CN110579652B - 一种表面束缚电荷的测量方法和测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效便捷的表面电荷的测量方法和测量装置。该测量方法包括以下步骤：在待测疏水绝缘层上设置导电液体，将电极层与待测疏水绝缘层连接，电极层和导电液体等电位连接，测量导电液体的接触角θ_t，由接触角θ_t得到待测疏水绝缘层上表面电荷的电荷密度。整个测量系统内导电液体和电极层处于等电势的状态，疏水绝缘层携带束缚电荷后对导电液体产生的电驱动力使得导电液体在疏水绝缘层表面的润湿状态形成新的平衡，接触角随之发生变化。本方法在不施加外加电压的情况下，利用疏水绝缘层表面润湿性的改变即实现了测量，更加快速便捷，适用于需要面扫描的场景，可以在不借助于复杂昂贵的仪器设备的情况下完成测量工作。

Description

一种表面束缚电荷的测量方法和测量装置

技术领域

本发明涉及材料测试技术领域，尤其是涉及一种表面电荷的测量方法和测量装置。

背景技术

疏水绝缘层表面在某些情况下（比如与水溶液接触后）会自发或通过人为处理而产生一种可长期存在的束缚电荷（trapping charge）。这种稳定的表面束缚电荷会进而导致疏水绝缘层产生表面电势。表面束缚电荷的存在对于疏水绝缘材料在各个技术领域中的应用有很大的影响，其作用有利有弊。一方面，在电润湿领域，表面电荷（特别是能够稳定存在的表面束缚电荷），会使得器件在外加电场为零的情况下自发产生表面电势，影响外加电场对器件功能的控制能力，从而导致器件失效。例如在电润湿显示器中，如果疏水绝缘层表面产生束缚电荷，就会造成像素格内油墨不能回流，或者回流不完全的问题。但另一方面，在其他诸如微纳流体、生物蛋白质表面吸附、水能源采集等领域，稳定的表面束缚电荷也可以被有效利用。所以，对疏水绝缘层表面的束缚电荷及其导致的表面电势进行测量，在诸多相关领域有着重要意义。

目前用于测量疏水绝缘层表面束缚电荷的一种方法是开尔文探针力显微镜技术。开尔文探针力显微镜技术是一种通过探针与样品之间的静电力来测量表面电势的方法。通过对反馈回路施加直流偏压，抵消样品表面的电势，再通过对探针受力进行监测，实现对样品表面电势数值及分布进行测量。这种测试方法的优点在于：可以实现表面电势的面扫描，并且扫描分辨率及精度高。但由于测量过程中需要使用原子力显微镜这种结构复杂、造价昂贵的设备，因此很难应用到需要进行便携式的快速测量场景中。

针对这一缺陷，Arun G. Banpurkar等开发出了一种通过测量电润湿响应的非对称性进行量化的表面电势和束缚电荷的测量方法。其主要原理是通过测量疏水绝缘层表面的液滴接触角对外加电压的响应以测得接触角最大值处电压的数值，即表面束缚电势（Banpurkar A G, Sawane Y, Wadhai S M, et al. Spontaneous electrification offluoropolymer–water interfaces probed by electrowetting[J]. Faradaydiscussions, 2017, 199: 29-47）。并且，进一步通过基于Prins和Verheijen的模型来进行计算（Verheijen H J J, Prins M W J. Reversible electrowetting and trappingof charge: model and experiments[J]. Langmuir, 1999, 15(20): 6616-6620），从而得到表面电荷的数值。这种方法无须使用原子力显微镜等昂贵的仪器设备，在测量过程中可以通过接触角随施加电压的变化趋势直观地看到位于接触角最小值处的表面束缚电势的数值。但是采用该方法的测量时间较长，对于表面上某个点的测量需要对在此点上的液滴施加一个完整的三角形波，采集一组变化的接触角数据后才可以得到最终结果。同时，其测量精度也取决于电压变化的速率及步长，电压变化越慢，步长越短，结果就越准确，然而也会极大降低其测量效率。

因此，有必要提供一种高效便捷的测量疏水绝缘层表面束缚电荷的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种高效便捷的表面电荷的测量方法和测量装置。

根据本发明的第一个方面，本发明提供一种表面电荷的测量方法，根据本发明的实施例，该测量方法包括以下步骤：

在待测疏水绝缘层上设置导电液体，将电极层与待测疏水绝缘层连接，电极层和导电液体等电位连接，测量导电液体的接触角θt，由接触角θt得到待测疏水绝缘层上表面电荷的电荷密度。

其中，电极层可以是导电膜或导电平板，其材料的非限制性实例为金属、金属氧化物、石墨烯、碳纳米管等。导电液体具体可以是电解质液体、离子液体、液态金属、纳米金属溶液等，例如，可以是NaCl溶液、KCl离子液体、液汞、纳米银浆。待测疏水绝缘层可以是带有表面电荷的任何疏水绝缘性的材料，其包括但不仅限于低表面能的含氟聚合物材料，例如无定形含氟聚合物材料，其非限制性实例为：PTFE、PDMS、Teflon AF、Cytop、Hyflon。

本发明的有益效果在于：

在本发明所提供的表面电荷的测量方法中，将导电液体作为上电极、电极层作为下电极，两电极等电位连接后，整个测量系统内导电液体和电极层处于等电势的状态，在此状态下，疏水绝缘层携带束缚电荷后对导电液体产生的电驱动力使得导电液体在疏水绝缘层表面的润湿状态形成新的平衡，接触角随之发生变化。束缚电荷的电荷密度不同，对导电液体产生的电驱动力也随之不同，相应地，导电液体在疏水绝缘层表面的接触角也会不同。通过带有表面电荷的疏水绝缘层上导电液体的接触角θt，结合杨氏方程即可得到表面电荷的电荷密度。本方法在不施加外加电压的情况下，利用疏水绝缘层表面润湿性的改变即实现了表面电荷的测量。整个测量过程中仅需测量一次导电液体的接触角即可实现对疏水绝缘层表面某一待测点的表面电荷的电荷密度的测量，相对于Banpurkar所提供的测量电润湿响应的非对称性的方法而言，更加快速便捷，同时，适用于需要面扫描的场景，可以在不借助于复杂昂贵的仪器设备的情况下完成测量工作。

根据本发明的实施例，通过以下公式计算得到所述待测疏水绝缘层上表面电荷的电荷密度：

；

其中，C为待测疏水绝缘层的电容，γ_l/v为液-第三相表面张力，接触角θ₀为无表面电荷时疏水绝缘层上导电液体的接触角θ₀，即该接触角是在与待测疏水绝缘层相同性质的疏水绝缘层（区别仅在于无表面电荷）上设置相同的导电液体时产生的接触角。一般地，当该测量过程中在空气或其它气氛中进行进行时，第三相为空气相，即γ_l/v为液-气表面张力。

根据本发明的实施例，接触角θ_t和接触角θ₀可以在油性氛围中测得。其中，油性氛围是指将测量过程中的待测样品置于油环境中，油环境所采用的油成分优选能够在测量不含束缚电荷的同种疏水绝缘层样品时，使导电液体的接触角测量值尽可能接近180°的油成分，其具体包括但不限于硅油。即，以油相取代常规的气相，作为导电液体的液相和疏水绝缘层的固相外的第三相，上述公式中的γ_l/v（液-第三相表面张力）也相应地测定γ_l/o（导电液体与油相的表面张力），

。在油相中进行相应的检测，接触角变化响应更加灵敏，从而使得表面电荷的测量值更为准确。

根据本发明的实施例，导电液体的体积为0.01-20μL。

如果导电液体的体积过小，不便于测量的进行；而如果导电液体的体积过大，其受到重力的影响明显，会使得测量结果的误差偏大。将导电液体的体积控制在0.01-20μL能够在保证测量顺利进行的同时兼顾测量的准确性。

根据本发明的实施例，待测疏水绝缘层的厚度为10nm-5mm。

根据本发明的实施例，还包括沿测量路径移动导电液体，通过接触角θ_t在测量路径上的变化得到待测疏水绝缘层上表面电荷的电荷密度沿测量路径的分布。

通过移动导电液体，收集疏水绝缘层表面各个位置的接触角的情况，由杨氏方程得到各个测量点表面电荷的电荷密度情况，从而实现对疏水绝缘层表面电荷分布的测量。

根据本发明的第二个方面，本发明提供一种表面电荷的测量装置，根据本发明的实施例，该测量装置包括：

电极层，用于与待测疏水绝缘层相连；

电极探针，用于连通设置在待测疏水绝缘层上的导电液体；

其中，电极探针和电极层等电位连接。

根据本发明的实施例，该表面电荷的测量装置还包括图像采集系统，图像采集系统用于对接触角进行测量。该图像采集系统具体可以是包括光源、图像采集装置组成的系统，由光源发出的光照射位于待测疏水绝缘层上的导电液体，通过图像采集装置获取导电液体置于待测疏水绝缘层表面的图像。图像采集装置的非限制性实例可以是包括显微透镜的摄像镜头。

根据本发明的实施例，该表面电荷的测量装置还包括图像处理系统，通过对获得图像的分析，确定三相接触点等位置，从而得到导电液体的接触角。

根据本发明的实施例，该表面电荷的测量装置还包括可移动的样品台和/或可移动的电极探针台，通过样品台和（或）电极探针台的移动，实现导电液体在疏水绝缘层表面不同位置接触角的自动扫描测量，从而实现疏水绝缘层表面电荷分布的测量。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的表面电荷的测量装置的工作示意图。

图2是本发明的一个实施例的表面电荷的测量装置上导电液滴的三相交界点的三相接触线力平衡图。

图3是本发明的另一个实施例的对比实验的实验结果。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

以下结合图1对表面电荷的测量方法进行说明。图1是本发明的一个实施例的表面电荷的测量装置的工作示意图。如图1所示，该测量装置包括可移动样品台5，在可移动样品台5上设置有电极层3，本实施例中，电极层3为石墨烯导电薄膜，在电极层3上方，放置有待测疏水绝缘层2，待测疏水绝缘层2上设有导电液体1，本实施例中，导电液体1为NaCl水溶液的导电液滴，电极探针4插入到导电液体1内部，电极探针4和电极层3通过导线连接并接地，实现等电位连接，导电液体1和电极层3的电势为0。在导电液体1的一侧设置有光源6，光源6的光路径上导电液体1的另一侧设有摄像镜头7，摄像镜头7含有显微透镜（图中未示出）以更好地抓取导电液体1的接触角图像。图像处理系统（图中未示出）与摄像镜头7相连接，对拍摄到的导电液体1的接触角图像进行分析得出相应的接触角（具体可参考现有的接触角测量仪或其它相关仪器的处理过程），并计算得到测量点对应的电荷密度。

以下结合图2说明由接触角得到电荷密度的主要计算过程。图2是本发明的一个实施例的表面电荷的测量装置上导电液滴的三相交界点的三相接触线力平衡图。如图2所示，导电液体1和电极层3等电位连接，γ_l/v、γ_s/l、γ_s/v分别表示水-气表面张力、固-水表面张力和固-气表面张力，f _el 表示因表面电荷而产生的电驱动力。以导电液体1和疏水绝缘层2的三相交界点11进行力平衡计算：

；

同时，已知，不含表面电荷时，导电液体的接触角θ₀：

；

则，

；

由于

，

所以表面电荷的电荷密度

，即：

；

其中，对于常见的疏水绝缘层材料和导电液体，θ₀可以从文献中查得；对于无法从文献中获得的θ₀也可以在正式测量之前的预实验中提前测量得到。膜层电容C可以通过测量得到，也可以由疏水绝缘层材料及其厚度计算得出，即

，ε为疏水绝缘层的介电常数，d为疏水绝缘层的厚度。对于特定的导电液体和测量气氛，液-第三相（气）表面张力γ_l/v也是固定可测得的。

根据上述公式，通过测量导电液体的接触角θ_t即可得到待测疏水绝缘层某一待测点的表面电荷的电荷密度σ。

另外，本实施例的表面电荷的测量装置设置有可移动的样品台，通过样品台的自动移动，调整导电液滴在待测疏水绝缘层上的相对位置，从而实现对疏水绝缘层不同位置的表面接触角的自动扫描测量，进一步得到待测疏水绝缘层上表面电荷的分布情况。

实施例2

对比实验：

制备包含表面电荷的疏水绝缘层材料：

a)在玻璃基板上涂布30nm的ITO电极形成ITO电极层，在ITO电极层上涂布800nm厚的Teflon AF1600X薄膜形成疏水绝缘层，在疏水绝缘层上方放置0.1μL-10mL体积的离子液体的液滴。

b)在液滴上方设置电极探针，并与液滴接触。

c)以液滴作为上电极，ITO电极层作为下电极，对此系统施加电压，控制在疏水绝缘层可承受电压范围内。

d)去掉电压，去除疏水绝缘层表面的液滴，得到包含表面束缚电荷的疏水绝缘层材料。

分别按照实施例1和Arun G. Banpurkar的方法对制得的包含表面束缚电荷的疏水绝缘层材料的表面束缚电荷的电荷密度进行测定。由于Banpurkar的方法难以实现快速扫描测试，故在实验过程中选取5个点进行测试验证。采用实施例1中的测量方法和Banpurkar的方法获得的结果一致。部分结果见图3。图3是本发明的另一个实施例的对比实验的实验结果。如图3所示，a是以制备过程中离子液体的液滴在疏水绝缘层上形成的圆形的一条直径作为检测路径的接触角变化的显微照片。从a中可以看到，在方框所示位置，即电荷密度较大的区域，接触角数值变小（约155°），而在其它没有电荷或电荷密度较小的区域，接触角约为170°。b是对应于a的接触角在该检测路径上的变化。从b中可以看到，电荷密度大的位置，接触角较小，电荷密度小的位置，接触角较大。c是按照本实施例1的方法测量得到的疏水绝缘层的表面电荷的分布图案，x轴/y轴为坐标，颜色的变化表示电荷密度的变化。从c中可以看到，前面制得的表面束缚电荷在疏水绝缘层上呈近环形分布。

通过该实验证明，本发明所公开的疏水绝缘层表面电荷的测量方法相对于现有技术中所公开的方法而言，其具有相近的准确性，但更加快速，而且无需施加外加电压，同时，可以用于面扫描。

实施例3

一种表面电荷的测量方法，与实施例1的区别在于，将待测样品置于盛装有硅油的器皿中进行测量，以硅油形成的油相取代实施例1中的气相作为除疏水绝缘层的固相和导电液体的液相之外的第三相，对不带表面电荷的疏水绝缘层测得θ₀，对带有表面电荷疏水绝缘层测得θ_t和γ_l/o（导电液体-油相表面张力），通过公式

计算得到电荷密度。

实施例4

一种表面电荷的测量方法，与实施例1的区别在于，导电液体采用20μL的纳米银浆。

实施例5

一种表面电荷的测量方法，与实施例1的区别在于，导电液体采用0.1μL的KCl离子液体。

实施例6

一种表面电荷的测量方法，与实施例1的区别在于，导电液体采用10μL的液态汞齐。

以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种疏水绝缘层的表面束缚电荷的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在待测疏水绝缘层上设置导电液体，将电极层与所述待测疏水绝缘层连接，所述电极层和所述导电液体等电位连接，测量所述导电液体的接触角θ_t，由所述接触角θ_t得到所述待测疏水绝缘层上表面束缚电荷的电荷密度；

γ_l/v、γ_s/l、γ_s/v分别表示液-气表面张力、固-液表面张力和固-气表面张力，f_el表示因表面电荷而产生的电驱动力，

以所述导电液体和所述待测疏水绝缘层的三相交界点进行力平衡计算：

，

而无表面束缚电荷时所述疏水绝缘层上所述导电液体的接触角θ₀：

；

则，

；

由于

，所以所述表面束缚电荷的电荷密度

，代入后通过以下公式计算得到所述待测疏水绝缘层上表面束缚电荷的电荷密度：

；

其中，C为所述待测疏水绝缘层的电容。

2.根据权利要求1所述的表面束缚电荷的测量方法，其特征在于，所述接触角θ_t和所述接触角θ₀在油性氛围中测得。

3.根据权利要求1所述的表面束缚电荷的测量方法，其特征在于，所述导电液体的体积为0.01-20μL。

4.根据权利要求1-3任一项所述的表面束缚电荷的测量方法，其特征在于，所述待测疏水绝缘层的厚度为10nm-5mm。

5.根据权利要求1所述的表面束缚电荷的测量方法，其特征在于，还包括沿测量路径移动所述导电液体，通过接触角θ_t在所述测量路径上的变化得到所述待测疏水绝缘层上表面束缚电荷的电荷密度沿所述测量路径的分布。

6.一种应用权利要求1至5任一项所述的测量方法测量表面束缚电荷时所用的测量装置，其特征在于，包括：

电极层，用于与待测疏水绝缘层相连；

电极探针，用于连通设置在所述待测疏水绝缘层上的导电液体；

其中，所述电极探针和所述电极层等电位连接。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，还包括图像采集系统，所述图像采集系统用于对接触角进行测量。

Images