多岛微电极中纳米线介电组装机理研究_丁海涛.pdf

第4 7卷/第3期/2 0 2 3年5月河北师范大学学报/自然科学版/J O U R N A LO FH E B E IN O R M A LU N I V E R S I T Y(N a t u r a lS c i e n c e)V o l.4 7N o.3M a y.2 0 2 3文章编号:1 0 0 0-5 8 5 4(2 0 2 3)0 3-0 2 5 1-0 8收稿日期:2 0 2 2-0 9-1 3;修回日期:2 0 2 2-1 0-2 4基金项目:国家自然科学基金(5 1 9 0 5 0 4 7);吉林省教育厅资助项目(J J KH 2 0 2 0 0 7 4 8 K J)作者简介:丁海涛(1 9 7 9),男,吉林长春人,讲师,博士,研究方向为微纳米加工技术.通信作者:丁海涛(1 9 7 9),男,讲师,博士,硕士生导师,研究方向为微纳米加工技术.E-m a i l:d i n g h a i t a o c u s t.e d u.c n多岛微电极中纳米线介电组装机理研究丁海涛,司糈昊,刘潇锋,杨 强(长春理工大学 机电工程学院,吉林 长春 1 3 0 0 0 0)摘要:为了探究多岛微电极中纳米线的介电组装机理,基于单岛微电极和双岛微电极分别设计了纳米线介电组装实验,并建立了相应的微电极组装数值模型,分析了电场分布、介电泳力、交流电热流对介电组装的影响及合力作用下纳米线的电动力学行为.双岛微电极的电场分布具有更强的奇异性,对纳米线介电组装更有利;在电场频率超过反转频率后,双岛微电极中电热流的流动方向开始发生反向,中间微间隙区域上方出现的对流旋涡能够将纳米线输送至微间隙组装区域,进一步阐明纳米线的组装行为是介电泳力与电热流共同作用形成的.关键词:多岛微电极;介电组装;反转频率;对流旋涡;纳米线中图分类号:T N3 0 5 文献标志码:A d o i:1 0.1 3 7 6 3/j.c n k i.j h e b n u.n s e.2 0 2 3 0 2 0 0 8S t u d yo nt h eM e c h a n i s mo fN a n o w i r eD i e l e c t r i cA s s e m b l y i nM u l t i-i s l a n dM i c r o e l e c t r o d e sD I NG H a i t a o,S IX u h a o,L I UX i a o f e n g,YANGQ i a n g(S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dE l e c t r i cE n g i n e e r i n g,C h a n g c h u nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,J i l i nC h a n g c h u n 1 3 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T oi n v e s t i g a t et h ed i e l e c t r i ca s s e m b l y m e c h a n i s mo fn a n o w i r e si n m u l t i-i s l a n d m i c r o e l e c t r o d e s,n a n o w i r ed i e l e c t r i ca s s e m b l ye x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e db a s e do ns i n g l e-i s l a n dm i c r o e l e c t r o d e sa n dd o u b l e-i s l a n dm i c r o e l e c t r o d e s,r e s p e c t i v e l y,a n dt h ec o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a lm o d e l so fm i c r o e l e c t r o d ea s s e m b l yw e r ee s t a b l i-s h e d.T h e e f f e c t o f t h e e l e c t r i c f i e l dd i s t r i b u t i o n,d i e l e c t r o p h o r e t i c f o r c e a n dA Ch e a t f l o wo nd i e l e c t r i c a s s e m b l y,a n dt h e e l e c t r o d y n a m i cb e h a v i o ro f n a n o w i r e su n d e r c o m b i n e d f o r c e sw e r e a n a l y z e dd o u b l e-i s l a n dm i c r o e l e c t r o d e sh a v es t r o n g e r s i n g u l a r i t y i ne l e c t r i c f i e l dd i s t r i b u t i o n,w h i c h i sm o r e f a v o r a b l e f o r n a n o w i r e d i e l e c t r i c a s s e m b l y.W h e n t h ee l e c t r i c f i e l d f r e q u e n c ye x c e e d s t h e r e v e r s a l f r e q u e n c y,t h ed i r e c t i o no f e l e c t r o t h e r m a l f l o wi n t h ed o u b l e-i s l a n dm i-c r o e l e c t r o d e sb e g i n s t o r e v e r s e,a n d t h e c o n v e c t i v ev o r t e x t h a t a p p e a r s a b o v e t h em i d d l em i c r o g a pr e g i o n i s a b l e t ot r a n s p o r t t h en a n o w i r e st ot h em i c r o g a pa s s e m b l yr e g i o n.I ti sf u r t h e rc l a r i f i e dt h a tt h ea s s e m b l yb e h a v i o ro fn a n o w i r e s i s f o r m e db y t h e i n t e r a c t i o no f d i e l e c t r o p h o r e t i c f o r c e a n de l e c t r o t h e r m a l f l o w.K e yw o r d s:m u l t i-i s l a n d m i c r o e l e c t r o d e s;d i e l e c t r i ca s s e m b l y;r e v e r s a lf r e q u e n c y;c o n v e c t i o nv o r t e x;n a n o-w i r e s介电泳技术精确操控纳米对象到微间隙组装区域是制备微纳米传感器的关键技术之一,这是由于介电泳技术能够有效利用非均匀电场诱导纳米对象极化产生介电泳力进而操纵纳米对象移动至指定区域1-2.利用该技术可实现操控纳米颗粒3、纳米线4、生物细胞5-6等纳米材料定向移动至目标区域,能够显著提升气敏器件7、生物化学芯片8等微纳米传感器的灵敏度.多岛微电极是一种在电极对间添加若干相互孤立导电单元的系统9.由于在电极对之间插入了导电结构,电场分布随着多岛微电极内间隙的出现产生了变化,不同间隙处对纳米对象产生的介电泳力有所不同,进而更好地操纵纳米对象运输至目标区域进行组装,提升基于多岛微电极制备的传感器性能.基于介电泳操纵纳米线定向组装的技术,由于其灵活性高且易集成于片上实验室的优点,在诸多领域得到了广泛应用.R a y c h a u d h u r i等1 0通过实验发现,介电泳对I n A s纳米线操控和放置的结果受到所施加的信号频率及电极图案的影响;C o l l e t等1 1提出一种结合介电泳现象和毛细管组装的方法,以大规模地在特定的位置对齐数千个单个S i纳米线,该方法有效提高了每个介电泳位点的捕获效率和它们的精确捕获位置;R a n j a n等1 2报道了一种利用介电泳力在微制造电极之间定向组装的方法,通过实验发现,钯纳米线的生长结果很大程度取决于所施加交流场的强度和金属盐溶液的浓度,只要控制好最佳生长条件即可得到目标纳米线.本文中,笔者基于单岛和多岛2种不同结构的微电极进行纳米线的介电组装实验,通过实验与仿真的技术手段,分析了纳米线在2种不同结构的微电极中的介电组装结果,基于多岛微电极的纳米线介电组装研究为微纳米传感器的制备奠定了基础.1 介电组装实验与仿真模拟1.1 实验工艺与过程为了更好地探究纳米线在多岛微电极中的介电组装机理,采用标准光刻技术结合L i f t-o f f方法制备了单岛与双岛2种微电极.实验选取E P G 5 3 3光刻胶旋涂于硅片上,旋涂后溅射1 0n m铝导电层,接着进行电极结构的光刻.光刻后溅射1 0n m铬粘附层,并且在粘附层上再溅射出一层金导电层,从而获得性能良好的粘附层与导电层.随后在丙酮试剂中剥离出单岛与双岛2种微电极结构并进行清洗.最后在1 8 0热板上加热3 0m i n,之后进行实验1 3.a.实验装置示意图;b.双岛微电极三维仿真模型.图1 实验装置示意图及双岛微电极三维仿真模型F i g.1 S c h e m a t i cD i a g r a mo f t h eE x p e r i m e n t a lD e v i c ea n d3 DS i m u l a t i o nM o d e l o fD o u b l e-i s l a n dM i c r o e l e c t r o d e使用长度约为45m、直径为3 0 0n m的Z n O纳米线进行多岛微电极介电组装实验,由于2种微电极实验装置类似,仅以双岛微电极进行仿真实验,示意图见图1 a.实验前,在去离子水中加入Z n O纳米线粉末,超声处理3 0m i n后得到浓度为1 0g/m L的分散液.选用微量注射器吸取少量纳米线溶液滴到微间隙处进行介电组装.实验中利用(W e n t w o r t hL a b o r a t o r i e s,MP 1 0 0 8)探针系统接入电极两端作为加电装置,利用(A g i l e n t 3 3 2 2 0 A)函数发生器作为施加电压装置,施加电压峰值为1 0V,产生正弦函数信号.实验中施加频252率范围为1 5 0k H z 1MH z.选用T e k t r o n i xT D S2 2 0示波器并入电极两端作为监测装置,用以检测2个电压之间电压实降状况.实验后,将装置放入去离子水中清洗,随后用氮气干燥.1.2 数值仿真模型的建立采用C o m s o lM u l t i p h y s i c s仿真软件对单岛和双岛微电极中的纳米线运动进行分析,其中双岛微电极仿真模型与截面一(x O z截面)如图1