控制晶体内的晶格间距制造技术

通过使用电场形成和控制单分散粒子或单分散粒子混合物的粒子间距的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及晶体领域，特别是晶体中粒子之间的晶格间距的控制。
技术介绍
在现有技术中已知光子晶体在光电子学、激光、平面透镜、传感器、滤波器和显示装置中具有各式各样的应用。制造光子晶体的常用方法是使用胶体自组装为胶体晶体。该自组装工艺可以通过一系列不同的方法例如沉积、离心、过滤、切变调整(shear alignment)或蒸发沉积而实现。电场可用于组装胶体的密堆积阵列也是已知的。例如参见(Electrophoretic assembly of colloidal crystals with opticallytunable micropatterns R.C.Hayward，D.A.Saville & I.A.Aksay，Nature，404卷，56页，2000年)及其引用的参考文献。在″ElectricField-Reversible Three-Dimensional Colloidal Crystals″TieyingGong，David T.Wu，和David W.M.Marr，Langmuir，19卷，5967页，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页，2004年中，示出了通过使用施加在两个平面电极上的AC电压组装胶体晶体的另一示例。利用四极电极结构产生用于通过介电泳控制和操作粒子的不均匀电场梯度是为大家所熟知的；H.P.Pohl在″Dielectrophoresis″CambridgeUniversity Press(1978)描述了最早的一些示例。并且，通常被称为用于操纵液体悬浮液中粒子(大部分为生物学的例如细胞)的“电旋转”的旋转电场的应用也是众所周知的，例如参见Jones，T.B.″Electromechanics of Particles″(Cambridge University Press，Cambridge，1995，p83)。特别地，US6056861中也描述了使用四极电极结构施加旋转电场的情况。然而，现有技术并没有建议使用电场来主动地控制以这里描述的方式组装的胶体晶体的晶格间距。通常晶体的晶格间距由密堆积、单分散球体的直径决定，并且一旦已经形成晶体结构则保持固定。控制光子晶体的晶格间距是用的，因为该参数决定光学停止带的位置，且因此决定了将被反射的光的波长，因为晶体内的传播被禁止。交互式地调节光子晶体内的晶格间距的能力是需要的，因为其允许形成多种光电子器件。在US5281370中、最近在US20040131799中都已经描述了形成可调的光子晶体的方法。然而这两种改变晶格间距的方法都是通过嵌入几何变形的聚合物基体的光子晶体实现的。这与本专利技术运用静电场交互控制液体悬浮液中的光子晶体的间距是显著不同的。在聚合物基体内嵌入光子晶体的局限性在于晶体本质上容易成为多晶体。这会导致宽度增加、强度减少以及反射峰位置不确定。可在这些系统内调节的晶格间距的范围由聚合物基体的灵活性限制，其限制器件可以运行的波长范围。并且，晶格间距能够改变的速度也取决于聚合物基体可以被压缩或延伸的速度。通常需要约0.5-1秒的时间，这使得聚合物基体排列中的光子晶体不适用于多种电光器件例如光切换器和视频码率(video-rate)应用的显示器，其需要的反应时间为毫秒或更小的数量级。在WO00/77566中以及在EP1359459中也提出了使用光子晶体作为反射式显示器内的滤光器的优点。然而，在这种反射式显示器件中使用本专利技术在可制造性和性能方面提供了进一步的改进，因为不需要红、绿和蓝像素的三种单独的光子晶体过滤器，现在使用单个的可调光子晶体就能以聚合物嵌入的光子晶体不可能实现的高切换率提供全部的三色响应。本专利技术要解决的问题本专利技术的目的是提供控制悬浮液中粒子的晶格间距的方法，其不具有现有技术中已知方法的问题和局限性。专利技术概述本专利技术使用电场交互地控制液体悬浮液中光子晶体的间距。根据本专利技术，提供一种通过使用电场控制基本上单分散的粒子或粒子混合物的规则晶格的粒子间距的方法。本专利技术允许动态、可逆的控制沿着两个独立轴的晶体内粒子间距。由于粒子是带电的，静电力阻止表面接触。然而粒子通过由电场感生的临时偶极子保持在密排六方(HCP)图案。因为在晶体内粒子的分离是通过电场控制的，改变场强可以改变晶格间距。晶格间距的改变是可逆的和迅速的，发生在一秒钟的若干分之几内。本专利技术的有利效果本专利技术允许悬浮液中粒子的精确、可逆、动态的定位。间距可以以迅速、可逆和可重复的方式控制。本专利技术也能够控制纵横比，即沿着不同的轴间距可以是不同的。从以下结合附图的说明，本专利技术的特征和优点将更加明显。 附图说明图1是在本专利技术实施方案中使用的电极布局的示意图；图2是阐述了粒子-粒子分离相对于使用非旋转电场的场强的曲线图；图3是阐述了粒子-粒子分离相对于使用旋转电场的场强的曲线图；和图4是阐述晶格间距相对于施加的场强度的另一曲线图。专利技术详述图1说明了用于演示本专利技术方法的电极的布局图。在观测区周围排列四个电极1、2、3和4。电极1和2连接到信号放大器5。电极3和4连接到信号放大器6。这四个电极是共面的。在所执行的实验中，电极1、4和2、3之间的距离是159μm。在电极1、3和2、4之间的距离是142μm。然而，间隙可以根据需要调节。更小的距离意味着以更低的电压实现预期的效果，即约30000Vm-1的强度。电极由溅射涂敷在玻璃显微镜载片上的40nm厚的铂层构成。通常在电极之间放置10μL等分试样的阴离子聚苯乙烯胶乳粒子的稀释悬浮液并覆盖显微镜盖片。在存在悬浮液的情况下，每个电极的边到边电阻小于100Ω，在任意两个电极之间的电阻大于5MΩ。正相位转移指信号放大器5领先(leading)信号放大器6。观察到使用标准技术合成的单分散阴离子聚苯乙烯胶乳粒子阵列的聚集、运动和粒子-粒子分离。使用Brookhaven Zetaplus光散射仪表征该粒子，其报导了在0.01mM KCl中-40.6mV的ξ(zeta)电势，和0.93μm的平均直径(多分散性0.012)。利用稀释水悬浮液(0.29wt％)在0.01mM的KCl电解液浓度下进行实验。使用装有照相机和视频记录设备的光学显微镜在四个电极(参见图1)之间的中心区域进行观察。在图1详细描述的四个共面电极1、2、3和4连接到以1600Hz的频率输出正弦交流电压的两个信号放大器5和6上。典型地该布置产生约30,000Vrms-1的场强，使得粒子排列成链状或自旋密排六方(HCP)晶体，这取决于电压的相对幅度和相位。观测总结如下。在没有施加任何电场的情况下，可以明显地观察到粒子的随机布朗运动并且粒子不聚集。当仅运行一个信号放大器(电极1和2或3和4)时，粒子自发地形成柔性链。随着时间的推移形成了更多的链，邻接的链周期性地漂移在一起以形成密排六方(HCP)晶体结构。当关掉电场时，晶体结构通过布朗运动″解散″。观察到仅通过运行信号放大器5形成的链垂直于仅通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用电场控制基本上单分散的粒子或单分散粒子混合物的规则晶格的粒子间距的方法。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：D斯诺斯维尔，B文森特，C鲍尔，
申请(专利权)人：伊斯曼柯达公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]