介電泳精確操縱與批量組裝納米線的關鍵技術研究.pdf

1、近十年以來，最引人注目的納米科技是:將納米“構筑模塊”“自下而上”地組建成任意種類的納米功能器件或系統。作為一種優(yōu)秀的納米“構筑模塊”，納米線既能為尺度減小引起的電、熱傳輸特性和力學特性的研究提供良好載體，也能為納米電子、光電、電化學和機電器件的制造提供連接部件和功能部件。因此，研究開發(fā)納米線的高柔性與大規(guī)模操控系統，以滿足單根精確操縱和多根批量組裝的要求，是實現“自下而上”構建納米線功能系統的重要環(huán)節(jié)。
　　本文在回顧了多種納米

2、線操縱技術以及介電泳技術現狀的基礎上，探討了介電泳技術操縱納米線的理論基礎和建模仿真，并研制了納米線操控芯片及實驗系統平臺，最終實現了納米線的多姿態(tài)、多功能的精確操控與組裝。論文研究取得了下列研究成果:
　　(1)研究建立了納米線的介電泳動力學模型并進行了介電泳操控過程的電動力學數值仿真。通過系統分析納米線在交流動電環(huán)境下的受力狀況，討論了影響納米線介電泳的相關因素，在此基礎上開展了納米線的電場取向、正介電泳行為、電旋轉的數值模擬

3、。應用浸入有限元法對多種典型電場分布模型內納米線的取向過程、線性遷移和動態(tài)旋轉等運動行為進行了仿真，探討了納米線操控過程中動力學行為（線速度、角速度、偏移距離等）的相關影響因素（電壓、間距等），為納米線操控實驗的芯片設計提供了具體策略和依據。
　　(2)研制了適用于水平姿態(tài)和豎直姿態(tài)納米線操控的介電泳芯片，并研制了相應的實驗操控平臺。本文中芯片的制備工藝研究涉及:實體電極陣列的結構設計及制備工藝;光電導層材料選擇及其制備工藝;實體

4、電極芯片和光誘導介電泳芯片的封裝測試等方面。而納米線實驗操控平臺的研制包括:研究開發(fā)納米線實時監(jiān)控（明場、暗場顯微成像系統）、激勵信號發(fā)生與控制（交流信號實時控制系統）、光圖案生成與投影（光路系統與光圖案控制軟件）等裝置，并集成所開發(fā)的納米線操控芯片，最后構建了納米線柔性化操控平臺。
　　(3)開展了水平姿態(tài)納米線的精確操控實驗研究，并建立了納米線輸運速度和旋轉角速度的定量控制方法，以及納米線介電泳力（矩）與輸運速度（旋轉角速度）

5、的關系模型。通過控制多相信號輸出，單根納米線能完成取向切換、定向輸運和定點旋轉等多種操縱功能。在操縱過程中，納米線的輸運速度和旋轉角速度可能通過調節(jié)外加信號的幅值與頻率進行定量控制。此外，利用建立的納米線介電泳力（矩）與輸運速度（旋轉角速度）關系模型，納米線操縱過程的介電泳力和旋轉力矩可以根據實驗數據進行快速定量表征。
　　(4)開展了豎直姿態(tài)納米線的并行精確操控實驗研究，并建立了納米線取向姿態(tài)與位置的關系模型，以及精確表征納米線

6、極限速度的方法模型。通過控制光圖案投射，可以實現納米線單體和陣列的精確定位。而基于納米線的姿態(tài)取向和位置關系，以及精確表征的納米線極限速度譜，能實現對不同長度納米線的動態(tài)分離。由此，將相同長度納米線進行組裝可以得到等間距的納米線陣列，并且納米線的陣列間距能通過管理信號頻率實現自動調節(jié)。對于納米線的輸運，較低的頻率(100-400 kHz)可以獲得更高的最大輸運速度;而對于納米線陣列的疏密控制，較高的頻率(800 kHz-1MHz)可以獲

7、得更大的陣列間距。
　　(5)在上述研究成果基礎上，綜合應用介電泳和電滲流方法，實現了納米線的單根定點沉積與大規(guī)模圖案化組裝等操控功能。通過zeta電勢計算和流場分析，獲得了控制納米線運動的電滲流、光圖案等關鍵參數?；诩{米線的長軸流體取向原理，利用小尺寸光斑精確控制了納米線的取向轉換和自旋轉。而利用大尺寸光斑，實現了單根納米線在光斑內的定點沉積和長距離、多轉向的水平遷移。最后，采用多種形狀和組合光斑，實現了大規(guī)模納米線的圖案化組