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光電気湿潤とは、入射光を用いて表面（通常は疎水性表面）の濡れ性を変化させる現象である。[1]
動作原理
通常のエレクトロウェッティングは液体/絶縁体/導体スタックからなる表面で観察されますが、光エレクトロウェッティングは導体を半導体に置き換えて液体/絶縁体/半導体スタックを形成することで観察できます。これは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ ( MOSFET ) や電荷結合素子(CCD) で使用される金属/絶縁体/半導体スタックに似た電気的および光学的特性を持っています。導体を半導体に置き換えると、半導体のドーピングタイプと密度に応じて、非対称のエレクトロウェッティング動作 (電圧極性に関して)が発生します。
半導体のバンドギャップを超える入射光は、下層の半導体の空乏領域で電子正孔対生成を介して光誘起キャリアを生成します。これにより、絶縁体/半導体スタックの静電容量が変化し、スタックの表面にある液滴の接触角が連続的に変化します。これは不可逆的である可能性もあります。[2]光電気濡れ効果は、ヤング-リップマン方程式の修正によって解釈できます。[3]
この図は、光電気濡れ効果の原理を示しています。ゼロバイアス (0V) では、絶縁体が疎水性の場合、導電性液滴の接触角は大きくなります (左の画像) 。バイアスが増加すると ( p 型半導体の場合は正、 n 型半導体の場合は負)、液滴は広がります。つまり、接触角は減少します (中央の画像)。光 (半導体のバンドギャップを超えるエネルギーを持つ) が存在すると、絶縁体/半導体界面の空間電荷領域の厚さが減少するため、液滴はさらに広がります(右の画像)。
MEMSの光駆動
マイクロ電気機械システム（MEMS）の光駆動は、光電濡れを用いて実証されている。[4] [5] マイクロカンチレバーは、液体-絶縁体-光伝導体接合部の上に配置される。接合部に光が照射されると、接触角の変化により、カンチレバー上の液滴からの毛細管力によってカンチレバーが偏向する。この無線駆動は、現在、自律型無線センサーの光アドレス指定および制御に使用されている複雑な回路ベースのシステムの代替として使用できる[6]
液滴輸送
光電気湿潤法は、二酸化ケイ素とテフロン（疎水性表面を提供する）で覆われたシリコンウェハー上で水溶液ベースの静置液滴を循環させるために使用できます。液滴の輸送は、液滴の先端にレーザーを焦点を合わせることによって実現されます。パターン化された電極を下に必要とせずに、10 mm/sを超える液滴速度を実現できます。[7]
参照
参考文献
- ^ S. Arscott、「光による液体の移動：半導体の光電気濡れ」、Sci. Rep. 1、184、(2011)。Scientific Reports：Nature Publishing Group。
- ^ Palma, Cesar; Deegan, Robert (2015年1月5日). 「半導体のエレクトロウェッティング」.応用物理学論文集. 106 (1): 014106. doi :10.1063/1.4905348. S2CID 15032848.
- ^ Arscott, Steve (2014 年 7 月 3 日). 「エレクトロウェッティングと半導体」. RSC Advances . 4 (55): 29223. doi :10.1039/c4ra04187a.
- ^ Gaudet, Matthieu; Arscott, Steve (2012 年 5 月 28 日). 「光電気ウェッティングを用いたマイクロエレクトロメカニカルシステムの光学的アクチュエーション」.応用物理学レター. 100 (22): 224103. arXiv : 1201.2873 . doi :10.1063/1.4723569. S2CID 119208424.
- ^ 「研究チームが光電気湿潤回路を開発」
- ^ Yick, Jennifer, Biswanath Mukherjee、Dipak Ghosal。「ワイヤレス センサー ネットワーク調査」Computer Networks 52.12 (2008): 2292-330。Web。
- ^ C. Palma および RD Deegan「光電気濡れによって駆動される液滴の移動」Langmuir 34、3177 (2018) 。doi :10.1021/acs.langmuir.7b03340。
外部リンク
- 電子・微小電子・ナノテクノロジー研究所 (IEMN) - 国立研究科学センター (CNRS) - リール大学
- ディーガン グループ - ミシガン大学