CN106055016B - 表面电势控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及表面电势控制装置，包括一电容器以及一第一基板，电容器包括第一电极板和第二电极板，第一电极板包括第一表面和第二表面；第二电极板包括第三表面和第四表面，第二表面与第三表面相对设置，第一基板设置在第一表面，第四表面用于放置待控制表面电势的第二基板。本发明还提供基板表面电势的控制方法，包括将所述第二基板设置在第四表面，并使所述第六表面与一溶液接触；通电状态下，使所述第一电极板、第二电极板以及电解液处带等量的异种电荷，正负电荷与第六表面的距离不同，在第六表面上正负电荷产生的电场效应不同，导致第六表面上电荷总体上对外呈现出电性；以及通过改变外加电压的大小或方向对第二基板表面的电极电位进行控制。
Description
技术领域
本发明属于界面控制与表面工程领域，尤其涉及一种表面电势控制装置及控制方法。
背景技术
当金属等材料（基板）浸入到水或盐溶液中时，表面晶格上的离子，受到极性水分子的吸引，有脱离表面进入溶液形成水合离子的趋势，这时基板表面由于电子过剩呈现出负电性。即基板表面与溶液间产生电位差，这种电位差称为基板在此溶液中的电位或电极电位。离子转移的趋势以及难易程度主要由基板表面电极电位决定，因此金属等材料组成的基板表面电极电位的正负及大小对基板性能有重要影响。例如：当基板表面电极电位为负时，在基板表面与溶液间电压差的驱动下，电子脱离基板表面即基板发生氧化反应，基板表面被腐蚀。电极电位越低，基板越容易发生氧化反应，基板表面越容易被腐蚀。而当基板表面电极电位为正值时，表面电子很难从表面脱离，即基板抗氧化性能较高，一般条件下不容易发生腐蚀。
目前，常用的改变基板表面电极电位的方法通常有表面涂覆技术，钝化膜技术以及外加电场的方法。表面涂覆技术为在基板表面涂覆一层其它物质进而改变基板表面的电极电位。钝化膜技术为使基板表面发生氧化反应在基板表面生成氧化膜或盐类，氧化膜或盐类紧密的覆盖在基板表面使基板表面发生钝化，提高其电极电位。外加电场的方法为将基板作为电极与另外电极组成对电极实现对基板表面电位的改变。
然而，表面涂层技术及钝化膜技术中，基板表面的电位由涂覆材料或金属氧化物决定，不能实现对基板表面的电极电位的灵活控制，可调性比较差。外加电场的方法中，过高的外加电压会使基板表面迅速发生电化学反应进而腐蚀，应用受到基板材料本身电化学窗口的限制，因此该方法不能大范围的调节基板表面的电极电位。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种表面电势控制装置及控制方法，可以实现对基板表面电势进行大范围的可控调节。
一种表面电势控制装置，包括一电容器以及一第一基板，所述电容器包括一第一电极板和一第二电极板，所述第一电极板包括一第一表面以及与该第一表面相对设置的第二表面；所述第二电极板包括一第三表面以及与该第三表面相对设置的第四表面，所述第二表面与所述第三表面相对设置，所述第一基板设置在所述第一电极板的第一表面，所述第二电极板的第四表面用于放置待控制表面电势的第二基板；所述第一基板和第二基板分别与一电源的正负极电连接。
一种表面电势的控制方法，该控制方法包括以下步骤：提供上述表面电势控制装置；将待控制表面电势的第二基板设置在所述第二电极板的第四表面，将第二基板中与所述第二电极板接触的面定义为第五表面，与第五表面相对的面定义为第六表面，并使所述第六表面与一溶液接触；打开电源开关，使所述第一电极板、第二电极板以及电解液中带等量的异种电荷，正负电荷与第六表面的距离不同，在第六表面上正负电荷产生的电场效应不同，导致第六表面上电荷总体上对外呈现出电性；以及通过改变外加电压的大小或方向对第二基板表面的电极电位进行控制。
与现有技术相比较，本发明提供的表面电势控制装置及控制方法，所述表面电势控制装置充电后，电容器内部会有大量电荷存在，虽然正负电荷总量相等，由于正负电荷与基板表面的距离不同，在基板表面处正负电荷产生的电场效应不能相互平衡，正负电荷整体上对外呈现出电性。仅通过控制充电电压大小及方向，即可改变电容存储电荷的总数量，进而实现基板表面电极电位的大幅度控制与调节。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基板表面电势控制装置示意图。
图2是本发明实施例提供的基板表面电势控制装置中硼、氮掺杂金刚石薄膜的电极循环伏安曲线。
图3是本发明实施例提供的基板表面电势控制装置中的p-Si基片表面在未充电状态下的AFM测试结果。
图4是本发明实施例提供的基板表面电势控制装置中的p-Si基片表面在充正电状态下的AFM测试结果。
图5是本发明实施例提供的基板表面电势控制装置中的p-Si基片在未充电状态下的硅藻吸附情况照片。
图6是本发明实施例提供的基板表面电势控制装置中的p-Si基片在充正电状态下的硅藻吸附情况照片。
主要元件符号说明
| 表面电势控制装置 | 100 |
| 双电层电容器 | 10 |
| 第一电极板 | 101 |
| 第二电极板 | 102 |
| 电解液 | 103 |
| 隔膜 | 104 |
| 第一基板 | 20 |
| 封装元件 | 30 |
| 第二基板 | 40 |
| 第一导线 | 50 |
| 第二导线 | 60 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的基板表面电势控制装置100作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明提供的表面电势控制装置100包括：一双电层电容器10，一第一基板20以及一封装元件30。所述双电层电容器10包括一第一电极板101、一第二电极板102、一电解液103以及一隔膜104。所述第一电极板101包括一第一表面以及与该第一表面相对设置的第二表面。所述第二电极板102包括一第三表面以及与该第三表面相对设置的第四表面，所述第二表面与所述第三表面相对设置，所述第四表面用于放置待控制表面电势的基板。所述第一基板20设置在所述第一电极板101的第一表面。所述封装元件30用于将所述双电层电容器10中的电解液103以及第一基板20进行封装。
所述电解液103为双电层电容器的常用电解液。本实施例中所述电解液103为去离子水。
所述隔膜104为双电层电容器的常用隔膜。
所述封装元件30用于防止电解液漏出以及防止所述基板表面电势控制装置100应用时所述第一基板20与溶液接触。所述封装元件30的材料为非导电材料。所述封装元件30的材料优选为一密封胶，本实施例中，所述封装元件30的材料为环氧树脂胶。
所述第一电极板101以及第二电极板102的材料可以为任意的双电层电容器10的常用电极材料。优选的，所述第一电极板101以及第二电极板102采用涂有多孔活性炭的金刚石薄膜作为电极材料，一方面金刚石薄膜的电化学窗口远高于其它材料，因此金刚石薄膜作为电极材料在较高电压作用下可保持充电状态，另一方面多孔活性炭可提高电解液中离子与电极材料的实际接触面积。所述涂有多孔活性炭的金刚石薄膜可以采用电镀等方式直接沉积在所述第一基板20的表面。所述涂有多孔活性炭的金刚石薄膜的厚度优选为0.5µm～5µm，在该厚度范围内，涂有多孔活性炭的金刚石薄膜的电阻率较小，电化学窗口较高。
本实施例中，所述涂有多孔活性炭的金刚石薄膜为硼、氮掺杂的涂有多孔活性炭的金刚石薄膜，该硼、氮掺杂的涂有多孔活性炭的金刚石薄膜采用HF-CVD方法制备。该硼、氮掺杂的涂有多孔活性炭的金刚石薄膜厚度约为1µm，电阻率小于100Ωcm。请参阅图2，在100mV/s扫描速率下，硼、氮掺杂的涂有多孔活性炭的金刚石薄膜的电极循环伏安曲线，从图中可以看出，硼、氮掺杂的涂有多孔活性炭的金刚石薄膜的电化学窗口可以达到3.2V，背景电流接近于0。表明在平衡电位下，该硼、氮掺杂的涂有多孔活性炭的金刚石薄膜的“电极/溶液”界面间只有少量带电粒子发生转移，流向界面的电荷主要用于改变界面构造，属于电极空间电荷区充电的过程，而硼、氮掺杂的涂有多孔活性炭的金刚石薄膜的“电极/溶液”界面间基本不发生电化学反应，接近理想极化电极。
所述第一基板20的材料为导电材料，优选的，所述第一基板的材料为金属，导体或半导体。本实施例中，所述第一基板20为一p-Si基片。
当所述表面电势控制装置100应用时，将一第二基板40设置在所述第二电极板102的第四表面，并将该第二基板40与一电源的正极电连接，第一基板20与电源的负极电连接。本实施例中，采用一第一导线50使所述第二基板40与电源的正极（与前面矛盾）电连接，采用一第二导线60使所述第一基板20与电源的负极（与前面矛盾）电连接。将第二基板40与所述第二电极板102接触的面定义为第五表面，与第五表面相对的面定义为第六表面，所述表面电势控制装置100控制第六表面的表面电势。
所述表面电势控制装置100控制第六表面电势的原理为：当电源开关打开后，所述表面电势控制装置100充电，电子会通过第二电极板102流向第一电极板101，第二电极板102带正电荷，电解液103中的负离子在电场的作用下会迅速向第二电极板102运动，并在第二电极板102的表面形成紧密的负电荷层；第一电极板101带负电荷，电解液103中的正离子在电场的作用下会迅速向第一电极板101运动，并在第一电极板101的表面形成紧密的正电荷层；虽然正负电荷在数量上相等处于电荷平衡状态，由于正电荷与第六表面的距离小于负电荷与第六表面的距离，所以在第六表面上正电荷产生的电场效应大于负电荷产生的电场效应，导致第六表面上电荷总体上对外呈现出正电性。
可以理解，在其他实施例中，所述第一基板20与电源的正极电连接，第二基板40与电源的负极电连接。当所述基板表面电势控制装置100充电后，正负电荷在数量上相等处于电荷平衡状态，由于负电荷与第六表面的距离小于正电荷与第六表面的距离，在第六表面上负电荷产生的电场效应大于正电荷产生的电场效应，导致第六表面电荷总体上对外呈现出负电性。
由此可见，当所述第二基板的第六表面浸于一溶液中时，通过外加电压即可以使所述第六表面与该溶液的界面处产生电场效应，通过改变外加电压的方向或大小即可使第六表面在该溶液中的电极电位得到控制。具有操作方便、成本低廉、易于工程化等特点。优选的，所述第二基板40的第六表面浸于一盐溶液中。
所述第二基板40的材料与所述第一基板20的材料相同。
本实施例中，采用电化学工作站以及三电极系统对所述第二基板的第六表面电极电位进行研究。该电化学工作站包括M237A型恒电位仪、M5210型锁相放大器、交流阻抗测量用电解池。该三电极系统中，辅助电极为石墨惰性电极，参比电极为饱和甘汞电极，工作电极为本实施例中的第一基底材料。所述交流阻抗测量用电解池的电解液为质量分数为1%的NaCl溶液，其中溶剂为去离子水。实验测得通过表面电势控制装置100调节之后所述第二基板的第六表面在去离子水中的表面电极电位在-3V~3.5V之间，而未通过基板表面电势控制装置100调节的所述第二基板的第六表面在去离子水中的表面电极电位基本在-100mV到-50mV之间。表明该基板表面电势控制装置100可以大范围的调节材料表面的电极电位，而且可以使材料表面的电极电位为正值。
图3和图4分别为未充电和充正电状态下，p-Si基片表面的AFM测试结果，从图中可以看出，与未充电时相比，在充正电条件下，在探针趋近p-Si基片表面的过程中，在探针到达分子间作用力范围内之前，即进程曲线瞬降之前，进程曲线会发生上偏，说明趋近过程中探针受到阻力作用。进一步说明p-Si基片的力学性能发生了改变。
图5和图6分别为未充电和充正电状态下，将p-Si基片放入一硅藻溶液中一段时间后，p-Si基片表面硅藻吸附情况，从图中可以看出，未通电的p-Si基片的表面存在较大的黑色斑点，这是硅藻在吸附过程中发生团聚而产生的。在充正电状态下，p-Si基片的表面基本上不存在斑点，由于通电后电场力的作用，p-Si基片的表面对硅藻有排斥力，因此硅藻不容易到达壁面完成吸附。由此可见，充正电状态下p-Si基片的力学性能发生了改变。
可以理解，本发明中的双电层电容器也可以替换为普通电容器。
本发明还提供一种表面电势的控制方法，该控制方法包括以下步骤：
S1：提供一上述表面电势控制装置100；
S2：将一待控制表面电势的上述第二基板40设置在所述第二电极板102的第四表面，并使所述第二基板40中的第六表面与一溶液接触；
S3：打开电源开关，使所述第一电极板101以及第二电极板102带等量的异种电荷，由于正负电荷与第二基板40的第六表面的距离不同，所以在第六表面上正负电荷产生的电场效应不同，导致第六表面上电荷总体上对外呈现出电性；以及
S3：通过改变外加电压的大小或方向对第二基板的第六表面的电极电位进行控制。
本发明提供的表面电势控制装置及控制方法，仅通过改变外加电压的方向，即可以改变基板表面的电性；通过调整外加电压的大小即可控制基板表面电极电位的大小，具有操作方便、成本低廉、易于工程化等特点。由于所述第一电极板和第二电极板的材料为金刚石，由于金刚石的电化学窗口较高，因此在较高电压作用下可保持充电状态，因而所述基板表面电势控制装置及控制方法可实现基板表面电极电位的大范围调节。另外，由于电容器具有储存电荷的能力，当电源断电后，该表面电势控制装置存储的电荷依旧存在，对第二基板的第六表面附近的电场效应不会改变，因而，本发明提供的基板表面电势控制装置断电后可以继续使用。本发明表面电势控制装置及控制方法还可以通过改变基板表面的电极电位，使基板表面具有电场效应，进而可改变壁面处的力学性能，在界面力学控制方面也具有很好应用前景。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种表面电势控制装置，包括一电容器、一第一基板以及一第二基板，所述电容器包括一第一电极板和一第二电极板，所述第一电极板包括一第一表面以及与该第一表面相对设置的第二表面，所述第二电极板包括一第三表面以及与该第三表面相对设置的第四表面，所述第二表面与所述第三表面相对设置，所述第一基板设置在所述第一电极板的第一表面；所述第二基板设置于所述第四表面，将第二基板中与所述第四表面接触的面定义为第五表面，与第五表面相对的面定义为第六表面，该第六表面浸于一溶液中，且该第六表面为待控制电势表面；所述第一基板和第二基板分别与一电源的正负极电连接。
2.如权利要求1所述的表面电势控制装置，其特征在于，所述电容器为双电层电容器。
3.如权利要求1所述的表面电势控制装置，其特征在于，所述第一电极板以及第二电极板为涂有多孔活性炭的金刚石薄膜。
4.如权利要求3所述的表面电势控制装置，其特征在于，所述涂有多孔活性炭的金刚石薄膜的厚度为0.5μm～5μm。
5.如权利要求1所述的表面电势控制装置，其特征在于，所述第一基板以及第二基板的材料为金属、导体或半导体。
6.如权利要求1所述的表面电势控制装置，其特征在于，所述第一基板以及第二基板的材料相同。
7.如权利要求2所述的表面电势控制装置，其特征在于，进一步包括一封装元件，用于封装所述双电层电容器中的电解液以及第一基板。
8.一种表面电势的控制方法，该控制方法包括以下步骤：
提供一如权利要求1-7中任一所述的表面电势控制装置；
将待控制表面电势的第二基板设置在所述第二电极板的第四表面，将第二基板中与所述第二电极板接触的面定义为第五表面，与第五表面相对的面定义为第六表面，并使所述第六表面与一溶液接触；
通电状态下，使所述第一电极板以及第二电极板带等量的异种电荷，正负电荷与第六表面的距离不同，在第六表面上正负电荷产生的电场效应不同，导致第六表面上电荷总体上对外呈现出电性；以及
通过改变外加电压的大小或方向对第二基板表面的电极电位进行控制。
9.如权利要求8所述表面电势的控制方法，其特征在于，所述电容器为双电层电容器，所述第二基板与电源的正极电连接，所述第一基板与电源的负极电连接；电源开关打开后，所述基板表面电势控制装置充电，电子通过第二电极板流向第一电极板，第二电极板带正电荷，双电层电容器中电解液中的负离子在电场的作用下迅速向第二电极板运动，并在第二电极板的表面形成紧密的负电荷层；第一电极板带负电荷，双电层电容器中电解液中的正离子在电场的作用下迅速向第一电极板运动，并在第一电极板的表面形成紧密的正电荷层；正负电荷在数量上相等处于电荷平衡状态，正电荷与第六表面的距离小于负电荷与第六表面的距离，在第六表面上正电荷产生的电场效应大于负电荷产生的电场效应，第六表面上电荷总体上对外呈现出正电性。
10.如权利要求8所述表面电势的控制方法，其特征在于，所述电容器为双电层电容器，所述第二基板与电源的负极电连接，所述第一基板与电源的正极电连接；电源开关打开后，所述基板表面电势控制装置充电，电子通过第二电极板流向第一电极板，第二电极板带负电荷，双电层电容器中电解液中的正离子在电场的作用下迅速向第二电极板运动，并在第二电极板的表面形成紧密的正电荷层；第一电极板带正电荷，双电层电容器中电解液中的负离子在电场的作用下迅速向第一电极板运动，并在第一电极板的表面形成紧密的负电荷层；正负电荷在数量上相等处于电荷平衡状态，负电荷与第六表面的距离小于正电荷与第六表面的距离，在第六表面上负电荷产生的电场效应大于正电荷产生的电场效应，第六表面上电荷总体上对外呈现出负电性。
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