[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究通过电润湿诱导的电势梯度，在非晶氟聚合物与电解质界面实现了电控的、局域化的电荷捕获，成功在三相接触线处沉积了稳定的电荷。该方法实现了最高达0.46 mC/m²的电荷密度，线宽为20–300 µm，且在经受12小时水暴露或3小时水蒸气处理后，捕获的电荷仍保持稳定，从而为微流体和传感应用提供了可靠的表面电荷图案化技术。

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.

研究动机与目标

• 确定电润湿在介质上（EWOD）系统中电荷捕获的微观起源。
• 确定在氟聚合物-电解质界面三相接触线处被捕获电荷的空间局域化位置。
• 开发一种低成本、电控的氟聚合物表面稳定表面电荷图案化方法。
• 评估在恶劣环境条件下（包括长时间水暴露和水蒸气暴露）沉积电荷的长期稳定性。

提出的方法

• 采用局部接触角测量，检测三相接触线处因电荷捕获引起的界面能变化。
• 使用电润湿（EW）探针施加受控电压梯度，诱导电荷注入氟聚合物表面。
• 利用开尔文探针力显微镜（KPFM）直接测绘表面电势，确认电荷的局域化分布。
• 选用非晶氟聚合物作为介电层，因其具有高电阻率和优异的化学稳定性。
• 通过调节施加电压和电解质组成，控制电荷沉积过程，以调节电荷密度和线宽。
• 通过将带电样品暴露于液态水滴12小时及水蒸气3小时，开展耐久性测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 被捕获的电荷在氟聚合物-电解质界面中的具体位置是什么？
• RQ2 能否利用电润湿诱导的电势在氟聚合物表面实现可控且局域化的电荷沉积？
• RQ3 在长时间暴露于水和水蒸气的条件下，电沉积电荷的稳定性如何？
• RQ4 所沉积电荷图案的最大可实现电荷密度和空间分辨率分别是多少？

主要发现

• 通过三种独立测量技术（局部接触角、电润湿探针和开尔文探针力显微镜）确认，电荷特异地局域在三相接触线区域。
• 采用电控沉积方法，实现了最高达0.46 mC/m²的电荷密度，线宽范围为20至300 µm。
• 在样品表面直接暴露于水滴12小时后，负电荷密度保持稳定。
• 经受3小时水蒸气暴露后，沉积电荷仍保持完整性，表明具有优异的环境稳定性。
• 该方法可实现精确、低成本且可重复的氟聚合物表面稳定表面电荷图案化。