介电泳精确操纵与批量组装纳米线的关键技术研究

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1、博士学位论文万方数据介电泳精确操纵与批量组装纳米线的关键技术研究专业名称：本论文获国家自然科学基金项目(91023024、51375089)等基金资助万方数据ACCI爪ATEN扎销mULATlolNANDM队SSIVEASSEM旧LYOFNANO、ⅥRESBASEDONDIELECTROPHORESIS

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3、UlIIlUlIIIIIIIIIlY2782061ADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringRVSupervisedbyProfessorSchoolofMech

4、anicalEngineeringSoutheastUniversity,Nanjing，P．R．ChinaOct．2014万方数据东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：胖东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子

5、文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。万方数据摘要近十年以来，最引人注目的纳米科技是：将纳米“构筑模块’’“自下而上"地组建成任意种类的纳米功能器件或系统。作为一种优秀的纳米“构筑模块”，纳米线既能为尺度减小引起的电、热传输特性和力学特性的研究提供良好载体，也能为纳米电子、光电、电化学和机电器件的制造提供连接部件和功能部件。因此，研究开发纳米线的高柔性与大规模操控系统，以满足单根精确操纵和多根批量组装的

6、要求，是实现“自下而上”构建纳米线功能系统的重要环节。本文在回顾了多种纳米线操纵技术以及介电泳技术现状的基础上，探讨了介电泳技术操纵纳米线的理论基础和建模仿真，并研制了纳米线操控芯片及实验系统平台，最终实现了纳米线的多姿态、多功能的精确操控与组装。论文研究取得了下列研究成果：(1)研究建立了纳米线的介电泳动力学模型并进行了介电泳操控过程的电动力学数值仿真。通过系统分析纳米线在交流动电环境下的受力状况，讨论了影响纳米线介电泳的相关因素，在此基础上开展了纳米线的电场取向、正介电泳行为、电旋转的数值模拟。应用浸入有限元法对多种典型电场分布模型内纳米线的取向过程、线性迁移和动态旋转等运动行为进行了

7、仿真，探讨了纳米线操控过程中动力学行为(线速度、角速度、偏移距离等)的相关影响因素(电压、间距等)，为纳米线操控实验的芯片设计提供了具体策略和依据。(2)研制了适用于水平姿态和竖直姿态纳米线操控的介电泳芯片，并研制了相应的实验操控平台。本文中芯片的制备工艺研究涉及：实体电极阵列的结构设计及制备工艺；光电导层材料选择及其制备工艺；实体电极芯片和光诱导介电泳芯片的封装测试等方面。而纳米线实验操控平台的研制包括：研究开发纳米线实时监控(明场、暗场显微成像系统)、激励信号发生与控制(交流信号实时控制系统)、光图案生成与投影(光路系统与光图案控制软件)等装置，并集成所开发的纳米线操控芯片，最后构建了

8、纳米线柔性化操控平台。(3)开展了水平姿态纳米线的精确操控实验研究，并建立了纳米线输运速度和旋转角速度的定量控制方法，以及纳米线介电泳力(矩)与输运速度(旋转角速度)的关系模型。通过控制多相信号输出，单根纳米线能完成取向切换、定向输运和定点旋转等多种操纵功能。在操纵过程中，纳米线的输运速度和旋转角速度可能通过调节外加信号的幅值与频率进行定量控制。此外，利用建立的纳米线介电泳力(矩)与输运速度(旋转角速度)关系模型，纳米线操纵过程的介电泳力和旋转力矩可以根据实验数据进行快速定量表征。(4)开展了竖直姿态纳米线的并行精确操控实验研究，并建立了纳米线取向万方数据东南大学博士学位论文姿态与位置的关

9、系模型，以及精确表征纳米线极限速度的方法模型。通过控制光图案投射，可以实现纳米线单体和阵列的精确定位。而基于纳米线的姿态取向和位置关系，以及精确表征的纳米线极限速度谱，能实现对不同长度纳米线的动态分离。由此，将相同长度纳米线进行组装可以得到等间距的纳米线阵列，并且纳米线的阵列间距能通过管理信号频率实现自动调节。对于纳米线的输运，较低的频率(100-400kHz)可以获得更高的最大输运速度；而对于纳米线阵列的疏密控制，较高