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PPT课件

1、1.背景简介（重点讲解）2.文献介绍（简单带过）CONTANTS第1页/共42页 1.1 接触角 1.2 电湿润 1.3相关公式及推导 1.3.1杨氏公式证明 1.3.2外加电场后的杨氏公式 1.3.3 用自由能表达式推出吉布斯杜亥姆公式 1.4 接触角饱和现象 1.5 接触角饱和的原因第2页/共42页1.1接触角 接触角（contact angle）是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角，是润湿程度的量度。 1）当=0，完全润湿； 2）当90，部分润湿或润湿； 3）当=90，是润湿与否的分界线； 4）当90，不润湿； 5）当=180，完全不润湿。第3

2、页/共42页 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。第4页/共42页 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，Lipp

3、mannLippmann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）是指通过改变液滴与绝缘基板之间电是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，使压，来改变液滴在基板上接触角，使液滴发生形变、位移的现象。液滴发生形变、位移的现象。1.2 电润湿电润湿12第5页/共42页1.2 电润湿电润湿34 经过多年的研究，终于，

4、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 （ElectrowettingElectrowetting On On Dielectric,EWODDielectric,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

5、，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示意图示意图第6页/共42页1.3相关公式及推导 杨氏公式（稳态）： SV = SL + LV cose SV 固-气界面张力 LV 液-气界面张力 SL 固-液界面张力第7页/共42页1.3.1杨氏公式证明第8页/共42页1.3.1杨氏公式证明第9页/共42页1.3.2外加电场后的杨氏公式第10页/共42页第11页/共42页1.3.3 用自由能表达式推出吉布斯杜亥姆公式0)()()()(dFzdnAddnFzFzdnA

6、ddAnFzdAddGAnFzGdniFzdAVdPSdTGiiiiiiiiiiiiiiiiI第12页/共42页 电润湿的研究是诱人的，随着大量研究工作的进行，人们发现在低电压情况下可以获得可逆的润湿效果，然而当电压增大到某一阈值后，接触角并不像Young-Lippmann 方程描述的那样再随电压增大而减小，即接触角达到饱和。1.4接触角饱和现象第13页/共42页 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

7、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 接触角饱和的原因关于接触角饱和现象学术界提出了一些看法第14页/共42页 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 接触角饱和的原因 电压较低时： 电压较高时：第15页/共42页 低电压时 即第16页/共42页 2.1文章概述 2.2接触角收缩现象 2.3实验部分 2.4影响因素归纳 2.5应用前景 2.6结论

8、第17页/共42页 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

9、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文章概述第18页/共42页2.2接触角收缩 接触角短时间内变得很小，之后收缩到饱和值。第19页/共42页2.2接触角收缩 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。第20页/共42页2.3实验部分 采用光固化高分子化合物，先加电极，紫外线照射使之固化，再机械移

10、去该化合物。 （不用水的原因：当外电势消失的时候，被俘获得电子会被极性的水分子带走。） （用铜板做了相同的实验，没有发现电荷俘获，说明介电层的重要性。） 首先，EDS检测基板化学元素含量。第21页/共42页 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）第22页/共42页 之后测定了SiO2/Si基板表面电势分布 （表面电势大小与俘获电荷的多少相关） 表面电势测定的路径为图中白色虚线第23页/共42页负电势大于正电势的解释 介电层的缺陷，SiO2中的少量空穴使之更容易俘获负电荷。第24页/共42页中间多，外面低的解释 中间位置，电

11、极与基板距离最近，电场最强，俘获电荷最多，到四周距离逐渐增大，电场强度减弱，俘获电荷减少。第25页/共42页有限单元建模(FEM)方法 如果采用有很小的导电能力的液体，比如去离子水（还是有一点导电性的），用FEM方法得到的电荷分布如下图所示 Ey 正交投影 Ex 切线投影第26页/共42页有限单元建模(FEM)方法 由于同种电荷的排斥，导致边缘分布的电荷较多，所以在边缘电势的值有一个突跃，但因为不是良好导体，没有全部分布在边缘，中间比较多。第27页/共42页俘获的电荷可以逆转第28页/共42页电压突然逆转（+200V to -200V） 电压逆转瞬间，底板中总电荷以及液体中的电荷迅速转变电性。

12、 而介电层中的俘获电荷需要一定的弛豫时间才能转变电性。 此时，底板中的电荷和俘获电荷（两者此时同号）共同作用，产生更强的电场，吸引液体中的电荷。从而导致更小的接触角。第29页/共42页电压突然撤掉 这样也可以使接触角减小。 分析：介电层中的电荷吸附了液体中相反电荷。 同样需要一定时间回到饱和接触角第30页/共42页电子俘获可控 可调节频率，波形，占空比来改变电子俘获能力，从而降低接触角。 通过实验，得到T1/3s，方波，空占比（即电压为负的比例）k0.7的时候，接触角最小。第31页/共42页2.4影响因素归纳 1.周期 2.波形 3.空占比k 4.通电模式（AC/DC）第32页/共42页周期

13、（a,b两图均是200v，k=0.5的方波） 由a图可知，接触角是周期性变化的。 由图b知，f=3Hz时接触角上下界均最小第33页/共42页决定周期的主要因素： 1.液体的粘度（粘度大，液滴变形所需时间增大） 2.俘获电荷电性转变的弛豫时间第34页/共42页波形 之前曾经报道过交流电周期对接触角的影响，但是没有研究波形的影响。实验数据图第35页/共42页 水，离子液体，丙三醇分别正弦和方波（k=0.5）情况下（f=500Hz），随电压升高平均接触角的变化 本文作者的实验发现方波比正弦波更好地阻止接触角收缩。（电压正负变换更快） 这个规律应该可以适用于所有能发生电湿润的液体。第36页/共42页占空比k k=0.7时，达到最小值。第37页/共42页比较直流电与交流电以及不同波形 之前曾经报道过交流电周期对接触角的影响，但是没有研究波形的影响。 本文作者的实验发现方波比正弦波更好地阻止接触角收缩。（电压正负变换更快）第38页/共42页2.5应用前景 可用于制造非球面广视角的柔性微透镜阵列。 作