Localized and programmable material transport and deposition by corona discharge
| Autor: | Reiprich, Johannes |
|---|---|
| Jazyk: | angličtina |
| Rok vydání: | 2022 |
| Předmět: | |
| DOI: | 10.22032/dbt.51508 |
| Popis: | Der Transport von Materialien und G��tern bestimmt unseren Alltag. Materialtransport passiert in globalen Logistikunternehmen, in Fertigungslinien, in allt��glichen Situationen wie dem Einkaufen und selbst in unserem menschlichen K��rper. Zu jedem Zeitpunkt werden Materialien von A nach B transportiert, ohne dass uns dies in vielen Situationen bewusst wird. Mit dem Unterschreiten von Gr����enordnungen im Mikro- und Nanometerbereich wird ein gezielter Materialtransport zu einer Herausforderung, da eine manuelle Manipulation nicht mehr m��glich ist. Dennoch w��re es w��nschenswert, wenn wir gezielt Material an einen gew��nschten Ort transportieren und dort abscheiden k��nnten, denn diese Lokalisierung wird in vielen Anwendungsfeldern ben��tigt, um z.B. physikalische Eigenschaften auszunutzen oder chemische oder biologische Reaktionen auszul��sen. Daher soll in dieser Arbeit eine Methode zum lokalisierten Materialtransport im Mikro- und Nanometerbereich vorgestellt werden. Diese Methode basiert auf elektrischen Kr��ften. Einfach ausgedr��ckt, laden wir ein beliebiges Material elektrisch auf und k��nnen es dann in einem elektrischen Feld manipulieren. Negativ geladenes Material wird von negativ geladenen Fl��chen abgesto��en und von positiv geladenen Fl��chen angezogen. So l��sst sich ein gerichteter Materialtransport erzeugen. Das Material wird mithilfe einer negativen DC Corona-Entladung aufgeladen. Durch die Strukturierung von isolierenden Fl��chen auf leitf��higen Substraten lassen sich sogenannte elektrodynamische Trichter erzeugen, die das geladene Material zu den gew��nschten Orten f��hren, es dort konzentrieren und abscheiden. Die Nutzung von elektrischen Kr��ften erm��glicht zudem eine Programmierbarkeit, da durch das ��ndern der elektrischen Felder oder durch An- und Ausschalten von Elektroden die Position der Abscheidung, die Abscheideart oder die Abscheiderate ge��ndert werden kann. Die Nutzung der Corona-Entladung erm��glicht eine hohe Freiheit bei der Materialwahl. Die Abscheidung von Metallen, Halbleitern, Isolatoren und biologischen Materialien in einem Gr����enbereich von Mikropartikeln bis hin zu einzelnen Molek��len wird gezeigt. Die Anwendungsgebiete der vorgestellten Methode sind vielf��ltig: Sie reichen von Luft��berwachung, Nanodrahtwachstum, Gassensorik bis hin zur Kristallzucht. Die experimentellen Ergebnisse werden mit elektrischen, optischen und materialspezifischen Analysen verifiziert. Dar��ber hinaus werden Simulationen durchgef��hrt, um die Art der Lokalisierung zu demonstrieren. The transport of materials and goods determines our daily lives. Material transport happens in global logistics companies, in production lines, in everyday situations like shopping and even in our human bodies. At any given moment, materials are being transported from A to B without being consciously perceived. As we move below micro- and nanometer-scale sizes, a directed material transport becomes a challenge because a manual manipulation is no longer possible. Nevertheless, it would be desirable to selectively transport materials to a defined location and deposit them there. This form of localization is needed in many application fields, such as the exploitation of physical properties or as a trigger for chemical or biological reactions. In this work, a method for a localized material transport and deposition at the micro- and nanometer range will be presented. This method is based on electric forces and can be summarized as follows: A given material is electrically charged and can therefore be manipulated in an electric field. Negatively charged material will be repelled by negatively charged surfaces, but attracted by positively charged surfaces. This enables a directed transport of the material towards a positively charged surface which can also be microscopic in size. The material to be deposited is charged using a negative DC corona discharge. The localized deposition is achieved by structuring insulating surfaces on conductive substrates which creates so-called electrodynamic funnels. They guide the charged material to the desired locations, concentrating and depositing it there. The use of electric forces also enables programmability. In the context of this work, programmability means the possibility to change the deposition position, the deposition type, or the deposition rate by changing the electric fields or turning electrodes on and off. The use of a corona discharge allows a high degree of freedom in the choice of materials. The deposition of metals, semiconductors, insulators and biological materials in a size range from microparticles to single molecules is demonstrated. The applications of the presented method are diverse, ranging from air monitoring, nanowire growth, gas sensing to crystal growth. The experimental results are verified with electrical and optical measurements and material composition analysis. In addition, simulations are performed to demonstrate the nature of localization. |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
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