介电泳精确操纵与批量组装纳米线的关键技术研究

摘要

近十年以来，最引人注目的纳米科技是:将纳米“构筑模块”“自下而上”地组建成任意种类的纳米功能器件或系统。作为一种优秀的纳米“构筑模块”，纳米线既能为尺度减小引起的电、热传输特性和力学特性的研究提供良好载体，也能为纳米电子、光电、电化学和机电器件的制造提供连接部件和功能部件。因此，研究开发纳米线的高柔性与大规模操控系统，以满足单根精确操纵和多根批量组装的要求，是实现“自下而上”构建纳米线功能系统的重要环节。
　　本文在回顾了多种纳米线操纵技术以及介电泳技术现状的基础上，探讨了介电泳技术操纵纳米线的理论基础和建模仿真，并研制了纳米线操控芯片及实验系统平台，最终实现了纳米线的多姿态、多功能的精确操控与组装。论文研究取得了下列研究成果:
　　(1)研究建立了纳米线的介电泳动力学模型并进行了介电泳操控过程的电动力学数值仿真。通过系统分析纳米线在交流动电环境下的受力状况，讨论了影响纳米线介电泳的相关因素，在此基础上开展了纳米线的电场取向、正介电泳行为、电旋转的数值模拟。应用浸入有限元法对多种典型电场分布模型内纳米线的取向过程、线性迁移和动态旋转等运动行为进行了仿真，探讨了纳米线操控过程中动力学行为（线速度、角速度、偏移距离等）的相关影响因素（电压、间距等），为纳米线操控实验的芯片设计提供了具体策略和依据。
　　(2)研制了适用于水平姿态和竖直姿态纳米线操控的介电泳芯片，并研制了相应的实验操控平台。本文中芯片的制备工艺研究涉及:实体电极阵列的结构设计及制备工艺;光电导层材料选择及其制备工艺;实体电极芯片和光诱导介电泳芯片的封装测试等方面。而纳米线实验操控平台的研制包括:研究开发纳米线实时监控（明场、暗场显微成像系统）、激励信号发生与控制（交流信号实时控制系统）、光图案生成与投影（光路系统与光图案控制软件）等装置，并集成所开发的纳米线操控芯片，最后构建了纳米线柔性化操控平台。
　　(3)开展了水平姿态纳米线的精确操控实验研究，并建立了纳米线输运速度和旋转角速度的定量控制方法，以及纳米线介电泳力（矩）与输运速度（旋转角速度）的关系模型。通过控制多相信号输出，单根纳米线能完成取向切换、定向输运和定点旋转等多种操纵功能。在操纵过程中，纳米线的输运速度和旋转角速度可能通过调节外加信号的幅值与频率进行定量控制。此外，利用建立的纳米线介电泳力（矩）与输运速度（旋转角速度）关系模型，纳米线操纵过程的介电泳力和旋转力矩可以根据实验数据进行快速定量表征。
　　(4)开展了竖直姿态纳米线的并行精确操控实验研究，并建立了纳米线取向姿态与位置的关系模型，以及精确表征纳米线极限速度的方法模型。通过控制光图案投射，可以实现纳米线单体和阵列的精确定位。而基于纳米线的姿态取向和位置关系，以及精确表征的纳米线极限速度谱，能实现对不同长度纳米线的动态分离。由此，将相同长度纳米线进行组装可以得到等间距的纳米线阵列，并且纳米线的阵列间距能通过管理信号频率实现自动调节。对于纳米线的输运，较低的频率(100-400 kHz)可以获得更高的最大输运速度;而对于纳米线阵列的疏密控制，较高的频率(800 kHz-1MHz)可以获得更大的阵列间距。
　　(5)在上述研究成果基础上，综合应用介电泳和电渗流方法，实现了纳米线的单根定点沉积与大规模图案化组装等操控功能。通过zeta电势计算和流场分析，获得了控制纳米线运动的电渗流、光图案等关键参数。基于纳米线的长轴流体取向原理，利用小尺寸光斑精确控制了纳米线的取向转换和自旋转。而利用大尺寸光斑，实现了单根纳米线在光斑内的定点沉积和长距离、多转向的水平迁移。最后，采用多种形状和组合光斑，实现了大规模纳米线的图案化组装，并分析了频率对组装效率的影响。在纳米线的光致电渗流操控实验中，最优的操控频率范围为500 Hz至25 kHz。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 纳米线操纵技术研究现状

1．2．1 机械式

1．2．2 分子力

1．2．3 静电力

1．2．4 剪切力

1．2．5 磁场

1．2．6 光镊

1．3 介电泳操纵技术研究现状

1．3．1 介电泳操纵微米粒子

1．3．2 介电泳操纵纳米结构

1．4 课题来源与主要研究内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 论文的选题意义

1．4．3 论文的主要研究内容

1．4．4 论文的组织结构

第二章 纳米线介电泳行为的建模与仿真

2．1 引言

2．2 纳米线介电泳行为建模

2．2．1 介电泳理论

2．2．2 低雷诺数流动理论

2．2．3 其他物理因素

2．2．4 纳米线介电泳运动模型

2．3 纳米线介电泳行为仿真

2．3．1 纳米线的电场取向

2．3．2 纳米线的正介电泳行为

2．3．3 纳米线的电旋转

2．4 本章小结

第三章 纳米线介电泳操控系统平台构建

3．1 引言

3．2 纳米线-实体电极介电泳操控系统平台构建

3．2．1 四电极介电泳芯片工作原理

3．2．2 四电极介电泳芯片的制作

3．2．3 纳米线-四电极介电泳操控平台

3．3 纳米线-光诱导介电泳操控系统平台构建

3．3．1 LIDEP工作原理

3．3．2 LIDEP芯片制作

3．3．3 纳米线-光诱导介电泳操控平台搭建

3．4 纳米线的制备

3．5 本章小结

第四章 水平姿态纳米线的定向输运与定点旋转

4．1 引言

4．2 四电极-介电泳芯片电场分析

4．2．1 四电极-介电泳参数设置

4．2．2 多信号模式的电场分析

4．3 纳米线的水平姿态操控

4．3．1 纳米线的水平取向

4．3．2 纳米线的正介电泳组装

4．3．4 纳米线的定点旋转

4．4 介电泳力和力矩的实验估算

4．4．1 介电泳力估算模型

4．4．2 旋转力矩估算模型

4．4．3 估算模型的验证

4．5 本章小结

第五章 竖直姿态纳米线的精确定位与阵列控制

5．1 引言

5．2 光诱导介电泳电场分析

5．2．1 边界条件与参数设置

5．2．2 光致电场分析

5．2．3 等效电路模型

5．3 纳米线的竖直姿态操控

5．3．1 单根纳米线的精确定位

5．3．2 单根纳米线的动态输运

5．3．3 不同长度纳米线的动态分离

5．3．4 多根纳米线的富集与并行操控

5．3．5 多根纳米线阵列的疏密控制

5．4 本章小结

第六章 纳米线的定点沉积与图案化组装

6．1 引言

6．2 光致电渗流

6．2．1 双电层与交流电渗流

6．2．2 光致交流电渗流驱动原理

6．3 光致交流电渗流场分析

6．3．1 边界条件与参数设置

6．3．2 zeta电势

6．3．3 LIACEO的流场分析

6．4 光致电渗流操控纳米线

6．4．1 纳米线的取向控制

6．4．2 纳米线的定点沉积与水平迁移

6．4．3 纳米线的图案化组装

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 工作展望

致谢

参考文献

作者简介(包括攻读博士学位期间学术成果)