2实验结果与仿真分析


2.1实验结果


为了探究纳米线的介电组装特性，首先在宽度约为4μm的单岛微电极上进行ZnO纳米线的组装实验，不同频率下的实验结果见图2.图2a显示，电场频率为150 kHz时，有少量纳米线将导电岛和电极搭接起来；图2b显示，电场频率为500 kHz时，搭接导电岛和电极的纳米线数量增多，且左右两侧的电极上也沉积了少量的纳米线；图2c显示，电场频率为1 MHz时，搭接导电岛和电极的纳米线数量再次增多，并且出现了互相平行的纳米线。

150 kHz 500 kHz 1 MHz图2单岛微电极介电组装实验结果


单岛微电极进行了纳米线介电组装实验之后，在宽度相同的双岛微电极中再次进行纳米线的介电组装实验，实验结果见图3.图3a显示，电场频率为150 kHz时，左侧的微间隙以及2个导电岛间的微间隙沉积了少量纳米线，且两侧电极上同样沉积了少量纳米线；图3b显示，电场频率为500 kHz时，电极系统中纳米线组装数量显著提升，且微间隙被多根纳米线搭接，同时出现少量的互相平行的纳米线；图3c显示，电场频率为1 MHz时，电极系统内组装的纳米线少量增加，微间隙之间仍然存在纳米线搭接现象，总体趋势和500 kHz时相差不大。

150 kHz 500 kHz 1 MHz图3双岛微电极介电组装实验结果


2.2电场分布


在图1b的三维模型中进行仿真模拟，由于微电极的结构改变时其内部电场分布随之改变，进而会影响介电操控的结果，因此对单岛和多岛微电极的电场分布进行分析，有利于探究纳米线的运动情况，2种结构微电极的电场分布结果如图4所示。


图4a显示，单岛微电极的微间隙附近的电场线比较密集，由间隙区域向外发散的过程中，电场线密度逐渐降低；双岛微电极的电场线密度沿着2电极向导电岛移动的过程中，电极与导电岛之间的微间隙电场线密度最高，之后逐渐降低，到达2岛之间的微间隙后又逐渐升高，其他区域电场线密度较低；因此，当单岛微电极引入导电岛单元后，电场分布发生变化，电场奇异性变强，纳米线展现出更好的介电组装效果。

a.单岛；b.双岛。图42种微电极xOz截面的电场分布


2.3介电泳力对多岛微电极介电组装的影响


在非均匀外界电场下，由于电场与感应偶极子之间的相互作用，假设电场的平方梯度为常数，可得纳米线时均介电泳力，如下所示：



当所施加的电场频率为500 kHz时，2种微电极的介电泳力流速分布如图6所示。在介电泳力的诱导下，纳米线被输送至微间隙区域，越靠近微间隙区域，作用在纳米线上的力越大，且介电泳速度方向均指向微间隙。不同于单岛微电极，双岛微电极中纳米线被输送到3个微间隙区域，介电组装效果更好。

a.单岛；b.双岛。图6电场频率为500 kHz时介电泳力的流速分布结果


2.4交流电热流对多岛微电极介电组装的影响


在纳米线的介电组装过程中，电场频率的变化对流体的流速和方向有影响。对多岛微电极施加中高频电场作用时，交流电热流的流速起主导作用。因此，对纳米线介电组装过程中的交流电热流进行分析是必要的。液体中的流体单元受到的平均电热体积力密度为

为了获取纳米线组装中温度的影响结果，在2种微电极中对傅里叶热导方程求解


其中，k表示液体介质的导热系数，其值取


表示焦耳热源。


低雷诺数不可压缩流体的稳态Navier-Stokes方程为

其中，p表示液体压力，μ表示流体的速度矢量。


图7,8分别给出了施加3种不同电场频率时，2种微电极截面一上电热流的仿真结果。图7a显示，电场频率为150 kHz时，单岛微电极的左右两侧产生对称电热流对流漩涡现象，电热流流向2个微间隙区域；图8a显示，电场频率为150 kHz时，双岛微电极左右两侧同样产生对称电热流对流漩涡现象，不同点在于，电热流不仅流向2个微间隙区域而且垂直朝下流入中间微间隙区域；图7b显示，电场频率为500 kHz时，单岛微电极电热流的流动发生反向，电热流同样呈左右对称分布；图8b显示，电场频率为500 kHz时，双岛微电极电热流的流动同样发生反向，且中间微间隙上方产生2个新的对流漩涡；图7c,8c显示，电场频率为1 MHz时，2种微间隙的电热流的流动情况基本与500 kHz一致，但是微间隙处电热流流速均有所加快。不同于单岛微电极、双岛微电极随着电场频率的增加，中间微间隙上方出现一对新的对流旋涡，这更有利于纳米线介电组装行为的发生。

图7单岛微电极电热流流速分布  图8双岛微电极电热流流速分布


2.5合力作用


在微间隙电极系统介电组装过程中，纳米线在中高频环境下的移动是由近场介电泳力和远场电热对流共同引起的。移动速度为


通过介电泳力、交流电热流对介电组装影响的结果发现，双岛微电极可以更好地进行纳米线介电组装行为。针对合力作用的分析，仅以双岛微电极为例进行组装仿真实验。图9给出了施加3种不同电场频率时，介电泳力和电热流合力作用下速度流线的仿真结果。图9a显示，电场频率为150 kHz时，在双岛微电极的左右两侧存在一对对称分布的对流旋涡，将纳米线输送到两侧微间隙，中间区域流体垂直流向微间隙；图9b显示，电场频率为500 kHz时，流体流动方向发生改变，且中间微间隙的上方出现一对新的对流旋涡；图9c显示，电场频率为1 MHz时，旋涡现象与电场频率为500 kHz时基本相同。

图9合力作用下的流速分布


3结论


在中高频的环境下，在单岛和双岛2种不同结构的微电极中进行ZnO纳米线介电组装实验。实验表明：随着电场频率的增加，2种不同结构的微电极中纳米线的组装数量均逐步增加且出现互相平行的纳米线。通过对电场分布的仿真得出，双岛微电极的电场奇异性变强，对纳米线介电组装更有利；在交流电热流的仿真对比过程中，随着电场频率的增加，双岛微电极中间微间隙上方产生2个新的对流漩涡，且在达到反转频率之后，电热流的流动方向发生反转；在合力作用的仿真模拟过程中，随着电场频率的增加，数值仿真图也出现将纳米线输送至微间隙组装区域的对流旋涡。进一步阐明了纳米线的组装行为是介电泳力与电热流共同作用形成的。