[論文レビュー] Electrically controlled localized charge trapping at amorphous fluoropolymer-electrolyte interfaces

Hao Wu, Ranabir Dey+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2019

Electrowetting and Microfluidic Technologies参考文献 58被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、電気的制御による局所的電荷捕集を、非晶質フッ素ポリマーと電解質の界面で実証した。電気 Wetting によって誘起される電位勾配を用いて、三相界面に沿って安定な電荷を堆積させた。この手法により、20–300 µm のライン幅で最大 0.46 mC/m² の電荷密度を達成し、12時間の水露出または3時間の水蒸気処理後も電荷が安定していることが確認された。これにより、マイクロ流体工学およびセンシング分野への応用に向けた信頼性の高い表面電荷パターニングが可能になった。

ABSTRACT

Charge trapping is a long-standing problem in electrowetting-on-dielectric (EWOD), causing reliability reduction and restricting its practical applications. Although this phenomenon has been investigated macroscopically, the microscopic investigations are still lacking. In this work, the trapped charges are proven to be localized at three-phase contact line region by using three detecting methods -- local contact angle measurements, electrowetting (EW) probe, and Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM). Moreover, we demonstrate that this EW-induced charge trapping phenomenon can be utilized as a simple and low-cost method to deposit charges on fluoropolymer surfaces. Charge density near the three-phase contact line up to 0.46 mC/m2 and the line width with deposited charges ranging from 20 to 300 micrometer are achieved by the proposed method. Particularly, negative charge densities do not degrade even after harsh testing with a water droplet on top of the sample surfaces for 12 hours, as well as after being treated by water vapor for 3 hours. These findings provide an approach for applications which desire stable and controllable surface charges.

研究の動機と目的

• 電気 Wetting-on-dielectric (EWOD) システムにおける電荷捕集の微視的起源を特定すること。
• フッ素ポリマー-電解質界面における三相界面で捕らえられた電荷の空間的局在を特定すること。
• 低コストで電気的に制御可能な方法により、フッ素ポリマー表面への安定した表面電荷のパターニングを実現すること。
• 長期間にわたる水や水蒸気の暴露という過酷な環境条件下でも、堆積した電荷の長期的安定性を評価すること。

提案手法

• 三相界面で電荷捕集が引き起こす界面エネルギーの変化を検出するために、局所的接触角測定を実施した。
• 電気 Wetting (EW) プローブを用いて、制御された電圧勾配を印加し、フッ素ポリマー表面への電荷注入を誘発した。
• 表面電位を直接マッピングし、局所的電荷分布を確認するために、ケルビンプローブ力顕微鏡 (KPFM) を用いた。
• 高い抵抗率と化学的安定性を示すため、非晶質フッ素ポリマーを誘電体層として使用した。
• 印加電圧と電解質組成を調整することで、電荷密度とライン幅を制御し、電荷堆積プロセスを制御した。
• 耐久性試験として、電荷を堆積させた試料を12時間の液体水滴露出および3時間の水蒸気露出にさらした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 捕らえられた電荷は、フッ素ポリマー-電解質界面のどこに局在しているのか？
• RQ2 電気 Wetting によって誘起される電位を用いて、フッ素ポリマー表面への制御的かつ局所的な電荷堆積が可能か？
• RQ3 長時間の水および水蒸気の暴露下でも、電気的に堆積された電荷は安定か？
• RQ4 堆積された電荷パターンの最大電荷密度と空間分解能はどの程度か？

主な発見

• 三つの独立した測定手法（局所的接触角、電気 Wetting プローブ、ケルビンプローブ力顕微鏡）により、電荷が三相界面に特異的に局在していることが確認された。
• 電気的制御堆積法を用いて、20–300 µm のライン幅で最大 0.46 mC/m² の電荷密度を達成した。
• 表面に水滴を12時間直接露出させた後も、負の電荷密度が安定していた。
• 水蒸気に3時間さらされた後も、堆積した電荷がその整合性を保ったままであり、高い環境安定性を示した。
• 本手法により、高精度で低コストかつ繰り返し可能な、フッ素ポリマー表面への安定した表面電荷パターニングが可能になった。