控制晶體內的晶格間距制造技術

通過使用電場形成和控制單分散粒子或單分散粒子混合物的粒子間距的方法。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及晶體領域，特別是晶體中粒子之間的晶格間距的控制。
技術介紹
在現有技術中已知光子晶體在光電子學、激光、平面透鏡、傳感器、濾波器和顯示裝置中具有各式各樣的應用。制造光子晶體的常用方法是使用膠體自組裝為膠體晶體。該自組裝工藝可以通過一系列不同的方法例如沉積、離心、過濾、切變調整(shear alignment)或蒸發沉積而實現。電場可用于組裝膠體的密堆積陣列也是已知的。例如參見(Electrophoretic assembly of colloidal crystals with opticallytunable micropatterns R.C.Hayward，D.A.Saville & I.A.Aksay，Nature，404卷，56頁，2000年)及其引用的參考文獻。在″ElectricField-Reversible Three-Dimensional Colloidal Crystals″TieyingGong，David T.Wu，和David W.M.Marr，Langmuir，19卷，5967頁，2003年和″Two-Dimensional Crystallization of Microsphetes by a CoplanarAC Electric Field″，Simon O.Lumsdon，Eric W.Kaler，和Orlin D.Velev，Langmuir，20卷，2108頁，2004年中，示出了通過使用施加在兩個平面電極上的AC電壓組裝膠體晶體的另一示例。利用四極電極結構產生用于通過介電泳控制和操作粒子的不均勻電場梯度是為大家所熟知的；H.P.Pohl在″Dielectrophoresis″CambridgeUniversity Press(1978)描述了最早的一些示例。并且，通常被稱為用于操縱液體懸浮液中粒子(大部分為生物學的例如細胞)的“電旋轉”的旋轉電場的應用也是眾所周知的，例如參見Jones，T.B.″Electromechanics of Particles″(Cambridge University Press，Cambridge，1995，p83)。特別地，US6056861中也描述了使用四極電極結構施加旋轉電場的情況。然而，現有技術并沒有建議使用電場來主動地控制以這里描述的方式組裝的膠體晶體的晶格間距。通常晶體的晶格間距由密堆積、單分散球體的直徑決定，并且一旦已經形成晶體結構則保持固定。控制光子晶體的晶格間距是用的，因為該參數決定光學停止帶的位置，且因此決定了將被反射的光的波長，因為晶體內的傳播被禁止。交互式地調節光子晶體內的晶格間距的能力是需要的，因為其允許形成多種光電子器件。在US5281370中、最近在US20040131799中都已經描述了形成可調的光子晶體的方法。然而這兩種改變晶格間距的方法都是通過嵌入幾何變形的聚合物基體的光子晶體實現的。這與本專利技術運用靜電場交互控制液體懸浮液中的光子晶體的間距是顯著不同的。在聚合物基體內嵌入光子晶體的局限性在于晶體本質上容易成為多晶體。這會導致寬度增加、強度減少以及反射峰位置不確定。可在這些系統內調節的晶格間距的范圍由聚合物基體的靈活性限制，其限制器件可以運行的波長范圍。并且，晶格間距能夠改變的速度也取決于聚合物基體可以被壓縮或延伸的速度。通常需要約0.5-1秒的時間，這使得聚合物基體排列中的光子晶體不適用于多種電光器件例如光切換器和視頻碼率(video-rate)應用的顯示器，其需要的反應時間為毫秒或更小的數量級。在WO00/77566中以及在EP1359459中也提出了使用光子晶體作為反射式顯示器內的濾光器的優點。然而，在這種反射式顯示器件中使用本專利技術在可制造性和性能方面提供了進一步的改進，因為不需要紅、綠和藍像素的三種單獨的光子晶體過濾器，現在使用單個的可調光子晶體就能以聚合物嵌入的光子晶體不可能實現的高切換率提供全部的三色響應。本專利技術要解決的問題本專利技術的目的是提供控制懸浮液中粒子的晶格間距的方法，其不具有現有技術中已知方法的問題和局限性。專利技術概述本專利技術使用電場交互地控制液體懸浮液中光子晶體的間距。根據本專利技術，提供一種通過使用電場控制基本上單分散的粒子或粒子混合物的規則晶格的粒子間距的方法。本專利技術允許動態、可逆的控制沿著兩個獨立軸的晶體內粒子間距。由于粒子是帶電的，靜電力阻止表面接觸。然而粒子通過由電場感生的臨時偶極子保持在密排六方(HCP)圖案。因為在晶體內粒子的分離是通過電場控制的，改變場強可以改變晶格間距。晶格間距的改變是可逆的和迅速的，發生在一秒鐘的若干分之幾內。本專利技術的有利效果本專利技術允許懸浮液中粒子的精確、可逆、動態的定位。間距可以以迅速、可逆和可重復的方式控制。本專利技術也能夠控制縱橫比，即沿著不同的軸間距可以是不同的。從以下結合附圖的說明，本專利技術的特征和優點將更加明顯。 附圖說明圖1是在本專利技術實施方案中使用的電極布局的示意圖；圖2是闡述了粒子-粒子分離相對于使用非旋轉電場的場強的曲線圖；圖3是闡述了粒子-粒子分離相對于使用旋轉電場的場強的曲線圖；和圖4是闡述晶格間距相對于施加的場強度的另一曲線圖。專利技術詳述圖1說明了用于演示本專利技術方法的電極的布局圖。在觀測區周圍排列四個電極1、2、3和4。電極1和2連接到信號放大器5。電極3和4連接到信號放大器6。這四個電極是共面的。在所執行的實驗中，電極1、4和2、3之間的距離是159μm。在電極1、3和2、4之間的距離是142μm。然而，間隙可以根據需要調節。更小的距離意味著以更低的電壓實現預期的效果，即約30000Vm-1的強度。電極由濺射涂敷在玻璃顯微鏡載片上的40nm厚的鉑層構成。通常在電極之間放置10μL等分試樣的陰離子聚苯乙烯膠乳粒子的稀釋懸浮液并覆蓋顯微鏡蓋片。在存在懸浮液的情況下，每個電極的邊到邊電阻小于100Ω，在任意兩個電極之間的電阻大于5MΩ。正相位轉移指信號放大器5領先(leading)信號放大器6。觀察到使用標準技術合成的單分散陰離子聚苯乙烯膠乳粒子陣列的聚集、運動和粒子-粒子分離。使用Brookhaven Zetaplus光散射儀表征該粒子，其報導了在0.01mM KCl中-40.6mV的ξ(zeta)電勢，和0.93μm的平均直徑(多分散性0.012)。利用稀釋水懸浮液(0.29wt％)在0.01mM的KCl電解液濃度下進行實驗。使用裝有照相機和視頻記錄設備的光學顯微鏡在四個電極(參見圖1)之間的中心區域進行觀察。在圖1詳細描述的四個共面電極1、2、3和4連接到以1600Hz的頻率輸出正弦交流電壓的兩個信號放大器5和6上。典型地該布置產生約30,000Vrms-1的場強，使得粒子排列成鏈狀或自旋密排六方(HCP)晶體，這取決于電壓的相對幅度和相位。觀測總結如下。在沒有施加任何電場的情況下，可以明顯地觀察到粒子的隨機布朗運動并且粒子不聚集。當僅運行一個信號放大器(電極1和2或3和4)時，粒子自發地形成柔性鏈。隨著時間的推移形成了更多的鏈，鄰接的鏈周期性地漂移在一起以形成密排六方(HCP)晶體結構。當關掉電場時，晶體結構通過布朗運動″解散″。觀察到僅通過運行信號放大器5形成的鏈垂直于僅通過本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種使用電場控制基本上單分散的粒子或單分散粒子混合物的規則晶格的粒子間距的方法。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：D斯諾斯維爾，B文森特，C鮑爾，
申請(專利權)人：伊斯曼柯達公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]