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可见光驱微纳马达运动机理及集群行为研究

【摘要】:微纳马达是一种能将外部环境能量(光能、热能、化学能、磁场、声能等)转化为自身运动动能的微纳尺度装置。因其具有体积小、推重比高、比表面积大等优势,未来将在生物医疗、微纳传感、环境污染处理、微纳货物运输等领域具有广阔的应用前景。微纳马达的众多驱动方式中,光驱微纳马达因其具有非接触式能量传递、控制简单、驱动效率高等优势,成为了微纳马达方向的研究热点。然而,由于光驱微纳马达驱动机理研究不足,现有光驱微纳马达多只能以紫外光或红外光为驱动源,在特定溶液内运动。由于紫外光在自然光中比例小、毒害性大、且环境适应能力差,极大地限制了光驱微纳马达的应用潜力。同时,由于尺度限制,单个微纳马达负载能力、作用效果等方面受到制约,无法有效在大范围、大尺度下开展微纳马达的应用。因此,针对上述问题,本文以光驱动微纳马达为研究对象,从光驱微纳马达的主要组成部分——半导体与金属的物化特性出发,开展可见光驱动微纳马达驱动机理及集群行为的研究,补充现有理论研究的不足,提高光驱微纳马达的应用潜力。针对氧化物半导体光驱微纳马达,以P型氧化物半导体Cu_2O及N型氧化物半导体Fe_2O_3为核心,深入研究P型氧化物半导体/金属及N型氧化物半导体/金属微纳马达运动行为及运动机理。应用化学合成、物理气相沉积及模板电沉积方法,实现了P型及N型氧化物半导体/金属微纳马达(Cu_2O/Au及Fe_2O_3/Au)的合成。分析了溶液浓度、光照强度等因素对氧化物半导体微纳马达运动行为的影响,系统研究了氧化物半导体类型、半导体特征参数对氧化物半导体/金属微纳马达运动行为的影响。并应用光电化学分析测试方法,对光照条件下微纳马达两端电压及电阻变化规律展开研究。研究表明,氧化物半导体微纳马达的运动机理为光驱自电泳机理,其运动速度受光电压与光电阻共同影响。同时,微纳马达的运动方向与半导体的类型有关。以金属为核心,基于金属-半导体接触理论,提出金属/半导体/金属微纳马达理论模型,分析金属特征参数对微纳马达运动行为的影响。研究表明,半导体费米能级与金属间的差值是决定微纳马达的重要因素,针对P型半导体微纳马达,其运动更倾向于向费米能级差值大的方向运动。针对N型半导体微纳马达,其运动更倾向于向费米能级差值小的方向运动。基于光驱扩散泳理论,研究了单一光场作用下纳米马达的集群行为,提出光驱纳米马达图案化自组装方法,并结合仿真分析方法,明确自组装时局部电场及流体变化特性,得出影响图案化自组装行为的主要因素,实现了线宽40μm的HIT图案排列。基于超声及光场驱动,提出光/超声耦合物理场微纳马达集群行为控制方法,并通过实验与仿真相结合的手段对光/超声耦合驱动下微纳马达集群行为展开研究。明确了光场作用下超声驱动微纳马达集群体的集群/发散机理,系统分析光照强度、超声功率、材料密度及吸光性能对集群/发散行为的影响。同时,应用仿真分析方法得出光照前后超声声流变化规律。此外,提出微纳马达集群位置、方向控制方法,为后续微纳马达集群行为研究提供理论基础及技术支撑。综上所述,本文在光驱微纳马达驱动机理及集群行为开展深入研究。上述研究为光驱微纳马达的研究提供理论基础和技术支撑,可推动光驱微纳马达在环境处理、生物医疗、微纳传感等领域的应用发展。

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