2實驗結(jié)果與仿真分析

2.1實驗結(jié)果

為了探究納米線的介電組裝特性，首先在寬度約為4μm的單島微電極上進(jìn)行ZnO納米線的組裝實驗，不同頻率下的實驗結(jié)果見圖2.圖2a顯示，電場頻率為150 kHz時，有少量納米線將導(dǎo)電島和電極搭接起來；圖2b顯示，電場頻率為500 kHz時，搭接導(dǎo)電島和電極的納米線數(shù)量增多，且左右兩側(cè)的電極上也沉積了少量的納米線；圖2c顯示，電場頻率為1 MHz時，搭接導(dǎo)電島和電極的納米線數(shù)量再次增多，并且出現(xiàn)了互相平行的納米線。

150 kHz 500 kHz 1 MHz圖2單島微電極介電組裝實驗結(jié)果

單島微電極進(jìn)行了納米線介電組裝實驗之后，在寬度相同的雙島微電極中再次進(jìn)行納米線的介電組裝實驗，實驗結(jié)果見圖3.圖3a顯示，電場頻率為150 kHz時，左側(cè)的微間隙以及2個導(dǎo)電島間的微間隙沉積了少量納米線，且兩側(cè)電極上同樣沉積了少量納米線；圖3b顯示，電場頻率為500 kHz時，電極系統(tǒng)中納米線組裝數(shù)量顯著提升，且微間隙被多根納米線搭接，同時出現(xiàn)少量的互相平行的納米線；圖3c顯示，電場頻率為1 MHz時，電極系統(tǒng)內(nèi)組裝的納米線少量增加，微間隙之間仍然存在納米線搭接現(xiàn)象，總體趨勢和500 kHz時相差不大。

150 kHz 500 kHz 1 MHz圖3雙島微電極介電組裝實驗結(jié)果

2.2電場分布

在圖1b的三維模型中進(jìn)行仿真模擬，由于微電極的結(jié)構(gòu)改變時其內(nèi)部電場分布隨之改變，進(jìn)而會影響介電操控的結(jié)果，因此對單島和多島微電極的電場分布進(jìn)行分析，有利于探究納米線的運動情況，2種結(jié)構(gòu)微電極的電場分布結(jié)果如圖4所示。

圖4a顯示，單島微電極的微間隙附近的電場線比較密集，由間隙區(qū)域向外發(fā)散的過程中，電場線密度逐漸降低；雙島微電極的電場線密度沿著2電極向?qū)щ妽u移動的過程中，電極與導(dǎo)電島之間的微間隙電場線密度最高，之后逐漸降低，到達(dá)2島之間的微間隙后又逐漸升高，其他區(qū)域電場線密度較低；因此，當(dāng)單島微電極引入導(dǎo)電島單元后，電場分布發(fā)生變化，電場奇異性變強，納米線展現(xiàn)出更好的介電組裝效果。

a.單島；b.雙島。圖42種微電極xOz截面的電場分布

2.3介電泳力對多島微電極介電組裝的影響

在非均勻外界電場下，由于電場與感應(yīng)偶極子之間的相互作用，假設(shè)電場的平方梯度為常數(shù)，可得納米線時均介電泳力，如下所示：

當(dāng)所施加的電場頻率為500 kHz時，2種微電極的介電泳力流速分布如圖6所示。在介電泳力的誘導(dǎo)下，納米線被輸送至微間隙區(qū)域，越靠近微間隙區(qū)域，作用在納米線上的力越大，且介電泳速度方向均指向微間隙。不同于單島微電極，雙島微電極中納米線被輸送到3個微間隙區(qū)域，介電組裝效果更好。

a.單島；b.雙島。圖6電場頻率為500 kHz時介電泳力的流速分布結(jié)果

2.4交流電熱流對多島微電極介電組裝的影響

在納米線的介電組裝過程中，電場頻率的變化對流體的流速和方向有影響。對多島微電極施加中高頻電場作用時，交流電熱流的流速起主導(dǎo)作用。因此，對納米線介電組裝過程中的交流電熱流進(jìn)行分析是必要的。液體中的流體單元受到的平均電熱體積力密度為

為了獲取納米線組裝中溫度的影響結(jié)果，在2種微電極中對傅里葉熱導(dǎo)方程求解

其中，k表示液體介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，其值取

表示焦耳熱源。

低雷諾數(shù)不可壓縮流體的穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程為

其中，p表示液體壓力，μ表示流體的速度矢量。

圖7,8分別給出了施加3種不同電場頻率時，2種微電極截面一上電熱流的仿真結(jié)果。圖7a顯示，電場頻率為150 kHz時，單島微電極的左右兩側(cè)產(chǎn)生對稱電熱流對流漩渦現(xiàn)象，電熱流流向2個微間隙區(qū)域；圖8a顯示，電場頻率為150 kHz時，雙島微電極左右兩側(cè)同樣產(chǎn)生對稱電熱流對流漩渦現(xiàn)象，不同點在于，電熱流不僅流向2個微間隙區(qū)域而且垂直朝下流入中間微間隙區(qū)域；圖7b顯示，電場頻率為500 kHz時，單島微電極電熱流的流動發(fā)生反向，電熱流同樣呈左右對稱分布；圖8b顯示，電場頻率為500 kHz時，雙島微電極電熱流的流動同樣發(fā)生反向，且中間微間隙上方產(chǎn)生2個新的對流漩渦；圖7c,8c顯示，電場頻率為1 MHz時，2種微間隙的電熱流的流動情況基本與500 kHz一致，但是微間隙處電熱流流速均有所加快。不同于單島微電極、雙島微電極隨著電場頻率的增加，中間微間隙上方出現(xiàn)一對新的對流旋渦，這更有利于納米線介電組裝行為的發(fā)生。

圖7單島微電極電熱流流速分布  圖8雙島微電極電熱流流速分布

2.5合力作用

在微間隙電極系統(tǒng)介電組裝過程中，納米線在中高頻環(huán)境下的移動是由近場介電泳力和遠(yuǎn)場電熱對流共同引起的。移動速度為

通過介電泳力、交流電熱流對介電組裝影響的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙島微電極可以更好地進(jìn)行納米線介電組裝行為。針對合力作用的分析，僅以雙島微電極為例進(jìn)行組裝仿真實驗。圖9給出了施加3種不同電場頻率時，介電泳力和電熱流合力作用下速度流線的仿真結(jié)果。圖9a顯示，電場頻率為150 kHz時，在雙島微電極的左右兩側(cè)存在一對對稱分布的對流旋渦，將納米線輸送到兩側(cè)微間隙，中間區(qū)域流體垂直流向微間隙；圖9b顯示，電場頻率為500 kHz時，流體流動方向發(fā)生改變，且中間微間隙的上方出現(xiàn)一對新的對流旋渦；圖9c顯示，電場頻率為1 MHz時，旋渦現(xiàn)象與電場頻率為500 kHz時基本相同。

圖9合力作用下的流速分布

3結(jié)論

在中高頻的環(huán)境下，在單島和雙島2種不同結(jié)構(gòu)的微電極中進(jìn)行ZnO納米線介電組裝實驗。實驗表明：隨著電場頻率的增加，2種不同結(jié)構(gòu)的微電極中納米線的組裝數(shù)量均逐步增加且出現(xiàn)互相平行的納米線。通過對電場分布的仿真得出，雙島微電極的電場奇異性變強，對納米線介電組裝更有利；在交流電熱流的仿真對比過程中，隨著電場頻率的增加，雙島微電極中間微間隙上方產(chǎn)生2個新的對流漩渦，且在達(dá)到反轉(zhuǎn)頻率之后，電熱流的流動方向發(fā)生反轉(zhuǎn)；在合力作用的仿真模擬過程中，隨著電場頻率的增加，數(shù)值仿真圖也出現(xiàn)將納米線輸送至微間隙組裝區(qū)域的對流旋渦。進(jìn)一步闡明了納米線的組裝行為是介電泳力與電熱流共同作用形成的。