通过控制固液界面的电荷俘获来减小介电层电湿润的饱和接触角.pptx

LOGO通通过控制固液界面的控制固液界面的电荷俘荷俘获来减来减小介小介电层电湿湿润的的饱和接触角和接触角Decreasing the Saturated Contact Angle in Electrowetting-on-Dielectrics by Controlling the Charge Trapping atLiquidSolid Interfacesn学生：n学号：1.背景简介（重点讲解）2.文献介绍（简单带过）CONTANTSu1.1接触角接触角u1.2电湿湿润u1.3相关公式及推相关公式及推导1.3.1杨氏公式氏公式证明明1.3.2外加外加电场后的后的杨氏公式氏公式1.3.3用自由能表达式推出吉布斯用自由能表达式推出吉布斯杜亥姆公式杜亥姆公式u1.4接触角接触角饱和和现象象u1.5接触角接触角饱和的原因和的原因1.背景简介1.1接触角接触角接触角（接触角（contactangle）是指在气、液、固三相交点）是指在气、液、固三相交点处所作的气所作的气-液界面的切液界面的切线穿穿过液体与固液体与固-液交界液交界线之之间的的夹角角，是，是润湿程度的量度。湿程度的量度。u1）当）当=0，完全，完全润湿；湿；u2）当）当90，部分，部分润湿或湿或润湿；湿；u3）当）当=90，是，是润湿与否的分界湿与否的分界线；u4）当）当90，不，不润湿；湿；u5）当）当=180，完全不，完全不润湿。湿。接触角在5以下的超亲水涂层，就有防雾效果，接触角越小，防雾效果越好，接触角0最佳。现代现代EWEW的基础是电毛细管学，由法的基础是电毛细管学，由法国科学家国科学家Gabriel Lippmann Gabriel Lippmann 在在 18751875年发年发现。现。Gabriel LippmannGabriel Lippmann在汞与电解液之间施加在汞与电解液之间施加电压时发现静电荷明显改变了接触界面的毛细管力，并提出电压时发现静电荷明显改变了接触界面的毛细管力，并提出了了Young-LippmannYoung-Lippmann方程。然而，方程。然而，LippmannLippmann的这种模型遇到一的这种模型遇到一个棘手的问题，就是在水溶液上施加几百毫伏的电压后，水个棘手的问题，就是在水溶液上施加几百毫伏的电压后，水溶液就逐渐水解了，这对实验来说是严重的缺陷。溶液就逐渐水解了，这对实验来说是严重的缺陷。电润电润湿湿（ElectrowettingElectrowetting，EWEW）是）是指通过改变液滴与绝缘基板之间电压，指通过改变液滴与绝缘基板之间电压，来改变液滴在基板上接触角，使液滴发来改变液滴在基板上接触角，使液滴发生形变、位移的现象。生形变、位移的现象。1.2电润湿电润湿121.2电润湿电润湿34 经过多年的研究，终于，在经过多年的研究，终于，在Gabriel LippmannGabriel Lippmann研究基础上，研究基础上，BergeBerge于于19931993年提出用绝缘层代替导电年提出用绝缘层代替导电基板，使液滴与金属电极隔离从而避免液体的电解，基板，使液滴与金属电极隔离从而避免液体的电解，即，这种方法被后人称作基于介电层的电润湿即，这种方法被后人称作基于介电层的电润湿 （Electrowetting On Dielectric,EWODElectrowetting On Dielectric,EWOD）EWODEWOD被认为是近代电润湿的开始。被认为是近代电润湿的开始。（简单地说，类似于电容器，介电层就（简单地说，类似于电容器，介电层就 是绝缘体，有电场强度但是没有电是绝缘体，有电场强度但是没有电 流通过，不会发生化学反应）流通过，不会发生化学反应）EWODEWOD示意图示意图1.3相关公式及推相关公式及推导导u杨氏公式（氏公式（稳态）：）：uSV=SL+LVcoseuSV固固-气界面气界面张力力uLV液液-气界面气界面张力力uSL固固-液界面液界面张力力1.3.1杨杨氏公式氏公式证证明明1.3.1杨杨氏公式氏公式证证明明1.3.2外加外加电场后的后的杨氏公式氏公式1.3.3用自由能表达式推出吉布斯用自由能表达式推出吉布斯杜亥姆公式杜亥姆公式电润湿的研究是湿的研究是诱人的，随着大量研究工作的人的，随着大量研究工作的进行，人行，人们发现在低在低电压情况下可以情况下可以获得可逆的得可逆的润湿效果，然而当湿效果，然而当电压增大到某一增大到某一阈值后，后，接触角并不像接触角并不像Young-Lippmann方程方程描述的那描述的那样再随再随电压增大而减增大而减小，即接触角达到小，即接触角达到饱和。和。1.4接触角接触角饱饱和和现现象象 来自飞利浦研究实验室的来自飞利浦研究实验室的H.J.J.VerheijenH.J.J.Verheijen和和 M.W.J.PprinsM.W.J.Pprins认为接触角饱和认为接触角饱和现象是由介电层俘获电荷造成现象是由介电层俘获电荷造成的，他们通过实验发现，电压的，他们通过实验发现，电压超过某一阈值时，液滴内的电超过某一阈值时，液滴内的电荷不再被液滴表面俘获，同时荷不再被液滴表面俘获，同时还发现液滴底部的介电层反而还发现液滴底部的介电层反而俘获了电荷。俘获了电荷。11.5接触角接触角饱饱和的原因和的原因关于接触角饱和现象学术界提出了一些看法 V.Peykov等人曾专门发表文章并且还建立了一个数学模型来仿真这一观点。1.5接触角接触角饱饱和的原因和的原因u电压较低低时：u电压较高高时：低低电压时即即2.文献介绍u2.1文章概述文章概述u2.2接触角收接触角收缩现象象u2.3实验部分部分u2.4影响因素影响因素归纳u2.5应用前景用前景u2.6结论 首次发现了电润湿效应中的接触角回退现象：接触角在到首次发现了电润湿效应中的接触角回退现象：接触角在到达饱和状态之前会首先超越这一饱和值，然后再回退至饱和状达饱和状态之前会首先超越这一饱和值，然后再回退至饱和状态。该研究指出，液态。该研究指出，液-固界面处产生了受限电荷并形成了衍生固界面处产生了受限电荷并形成了衍生电场，衍生电场对外加电场的屏蔽效应导致了接触角回退现象。电场，衍生电场对外加电场的屏蔽效应导致了接触角回退现象。据此，研究人员根据界面电荷的受限规律提出利用时间调制的据此，研究人员根据界面电荷的受限规律提出利用时间调制的方波电压代替以往的直流电压和正弦电压，可主动适应受限电方波电压代替以往的直流电压和正弦电压，可主动适应受限电荷的衍射电场从而使受限电荷的屏蔽效应变成增强效应，从而荷的衍射电场从而使受限电荷的屏蔽效应变成增强效应，从而阻止了接触角的回退现象，实现了接触角的最小化。阻止了接触角的回退现象，实现了接触角的最小化。2.1文章概述文章概述2.2接触角收接触角收缩缩u接触角短接触角短时间内内变得很小，之后收得很小，之后收缩到到饱和和值。2.2接触角收接触角收缩缩+=当液体中的电荷达到最大值时，接触角最小。随着电荷不断被介电层俘获，液体中的电荷达到最小值，接触角收缩到饱和值。2.3实验实验部分部分u采用光固化高分子化合物，先加采用光固化高分子化合物，先加电极，紫外极，紫外线照射使之固化，照射使之固化，再机械移去再机械移去该化合物。化合物。u（不用水的原因：当外（不用水的原因：当外电势消失的消失的时候，被俘候，被俘获得得电子会被子会被极性的水分子极性的水分子带走。）走。）u（用（用铜板做了相同的板做了相同的实验，没有，没有发现电荷俘荷俘获，说明介明介电层的重要性。）的重要性。）u首先，首先，EDS检测基板化学元素含量。基板化学元素含量。移去液体后的基板(a)新的基板(b)两者成分没有改变，说明没有残留物。（排除了残留的液体对电荷分布的影响）u之后之后测定了定了SiO2/Si基板表面基板表面电势分布分布u（表面（表面电势大小与俘大小与俘获电荷的多少相关）荷的多少相关）u表面表面电势测定的路径定的路径为图中白色虚中白色虚线负电势大于正大于正电势的解的解释u介介电层的缺陷，的缺陷，SiO2中的少量空穴使之更容易俘中的少量空穴使之更容易俘获负电荷。荷。中中间多，外面低的解多，外面低的解释u中中间位置，位置，电极与基板距离最近，极与基板距离最近，电场最最强，俘，俘获电荷最多，荷最多，到四周距离逐到四周距离逐渐增大，增大，电场强度减弱，俘度减弱，俘获电荷减少。荷减少。有限有限单元建模元建模(FEM)方法方法u如果采用有很小的如果采用有很小的导电能力的液体，比如去离子水（能力的液体，比如去离子水（还是有是有一点一点导电性的），用性的），用FEM方法得到的方法得到的电荷分布如下荷分布如下图所示所示uEy正交投影正交投影uEx切切线投影投影有限有限单元建模元建模(FEM)方法方法u由于同种由于同种电荷的排斥，荷的排斥，导致致边缘分布的分布的电荷荷较多，所以在多，所以在边缘电势的的值有一个突有一个突跃，但因，但因为不是良好不是良好导体，没有全部体，没有全部分布在分布在边缘，中，中间比比较多。多。俘俘获的的电荷可以逆荷可以逆转电压突然逆突然逆转（+200Vto-200V）u电压逆逆转瞬瞬间，底板中，底板中总电荷以及液体中的荷以及液体中的电荷迅速荷迅速转变电性。性。u而介而介电层中的俘中的俘获电荷需要一定的弛豫荷需要一定的弛豫时间才能才能转变电性。性。u此此时，底板中的，底板中的电荷和俘荷和俘获电荷（两者此荷（两者此时同号）共同作用，同号）共同作用，产生更生更强的的电场，吸引液，吸引液体中的体中的电荷。从而荷。从而导致更小的接触角。致更小的接触角。电压突然撤掉突然撤掉u这样也可以使接触角减小。也可以使接触角减小。u分析：介分析：介电层中的中的电荷吸附了液体中相反荷吸附了液体中相反电荷。荷。u同同样需要一定需要一定时间回到回到饱和接触角和接触角电子俘子俘获可控可控u可可调节频率，波形，占空比来改率，波形，占空比来改变电子俘子俘获能力，从而降低能力，从而降低接触角。接触角。u通通过实验，得到，得到T1/3s，方波，空占比（即，方波，空占比（即电压为负的的比例）比例）k0.7的的时候，接触角最小。候，接触角最小。2.4影响因素影响因素归纳归纳u1.周期周期u2.波形波形u3.空占比空占比ku4.通通电模式（模式（AC/DC）周期周期u（a,b两两图均是均是200v，k=0.5的方波）的方波）u由由a图可知，接触角是周期性可知，接触角是周期性变化的。化的。u由由图b知，知，f=3Hz时接触角上下界均最小接触角上下界均最小决定周期的主要因素：决定周期的主要因素：u1.液体的粘度（粘度大，液滴液体的粘度（粘度大，液滴变形所需形所需时间增大）增大）u2.俘俘获电荷荷电性性转变的弛豫的弛豫时间波形波形u之前曾之前曾经报道道过交流交流电周期周期对接触角的影响，但是没有研究接触角的影响，但是没有研究波形的影响。波形的影响。实验数据图u水，离子液体，丙三醇分水，离子液体，丙三醇分别正弦和方波（正弦和方波（k=0.5）情况下（）情况下（f=500Hz），），随随电压升高平均接触角的升高平均接触角的变化化u本文作者的本文作者的实验发现方波比正弦波更好地阻止接触角收方波比正弦波更好地阻止接触角收缩。（。（电压正正负变换更快）更快）u这个个规律律应该可以适用于所有能可以适用于所有能发生生电湿湿润的液体。的液体。占空比占空比kuk=0.7时，达到最小，达到最小值。比比较直流直流电与交流与交流电以及不同波形以及不同波形u之前曾之前曾经报道道过交流交流电周期周期对接接触角的影响，但是没有研究波形触角的影响，但是没有研究波形的影响。的影响。u本文作者的本文作者的实验发现方波比正弦方波比正弦波更好地阻止接触角收波更好地阻止接触角收缩。（。（电压正正负变换更快）更快）2.5应应用前景用前景u可用于制造非球面广可用于制造非球面广视角的柔性微透角的柔性微透镜阵列。列。u作者曾作者曾报道道过用用电湿湿润方法制方法制备特定曲率半径的的微透特定曲率半径的的微透镜阵列（列（MLA），但是），但是饱和接触角限制了半径或者和接触角限制了半径或者说焦距的范焦距的范围。u运用本运用本实验的方法，可以有效制作出曲率半径更小的的方法，可以有效制作出曲率半径更小的MLAs。u在柔性在柔性显示屏和示屏和3D显示屏的制作有很大用示屏的制作有很大用处。2.6结论结论u提出了提出了电压调制的方法，有效减小接触角。制的方法，有效减小接触角。u电荷俘荷俘获现象普遍存在，本方法普遍适用。象普遍存在，本方法普遍适用。u可用于可用于MLAs的生的生产，有很大的，有很大的应用前景。用前景。谢谢谢谢大家！大家！