通過控制固液界面電荷俘獲來減小介電層電濕潤飽和接觸角

1、LOGO通過控制固液界面的電荷俘獲來減通過控制固液界面的電荷俘獲來減小介電層電濕潤的飽和接觸角小介電層電濕潤的飽和接觸角Decreasing the Saturated Contact Angle in Electrowetting-on-Dielectrics by Controlling the Charge Trapping atLiquidSolid Interfacesn學生：n學號： 1.背景簡介（重點講解）2.文獻介紹（簡單帶過）CONTANTSu 1.1 接觸角接觸角u 1.2 電濕潤電濕潤u 1.3相關(guān)公式及推導相關(guān)公式及推導 1.3.1楊氏公式證明楊氏公式證明 1.3.2外

2、加電場后的楊氏公式外加電場后的楊氏公式 1.3.3 用自由能表達式推出吉布斯用自由能表達式推出吉布斯杜亥姆公式杜亥姆公式 u 1.4 接觸角飽和現(xiàn)象接觸角飽和現(xiàn)象u 1.5 接觸角飽和的原因接觸角飽和的原因1.1接觸角接觸角 接觸角（接觸角（contact angle）是指在氣、液、固三相交點處所作的氣）是指在氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角液交界線之間的夾角，是潤濕程度的量度。，是潤濕程度的量度。u 1）當）當=0，完全潤濕；，完全潤濕；u 2）當）當90，部分潤濕或潤濕；，部分潤濕或潤濕；u 3）當）當=90，是潤濕與否的分

3、界線；，是潤濕與否的分界線；u 4）當）當90，不潤濕；，不潤濕；u 5）當）當=180，完全不潤濕。，完全不潤濕。 接觸角在5以下的超親水涂層，就有防霧效果，接觸角越小，防霧效果越好，接觸角0最佳。 現(xiàn)代現(xiàn)代EWEW的基礎(chǔ)是電毛細管學，由法的基礎(chǔ)是電毛細管學，由法國科學家國科學家Gabriel Lippmann Gabriel Lippmann 在在 18751875年發(fā)年發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)。Gabriel LippmannGabriel Lippmann在汞與電解液之間施加在汞與電解液之間施加電壓時發(fā)現(xiàn)靜電荷明顯改變了接觸界面的毛細管力，并提出電壓時發(fā)現(xiàn)靜電荷明顯改變了接觸界面的毛細管力，并提出了了

4、Young-LippmannYoung-Lippmann方程。然而，方程。然而，LippmannLippmann的這種模型遇到一的這種模型遇到一個棘手的問題，就是在水溶液上施加幾百毫伏的電壓后，水個棘手的問題，就是在水溶液上施加幾百毫伏的電壓后，水溶液就逐漸水解了，這對實驗來說是嚴重的缺陷。溶液就逐漸水解了，這對實驗來說是嚴重的缺陷。 電潤電潤濕濕（ElectrowettingElectrowetting，EWEW）是指通過改變液滴與絕緣基板之間電是指通過改變液滴與絕緣基板之間電壓，來改變液滴在基板上接觸角，使壓，來改變液滴在基板上接觸角，使液滴發(fā)生形變、位移的現(xiàn)象。液滴發(fā)生形變、位移的現(xiàn)象。

5、1.2 電潤濕電潤濕121.2 電潤濕電潤濕34 經(jīng)過多年的研究，終于，在經(jīng)過多年的研究，終于，在Gabriel LippmannGabriel Lippmann研究基礎(chǔ)上，研究基礎(chǔ)上，BergeBerge于于19931993年提出用絕緣層代替導電年提出用絕緣層代替導電基板，使液滴與金屬電極隔離從而避免液體的電解，基板，使液滴與金屬電極隔離從而避免液體的電解，即，這種方法被后人稱作基于介電層的電潤濕即，這種方法被后人稱作基于介電層的電潤濕 （Electrowetting On Dielectric,EWODElectrowetting On Dielectric,EWOD） EWODEWOD被

6、認為是近代電潤濕的開始。被認為是近代電潤濕的開始。（簡單地說，類似于電容器，介電層就（簡單地說，類似于電容器，介電層就 是絕緣體，有電場強度但是沒有電是絕緣體，有電場強度但是沒有電 流通過，不會發(fā)生化學反應）流通過，不會發(fā)生化學反應）EWODEWOD示意圖示意圖1.3相關(guān)公式及推導相關(guān)公式及推導u 楊氏公式（穩(wěn)態(tài)）：楊氏公式（穩(wěn)態(tài)）：u SV = SL + LV coseu SV 固固-氣界面張力氣界面張力u LV 液液-氣界面張力氣界面張力u SL 固固-液界面張力液界面張力1.3.1楊氏公式證明楊氏公式證明1.3.1楊氏公式證明楊氏公式證明1.3.2外加電場后的楊氏公式外加電場后的楊氏公式

7、uu1.3.3 用自由能表達式推出吉布斯用自由能表達式推出吉布斯杜亥姆公式杜亥姆公式0)()()()(dFzdnAddnFzFzdnAddAnFzdAddGAnFzGdniFzdAVdPSdTGiiiiiiiiiiiiiiiiI 電潤濕的研究是誘人的，隨著大量研究工作的進行，人們發(fā)現(xiàn)在低電潤濕的研究是誘人的，隨著大量研究工作的進行，人們發(fā)現(xiàn)在低電壓情況下可以獲得可逆的潤濕效果，然而當電壓增大到某一閾值后，電壓情況下可以獲得可逆的潤濕效果，然而當電壓增大到某一閾值后，接觸角并不像接觸角并不像Young-Lippmann 方程方程描述的那樣再隨電壓增大而減描述的那樣再隨電壓增大而減小，即接觸角達到

8、飽和。小，即接觸角達到飽和。1.4接觸角飽和現(xiàn)象接觸角飽和現(xiàn)象 來自飛利浦研究實驗室的來自飛利浦研究實驗室的H.J.J.VerheijenH.J.J.Verheijen和和 M.W.J.PprinsM.W.J.Pprins認為接觸角飽和認為接觸角飽和現(xiàn)象是由介電層俘獲電荷造成現(xiàn)象是由介電層俘獲電荷造成的，他們通過實驗發(fā)現(xiàn)，電壓的，他們通過實驗發(fā)現(xiàn)，電壓超過某一閾值時，液滴內(nèi)的電超過某一閾值時，液滴內(nèi)的電荷不再被液滴表面俘獲，同時荷不再被液滴表面俘獲，同時還發(fā)現(xiàn)液滴底部的介電層反而還發(fā)現(xiàn)液滴底部的介電層反而俘獲了電荷。俘獲了電荷。11.5 接觸角飽和的原因接觸角飽和的原因關(guān)于接觸角飽和現(xiàn)象學術(shù)界

9、提出了一些看法 V.Peykov等人曾專門發(fā)表文章并且還建立了一個數(shù)學模型來仿真這一觀點。1.5 接觸角飽和的原因接觸角飽和的原因u 電壓較低時：電壓較低時：u 電壓較高時：電壓較高時： 低電壓時低電壓時 即即u 2.1文章概述文章概述u 2.2接觸角收縮現(xiàn)象接觸角收縮現(xiàn)象u 2.3實驗部分實驗部分u 2.4影響因素歸納影響因素歸納u 2.5應用前景應用前景u 2.6結(jié)論結(jié)論 首次發(fā)現(xiàn)了電潤濕效應中的接觸角回退現(xiàn)象：接觸角在到首次發(fā)現(xiàn)了電潤濕效應中的接觸角回退現(xiàn)象：接觸角在到達飽和狀態(tài)之前會首先超越這一飽和值，然后再回退至飽和狀達飽和狀態(tài)之前會首先超越這一飽和值，然后再回退至飽和狀態(tài)。該研究指

10、出，液態(tài)。該研究指出，液- -固界面處產(chǎn)生了受限電荷并形成了衍生固界面處產(chǎn)生了受限電荷并形成了衍生電場，衍生電場對外加電場的屏蔽效應導致了接觸角回退現(xiàn)象。電場，衍生電場對外加電場的屏蔽效應導致了接觸角回退現(xiàn)象。據(jù)此，研究人員根據(jù)界面電荷的受限規(guī)律提出利用時間調(diào)制的據(jù)此，研究人員根據(jù)界面電荷的受限規(guī)律提出利用時間調(diào)制的方波電壓代替以往的直流電壓和正弦電壓，可主動適應受限電方波電壓代替以往的直流電壓和正弦電壓，可主動適應受限電荷的衍射電場從而使受限電荷的屏蔽效應變成增強效應，從而荷的衍射電場從而使受限電荷的屏蔽效應變成增強效應，從而阻止了接觸角的回退現(xiàn)象，實現(xiàn)了接觸角的最小化。阻止了接觸角的回退現(xiàn)

11、象，實現(xiàn)了接觸角的最小化。2.1文章概述文章概述2.2接觸角收縮接觸角收縮u 接觸角短時間內(nèi)變得很小，之后收縮到飽和值。接觸角短時間內(nèi)變得很小，之后收縮到飽和值。2.2接觸角收縮接觸角收縮 當液體中的電荷達到最大值時，接觸角最小。隨著電荷不斷被介電層俘獲，液體中的電荷達到最小值，接觸角收縮到飽和值。2.3實驗部分實驗部分u 采用光固化高分子化合物，先加電極，紫外線照射使之固采用光固化高分子化合物，先加電極，紫外線照射使之固化，再機械移去該化合物?；贆C械移去該化合物。u （不用水的原因：當外電勢消失的時候，被俘獲得電子會（不用水的原因：當外電勢消失的時候，被俘獲得電子會被極性的水分子帶走。）

12、被極性的水分子帶走。）u （用銅板做了相同的實驗，沒有發(fā)現(xiàn)電荷俘獲，說明介電（用銅板做了相同的實驗，沒有發(fā)現(xiàn)電荷俘獲，說明介電層的重要性。）層的重要性。）u 首先，首先，EDS檢測基板化學元素含量。檢測基板化學元素含量。 移去液體后的基板(a) 新的基板(b) 兩者成分沒有改變，說明沒有殘留物。（排除了殘留的液體對電荷分布的影響）u 之后測定了之后測定了SiO2/Si基板表面電勢分布基板表面電勢分布u （表面電勢大小與俘獲電荷的多少相關(guān)）（表面電勢大小與俘獲電荷的多少相關(guān)）u 表面電勢測定的路徑為圖中白色虛線表面電勢測定的路徑為圖中白色虛線負電勢大于正電勢的解釋負電勢大于正電勢的解釋u 介電層

13、的缺陷，介電層的缺陷，SiO2中的少量空穴使之更容易俘獲負電荷。中的少量空穴使之更容易俘獲負電荷。中間多，外面低的解釋中間多，外面低的解釋u 中間位置，電極與基板距離最近，電場最強，俘獲電荷最中間位置，電極與基板距離最近，電場最強，俘獲電荷最多，到四周距離逐漸增大，電場強度減弱，俘獲電荷減少多，到四周距離逐漸增大，電場強度減弱，俘獲電荷減少。有限單元建模有限單元建模(FEM)方法方法u 如果采用有很小的導電能力的液體，比如去離子水（還是如果采用有很小的導電能力的液體，比如去離子水（還是有一點導電性的），用有一點導電性的），用FEM方法得到的電荷分布如下圖所方法得到的電荷分布如下圖所示示u Ey

14、 正交投影正交投影u Ex 切線投影切線投影有限單元建模有限單元建模(FEM)方法方法u 由于同種電荷的排斥，導致邊緣分布的電荷較多，所以在由于同種電荷的排斥，導致邊緣分布的電荷較多，所以在邊緣電勢的值有一個突躍，但因為不是良好導體，沒有全邊緣電勢的值有一個突躍，但因為不是良好導體，沒有全部分布在邊緣，中間比較多。部分布在邊緣，中間比較多。俘獲的電荷可以逆轉(zhuǎn)俘獲的電荷可以逆轉(zhuǎn)電壓突然逆轉(zhuǎn)（電壓突然逆轉(zhuǎn)（+200V to -200V）u 電壓逆轉(zhuǎn)瞬間，底板中總電荷以及液體中的電壓逆轉(zhuǎn)瞬間，底板中總電荷以及液體中的電荷迅速轉(zhuǎn)變電性。電荷迅速轉(zhuǎn)變電性。u 而介電層中的俘獲電荷需要一定的弛豫時間而介電

15、層中的俘獲電荷需要一定的弛豫時間才能轉(zhuǎn)變電性。才能轉(zhuǎn)變電性。u 此時，底板中的電荷和俘獲電荷（兩者此時此時，底板中的電荷和俘獲電荷（兩者此時同號）共同作用，產(chǎn)生更強的電場，吸引液同號）共同作用，產(chǎn)生更強的電場，吸引液體中的電荷。從而導致更小的接觸角。體中的電荷。從而導致更小的接觸角。電壓突然撤掉電壓突然撤掉u 這樣也可以使接觸角減小。這樣也可以使接觸角減小。u 分析：介電層中的電荷吸附了液體中相反電荷。分析：介電層中的電荷吸附了液體中相反電荷。u 同樣需要一定時間回到飽和接觸角同樣需要一定時間回到飽和接觸角電子俘獲可控電子俘獲可控u 可調(diào)節(jié)頻率，波形，占空比來改變電子俘獲能力，從而降可調(diào)節(jié)頻率

16、，波形，占空比來改變電子俘獲能力，從而降低接觸角。低接觸角。u 通過實驗，得到通過實驗，得到T1/3s，方波，空占比（即電壓為負的，方波，空占比（即電壓為負的比例）比例）k0.7的時候，接觸角最小。的時候，接觸角最小。2.4影響因素歸納影響因素歸納u 1.周期周期u 2.波形波形u 3.空占比空占比ku 4.通電模式（通電模式（AC/DC）周期周期u （a,b兩圖均是兩圖均是200v，k=0.5的方波）的方波）u 由由a圖可知，接觸角是周期性變化的。圖可知，接觸角是周期性變化的。u 由圖由圖b知，知，f=3Hz時接觸角上下界均最小時接觸角上下界均最小決定周期的主要因素：決定周期的主要因素：u

17、1.液體的粘度（粘度大，液滴變形所需時間增大）液體的粘度（粘度大，液滴變形所需時間增大）u 2.俘獲電荷電性轉(zhuǎn)變的弛豫時間俘獲電荷電性轉(zhuǎn)變的弛豫時間波形波形u 之前曾經(jīng)報道過交流電周期對接觸角的影響，但是沒有研之前曾經(jīng)報道過交流電周期對接觸角的影響，但是沒有研究波形的影響。究波形的影響。實驗數(shù)據(jù)圖u 水，離子液體，丙三醇分別正弦和方波（水，離子液體，丙三醇分別正弦和方波（k=0.5）情況下（）情況下（f=500Hz），隨電壓升高平均接觸角的變化，隨電壓升高平均接觸角的變化u 本文作者的實驗發(fā)現(xiàn)方波比正弦波更好地阻止接觸角收縮。（電壓正負變本文作者的實驗發(fā)現(xiàn)方波比正弦波更好地阻止接觸角收縮。（電

18、壓正負變換更快）換更快）u 這個規(guī)律應該可以適用于所有能發(fā)生電濕潤的液體。這個規(guī)律應該可以適用于所有能發(fā)生電濕潤的液體。占空比占空比ku k=0.7時，達到最小值。時，達到最小值。比較直流電與交流電以及不同波形比較直流電與交流電以及不同波形u 之前曾經(jīng)報道過交流電周期對接之前曾經(jīng)報道過交流電周期對接觸角的影響，但是沒有研究波形觸角的影響，但是沒有研究波形的影響。的影響。u 本文作者的實驗發(fā)現(xiàn)方波比正弦本文作者的實驗發(fā)現(xiàn)方波比正弦波更好地阻止接觸角收縮。（電波更好地阻止接觸角收縮。（電壓正負變換更快）壓正負變換更快）2.5應用前景應用前景u 可用于制造非球面廣視角的柔性微透鏡陣列?？捎糜谥圃旆乔蛎鎻V視角的柔性微透鏡陣列。u 作者曾報道過用電濕潤方法制備特定曲率半徑的的微透鏡作者曾報道過用電濕潤方法制