2實(shí)驗結果與仿真分析

2.1實(shí)驗結果

為了探究納米線(xiàn)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(xiàn)的組裝實(shí)驗，不同頻率下的實(shí)驗結果見(jiàn)圖2.圖2a顯示，電場(chǎng)頻率為150 kHz時(shí)，有少量納米線(xiàn)將導電島和電極搭接起來(lái)；圖2b顯示，電場(chǎng)頻率為500 kHz時(shí)，搭接導電島和電極的納米線(xiàn)數量增多，且左右兩側的電極上也沉積了少量的納米線(xiàn)；圖2c顯示，電場(chǎng)頻率為1 MHz時(shí)，搭接導電島和電極的納米線(xiàn)數量再次增多，并且出現了互相平行的納米線(xiàn)。

150 kHz 500 kHz 1 MHz圖2單島微電極介電組裝實(shí)驗結果

單島微電極進(jìn)行了納米線(xiàn)介電組裝實(shí)驗之后，在寬度相同的雙島微電極中再次進(jìn)行納米線(xiàn)的介電組裝實(shí)驗，實(shí)驗結果見(jiàn)圖3.圖3a顯示，電場(chǎng)頻率為150 kHz時(shí)，左側的微間隙以及2個(gè)導電島間的微間隙沉積了少量納米線(xiàn)，且兩側電極上同樣沉積了少量納米線(xiàn)；圖3b顯示，電場(chǎng)頻率為500 kHz時(shí)，電極系統中納米線(xiàn)組裝數量顯著(zhù)提升，且微間隙被多根納米線(xiàn)搭接，同時(shí)出現少量的互相平行的納米線(xiàn)；圖3c顯示，電場(chǎng)頻率為1 MHz時(shí)，電極系統內組裝的納米線(xiàn)少量增加，微間隙之間仍然存在納米線(xiàn)搭接現象，總體趨勢和500 kHz時(shí)相差不大。

150 kHz 500 kHz 1 MHz圖3雙島微電極介電組裝實(shí)驗結果

2.2電場(chǎng)分布

在圖1b的三維模型中進(jìn)行仿真模擬，由于微電極的結構改變時(shí)其內部電場(chǎng)分布隨之改變，進(jìn)而會(huì )影響介電操控的結果，因此對單島和多島微電極的電場(chǎng)分布進(jìn)行分析，有利于探究納米線(xiàn)的運動(dòng)情況，2種結構微電極的電場(chǎng)分布結果如圖4所示。

圖4a顯示，單島微電極的微間隙附近的電場(chǎng)線(xiàn)比較密集，由間隙區域向外發(fā)散的過(guò)程中，電場(chǎng)線(xiàn)密度逐漸降低；雙島微電極的電場(chǎng)線(xiàn)密度沿著(zhù)2電極向導電島移動(dòng)的過(guò)程中，電極與導電島之間的微間隙電場(chǎng)線(xiàn)密度最高，之后逐漸降低，到達2島之間的微間隙后又逐漸升高，其他區域電場(chǎng)線(xiàn)密度較低；因此，當單島微電極引入導電島單元后，電場(chǎng)分布發(fā)生變化，電場(chǎng)奇異性變強，納米線(xiàn)展現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(chǎng)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(chǎng)下，由于電場(chǎng)與感應偶極子之間的相互作用，假設電場(chǎng)的平方梯度為常數，可得納米線(xiàn)時(shí)均介電泳力，如下所示：

當所施加的電場(chǎng)頻率為500 kHz時(shí)，2種微電極的介電泳力流速分布如圖6所示。在介電泳力的誘導下，納米線(xiàn)被輸送至微間隙區域，越靠近微間隙區域，作用在納米線(xiàn)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(xiàn)被輸送到3個(gè)微間隙區域，介電組裝效果更好。

a.單島；b.雙島。圖6電場(chǎng)頻率為500 kHz時(shí)介電泳力的流速分布結果

2.4交流電熱流對多島微電極介電組裝的影響

在納米線(xiàn)的介電組裝過(guò)程中，電場(chǎng)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(chǎng)作用時(shí)，交流電熱流的流速起主導作用。因此，對納米線(xiàn)介電組裝過(guò)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(xiàn)組裝中溫度的影響結果，在2種微電極中對傅里葉熱導方程求解

其中，k表示液體介質(zhì)的導熱系數，其值取

表示焦耳熱源。

低雷諾數不可壓縮流體的穩態(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(chǎng)頻率時(shí)，2種微電極截面一上電熱流的仿真結果。圖7a顯示，電場(chǎng)頻率為150 kHz時(shí)，單島微電極的左右兩側產(chǎn)生對稱(chēng)電熱流對流漩渦現象，電熱流流向2個(gè)微間隙區域；圖8a顯示，電場(chǎng)頻率為150 kHz時(shí)，雙島微電極左右兩側同樣產(chǎn)生對稱(chēng)電熱流對流漩渦現象，不同點(diǎn)在于，電熱流不僅流向2個(gè)微間隙區域而且垂直朝下流入中間微間隙區域；圖7b顯示，電場(chǎng)頻率為500 kHz時(shí)，單島微電極電熱流的流動(dòng)發(fā)生反向，電熱流同樣呈左右對稱(chēng)分布；圖8b顯示，電場(chǎng)頻率為500 kHz時(shí)，雙島微電極電熱流的流動(dòng)同樣發(fā)生反向，且中間微間隙上方產(chǎn)生2個(gè)新的對流漩渦；圖7c,8c顯示，電場(chǎng)頻率為1 MHz時(shí)，2種微間隙的電熱流的流動(dòng)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(zhù)電場(chǎng)頻率的增加，中間微間隙上方出現一對新的對流旋渦，這更有利于納米線(xiàn)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

在微間隙電極系統介電組裝過(guò)程中，納米線(xiàn)在中高頻環(huán)境下的移動(dòng)是由近場(chǎng)介電泳力和遠場(chǎng)電熱對流共同引起的。移動(dòng)速度為

通過(guò)介電泳力、交流電熱流對介電組裝影響的結果發(fā)現，雙島微電極可以更好地進(jìn)行納米線(xiàn)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(shí)驗。圖9給出了施加3種不同電場(chǎng)頻率時(shí)，介電泳力和電熱流合力作用下速度流線(xiàn)的仿真結果。圖9a顯示，電場(chǎng)頻率為150 kHz時(shí)，在雙島微電極的左右兩側存在一對對稱(chēng)分布的對流旋渦，將納米線(xiàn)輸送到兩側微間隙，中間區域流體垂直流向微間隙；圖9b顯示，電場(chǎng)頻率為500 kHz時(shí)，流體流動(dòng)方向發(fā)生改變，且中間微間隙的上方出現一對新的對流旋渦；圖9c顯示，電場(chǎng)頻率為1 MHz時(shí)，旋渦現象與電場(chǎng)頻率為500 kHz時(shí)基本相同。

圖9合力作用下的流速分布

3結論

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