。
0017以上的估算值說明，單個光學(xué)鑷子應(yīng)當(dāng)能夠移動一個納米 導(dǎo)線。然而，即4吏是這種情況，該納米導(dǎo)線會旋轉(zhuǎn)成這樣的取向，它 使沿運(yùn)動方向的戔力最小化，因而可以從陷阱中逃逸。全息光學(xué)鑷子
陣列提供的空間延伸捕獲勢保持該納米導(dǎo)線的取向，從而能夠?qū)崿F(xiàn)可 控的平移。
[0018當(dāng)單個陷阱被轉(zhuǎn)換成光學(xué)渦流時，可以進(jìn)一步展示納米導(dǎo) 線對光學(xué)鑷子響應(yīng)的常規(guī)性質(zhì)，其中利用SLM施加螺旋形相位分布 ^0=/0到捕獲的激光波前上。在這種情況下，？-(r,^)是在相對于光 束軸的光束垂直的平面上的極坐標(biāo)，和/是限定波前螺旋性的整數(shù)繞 組數(shù)。這種調(diào)制效應(yīng)是把點(diǎn)狀光學(xué)鑷子變換成環(huán)狀陷阱，它的環(huán)半徑 與繞組數(shù)成線性關(guān)系，除了它們的本征自旋角動量以外，環(huán)狀陷阱中 的每個光子還具有軌道角動量傷。這個角動量可以轉(zhuǎn)移到被光環(huán)照明 的物體上，從而得到與光強(qiáng)成正比的凈轉(zhuǎn)矩。
[0019Si和CdS納米導(dǎo)線都有與光環(huán)的切線方向?qū)?zhǔn)的趨勢。一 旦它們沿切線取向，經(jīng)受輻射壓力的橫截面變得較大，且它們得到沿 徑向朝外的推力。然而，在光學(xué)渦流陷阱區(qū)中時，納米導(dǎo)線在與常規(guī) 微米尺度介質(zhì)球相同方向的圃周上確實(shí)獲得推力。這些觀察是與這樣 的解釋一致，盡管它們有極小的橫截面，納米導(dǎo)線經(jīng)歷與常規(guī)光學(xué)梯 度力陷阱相同的光學(xué)鑷子。
0020光學(xué)鑷子也可以沿與光軸垂直的方向移動單個納米導(dǎo)線， 并可以把它們壓向基片。除非釆取特別措施以穩(wěn)定納米導(dǎo)線免遭沉積， 否則它可以導(dǎo)致Van der Waals相互作用而使納米導(dǎo)線可逆地固定到 基片上，在納米導(dǎo)線被穩(wěn)定的情況下，例如，利用一層吸收型聚合物 表面活化劑，通過選擇性的光化學(xué)或光熱過程，它們?nèi)匀豢梢员还潭ā?最筒單的方法涉及增大激光功率，直至穩(wěn)定層被解吸或破壞。這種選
礎(chǔ)。這種光學(xué)處i的更積極形i可用于有選擇地熔化納米導(dǎo)線之間的 觸點(diǎn)，從而把它們?nèi)酆铣捎谰眯越Y(jié)構(gòu)。更精確的方案可以利用線性或 非線性光化學(xué)過程，它是有選擇地在納米導(dǎo)線結(jié)合點(diǎn)誘發(fā)光化學(xué)變化 以建立具體的功能。
[0021通過投射特定強(qiáng)度或特定波長的光到納米導(dǎo)線上，還可以 改變上述類型的納米導(dǎo)線?？梢赃x取相應(yīng)的強(qiáng)度和波長以實(shí)現(xiàn)沿納米
導(dǎo)線長度方向的具體變化?？梢詫?shí)現(xiàn)的變化包括納米導(dǎo)線的熔化， 納米導(dǎo)線的切割，和化學(xué)變換。這些變化都可以發(fā)生在包含類似或不 同材料納米導(dǎo)線之間的結(jié)合點(diǎn)上。這種變換還可以導(dǎo)致在納米導(dǎo)線之 間以及在納米導(dǎo)線與其他基片之間形成機(jī)械觸點(diǎn)，電觸點(diǎn)或光觸點(diǎn)。
[0022此處給出的結(jié)果說明，全息光學(xué)鑷子陣列可用于把半導(dǎo)體 納米導(dǎo)線組裝成緊密組織的二維和三維結(jié)構(gòu)。通過調(diào)諧激光波長以增 強(qiáng)光學(xué)捕獲力，可以優(yōu)化這種過程，并隨著全息捕獲技術(shù)的進(jìn)展可以 變得更快和高度平行。
00231以上描述的本發(fā)明實(shí)施例是為了說明和描述的目的。我們 不打算詳盡地說明或限制本發(fā)明到此處公開的形式，鑒于以上描述的
內(nèi)容，各種改動和變化是可能的，或可以根據(jù)本發(fā)明的實(shí)踐得到這種 改動和變化。我們選取和描述的實(shí)施例是為了解釋本發(fā)明的原理以及 它的實(shí)際應(yīng)用，從而能使專業(yè)人員利用各種實(shí)施例中的本發(fā)明，并使 各種改動適合于預(yù)期的具體應(yīng)用。
權(quán)利要求
1. 一種借助于提供至少第一納米導(dǎo)線處理納米導(dǎo)線的方法，這種改進(jìn)包括以下步驟:輸入多個光束，形成多個光學(xué)陷阱，投射該多個光學(xué)陷阱到第一納米導(dǎo)線上，和處理該至少第一納米導(dǎo)線。
2. 按照權(quán)利要求l的方法，其中處理該至少第一納米導(dǎo)線的步 驟包括操作，隔離，加熱和化學(xué)變換該至少第一納米導(dǎo)線中的至少 之一。
3. 按照權(quán)利要求l的方法，其中該至少笫一納米導(dǎo)線包括金 屬納米導(dǎo)線和半導(dǎo)體納米導(dǎo)線中的至少之一。
4. 按照權(quán)利要求l的方法，其中該至少笫一納米導(dǎo)線包括CdS 和Si中的至少之一。
5. 按照權(quán)利要求l的方法，還包括步驟通過改變光學(xué)陷阱陣 列相對于該至少第一納米導(dǎo)線的位置，平移該至少第一納米導(dǎo)線。
6. 按照權(quán)利要求l的方法，還包括以下步驟 提供第二納米導(dǎo)線；和通過增大至少一個光學(xué)陷阱陣列投射的功率，熔合該至少第一納 米導(dǎo)線到第二納米導(dǎo)線上。
7. 按照權(quán)利要求l的方法，還包括以下步驟 把多個光學(xué)陷阱中的至少一個光學(xué)陷阱變換成至少一個光學(xué)渦流5 和利用該至少一個光學(xué)渦流沿徑向平移該至少第一納米導(dǎo)線。
8. 按照權(quán)利要求l的方法，其中該多個光束具有預(yù)定的波長， 為的是在該至少第一納米導(dǎo)線中產(chǎn)生該至少部分的變化。
9. 按照權(quán)利要求l的方法，其中該多個光束具有預(yù)定的強(qiáng)度， 為的是在該至少第一納米導(dǎo)線中產(chǎn)生該至少部分的變化。
10， 按照權(quán)利要求1的方法，其中該至少笫一納米導(dǎo)線和笫二 納米導(dǎo)線選自相同材料和不同材料的組。
11. 按照權(quán)利要求1的方法，其中該變化在該至少第一納米導(dǎo) 線與第二納米導(dǎo)線，第二納米導(dǎo)線與非納米導(dǎo)線基片，和該至少第一 納米導(dǎo)線與非納米導(dǎo)線基片中的至少兩個之間形成觸點(diǎn)，其中該觸點(diǎn) 選自由機(jī)械觸點(diǎn)，電觸點(diǎn)和光觸點(diǎn)構(gòu)成的組。
全文摘要
一種在有全息光學(xué)陷阱陣列的溶液中用于操作和處理納米導(dǎo)線的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法能夠建立幾百個分別受控的光學(xué)陷阱，該陷阱具有沿三維方向操作物體的能力。在單個陷阱沒有可辨別影響的條件下，橫截面小于20nm和長度超過20μm的各個納米導(dǎo)線能夠被隔離，平移，旋轉(zhuǎn)和沉積到有全息光學(xué)陷阱陣列的基片上。被高度聚焦陷阱誘發(fā)的空間定域光熱和光化學(xué)過程還可用于熔化局部區(qū)域到各個納米導(dǎo)線上并熔合納米導(dǎo)線接合點(diǎn)。
文檔編號H05H3/04GK101378985SQ200680002215
公開日2009年3月4日 申請日期2006年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月12日
發(fā)明者于桂華, 大衛(wèi)·G·格里爾, 庫斯塔·拉德維克, 查爾斯·M·利伯, 耶爾·羅伊切曼, 里特什·阿加瓦爾 申請人:紐約大學(xué);哈佛大學(xué)