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 130000)

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.Raychaudhuri等[10]通过实验发现,介电泳对InAs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;Collet等[11]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Si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;Ranjan等[12]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Lift-off方法制备了单岛与双岛2种微电极.实验选取EPG533光刻胶旋涂于硅片上,旋涂后溅射10 nm铝导电层,接着进行电极结构的光刻.光刻后溅射10 nm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180 ℃热板上加热30 min,之后进行实验[13].

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Fig.1 Schematic Diagram of the Experimental Device and 3D Simulation Model of Double-island Microelectrode

使用长度约为4～5 μm、直径为300 nm的ZnO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1a.实验前,在去离子水中加入ZnO纳米线粉末,超声处理30 min后得到浓度为10 μg/mL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(Wentworth Laboratories,MP1008)探针系统接入电极两端作为加电装置,利用(Agilent 33220A)函数发生器作为施加电压装置,施加电压峰值为10 V,产生正弦函数信号.实验中施加频率范围为150 kHz～1 MHz.选用Tektronix TDS 220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Comsol Multiphysics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(xOz截面)如图1b所示.在电场中定义电极对电势一侧V=1/2VPP=5 V,另一侧V=0,定义VPP=10 V代表实验过程中电压的峰值,电导率为107s/m.在定义流场的边界条件时,设定流体不可压缩流动.定义流体密度为1 000 kg/m3,动力学粘度为0.001 Pa·s.在流体传热中,定义环境温度为293.15 K、流体的传热系数为0.6 W/(m·K),同时定义纳米线溶液为热绝缘.

2 实验结果与仿真分析

2.1 实验结果

为了探究纳米线的介电组装特性,首先在宽度约为4 μm的单岛微电极上进行ZnO纳米线的组装实验,不同频率下的实验结果见图2.图2a显示,电场频率为150 kHz时,有少量纳米线将导电岛和电极搭接起来;图2b显示,电场频率为500 kHz时,搭接导电岛和电极的纳米线数量增多,且左右两侧的电极上也沉积了少量的纳米线;图2c显示,电场频率为1 MHz时,搭接导电岛和电极的纳米线数量再次增多,并且出现了互相平行的纳米线.

150 kHz 500 kHz 1 MHz图2 单岛微电极介电组装实验结果Fig.2 Experimental Results of Single-island Microelectrodes Dielectric Assembly

单岛微电极进行了纳米线介电组装实验之后,在宽度相同的双岛微电极中再次进行纳米线的介电组装实验,实验结果见图3.图3a显示,电场频率为150 kHz时,左侧的微间隙以及2个导电岛间的微间隙沉积了少量纳米线,且两侧电极上同样沉积了少量纳米线;图3b显示,电场频率为500 kHz时,电极系统中纳米线组装数量显著提升,且微间隙被多根纳米线搭接,同时出现少量的互相平行的纳米线;图3c显示,电场频率为1 MHz时,电极系统内组装的纳米线少量增加,微间隙之间仍然存在纳米线搭接现象,总体趋势和500 kHz时相差不大.

150 kHz 500 kHz 1 MHz图3 双岛微电极介电组装实验结果Fig.3 Experimental Results of Double-island Microelectrodes Dielectric Assembly

2.2 电场分布

在图1b的三维模型中进行仿真模拟,由于微电极的结构改变时其内部电场分布随之改变,进而会影响介电操控的结果,因此对单岛和多岛微电极的电场分布进行分析,有利于探究纳米线的运动情况,2种结构微电极的电场分布结果如图4所示.

图4a显示,单岛微电极的微间隙附近的电场线比较密集,由间隙区域向外发散的过程中,电场线密度逐渐降低;双岛微电极的电场线密度沿着2电极向导电岛移动的过程中,电极与导电岛之间的微间隙电场线密度最高,之后逐渐降低,到达2岛之间的微间隙后又逐渐升高,其他区域电场线密度较低;因此,当单岛微电极引入导电岛单元后,电场分布发生变化,电场奇异性变强,纳米线展现出更好的介电组装效果.

a.单岛; b.双岛.图4 2种微电极xOz截面的电场分布Fig.4 Electric Field Distribution of xOz Cross Section for Two Microelectrodes

2.3 介电泳力对多岛微电极介电组装的影响

在非均匀外界电场下,由于电场与感应偶极子之间的相互作用,假设电场的平方梯度为常数,可得纳米线时均介电泳力,如下所示[14-15]:

(1)

(2)

图5 CM因子的实部Fig.5 Real Component of CM Factor

(3)

当所施加的电场频率为500 kHz时,2种微电极的介电泳力流速分布如图6所示.在介电泳力的诱导下,纳米线被输送至微间隙区域,越靠近微间隙区域,作用在纳米线上的力越大,且介电泳速度方向均指向微间隙.不同于单岛微电极,双岛微电极中纳米线被输送到3个微间隙区域,介电组装效果更好.

a.单岛; b.双岛.图6 电场频率为500 kHz时介电泳力的流速分布结果Fig.6 Comparison of Dielectrophoretic Flow Velocity Distribution at 500 kHz

2.4 交流电热流对多岛微电极介电组装的影响

在纳米线的介电组装过程中,电场频率的变化对流体的流速和方向有影响.对多岛微电极施加中高频电场作用时,交流电热流的流速起主导作用.因此,对纳米线介电组装过程中的交流电热流进行分析是必要的.液体中的流体单元受到的平均电热体积力密度为[16]

(4)

(5)

为了获取纳米线组装中温度的影响结果,在2种微电极中对傅里叶热导方程求解

(6)

其中,k表示液体介质的导热系数,其值取

表示焦耳热源.

低雷诺数不可压缩流体的稳态Navier-Stokes方程为

(7)

(8)

其中,p表示液体压力,μ表示流体的速度矢量.

(9)

图7,8分别给出了施加3种不同电场频率时,2种微电极截面一上电热流的仿真结果.图7a显示,电场频率为150 kHz时,单岛微电极的左右两侧产生对称电热流对流漩涡现象,电热流流向2个微间隙区域;图8a显示,电场频率为150 kHz时,双岛微电极左右两侧同样产生对称电热流对流漩涡现象,不同点在于,电热流不仅流向2个微间隙区域而且垂直朝下流入中间微间隙区域;图7b显示,电场频率为500 kHz时,单岛微电极电热流的流动发生反向,电热流同样呈左右对称分布;图8b显示,电场频率为500 kHz时,双岛微电极电热流的流动同样发生反向,且中间微间隙上方产生2个新的对流漩涡;图7c,8c显示,电场频率为1 MHz时,2种微间隙的电热流的流动情况基本与500 kHz一致,但是微间隙处电热流流速均有所加快.不同于单岛微电极、双岛微电极随着电场频率的增加,中间微间隙上方出现一对新的对流旋涡,这更有利于纳米线介电组装行为的发生.

图7 单岛微电极电热流流速分布Fig.7 Diagram of Electrothermal Flow Velocity Distribution of Single-island Microelectrodes

图8 双岛微电极电热流流速分布Fig.8 Diagram of Electrothermal Flow Velocity Distribution of Double-island Microelectrodes

2.5 合力作用

在微间隙电极系统介电组装过程中,纳米线在中高频环境下的移动是由近场介电泳力和远场电热对流共同引起的.移动速度为[17]

(10)

通过介电泳力、交流电热流对介电组装影响的结果发现,双岛微电极可以更好地进行纳米线介电组装行为.针对合力作用的分析,仅以双岛微电极为例进行组装仿真实验.图9给出了施加3种不同电场频率时,介电泳力和电热流合力作用下速度流线的仿真结果.图9a显示,电场频率为150 kHz时,在双岛微电极的左右两侧存在一对对称分布的对流旋涡,将纳米线输送到两侧微间隙,中间区域流体垂直流向微间隙;图9b显示,电场频率为500 kHz时,流体流动方向发生改变,且中间微间隙的上方出现一对新的对流旋涡;图9c显示,电场频率为1 MHz时,旋涡现象与电场频率为500 kHz时基本相同.

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

3 结 论

在中高频的环境下,在单岛和双岛2种不同结构的微电极中进行ZnO纳米线介电组装实验.实验表明:随着电场频率的增加,2种不同结构的微电极中纳米线的组装数量均逐步增加且出现互相平行的纳米线.通过对电场分布的仿真得出,双岛微电极的电场奇异性变强,对纳米线介电组装更有利;在交流电热流的仿真对比过程中,随着电场频率的增加,双岛微电极中间微间隙上方产生2个新的对流漩涡,且在达到反转频率之后,电热流的流动方向发生反转;在合力作用的仿真模拟过程中,随着电场频率的增加,数值仿真图也出现将纳米线输送至微间隙组装区域的对流旋涡.进一步阐明了纳米线的组装行为是介电泳力与电热流共同作用形成的.