介電泳精確操縱與批量組裝納米線(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

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

2、線(xiàn)操縱技術(shù)以及介電泳技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，探討了介電泳技術(shù)操縱納米線(xiàn)的理論基礎(chǔ)和建模仿真，并研制了納米線(xiàn)操控芯片及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)了納米線(xiàn)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(xiàn)的介電泳動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行了介電泳操控過(guò)程的電動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真。通過(guò)系統(tǒng)分析納米線(xiàn)在交流動(dòng)電環(huán)境下的受力狀況，討論了影響納米線(xiàn)介電泳的相關(guān)因素，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了納米線(xiàn)的電場(chǎng)取向、正介電泳行為、電旋轉(zhuǎn)的數(shù)值模擬

3、。應(yīng)用浸入有限元法對(duì)多種典型電場(chǎng)分布模型內(nèi)納米線(xiàn)的取向過(guò)程、線(xiàn)性遷移和動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行了仿真，探討了納米線(xiàn)操控過(guò)程中動(dòng)力學(xué)行為（線(xiàn)速度、角速度、偏移距離等）的相關(guān)影響因素（電壓、間距等），為納米線(xiàn)操控實(shí)驗(yàn)的芯片設(shè)計(jì)提供了具體策略和依據(jù)。
　　(2)研制了適用于水平姿態(tài)和豎直姿態(tài)納米線(xiàn)操控的介電泳芯片，并研制了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操控平臺(tái)。本文中芯片的制備工藝研究涉及:實(shí)體電極陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備工藝;光電導(dǎo)層材料選擇及其制備工藝;實(shí)體

4、電極芯片和光誘導(dǎo)介電泳芯片的封裝測(cè)試等方面。而納米線(xiàn)實(shí)驗(yàn)操控平臺(tái)的研制包括:研究開(kāi)發(fā)納米線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控（明場(chǎng)、暗場(chǎng)顯微成像系統(tǒng)）、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生與控制（交流信號(hào)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)）、光圖案生成與投影（光路系統(tǒng)與光圖案控制軟件）等裝置，并集成所開(kāi)發(fā)的納米線(xiàn)操控芯片，最后構(gòu)建了納米線(xiàn)柔性化操控平臺(tái)。
　　(3)開(kāi)展了水平姿態(tài)納米線(xiàn)的精確操控實(shí)驗(yàn)研究，并建立了納米線(xiàn)輸運(yùn)速度和旋轉(zhuǎn)角速度的定量控制方法，以及納米線(xiàn)介電泳力（矩）與輸運(yùn)速度（旋轉(zhuǎn)角速度）

5、的關(guān)系模型。通過(guò)控制多相信號(hào)輸出，單根納米線(xiàn)能完成取向切換、定向輸運(yùn)和定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)等多種操縱功能。在操縱過(guò)程中，納米線(xiàn)的輸運(yùn)速度和旋轉(zhuǎn)角速度可能通過(guò)調(diào)節(jié)外加信號(hào)的幅值與頻率進(jìn)行定量控制。此外，利用建立的納米線(xiàn)介電泳力（矩）與輸運(yùn)速度（旋轉(zhuǎn)角速度）關(guān)系模型，納米線(xiàn)操縱過(guò)程的介電泳力和旋轉(zhuǎn)力矩可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速定量表征。
　　(4)開(kāi)展了豎直姿態(tài)納米線(xiàn)的并行精確操控實(shí)驗(yàn)研究，并建立了納米線(xiàn)取向姿態(tài)與位置的關(guān)系模型，以及精確表征納米線(xiàn)

6、極限速度的方法模型。通過(guò)控制光圖案投射，可以實(shí)現(xiàn)納米線(xiàn)單體和陣列的精確定位。而基于納米線(xiàn)的姿態(tài)取向和位置關(guān)系，以及精確表征的納米線(xiàn)極限速度譜，能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同長(zhǎng)度納米線(xiàn)的動(dòng)態(tài)分離。由此，將相同長(zhǎng)度納米線(xiàn)進(jìn)行組裝可以得到等間距的納米線(xiàn)陣列，并且納米線(xiàn)的陣列間距能通過(guò)管理信號(hào)頻率實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)于納米線(xiàn)的輸運(yùn)，較低的頻率(100-400 kHz)可以獲得更高的最大輸運(yùn)速度;而對(duì)于納米線(xiàn)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(chǔ)上，綜合應(yīng)用介電泳和電滲流方法，實(shí)現(xiàn)了納米線(xiàn)的單根定點(diǎn)沉積與大規(guī)模圖案化組裝等操控功能。通過(guò)zeta電勢(shì)計(jì)算和流場(chǎng)分析，獲得了控制納米線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的電滲流、光圖案等關(guān)鍵參數(shù)?；诩{米線(xiàn)的長(zhǎng)軸流體取向原理，利用小尺寸光斑精確控制了納米線(xiàn)的取向轉(zhuǎn)換和自旋轉(zhuǎn)。而利用大尺寸光斑，實(shí)現(xiàn)了單根納米線(xiàn)在光斑內(nèi)的定點(diǎn)沉積和長(zhǎng)距離、多轉(zhuǎn)向的水平遷移。最后，采用多種形狀和組合光斑，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模納米線(xiàn)的圖案化組