НАНОПИНЦЕТ ДЛЯ МАНИПУЛИРОВАНИЯ ЧАСТИЦАМИ
NANOPINCETTE TO PERFORM MANIPULATIONS WITH PARTICLES

Изобретение относится к нанотехнологиям для материалов и покрытий, к изготовлению или обработке наноструктур, а также к нанобиотехнологии.
Из предшествующего уровня техники известно захватывающее наноустройство и способ его изготовления (см. WO 2003045838 А1 05.06.2003). Если это пинцет, объект величины/размера порядка «милли» рисового зерна, волоса и т.п.может быть захвачен и удержан парой ручек. Однако частица на ДНК или жидкокристаллической панели, частица на плате интегральной схемы/субстрате и т.п. не может захватить нанообъект величины/размера порядка «нано». Это связано с тем, что передняя-конечная/заостренная часть пинцета не сможет захватывать частицы порядка «нано».
Известный из RU 2389681 20.05.2010 способ производства наноэлектронных и наномеханических приборов ограничивает возможности осаждения различных материалов необходимостью соответствия их размеров диаметру структурных каналов трубки. Кроме того, для проведения процессов адсорбции и десорбции необходимо создавать электрическое поле между нанотрубками и поверхностью подложки, что ограничивает возможности применения предложенного способа только использованием проводящих подложек. Еще одним недостатком описанного устройства является меньший градиент электрического поля на поверхности подложки. В результате частицы будут оставаться на вершине зонда и не осаждаться на более плоскую поверхность обрабатываемой подложки.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является диэлектрофоретическое (DEP) устройство – пинцет - и способы его применения, описанные в WO 2007058804 А1 24.05.2007. В указанном техническом решении два электрода располагаются на или составляют удлиненный объект, принимающий форму острия. Через эти электроды подается напряжение для получения неоднородного электромагнитного поля ближе к острию. Тем самым создается диэлектрофоретическая ловушка. Будучи захваченной, частица может быть перемещена в заданные позиции путем манипулирования удлиненным объектом или средой, в которой помещена частица. Множественное диэлектрофоретическое устройство-пинцет может быть приспособлено для формирования решеток острия, способных создавать соответственно местные электромагнитные поля, ограниченные остриями. Подобные диэлектрофоретические решетки могут применяться в нанопроизводственных процессах, включающих нанолитографию или наноманипуляцию, а также в приложениях для хранения и поиска данных.
Указанные технические решения являются ненадежными при использовании. Кроме того, все они характеризуются главным недостатком - отсутствием механизма полного освобождения от захваченного материала. В результате после переноса материала и приближении его к области осаждения переносимый материал или его часть в зависимости от соотношения величин атомных сил взаимодействия с вершинами электродов и областью осаждения не осаждается полностью и частично остается на вершинах электродов.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание надежного и технологичного устройства, лишенного указанных недостатков и дающего возможность полного освобождения нанопинцета от захваченного материала.
Указанная задача решается тем, что в электрополевой пинцет (или нанопинцет), состоящий из конусообразных электродов со сходящимися вершинами и подключенных к управляемому источнику электрического напряжения, между указанными конусообразными электродами расположен сердечник из изолирующего оптически прозрачного материала, также дополнительно введен лазер с регулируемыми параметрами излучения, вводимого через сердечник из изолирующего оптически прозрачного материала к вершинам конусообразных электродов при термодесорбции объекта из межэлектродного пространства от вершины конусообразных электродов. Задача также решается тем, что в способе использования электрополевого пинцета для манипулирования частицами создают неоднородное электрическое поле между двумя конусообразными электродами, приближают вершины их остриев к захватываемой с подложки частицы до тех пор, пока силы электростатического взаимодействия между электродами и частицей не превысят силы межатомного взаимодействия между частицей и подложкой, отрывают неоднородным электрическим полем частицу от подложки, фиксируют ее между вершинами остриев и перемещают в заданную область, приближают конусообразные электроды с захваченным объектом к подложке и выключают электрическое поле, а после выключения электрического поля создают лазерное излучение и осуществляют термодесорбцию (удаление) объекта из межэлектродного пространства.
Устройство электрополевого пинцета приведено на фиг. 1.
Устройство содержит:
1. сердечник, выполненный из изолирующего оптически прозрачного материала, применяемого лазерного излучения.
2, 3 - конусообазные электроды 9 (зонды) на поверхности сердечника.
4, 5 - провода соединяющие конусообразные электроды с управляемым источником электрического напряжения.
6. лазер, излучение которого вводится в сердечник.
7 - управляемый источник электрического напряжения.
Вершина сердечника электрополевого пинцета изготавливается конической формы. Конусообразные электроды располагаются на конической, цилиндрической или прямоугольной частях сердечника, количество электродов не менее 2.
Конусообразные электроды подключаются к электронной системе управления, генерирующей управляемое компьютером напряжение. Максимальная величина управляющего напряжения генерируемого электронной системой управления ограничивается возникновением электрического пробоя на поверхности между вершинами остриев конусообразных электродов.
Сердечник электрополевого пинцета может быть изготовлен как из однородного материала, а также из неоднородного на основе оптических волноводов с центральной областью из материалов с повышенным показателем преломления. Материалом, используемым в сердечнике, может быть кварц с легирующими примесями и без, многокомпонентные стекла, оксид циркония, оксид титана, а также метаматериалы.
Длина волны лазерного излучения выбирается соответствующей максимуму спектра поглощения перемещаемого материала.
Локализация излучения лазера в области на вершине сердечника осуществляется за счет полного внутреннего отражения на границе раздела сред с различным показателем преломления, а также отражения от электродов. Используется непрерывное или импульсное лазерное излучение. Мощности лазерного излучения могут достигать величин, выше которых начинается лазерный пробой. Лазерное излучение может использоваться как локализующее между конусообразными электродами перемещаемого объекта, потому что создает электромагнитные поля с высоким градиентом, а также для нагрева объекта и его термодесорбции из пространства между вершинами конусообразных электродов.
Конусообразные электроды электрополевого пинцета могут быть изготовлены из проводящих материалов с повышенным коэффициентом отражения излучения лазера, например алюминия, меди, золота, серебра, фуллеренов, графенов и т.д.
Минимальное расстояние между вершинами указанных электродов может составлять доли нанометра.
Электрополевой пинцет может манипулировать частицами различных материалов - проводящих, полупроводниковых и диэлектрических.
Устройство работает следующим образом, реализуя заявленный способ.
Сердечник нанопинцета 1 с конусообразными электродами 2, 3 приближают к захватываемому объекту (частице) и создают источником электрического напряжения неоднородное электрическое поле между вершинами остриев конусообразных электродов. В результате воздействия неоднородного электрического поля поляризующийся объект перемещается в направлении максимального градиента электрического поля вплоть до фиксации его в межэлектродном пространстве между остриями конусообразных электродов. Форма управляющего электрического импульса генерируемого управляющим источником электрического напряжения задается от компьютера. Времена нарастания и спада управляющего электрического импульса регулируются от десятых долей и менее до десятков секунд и более. Далее отдаляют электрополевой пинцет с захваченным объектом от подложки и перемещают его вместе с захваченным объектом в новое место над подложкой. После этого приближают электрополевой пинцет с захваченным объектом к подложке и выключают электрическое поле, после чего включают лазерное излучение и осуществляют термодесорбцию (удаление) объекта из межэлектродного пространства.