多島微電極中納米線介電組裝機理研究

丁海濤, 司糈昊, 劉瀟鋒, 楊 強

(長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院,吉林 長春 130000)

介電泳技術(shù)精確操控納米對象到微間隙組裝區(qū)域是制備微納米傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一,這是由于介電泳技術(shù)能夠有效利用非均勻電場誘導(dǎo)納米對象極化產(chǎn)生介電泳力進而操縱納米對象移動至指定區(qū)域[1-2].利用該技術(shù)可實現(xiàn)操控納米顆粒[3]、納米線[4]、生物細胞[5-6]等納米材料定向移動至目標區(qū)域,能夠顯著提升氣敏器件[7]、生物化學(xué)芯片[8]等微納米傳感器的靈敏度.多島微電極是一種在電極對間添加若干相互孤立導(dǎo)電單元的系統(tǒng)[9].由于在電極對之間插入了導(dǎo)電結(jié)構(gòu),電場分布隨著多島微電極內(nèi)間隙的出現(xiàn)產(chǎn)生了變化,不同間隙處對納米對象產(chǎn)生的介電泳力有所不同,進而更好地操縱納米對象運輸至目標區(qū)域進行組裝,提升基于多島微電極制備的傳感器性能.

基于介電泳操縱納米線定向組裝的技術(shù),由于其靈活性高且易集成于片上實驗室的優(yōu)點,在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用.Raychaudhuri等[10]通過實驗發(fā)現(xiàn),介電泳對InAs納米線操控和放置的結(jié)果受到所施加的信號頻率及電極圖案的影響;Collet等[11]提出一種結(jié)合介電泳現(xiàn)象和毛細管組裝的方法,以大規(guī)模地在特定的位置對齊數(shù)千個單個Si納米線,該方法有效提高了每個介電泳位點的捕獲效率和它們的精確捕獲位置;Ranjan等[12]報道了一種利用介電泳力在微制造電極之間定向組裝的方法,通過實驗發(fā)現(xiàn),鈀納米線的生長結(jié)果很大程度取決于所施加交流場的強度和金屬鹽溶液的濃度,只要控制好最佳生長條件即可得到目標納米線.

本文中,筆者基于單島和多島2種不同結(jié)構(gòu)的微電極進行納米線的介電組裝實驗,通過實驗與仿真的技術(shù)手段,分析了納米線在2種不同結(jié)構(gòu)的微電極中的介電組裝結(jié)果,基于多島微電極的納米線介電組裝研究為微納米傳感器的制備奠定了基礎(chǔ).

1 介電組裝實驗與仿真模擬

1.1 實驗工藝與過程

為了更好地探究納米線在多島微電極中的介電組裝機理,采用標準光刻技術(shù)結(jié)合Lift-off方法制備了單島與雙島2種微電極.實驗選取EPG533光刻膠旋涂于硅片上,旋涂后濺射10 nm鋁導(dǎo)電層,接著進行電極結(jié)構(gòu)的光刻.光刻后濺射10 nm鉻粘附層,并且在粘附層上再濺射出一層金導(dǎo)電層,從而獲得性能良好的粘附層與導(dǎo)電層.隨后在丙酮試劑中剝離出單島與雙島2種微電極結(jié)構(gòu)并進行清洗.最后在180 ℃熱板上加熱30 min,之后進行實驗[13].

a.實驗裝置示意圖; b.雙島微電極三維仿真模型.圖1 實驗裝置示意圖及雙島微電極三維仿真模型Fig.1 Schematic Diagram of the Experimental Device and 3D Simulation Model of Double-island Microelectrode

使用長度約為4～5 μm、直徑為300 nm的ZnO納米線進行多島微電極介電組裝實驗,由于2種微電極實驗裝置類似,僅以雙島微電極進行仿真實驗,示意圖見圖1a.實驗前,在去離子水中加入ZnO納米線粉末,超聲處理30 min后得到濃度為10 μg/mL的分散液.選用微量注射器吸取少量納米線溶液滴到微間隙處進行介電組裝.實驗中利用(Wentworth Laboratories,MP1008)探針系統(tǒng)接入電極兩端作為加電裝置,利用(Agilent 33220A)函數(shù)發(fā)生器作為施加電壓裝置,施加電壓峰值為10 V,產(chǎn)生正弦函數(shù)信號.實驗中施加頻率范圍為150 kHz～1 MHz.選用Tektronix TDS 220示波器并入電極兩端作為監(jiān)測裝置,用以檢測2個電壓之間電壓實降狀況.實驗后,將裝置放入去離子水中清洗,隨后用氮氣干燥.

1.2 數(shù)值仿真模型的建立

采用Comsol Multiphysics仿真軟件對單島和雙島微電極中的納米線運動進行分析,其中雙島微電極仿真模型與截面一(xOz截面)如圖1b所示.在電場中定義電極對電勢一側(cè)V=1/2VPP=5 V,另一側(cè)V=0,定義VPP=10 V代表實驗過程中電壓的峰值,電導(dǎo)率為107s/m.在定義流場的邊界條件時,設(shè)定流體不可壓縮流動.定義流體密度為1 000 kg/m3,動力學(xué)粘度為0.001 Pa·s.在流體傳熱中,定義環(huán)境溫度為293.15 K、流體的傳熱系數(shù)為0.6 W/(m·K),同時定義納米線溶液為熱絕緣.

2 實驗結(jié)果與仿真分析

2.1 實驗結(jié)果

為了探究納米線的介電組裝特性,首先在寬度約為4 μm的單島微電極上進行ZnO納米線的組裝實驗,不同頻率下的實驗結(jié)果見圖2.圖2a顯示,電場頻率為150 kHz時,有少量納米線將導(dǎo)電島和電極搭接起來;圖2b顯示,電場頻率為500 kHz時,搭接導(dǎo)電島和電極的納米線數(shù)量增多,且左右兩側(cè)的電極上也沉積了少量的納米線;圖2c顯示,電場頻率為1 MHz時,搭接導(dǎo)電島和電極的納米線數(shù)量再次增多,并且出現(xiàn)了互相平行的納米線.

150 kHz 500 kHz 1 MHz圖2 單島微電極介電組裝實驗結(jié)果Fig.2 Experimental Results of Single-island Microelectrodes Dielectric Assembly

單島微電極進行了納米線介電組裝實驗之后,在寬度相同的雙島微電極中再次進行納米線的介電組裝實驗,實驗結(jié)果見圖3.圖3a顯示,電場頻率為150 kHz時,左側(cè)的微間隙以及2個導(dǎo)電島間的微間隙沉積了少量納米線,且兩側(cè)電極上同樣沉積了少量納米線;圖3b顯示,電場頻率為500 kHz時,電極系統(tǒng)中納米線組裝數(shù)量顯著提升,且微間隙被多根納米線搭接,同時出現(xiàn)少量的互相平行的納米線;圖3c顯示,電場頻率為1 MHz時,電極系統(tǒng)內(nèi)組裝的納米線少量增加,微間隙之間仍然存在納米線搭接現(xiàn)象,總體趨勢和500 kHz時相差不大.

150 kHz 500 kHz 1 MHz圖3 雙島微電極介電組裝實驗結(jié)果Fig.3 Experimental Results of Double-island Microelectrodes Dielectric Assembly

2.2 電場分布

在圖1b的三維模型中進行仿真模擬,由于微電極的結(jié)構(gòu)改變時其內(nèi)部電場分布隨之改變,進而會影響介電操控的結(jié)果,因此對單島和多島微電極的電場分布進行分析,有利于探究納米線的運動情況,2種結(jié)構(gòu)微電極的電場分布結(jié)果如圖4所示.

圖4a顯示,單島微電極的微間隙附近的電場線比較密集,由間隙區(qū)域向外發(fā)散的過程中,電場線密度逐漸降低;雙島微電極的電場線密度沿著2電極向?qū)щ妽u移動的過程中,電極與導(dǎo)電島之間的微間隙電場線密度最高,之后逐漸降低,到達2島之間的微間隙后又逐漸升高,其他區(qū)域電場線密度較低;因此,當單島微電極引入導(dǎo)電島單元后,電場分布發(fā)生變化,電場奇異性變強,納米線展現(xiàn)出更好的介電組裝效果.

a.單島; b.雙島.圖4 2種微電極xOz截面的電場分布Fig.4 Electric Field Distribution of xOz Cross Section for Two Microelectrodes

2.3 介電泳力對多島微電極介電組裝的影響

在非均勻外界電場下,由于電場與感應(yīng)偶極子之間的相互作用,假設(shè)電場的平方梯度為常數(shù),可得納米線時均介電泳力,如下所示[14-15]:

(1)

(2)

圖5 CM因子的實部Fig.5 Real Component of CM Factor

(3)

當所施加的電場頻率為500 kHz時,2種微電極的介電泳力流速分布如圖6所示.在介電泳力的誘導(dǎo)下,納米線被輸送至微間隙區(qū)域,越靠近微間隙區(qū)域,作用在納米線上的力越大,且介電泳速度方向均指向微間隙.不同于單島微電極,雙島微電極中納米線被輸送到3個微間隙區(qū)域,介電組裝效果更好.

a.單島; b.雙島.圖6 電場頻率為500 kHz時介電泳力的流速分布結(jié)果Fig.6 Comparison of Dielectrophoretic Flow Velocity Distribution at 500 kHz

2.4 交流電熱流對多島微電極介電組裝的影響

在納米線的介電組裝過程中,電場頻率的變化對流體的流速和方向有影響.對多島微電極施加中高頻電場作用時,交流電熱流的流速起主導(dǎo)作用.因此,對納米線介電組裝過程中的交流電熱流進行分析是必要的.液體中的流體單元受到的平均電熱體積力密度為[16]

(4)

(5)

為了獲取納米線組裝中溫度的影響結(jié)果,在2種微電極中對傅里葉熱導(dǎo)方程求解

(6)

其中,k表示液體介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),其值取

表示焦耳熱源.

低雷諾數(shù)不可壓縮流體的穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程為

(7)

(8)

其中,p表示液體壓力,μ表示流體的速度矢量.

(9)

圖7,8分別給出了施加3種不同電場頻率時,2種微電極截面一上電熱流的仿真結(jié)果.圖7a顯示,電場頻率為150 kHz時,單島微電極的左右兩側(cè)產(chǎn)生對稱電熱流對流漩渦現(xiàn)象,電熱流流向2個微間隙區(qū)域;圖8a顯示,電場頻率為150 kHz時,雙島微電極左右兩側(cè)同樣產(chǎn)生對稱電熱流對流漩渦現(xiàn)象,不同點在于,電熱流不僅流向2個微間隙區(qū)域而且垂直朝下流入中間微間隙區(qū)域;圖7b顯示,電場頻率為500 kHz時,單島微電極電熱流的流動發(fā)生反向,電熱流同樣呈左右對稱分布;圖8b顯示,電場頻率為500 kHz時,雙島微電極電熱流的流動同樣發(fā)生反向,且中間微間隙上方產(chǎn)生2個新的對流漩渦;圖7c,8c顯示,電場頻率為1 MHz時,2種微間隙的電熱流的流動情況基本與500 kHz一致,但是微間隙處電熱流流速均有所加快.不同于單島微電極、雙島微電極隨著電場頻率的增加,中間微間隙上方出現(xiàn)一對新的對流旋渦,這更有利于納米線介電組裝行為的發(fā)生.

圖7 單島微電極電熱流流速分布Fig.7 Diagram of Electrothermal Flow Velocity Distribution of Single-island Microelectrodes

圖8 雙島微電極電熱流流速分布Fig.8 Diagram of Electrothermal Flow Velocity Distribution of Double-island Microelectrodes

2.5 合力作用

在微間隙電極系統(tǒng)介電組裝過程中,納米線在中高頻環(huán)境下的移動是由近場介電泳力和遠場電熱對流共同引起的.移動速度為[17]

(10)

通過介電泳力、交流電熱流對介電組裝影響的結(jié)果發(fā)現(xiàn),雙島微電極可以更好地進行納米線介電組裝行為.針對合力作用的分析,僅以雙島微電極為例進行組裝仿真實驗.圖9給出了施加3種不同電場頻率時,介電泳力和電熱流合力作用下速度流線的仿真結(jié)果.圖9a顯示,電場頻率為150 kHz時,在雙島微電極的左右兩側(cè)存在一對對稱分布的對流旋渦,將納米線輸送到兩側(cè)微間隙,中間區(qū)域流體垂直流向微間隙;圖9b顯示,電場頻率為500 kHz時,流體流動方向發(fā)生改變,且中間微間隙的上方出現(xiàn)一對新的對流旋渦;圖9c顯示,電場頻率為1 MHz時,旋渦現(xiàn)象與電場頻率為500 kHz時基本相同.

圖9 合力作用下的流速分布Fig.9 Diagram of Flow Velocity Distribution with the Combined Force

3 結(jié) 論

在中高頻的環(huán)境下,在單島和雙島2種不同結(jié)構(gòu)的微電極中進行ZnO納米線介電組裝實驗.實驗表明:隨著電場頻率的增加,2種不同結(jié)構(gòu)的微電極中納米線的組裝數(shù)量均逐步增加且出現(xiàn)互相平行的納米線.通過對電場分布的仿真得出,雙島微電極的電場奇異性變強,對納米線介電組裝更有利;在交流電熱流的仿真對比過程中,隨著電場頻率的增加,雙島微電極中間微間隙上方產(chǎn)生2個新的對流漩渦,且在達到反轉(zhuǎn)頻率之后,電熱流的流動方向發(fā)生反轉(zhuǎn);在合力作用的仿真模擬過程中,隨著電場頻率的增加,數(shù)值仿真圖也出現(xiàn)將納米線輸送至微間隙組裝區(qū)域的對流旋渦.進一步闡明了納米線的組裝行為是介電泳力與電熱流共同作用形成的.