Study on the Fundamental and Assembly Method of Dielectrophoresis for Nanosensor Fabrication

介电泳（dielectrophoresis）是可极化粒子在非均匀电场中运动的现象。面向纳米传感器制造的介电泳操控和组装具有简便、成本低廉和可并行处理等特点。随着微纳米技术的快速发展和应用需求，介电泳纳米操控正受到越来越广泛的关注、研究和应用。本论文以介电泳纳米操控的基本原理和应用研究为主线，围绕介电泳力建模、电流体动力学效应和布朗运动干扰、介电泳环境的微纳米粒子极化模型对其介电泳操控的影响、介电泳操控最小尺度等科学问题及应用技术展开了研究工作。主要工作如下： 在介电泳基本原理方面，系统地研究了介电泳的电场分布规律、粒子的电极化和等效极矩描述方法、介电泳力模型，利用Legendre多项式的正交性和数值分析的方法，首次求解出非均匀电场内非球形粒子的前9项极化多极矩。仿真实验得到的碳纳米管感应电势分布情况表明：当碳纳米管的长度与电场非均匀特征尺度相当时，等效极矩介电泳力模型的点偶极子假设不再适用。 针对介电泳纳米操控中存在的电热流、电渗流和布朗运动等干扰因素，在详细研究电热流产生机理的基础上，首次进行了电、热、流等耦合控制方程的数值求解，分析了电热流的流动特点和影响。研究结果指出，电热流的流动方向可受电场频率控制，从而可以获得有助于介电泳操作的流体流动。对电渗流简化模型的研究表明，稳定的交流电渗流流动方向只对介电泳操作起阻碍作用，但在高频和低频条件下，交流电渗流的影响甚微。对布朗运动平均位移平方的研究结果表明，布朗运动对尺寸越小的纳米粒子影响越大，其可确定的随机热扰动力正比于电场的频率。 通过对金纳米粒子的介电泳组装理论和实验研究，首次提出了核壳球形粒子几何结构及其电极化模型是金纳米粒子介电泳频谱响应的主导机制。即在低频和高频条件下，其介电泳组装速率趋向于零；其介电泳组装的最大速率存在于某个中间电场频率，而且与金纳米粒子的尺寸有关。在研究金纳米粒子所受各种作用力的尺度律后，提出实现2 nm金粒子介电泳组装的优化操作条件，并获得了实验验证。 通过对细长椭圆形粒子近似表征碳纳米管的极化模型研究，表明碳纳米管的介电泳组装具有宽广的频响范围。相对于介电泳效应，电流体动力学效应和布朗运动成为控制碳纳米管介电泳组装的主要影响因素。理想的碳纳米管介电泳组装是：控制施加的电场使得电热流对介电泳操作起促进的辅助作用，同时减弱或避免电渗流的产生，而布朗运动对细长碳纳米管的影响则可忽略不计。 在上述分析研究的基础上，分别对金纳米粒子和碳纳米管组装流量传感器和次氯酸钠化学传感器进行了实验研究。实验结果表明，利用介电泳纳米操作技术加工制作纳米传感器的方法是可行的，金纳米粒子和碳纳米管等纳米材料组成的传感单元具有优越的响应特性。 本论文对介电泳纳米操控基本理论和方法的研究，为介电泳微纳米操控技术在纳米传感器制造领域的发展和应用提供了有意义的理论指导和科学研究方法