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。利用该技术可实现操控纳米颗粒、纳米线、生物细胞等纳米材料定向移动至目标区域，能够显著提升气敏器件、生物化学芯片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。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。

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


使用长度约为4——5μm、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10μg/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1000 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。