一种改变材料表面电场的方法技术

本发明专利技术公开了一种改变材料表面电场的方法，是在衬底表面修饰具有不连续人工结构的修饰层；通过对修饰层材料、不连续人工结构的形状、尺寸及分布方式的选择来实现表面电场的强度和空间分布的改变，其中，修饰层的材料为具有电偶极性的材料。本方法克服了传统调控表面电场方法依赖材料具体性质的缺点，实现了通过对人工结构构型以及阵列尺寸的参数设计调控人工结构阵列所产生的表面电场的强度以及空间分布的目的，使得表面电场影响的范围更广。该方法实现方式简单，应用范围更广。

A method to change the electric field on the surface of materials

【技术实现步骤摘要】
一种改变材料表面电场的方法
本专利技术属于材料表面改性领域，更具体地，涉及一种改变材料表面电场的方法。
技术介绍
表面电场对于材料表面以及界面的物理化学特性至关重要，是许多半导体、化学工程以及生物工程领域的重要参数。材料的表面电场是材料的固有特性，一般改变材料表面电场的方法是在材料表面修饰具有不同表面电场性质的修饰层材料。例如:通过修饰具有永久偶极矩分子材料达到改变表面电场的效果。以上方法的缺点在于修饰层分子的表面电场特性是材料本身的固有性质，无法进行调节。并且，在实际材料体系中，具有电偶极性的介质材料(如有机、无机铁电材料)往往具有更大的表面电荷，理论上应可以产生较大的表面电场，但经典电磁理论表面连续电偶极材料薄膜无法产生表面电场。另一方面在实际应用中如果需要调整表面电场的强度或空间分布，传统方法只能通过改变修饰层材料种类的方式达到，这使得对表面电场的调控非常依赖修饰材料的特性，大大束缚了表面电场应用的范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服以上不足，提出了使用基于不连续的人工结构产生及改变表面电势的方法，通过设计、加工构造具有人工结构的修饰层以起到调节修饰层表面电场强度、空间分布的目的。本专利技术的目的是通过以下方式实现的：一种改变材料表面电场的方法，是在衬底表面修饰具有不连续人工结构的修饰层；通过对修饰层材料、不连续人工结构的形状、尺寸及分布方式的选择来实现表面电场的强度和空间分布的改变；其中，修饰层的材料为具有电偶极性的材料。上述修饰可以为本领域常规的光刻技术。所述不连续人工结构为不连续圆盘结构或不连续正方形盘结构。上述圆盘结构的直径厚度比的范围为0.1～1000:1，正方形盘结构的边长厚度比的范围为0.1～1000：1。上述不连续人工结构分布可以为正方形阵列、三角阵列或六角阵列。上述不连续人工结构为不连续圆盘结构时，所述正方形阵列的人工结构间距与圆盘直径之比为1～100：1；三角阵列的人工结构间距与圆盘直径之比为1～100：1；六角阵列的人工结构间距与圆盘直径之比为1～100:1。上述不连续人工结构为不连续正方形盘结构时，所述正方形阵列的人工结构间距与正方形盘边长之比为1～100:1；三角阵列的人工结构间距与正方形盘边长之比为1～100:1；六角阵列的人工结构间距与正方形盘边长之比为1～100:1。超过上述比例范围，周期结构的作用将不再明显。上述述修饰层的材料为具有电偶极性的材料，可以为有机或无机铁电材料。无机铁电材料优选包括ABO3型双氧化物晶体，如钛酸钡，铌酸锂，硝酸钾；含氢晶体，如磷酸二氢钾，三甘氨酸硫酸盐，罗息盐；含铅晶体，如锆钛酸铅中的任意一种；有机铁电材料优选聚偏二氟乙烯。上述通过对修饰层材料、不连续人工结构的形状、尺寸及分布方式的选择来实现表面电场的强度和空间分布的改变，具体可以指产生如下关系：若不连续人工结构为圆盘结构，如图2所示，在其中心处沿垂直圆盘方向的电场分布公式如(1.1)所示其中，ε为结构所处介质的介电常数，D为圆盘直径，d为圆盘厚度，σ为电荷密度，z为距离圆盘的高度。从公式可知道，当圆盘直径D远大于圆盘厚度2d时，Ez近似为0，即表面电场不存在。当圆盘直径尺寸的量级接近圆盘厚度时，Ez为有限大的值，即存在表面电场。以上结果说明，对于连续的电偶极材料薄膜，如经典电磁理论所指出的，不存在表面电场，而当电偶极材料被加工成厚度与面内尺寸量级接近的结构时，表面电场不为零。如此，通过这一简单的物理模型展现了不连续的人工结构可以产生表面电场的技术原理。通过公式(1.1)可知，使用相同材料的人工结构圆盘采用不同的直径厚度比，表面电场的强度以及空间分布具有明显的差异。这也就是说明，通过人工结构的尺寸设计，表面电场的强度以及空间分布是可以被人为调控的。若不连续人工结构为正方形盘结构，其中心处沿垂直盘方向的电场分布公式为：其中，ε为结构所处介质的介电常数，D为方盘边长，d为方盘厚度，σ为电荷密度，z为距离方盘的高度。通过公式(1.2)可知，使用相同材料的人工结构正方形盘采用不同的边长厚度比，表面电场的强度以及空间分布具有明显的差异。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术方法克服了传统调控表面电场方法依赖材料具体性质的缺点，实现了通过对人工结构构型以及阵列尺寸的参数设计调控人工结构阵列所产生的表面电场的强度以及空间分布的目的，使得表面电场影响的范围更广。该方法实现方式简单，应用范围更广。附图说明图1为实施例所述的改变材料表面电场的人工结构示意图，图中：1-衬底，2-人工结构。图2为偶极圆盘示意图，以圆盘中心为原点建立直角坐标，上表面z＝d带正电荷，电荷密度为σ；下表面z＝-d带等量异种电荷。图3为不同直径厚度比下圆盘中心线电场强度随距离变化关系图。图4为圆盘结构与正方形盘结构产生的电场电势分布对比图；a)圆盘微结构产生的电场电势在xoy平面内分布。b)正方形微结构产生的电场电势在xoy平面内分布。图5为圆盘微结构阵列产生的电场电势在归一化距离z/D＝2,xoy平面内的分布图。图6为圆盘微结构不同的分布方式产生的电场电势对比图；a)b)圆盘微结构正方阵列产生的电场电势，晶格常数分别为a＝2D(a)和a＝4D(b)。c)d)三角阵列和六角阵列产生的电场电势，晶格常数均为a＝2D。图7a)硅水界面铌酸锂人工结构示意图。b)人工微结构阵列产生的电场电势在xoy平面内分布，黑点为单个微结构中心所在位置。c)人工微结构阵列产生的电场电势再yoz平面内分布。具体实施方式下面将结合具体实施例更详细地描述本专利技术的实施方式。实施例1一种能改变材料表面电场的器件，在衬底1表面修饰具有不连续人工结构2的修饰层，所示修饰层材料为聚偏二氟乙烯，所述不连续人工结构2为不连续的圆盘结构。该器件结构如图1所示。具体改变表面电场方法如下：根据圆盘结构电场分布公式(1.1)改变圆盘结构的直径厚度比D/d，、改变圆盘结构的分布方式或者改变圆盘结构的间距。当圆盘结构直径厚度比D/d为1:1、10:1、100:1以及1000:1时，圆盘在中心处沿垂直圆盘方向的电场Ez的强度分布如图3所示。明显可见，使用相同材料的人工结构圆盘在不同尺寸设计下，表面电场的强度以及空间分布具有明显的差异。这也就是说明，通过人工结构的尺寸设计，表面电场的强度以及空间分布是可以被人为调控的。实施例2一种能改变材料表面电场的器件，在衬底1表面修饰具有不连续人工结构2的修饰层，所示修饰层材料为聚偏二氟乙烯，所述不连续人工结构2为不连续的正方形盘结构。具体改变表面电场方法如下：根据正方形盘结构电场分布公式(1.2)改变正方形盘结构的边长厚度比D/d，改变正方形盘结构的分布方式或者改变正方形盘结构的间距。实施例3根据实施例1制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改变材料表面电场的方法，其特征在于是在衬底表面修饰具有不连续人工结构的修饰层；通过对修饰层材料、不连续人工结构的形状、尺寸及分布方式的选择来实现表面电场的强度和空间分布的改变；其中，修饰层的材料为具有电偶极性的材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种改变材料表面电场的方法，其特征在于是在衬底表面修饰具有不连续人工结构的修饰层；通过对修饰层材料、不连续人工结构的形状、尺寸及分布方式的选择来实现表面电场的强度和空间分布的改变；其中，修饰层的材料为具有电偶极性的材料。


2.根据权利要求1所述的基于不连续的人工结构产生及改变表面电场的方法，其特征在于所述不连续人工结构为不连续圆盘结构或不连续正方形盘结构。


3.根据权利要求2所述的基于不连续的人工结构产生及改变表面电场的方法，其特征在于所述圆盘结构的直径和厚度比为0.1～1000：1。


4.根据权利要求2所述的基于不连续的人工结构产生及改变表面电场的方法，其特征在于所述正方形盘结构的边长和厚度比为0.1～1000：1。


5.根据权利要求2所述的基于不连续的人工结构产生及改变表面电场的方法，其特征在于所述不连续人工结构分布为正方形阵列、三角阵列或六角阵列。


6.根据权利要求5所述的基于不连续的人工结构产生及改变表面电场的方法，其特征在于：
不连续人工结构为不连续圆盘结构时，所述正方形阵列的人工结构间距与圆盘直径之比为1～100：1；
不连续人工结...

【专利技术属性】
技术研发人员：田传山，苏雨聃，徐影，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31