CN101386997A

CN101386997A - 一种微粒材料的操控方法

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Publication number: CN101386997A
Application number: CNA2008102013369A
Authority: CN
Inventors: 刘伟景; 唐晓东; 张健; 白伟
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2009-03-18

Abstract

本发明一种微粒材料的操控方法，涉及微粒材料操控技术领域，尤其是一种关于微粒材料的极化、最优极化方向调控和有序排列的操控方法。在微粒材料中，特别在极化材料器件，如电容器等的制造过程中，未有对材料的易极化方向进行统一的调控、优化排列的操控手段。虽有如光镊等在少量材料排布、旋转和电学量测量的技术，但装置复杂、操作繁琐，难以胜任对微粒材料的大规模的集体操控。本发明通过电极在悬浮液中施加电场，使位于其中的微粒材料发生极化，产生电偶极距，在介电泳力作用下实现材料自身的电偶极距(易极化方向)沿电场取向，实现对微粒材料的易极化方向的调控和有序排列的方法，在极化材料器件制作和应用领域具有广泛的产业化的前景。

Description

一种微粒材料的操控方法

技术领域

本发明涉及微粒材料操控技术领域，尤其是一种关于微粒材料的极化、最优极化方向调控和有序排列的操控方法。

背景技术

在微粒材料，包括微米或纳米的、自然或人工的实体中，纳米材料是具有性能超群的功能材料，特别在采用纳米结构作为构造电学器件，有时需将纳米结构填充、有序排列在电极之间以便实现其功能特性输出对电信号的转换。例如，将纳米结构作为功能元件应用在微纳电容、微纳传感器、纳米电路等系统中，有选择地将纳米结构设置乃至有序排列到指定的位置，是电学器件制备过程中首先要解决的问题。特别，在很多极化材料器件，如电容器等的制造过程中，未有对材料的最优极化方向进行统一的调控、优化排列的操作手段。在微纳尺寸材料操控技术中，虽然有如光镊等在少量材料排布、旋转和电学量测量的技术手段，但存在装置复杂、操作繁琐，尤其难以胜任生产和研究中的微粒材料的大规模的集体操控等的不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺失，提出以简单而有效地实施微粒材料极化、最优极化方向调控和有序排列的操控方法。

如所周知，任何材质都会有一定的介电特性，就是说在外加电场之下，它们会受到不同程度的(电偶)极化，并因此倾向于顺着外加电场的方向来排列。也就是说，如果外加电场的空间分布是不均匀的，那么这些被(电偶)极化了的微粒就会受到一份净力即称之为“介电泳动力”，进而造成不同程度的漂移运动，这种可极化的微粒在不均匀的外加电场中所发生的运动，便称为“介电泳”。

本发明利用上述原理，通过电极在悬浮液中施加电场，使位于其中的微粒材料发生极化，产生电偶极距，在介电泳力作用下实现材料自身的电偶极距(最优极化方向)沿电场取向。这种通过对电场分布的控制，以实现对微粒材料的最优极化方向的调控和有序排列的方法，在极化材料器件制作和应用领域具有广泛的产业化的前景。

本方法的主要步骤是：

根据器件设计要求制作一电极组；

将一介质微粒材料放入一微粒操控的载体——电介质溶剂中，经超声使其扩散均匀制成含有介质微粒材料的悬浮液；

将一电极组置于悬浮液中；

根据被操控的介质微粒材料和所选用溶剂的介电特性，在该系统中设定一产生正、负介电泳或者两者交替施加的操控信号范围，并选择一幅值、一频率值；

或者，需对大量介质微粒材料进行长距离输运时，则结合行波介电泳以及电泳技术进行操控；

或者，需要对微粒材料的极化方向进行多角度旋转调控时，则结合多电极阵列结构，施加可变叠加电场；

或者四电极产生的旋转电场，来完成极化方向的调控和有序排列；

操控处理，在电极两端施加一经确认幅值、频率的交流电信号，使位于其间的介质微粒材料在介电泳力作用下沿电场线方向在电极间极化、有序排列，最终形成介质微粒材料在微电极结构中的填充和最优极化方向的有序排列；

操控后处理，除去电介质溶剂，并引线封装制成器件。

上述操控方法具有以下的优点：

1、这种操控不受材料本身导电特性，材料形状等的限制，原则上适用于所有的纳米结构；原则上可以任意选择一种电介质溶剂作为材料操控的载体，在实际应用中，常采用去离子水、乙醇、丙酮等。

2、微粒材料分布规律有序，定位区域选择性好；

3、在完成微粒材料的定位操作的同时，实现材料的最优极化方向的调控和有序排列；

4、生产设备和环境要求不高，生产成本较低。

附图说明

图1为ZnO纳米结构SEM图；

图2为本发明的制作工艺流程图；

图3为本发明的平面结构示意图；

图4为未经介电泳操控(a)转角处(b)平行处(c)平行处放大图；

图5为本发明经介电泳操控(a)转角处(b)平行处(c)平行处放大图；

图6为本发明一个实施例的交流阻抗测试结果；

图7为本发明一个实施例的电容结果模型；

图8为本发明一个实施例的电容测试结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述，并给出实施例。一种微粒材料极化、最优极化方向调控和有序排列的操控方法，其步骤是：

A.根据器件设计要求制作一电极组或电极阵列；

B.将一介质微粒材料放入一微粒操控的载体——电介质溶剂中，经超声使其扩散均匀制成含有介质微粒材料的悬浮液；

C.将一电极组或电极阵列置于悬浮液中；

D.根据被操控的介质微粒材料和所选用溶剂的介电特性，在该系统中设定一产生正、负介电泳或者两者交替施加的操控信号范围，并选择一幅值、一频率值；

E.操控处理，在电极或电极阵之间施加一经确认幅值、频率的交流电信号，使位于其间的介质微粒材料在介电泳力作用下沿电场线方向在电极间极化、移动，旋转，最终形成介质微粒材料在微电极结构中的填充和最优极化方向的调控和有序排列。

F.操控后处理，除去电介质溶剂，并引线封装制成器件。

本发明一个实施例，所述的微粒材料极化、最优极化方向调控和有序排列的操控方法，其特点是，所述的电极材料为金属Al、Fe、Au、Ti及其合金或者非金属的Si、C、碳纳米管；

所述的电介质溶剂：去离子水或乙醇或丙酮或是它们的混合物中的任一种；

所述的纳米结构材料为金属、金属合金及其氧化物纳米材料、无机纳米材料、有机纳米材料、纳米杂化材料或者高分子聚合物的SnO₂、ZnO、TiO₂、Fe₂O₃、SiO₂、Si、C，常用的几何形状是球形或棒形；

纳米结构材料制作的方法：

所采用的ZnO纳米结构材料易沿着长轴方向极化的为棒状结构，采用溶液法生长，直径在200nm，长度在10μm；

其电极的制作：采用平板印刷技术在二氧化硅绝缘层上制作Au/Ti电极。

其特点是：所述的D步骤还包括：超净室内在室温下

首先将待操控的ZnO纳米材料放入去离子水中，然后将悬浮液放入超声清洗机，使纳米材料在溶剂中分散均匀；

用移液器取少量悬浮液移入电极中间区；

所述的E步骤还包括：

根据介质溶剂去离子水和ZnO材料的介电特性，使用DDS任意波形发生器操控交流信号的幅度在0.1V-20V、频率在1kHz-2MHz之间；

使用DDS任意波形发生器在电极的两端施加频率为1MHz、幅度为8V的正弦交流信号，在电极之间对材料进行正介电泳操控，直至ZnO纳米结构被定位到电极之间，直至溶剂完全挥发。

结果分析：

未操控的制作样品1SEM图(如附图4所示)和操控样品2的SEM图(如附图5所示)。

从附图4中可以看到，未经介电泳操控的纳米材料杂乱无章的分布在电极上和电极之间，分布和取向都没有规律；附图5是经介电泳操控的材料排布的电子扫描显微镜(SEM)照片，从图5中可以看到，原本四处分布的材料基本集中到电极之间的区域，电极上很少有材料；并且，由于介电泳力的作用，材料的排列呈现出很强的规律性，材料排列比较整齐，极化取向趋于平行，基本按电场线方向取向，很多短小的材料首尾相互连接并最终完成电极间的填充和跨接。

样品的测试与分析

1、交流阻抗测量

在湿度，温度，气压，光照等相同的测试条件下，采用不同测试频率测量交流阻抗，以间接研究介电泳操控对电容的影响，并判断在直接测量所要选择的测量模式。

一般材料的极化都与结构的有序相联系，而纳米材料在结构上与常规粗晶材料存在一定的差别它的介电行为(介电常数、介电损耗)有自己的特点。表现在其介电常数和介电损耗与颗粒尺寸有很强的依赖关系，而且电场频率对其介电行为有极强的影响，它的介电常数或相对介电常数随测量频率减小呈明显的上升趋势。对于同一个样品，电容C随f变化而变化，相对于频率变化对阻抗的影响，电容变化对交流阻抗的影响还是比较小的。对于未经过操控和操控的两个不同样品，因为是同样的介质材料和同样的测试频率变化，两个样品中材料的介电常数随频率的变化有相同的变化，所以要研究操控对电容的影响，我们可以通过分析各个样品在不同测试频率下的阻抗变化值的大小来初步分析。

在测试过程中，两个样品的测量值的大小受到很多因素的影响，包括引出端的位置的不同等因素，但通过比较两个样品结构的交流阻抗值随频率改变的变化值的大小，可以初步了解样品电容的大小。交流阻抗测试结果如附图6所示。

为了通过交流阻抗来分析介电泳操控对电容大小的影响，我们先对样品结构做个LCR等效电路分析，根据所制作的电极结构特点，可以采用串联模型，即一个电阻和一个电感再串联一个电容(如附图7所示)。

在大多数交流阻抗的测量中，测量信号的频率不是太高，等效电路中的电感影响不大，电阻R具有常阻抗值，随频率没有变化交流阻抗Z的频率关系是由从电容性变化以及电容与电阻结合性决定的。

对于串连RCL交流阻抗可以表示为

Z＝1/jωc+R＝1/j2π fc+R

因此，

| Z | = \sqrt{R^{2} + {(1 / 2 πfc)}^{2}}

从附图6中可以看到对于同一个样品，频率增大，阻抗变小，因为f增大，虽然电容会随f增大而有变小趋势，但f增大是主要因素，fc值会变大，所以1/2π fc的值会变小。

对于未操控的电容器，当测试频率从100Hz变化到10kHz时，阻抗变化值为8243-143.6kΩ，变化值很大。说明1/2π fc随f的变化较大。说明1/2πc很大，即电容较小。

对于经操控的电容器，当测试频率从100Hz变化到10kHz时，阻抗变化值为593.9-74.26kΩ，变化值较小，说明1/2π fc随f的变化不大，说明1/2πc很小，即电容较大。

2、电容的直接测量

根据上述的阻抗测试，可以判断样品的电容偏小，在采用LCR测试仪直接测量样品电容时，宜采用并联测量模式，测量结果如附图8所示。其中C是并联测量模式下的电容，可以看到，在100Hz，1kHz，10kHz不同的测试频率下，未经操控的电容值分别为146.1pF，120.1pF，111pF，而经操控的电容值分别为316.9pF，258.4pF，211.2pF，可以看到经过介电容操控，电容有了明显的增大，操控的样品电容基本为未操控样品的2倍。说明纳米材料和一般常规材料相似，其极化与结构的有序排列有关，通过介电泳结束可以使纳米材料严格按照最有利于极化的方向排列，从而可以使电容增大。

通过上述初步测试分析，可以看到，采用介电泳技术可以使纳米材料集中排布在两个电极之间，很好的完成纳米材料的大规模定位操作；同时，纳米材料是一种很有潜力的电容介质材料，通过介电泳力的引导，纳米材料在电场中会沿着自身最优极化方向取向，从而可以进一步增大电容量。这个原理性的工作进一步提高介电泳技术对材料的集体操控能力和对微粒材料极化方向的调控排列能力，为增大电容，减小电容体积提供了有意义的借鉴，同时也为其它极化器件的构建和性能的提高提供了一个参考。如很多铁电器件，铁磁器件，压电器件，以及极化光纤器件等。

鉴于本发明内容涉及微粒材料科学的广泛性的特点，特作如下阐述：

本发明操控对象不受材料本身导电特性、材料形状等的限制，原则上适用于所有的微粒结构材料，常用的微粒材料为金属、金属合金及其氧化物纳米材料、无机纳米材料、有机纳米材料、纳米杂化材料或者高分子聚合物的SnO₂、ZnO、TiO₂、Fe₂O₃、SiO₂、Si、C，常用的几何形状是球形或棒形。

本发明所述的电极对材料和结构没有特殊的要求，常用的电极材料为金属Al、Fe、Au、Ti、Cr、Zr及其合金或者非金属的Si、C、碳纳米管等。同时还包括：PS贵金属电极材料(electrode materiaI of precious metal)用于制作电化学和电子学电极的责金属材料。

按其功能和使用的领域可分为：金属(合金)电极材料、涂层电极材料和多孔气体扩散电极材料。

金属(合金)电极材料金、银、铂、钯、铱及其一些合金是电的良导体，还具有抗氧化、抗腐蚀、超电压低、不钝化等一个或若干个特性，适于作阳极材料，制成片、网、丝等形状的阳极。

工业上生产过氧化氢、过氯酸(盐)、次氯酸钠、过硫酸铵等用铂丝缠成的阳极。

在实验室中用镀有铂黑的铂电极作氢电极；铂、钯、金等用作研究电化学反应的电极，也用作放氧、放氯反应的阳极。铅银、铅银钙等合金制成的阳极用于锌电解工业。

电子工业中用铂钡、钯钡、铱钨铼、铱钡锇等合金制作电子管栅极和阴极，用于高电流密度的超高频电路。

涂层电极由基底和涂层两部分组成，用于电化学的涂层电极。基底为钛、钽、锆、钨、铝、铋等阀金属(合金)之一或几个构成。

涂层一般由以下成分的材料组成：(1)阀金属的氧化物、氮化物、碳化物、氯氧化物、硅化物、硼化物、磷化物；(2)贵金属铂、钌、钯、铱、铑、锇或其氧化物；(3)贱金属铜、锡、锑、铁、钴、镍、铬、锰等的氧化物。

涂层的制作通常是将各组分用液体载体(如丁醇、萜烯)调和、刷涂在基底上，经热分解而制成。

上述三类涂层材料也可按生成以下结构来配方：尖晶石型AB2O4(A为阀金属或贱金属，B为贵金属)；烧绿石型A2B2O)7-y(1>y>O)；钙钛矿型ABO3；铜铁矿型ABO2；烧结青铜型MxPt3O4(M-Cu、Ag、Sr、Li、Na、Tl)。

金属基底的涂层阳极，称为尺寸稳定阳极(DSA)。

在氯碱工业中RuO2涂层(电解用离子交换隔膜时，以PdO、Pt-Ir或Pt-IrO2涂层为佳)钛阳极已代替石墨电极，它具有机械强度高、导电性能好，氯超电压低、节省电能、寿命长，以及维护费用低等优点。

含贵金属涂层材料的这类电极用途很广，已用于氯酸盐、次氯酸盐、过氯酸盐的电解，金属电解，金属电化学抛光，阴极保护，海水淡化，污水灭菌等领域。

电子工业用涂锇、铱、铂或铑的阴极材料制作电子管，能改善热电子或离子的发射。

微电子厚膜电路用钯银系、金钯系、金铂系、金铂钯系等浆料制作电容器的电极(见贵金属浆料)。

多孔气体扩散电极材料。在石墨、活性炭、乙炔黑、或有机碳等(也有用莱尼镍、碳化硼等材料)制成的多孔载体上载上有电催化性能的贵金属或其氧化物，用疏水性聚乙烯或聚四氟乙烯粘结，就形成各种形状的多孔电极。贵金属在载体上高度分散，催化活性高。

多孔结构可让气体扩散通过。空气电池、燃料电池的电极就属这一类电极。多孔气体扩散电极的用途正在发展，用作锌电解的电极的研究已有一定进展。

本发明所述的介质溶剂原则上可以任意选择一种有机或无机溶剂作为微粒操控的载体。常用的去离子水、醇类有机溶剂如乙醇、酮类有机溶剂如丙酮、醛类有机溶剂以及它们的混合物等。

溶剂按化学组成分为有机溶剂和无机溶剂：

有机溶剂包括多类物质，如链烷烃、烯烃、醇、醛、胺、酯、醚、酮、芳香烃、氢化烃、萜烯烃、卤代烃、杂环化物、含氮化合物及含硫化合物等等，多数对人体有一定毒性。

它存在于涂料、粘合剂、漆和清洁剂中。经常使用有机溶剂，如，苯乙烯、全氯乙烯、三氯乙烯、乙烯乙二醇醚和三乙醇胺。

有机溶剂是能溶解一些不溶于水的物质(如油脂、蜡、树脂、橡胶、染料等)的一类有机化合物，其特点是在常温常压下呈液态，具有较大的挥发性，在溶解过程中，溶质与溶剂的性质均无改变。

有机溶剂的种类：按其化学结构可分为10大类：①芳香烃类：苯、甲苯、二甲苯等；②脂肪烃类：戊烷、己烷、辛烷等；③脂环烃类：环己烷、环己酮、甲苯环己酮等；④卤化烃类：氯苯、二氯苯、二氯甲烷等；⑤醇类：甲醇、乙醇、异丙醇等；⑥醚类：乙醚、环氧丙烷等；⑦酯类：醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯等；⑧酮类：丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮等；⑨二醇衍生物：乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚等；⑩其他：乙腈、吡啶、苯酚等。

其中：

酸性溶剂：这类溶剂给出质子的能力强于接受质子的能力，如甲酸、硫酸等。

碱性溶剂：接受质子的能力较强的溶剂，如乙二胺(NH2CH2CH2NH2)等。

两性溶剂：即给出质子和接受质子能力相当的溶剂，如水、甲醇、乙醇等。

惰性溶剂：既不能给出质子也不能接受质子的溶剂，如苯、氯仿等。

综上所述，特别是一种利用极化性的纳米电容器的制作方法，具有以下的特点：

1、介电泳操控只需在电极结构之间产生非均匀电场。其对电极的材料和结构没有特殊的要求，不受材料本身导电特性、材料形状等的限制，原则上适用于所有的微粒结构材料；原则上可以任意选择一种溶剂作为微粒操控的载体。

2、被操控微粒分布规律有序，定位区域选择性好。

3、在完成微粒材料的定位操作的同时，实现材料的最优极化方向的调控和有序排列。

4、生产设备和环境要求不高，生产成本较低。

Claims

1.一种微粒材料的操控方法，其特征是：

A.根据器件设计要求制作一电极组或电极阵列；

C.将一电极组或电极阵列置于悬浮液中；

或者，用四电极产生的旋转电场，来完成极化方向的调控和有序排列；

E.操控处理，在一电极组或电极阵之间施加一经确认幅值、频率的交流电信号，使位于其间的介质微粒材料在介电泳力作用下沿电场线方向在电极间极化、移动，旋转，最终形成介质微粒材料在微电极结构中的填充和最优极化方向的调控和有序排列；

F.操控后处理，除去电介质溶剂，并引线封装制成器件。

2.如权利要求1所述的微粒材料的操控方法，其特征是，所述的电极材料包括：金、银、铜、铁、铝、铂、钯、铱及其合金的金属材料；以钛、钽、锆、钨、铝、铋的阀金属合金之一或几个为基底、以阀金属的氧化物、氮化物、碳化物、氯氧化物、硅化物、硼化物、磷化物以及铂、钌、钯、铱、铑、锇、铜、锡、锑、铁、钴、镍、铬、锰的或其氧化物为涂层的涂层电极材料；以及非金属的硅、石墨、活性炭、乙炔黑或有机碳、莱尼镍、碳化硼、碳纳米管；

所述的电介质溶剂包括：苯、甲苯、二甲苯、戊烷、己烷、辛烷、环己烷、环己酮、甲苯环己酮、氯苯、二氯苯、二氯甲烷、甲醇、乙醇、异丙醇、乙醚、环氧丙烷、醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯、丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、乙腈、吡啶、苯酚以及卤代烃、杂环化物、含氮化合物及含硫化合物的有机溶剂和去离子水的无机溶剂以及两者或两者以上的混合物；

所述的纳米结构材料包括：所有金属、金属合金及其氧化物以及半导体纳米材料、纳米陶瓷、纳米磁性材料、纳米杂化材料或者生物医学高分子聚合物；

纳米结构材料制作的方法：

3.如权利要求1或2所述的微粒材料的操控方法，其特征是：所述的D步骤：

还包括：在超净室，室温下

用移液器取少量悬浮液移入电极中间区；

所述的E步骤还包括：

使用DDS任意波形发生器在电极的两端施加频率为1MHz、幅度为8V的正弦交流信号，在电极之间对材料进行正介电泳操控，直至ZnO纳米结构被定位到电极之间，待溶剂挥发完毕。