论文题目：隔离式介电泳组装纳米线及其器件应用研究
摘要：在过去的二十几年里,纳米技术得到飞速发展,纳米线合成技术已相当成熟,可以实现多种类、大批量、低成本生产。纳米线由于直径处于纳米尺度,量子效应变得更加明显,而拥有独特的光学特性、力学特性、热和电传输特性等,在科学技术领域有着许多重要应用。对一维纳米材料进行可控的操控和功能化组装,可以改进一维纳米材料结构的整体功能特性,实现纳米功能器件制备。纳米线的可控操纵和组装技术是一维纳米材料在未来应用研发中的关键科学问题之一,研究开发纳米线的大规模操控和组装技术,满足纳米功能器件制备的组装要求,具有重要的理论和现实意义。本文回顾了纳米线操控组装技术和介电泳技术的研究现状,在传统介电泳操控技术的基础上,提出了隔离式介电泳组装纳米线技术,实现了纳米线的大规模、批量化、可重复的多次组装,并将规则组装的银纳米线结构进行应用研究。论文取得的具体研究成果总结如下:（1）开展了隔离式介电泳操控纳米线的理论分析和银纳米线电极网络逾渗过程模拟。本文通过对介电泳理论和交流动电学理论的应用,分析了纳米线在介电泳操控过程中轴向和径向所受的作用力以及转向力矩情况,理论分析了纳米线长径比、自身电学特性、溶液电导率和电信号频率等对纳米线所受介电泳作用力的影响;研究分析了隔离式介电泳芯片中组装基底上的电场分布和不同基底厚度对纳米线组装的影响,优化组装基底参数;同时,研究所施加电信号的电压和频率对隔离式介电泳操控组装纳米线的影响,优化电信号参数,为芯片设计和系统集成提供理论依据。另外,通过逾渗理论模拟了随机分布和规则分布纳米线时的导电特性和透光特性,研究了纳米线的长度、半径和溶液浓度对银纳米线导电薄膜的导电性和透光率的影响,并对纳米线随机分布和规则组装时的导电率和透光率进行了分析比较,理论验证了规则组装银纳米线导电薄膜在光电性能上的优越性,为规则化组装银纳米线制备柔性透明电极提供了理论支撑。（2）实现了隔离式介电泳规则化组装纳米线阵列及多次交叉组装。本文研制了隔离式介电泳操控芯片,并开发了相应的纳米线操控组装实验平台,实现了纳米线在组装基底上的精确操控组装。对隔离式介电泳操控芯片的原理和工艺进行了研究,介电泳操控芯片的制备涉及:电极基底的选材、电极结构设计及制备工艺;组装基底薄膜的选材、厚度等。集成隔离式介电泳操控芯片和实验平台,利用插齿状和指尖状电极作为电极基底在柔性透明薄膜基底上对纳米线进行了规则化阵列组装,提出了一个量化评估纳米线规则化程度的评价模型,用来对实验过程中的规则化组装情况进行量化分析,实验研究了施加电信号的幅值和频率以及组装基底厚度对纳米线规则组装效果的影响。同时,通过转动组装基底或更换组装基底实现纳米线的多次交叉组装和批量组装,并对组装后的纳米线薄膜进行光电性能的测试研究,将随机分布和规则分布的纳米线导电薄膜的光电性能进行了对比分析。（3）通过隔离式介电泳技术组装纳米线,制备了用于循环肿瘤细胞检测的生物传感器,对低浓度MCF-7细胞样品液进行了检测实验。首先利用隔离式介电泳技术在薄膜基底上组装纳米线阵列结构,再在纳米线结构基底上铺上一层氧化石墨烯,并对纳米线/氧化石墨烯基底进行Ep-CAM抗体修饰形成检测基底;利用激光加工工艺加工了流道上层为鱼骨状结构的微流道芯片,与修饰有抗体的检测基底相键合,制备用于循环肿瘤细胞检测的生物芯片。在捕获芯片之前集成分选芯片,将样品液先进行循环肿瘤细胞分选的预处理,再通过检测芯片对循环肿瘤细胞进行捕获和计数;研究探索了鱼骨状流道结构、基底结构、抗体以及样品液流速对集成芯片的细胞捕获效率的影响,发现了宽槽距鱼骨状结构和低流速能进一步提高检测基底细胞捕获效率,修饰Ep-CAM抗体的纳米线/氧化石墨烯检测基底捕获效率达到86%左右,并可以对浓度低至100个/m L的循环肿瘤细胞进行检测。（4）利用隔离式介电泳技术组装银纳米线制备了柔性透明加热器,探索了组装纳米结构在新一代柔性透明加热器上的应用研究。本文通过隔离式介电泳技术在PET薄膜基底上组装银纳米线网状结构,然后在银纳米线组装结构上铺上一层石墨烯作为保护层,最后对组装后的银纳米线和石墨烯结构进行热处理来减小银纳米线之间的接触电阻,并使纳米线结构和石墨烯接触更牢靠。在制备了Ag NWs/Graphene柔性透明加热器之后,本文对柔性加热器的加热特性、抗氧化性能、机械柔性和稳定特性等进行了实验研究,实验结果表明Ag NWs/Graphene复合结构薄膜具有良好的抗氧化能力和机械柔性,并且加热响应快,加热均匀性好,循环使用可靠性高,具有成为新一代柔性透明加热器最佳材料的潜力。最后对柔性加热器的除雾功能进行了实验研究,实验表明Ag NWs/Graphene除雾装置除雾效果明显,响应快,有良好的除雾功能,拓宽了隔离式介电泳技术组装纳米线结构的应用领域,为将来的进一步应用探索打下了基础。
关键词：纳米线;介电泳;阵列组装;可重复组装;循环肿瘤细胞;逾渗过程
学科专业：机械制造及其自动化
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 纳米线组装方法
1.2.1 利用流体力进行纳米线组装
1.2.2 通过机械力组装纳米线
1.2.3 利用朗格缪尔-布吉特(Langmuir-Blodgett,LB)技术组装纳米线
1.2.4 磁场作用下的纳米线组装
1.2.5 光场作用下的纳米线组装
1.2.6 利用吹气泡法进行纳米线组装
1.3 介电泳操纵组装纳米线研究现状
1.3.1 实体电极介电泳技术操纵组装纳米线
1.3.2 光诱导介电泳技术操纵组装纳米线
1.4 课题立题依据与论文主要研究内容
1.4.1 课题的立题依据
1.4.2 课题的经费来源
1.4.3 论文的主要研究内容和组织结构
第二章 介电泳组装基础理论研究和银纳米线电极网络的光电特性模拟
2.1 引言
2.2 介电泳理论
2.2.1 等效偶极矩模型
2.2.2 纳米线长径比和介电属性的影响
2.2.3 纳米线所处介质电导率的影响
2.2.4 纳米线所处电场的影响
2.3 银纳米线电极网络的光电特性模拟
2.3.1 逾渗过程理论模拟
2.3.2 随机分布的银纳米线的临界密度
2.3.3 银纳米线电极网络的面电阻与银纳米线的半径的关系
2.3.4 银纳米线电极网络的面电阻与银纳米线的长度的关系
2.3.5 银纳米线电极网络的面电阻与银纳米线的线密度的关系
2.3.6 银纳米线电极网络的光电性能
2.4 本章小结
第三章 基于隔离式介电泳芯片的纳米线操控与组装应用研究
3.1 引言
3.2 基于隔离式介电泳芯片的纳米线操控和组装流程
3.3 隔离式介电泳芯片制备及操控平台系统构建
3.3.1 隔离式介电泳芯片制备
3.3.2 隔离式介电泳操控平台系统构建
3.4 隔离式介电泳组装纳米线
3.4.1 交流电信号的电压幅值和频率对纳米线组装的影响
3.4.2 PET薄膜厚度对纳米线组装的影响
3.4.3 纳米线阵列组装
3.4.4 纳米线网格组装
3.4.5 银纳米线网格的光电性能检测
3.5 本章小结
第四章 基于AgNWs/GO的循环肿瘤细胞分选与捕获集成芯片研制与实验测试
4.1 引言
4.2 基于AgNWs/GO的循环肿瘤细胞分选与捕获芯片的方案设计与制备
4.2.1 分选和捕获芯片设计方案
4.2.2 低成本集成薄膜芯片加工方法
4.2.3 基于隔离式介电泳方法组装捕获芯片检测基底
4.2.4 细胞培养与标记
4.3 集成芯片中的分选芯片性能研究
4.3.1 聚苯乙烯粒子分选性能验证
4.3.2 循环肿瘤细胞和白细胞的分选实验测试
4.4 循环肿瘤细胞捕获检测实验测试
4.4.1 基于AgNWs/GO的检测基底对循环肿瘤细胞特异性捕获的研究
4.4.2 流速对循环肿瘤细胞捕获的影响
4.4.3 鱼骨状结构对循环肿瘤细胞捕获的影响
4.4.4 组装基底结构对循环肿瘤细胞捕获的影响
4.4.5 循环肿瘤细胞的捕获效率实验测试
4.5 本章小结
第五章 银纳米线导电薄膜在透明柔性加热器中的应用研究
5.1 引言
5.2 透明导电薄膜加热器的制备
5.2.1 银纳米线导电薄膜上石墨烯的组装
5.2.2 银纳米线导电薄膜组装后的热处理
5.2.3 AgNWs/Graphene导电薄膜的光电性能研究
5.3 AgNWs/Graphene柔性透明加热器的性能研究
5.3.1 AgNWs/Graphene导电薄膜的抗氧化性研究
5.3.2 AgNWs/Graphene导电薄膜的加热性能研究
5.3.3 AgNWs/Graphene导电薄膜的加热循环稳定性研究
5.3.4 AgNWs/Graphene导电薄膜的弯曲特性研究
5.3.5 AgNWs/Graphene导电薄膜的加热均匀性
5.4 AgNWs/Graphene导电薄膜在除雾玻璃中的应用
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 工作总结
6.2 工作展望
致谢
参考文献