光電気湿潤
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／導体の積層構造の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／半導体の積層構造を形成することで観察されます。この積層構造は、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）に用いられる金属／絶縁体／半導体の積層構造に類似した電気的および光学的特性を有します。導体を半導体に置き換えると、半導体のドーピングの種類と密度に応じて、電圧極性に関して非対称なエレクトロウェッティング挙動を示します。
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における電子-正孔対生成を介して光誘起キャリアを生成する。これにより、絶縁体/半導体積層の静電容量が変化し、積層表面上に置かれた液滴の接触角が連続的に変化し、この変化は不可逆的となる場合がある。 [ 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説明できる。[ 3 ]
この図は光電気濡れ効果の原理を示しています。バイアス電圧がゼロ（0V）の場合、絶縁体が疎水性であれば、導電性の液滴は大きな接触角を持ちます（左図）。バイアス電圧が増加すると（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（中央図）。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（右図）。
MEMSの光駆動
マイクロエレクトロメカニカルシステム（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を液体-絶縁体-光伝導体接合部上に配置します。接合部に光を照射すると、カンチレバー上の液滴からの毛細管力により、接触角の変化によってカンチレバーが撓みます。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利用できます。[ 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エハー上で、水溶液をベースとした静置液滴を循環させるのに用いることができる。液滴の輸送は、液滴の先端にレーザーを集光させることで実現される。下層にパターン化された電極を必要とせずに、10 mm/sを超える液滴速度を達成することができる。[ 7 ]
参照
参考文献
- ^ S. Arscott, 「光による液体の移動：半導体における光エレクトロウェッティング」, Sci. Rep. 1 , 184, (2011). Scientific Reports: Nature Publishing Group.
- ^ Palma, Cesar; Deegan, Robert (2015年1月5日). 「半導体における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). 「光電気湿潤法を用いたマイクロエレクトロメカニカルシステムの光アクチュエーション」. Applied Physics Letters . 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の調査」Computer Networks 52.12 (2008): 2292-330. Web.
- ^ C. Palmaと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
