基于二氧化钒结构相变的微致动器研究

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随着时代的进步,器件逐渐小型化和集成化。将热、电、光等其他形式能量转化为机械能的致动器更是如此。人们需要微致动器(micro-actuator)来实现对纳米器件单元、生物细胞组织、药物等的操纵和移动,同时要求微致动器具有可大规模生产、环境适应性、可重复性和远程无线操控等特点。新型先进纳米材料的出现为微致动器的研发提供了新的解决方案,将微致动器的研究带入了一个新的阶段。二氧化钒(VO2)是一种电子关联(electron correlation)过渡金属氧化物,也是一种比较优异的金属-绝缘体相变(metal-insulator transition)材料。在68℃或电学、光学的刺激下时会发生绝缘相到金属相的转变,由单斜相变为金红石相,发生较大形变(1%)并伴随电阻率、红外线透过率反射率等的改变。本文基于高质量单晶VO2纳米线成功设计制备了Cr-VO2和SiO2-Au-VO2两种不同结构的微致动器,并系统研究了其致动性能,本论文的工作内容如下:(1)利用化学气相沉积CVD法在1.2 cm2的蓝宝石基底(r-cut)上外延生成长VO2纳米线,纳米线平均直径约400 nm,平均长度约15μm,直立生长,具有厘米级均匀生长区域,相变温度均一(68°C)。引入贵金属铂(Pt)预沉积实现了纳米线的图案化(patterning)制备。通过对比实验明确了基底、钒源、基底与钒源(source)的距离对纳米线形貌的影响;(2)构建Cr与VO2、SiO2与VO2的双晶(bimorph)结构,利用VO2相变过程中双晶结构的弯曲和伸直实现致动。结合VO2的相变理论和双晶弯曲变形理论,理论设计和实验实现Cr层厚度对Cr-VO2微致动器的曲率和相变温度的调控。揭示了电子束效应(electron beam effect)通过改变无定形SiO2层的杨氏模量进而可控改变SiO2-Au-VO2微致动器曲率的规律;(3)研究了两种微致动器阵列在热、电磁感应、光刺激下的致动性能利用激光光斑(光斑直径约2μm)可以选择性触发局部致动器,实现单一氧化硅微球的移动。借助电磁感应加热原理,可以实现Cr-VO2微致动器的远程、无线操控,演示了利用Cr-VO2微致动器在水中对氧化硅微球的操纵和移动。
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