论文总字数：25348字

摘 要

电润湿技术具备较快的响应速度，在新型可视频电子纸显示领域具有重要的应用价值。与此同时，信息终端从目前的手持式设备向可穿戴式设备发展成为市场发展的趋势，因此非常有必要进一步降低电润湿显示器件能耗、提高器件使用时间。我们以基于介质层的电润湿系统为原型，引入铝酸镧/钛酸锶异质结结构，提出了新的电润湿理论模型。在施加了正电压脉冲和负电压脉冲后，异质结将呈现两种电容状态，并且可以长时间稳定维持。在施加了负电压脉冲后，异质结会出现稳定的电荷分布，产生稳定的电势差，从而维持特定的浸润状态，实现双稳态显示。与此同时，具有较高相对介电常数的铝酸镧薄膜能有效的降低电润湿系统的驱动要求。

我们使用了MATLAB和COMSOL Multiphysics两款软件分别针对Young-Lippmann方程和基于介电润湿技术的液体透镜模型进行计算仿真研究。实验研究结果验证了基于铝酸镧钛酸锶异质结的介电润湿系统具有良好的双稳态特性以及较低的系统能耗。

关键词：介电润湿，铝酸镧/钛酸锶异质结，双稳态显示，电容，能耗

A STUDY ON THE ELECTRO WETTING EFFECT BASED ON FERROELECTRIC MATERIALS

Abstract:

With the fast response speed, the electric wetting technology plays an important role in the new video electronic paper display application. At the same time, information terminal tends to develop from current handheld devices to the wearable devices. Therefore, it is necessary to reduce the energy consumption of the electric wetting display and enhance device’s using time. Based on the original electro wetting on dielectrics system, we introduced LaAlO₃/SrTiO₃ heterojunction into a new electrowetting system. The sufficient positive and negative gate voltages switch the capacitor into HCS and LCS, respectively. The two states can stablely exist for a long time. The positively charged oxygen vacancies are trapped at the LAO surface after the application of negative gate voltages so that the LAO layer creates a stable voltage to keep the display state. That means, we realize the bistable display. Meanwhile, the high dielectic constant of LaAlO₃ helps reducing the driving voltage of the system.

We use MATLAB and COMSOL software for the Young-Lippmann equation calculation and the liquid lens model simulation. The results verify the bistable property and low system energy consumption of the electric wetting on dielectric system based on LaAlO₃/SrTiO₃ heterojunction.

KEY WORDS: electro wetting on dielectric (EWOD), LaAlO3/SrTiO3 heterojunction, bistable display, capacitance, energy consumption

目 录

摘 要： I

Abstract: II

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 本课题研究现状 1

1.2.1 电润湿 1

1.2.2 铁电材料 2

1.3 研究目标 2

第二章 基于介质层的电润湿原理 4

2.1 热动力分析 4

2.2 电极上的电润湿现象 4

2.3 EWOD技术 5

第三章 铁电材料 8

3.1 铁电材料特性 8

3.1.1 铁电性 8

3.1.2 疲劳特性 9

3.1.3 铁电老化 9

3.1.4 保持特性与写入特性 10

3.2 铝酸镧/钛酸锶异质结 10

3.2.1 二维电子气的发现 10

3.2.2 铝酸镧薄膜衍生方案 10

3.2.3 铝酸镧/钛酸锶异质结电容 10

第四章 基于铝酸镧/钛酸锶异质结薄膜的介电润湿结构及计算仿真 14

4.1 基于铝酸镧/钛酸锶异质结的电润湿模型 14

4.2 Matlab计算 15

4.2.1 Matlab软件介绍 15

4.2.2 MATLAB仿真数据 16

4.2.3 MATLAB仿真绘图 17

4.3 COMSOL仿真研究 18

4.3.1 COMSOL Multiphysics软件介绍 18

4.3.2 基于介质层的电润湿液体透镜的简化模型 18

4.3.3 不同厚度的异质结电润湿透镜模型仿真 20

4.4 本章小结 23

第五章 本文总结与展望 25

致谢 26

参考文献： 27

第一章 绪 论

1.1 引言

电子纸显示，一种新型的可移动显示终端，具备了诸多技术优势，比如高对比度，强光下可视性好，环保，耗电低，轻薄，低成本等等。目前微胶囊技术是主流的电子纸技术，其具备上述优势的同时，也存在一定的技术缺陷，其中响应速度慢，无法实现动态画面播放最为显著。基于电润湿现象的电子纸技术成为了当下的焦点，该技术最为显著的优势是响应速度足够快，由此传统电子纸技术动态显示的难题即可被克服。因此，国际知名公司亚马逊，飞利浦，三星都致力于该技术的产业化应用。但是，在双稳态显示功能方面基于电润湿技术的显示器件不如传统电子纸技术。与此同时，当下的市场发展的趋势是将移动终端从目前的手持式设备向可穿戴式设备发展，所以进一步提高器件使用时间、降低器件能耗对于新一代移动显示设备而言存在客观需求，有必要进一步降低电润湿器件的能耗。综上所述，发展具有双稳态特性的新型电润湿电子纸显示器件具有突出的科研意义和重要应用价值。

1.2 本课题研究现状

1.2.1 电润湿

微型化一直是科学技术发展的重要领域，实现对微型液体的操控也必然成为科学发展的重要方向之一。在这微型液体操控技术中，不断成熟完善的电润湿技术已经成为主流科技。电润湿技术通过对液滴施加驱动电压，使得液滴能与金属出现浸润效果，并且一旦撤去电压，液滴便会恢复原有的不浸润状态。因而电润湿技术有着可重复利用的优点。除此之外，电润湿技术响应时间短，反应迅速并且调制幅度范围大，所以在微型液滴操控或者电光设备的驱动领域内有着广泛的应用范围。

回顾电润湿的发展，自1875年法国科学家Gabriel Lippmann将一定的电压施加在汞和电解液之间后，发现因存在静电荷很大程度地改变了汞和电解液界面处的毛细管力。对此他定义为电毛细现象，并深入探究提出了著名的Young-Lippmann方程^[1]。这一方程的提出拉开了电润湿技术发展的序幕。初次实现液滴的运动则是在1936年由法国科学家Aleksandr Froumkine完成^[2]。他通过在液滴上施加电场，改变了液体-金属表面的界面张力，使得液体形状发生改变，最终成功地驱动液滴运动。但是，由于液滴在被直接施加电压后容易被电解导致大量气泡的产生，最终使得整个系统十分不稳定，更何况直接施加电压的方式只能改变很小量的接触角。所以处于早期的电润湿技术只能承受低电压的约束无法应用到各领域中。直到上世纪九十年代，绝缘介质层的引入才解决了这一问题。以Lippmann的理论模型为基础，法国科学家Bruno Berge将一层绝缘介质层添加在金属电极与导电液体之间，以避免液体被电解。这也就是现在的热点——介电润湿（Electro-Wetting On Dielectric，EWOD）的早期模型。加入绝缘介质层之后的电润湿虽然对电压的要求变得更高了但液体被电解的可能性降至了最低，确保并增强了系统的稳定性。更重要的是，介质层使系统可以有效大量地积攒电荷，在一定程度上大大地扩展了接触角的变化范围。接触角变化范围过于狭窄这一难题的解决，突破了电润湿技术发展的阻碍，开拓了电润湿技术研究发展的新时期。介电润湿成为微流体研究领域内重要方向也是因为电润湿技术对系统所采用的液体种类并无限制，也就是说几乎任何一种液体只要能够导电就可以在电润湿技术中得到应用。综上所述，介电润湿技术凭借其快速的响应、微小的体积以及较低的能耗等特点在光学透镜、微电子技术和光学显示器件等方面得到广泛的应用。尤其是在显示技术领域内，以电润湿技术为基础，改变外加电压从而改变显示单元中液体接触角，改变液体的分布情况，最终实现开关控制反射光或者透射光。同时将三基色分别对应三种不同的开关，那么不同的颜色可以通过开关的关闭来调配控制，最终达到彩色显示的目的。显而易见，与之前的显示技术相比，电润湿显示有着明显的优势，比如色彩丰富、能耗低、响应时间短、体积小。所以电润湿显示毫无疑问地展现出在显示技术方面的巨大潜力^[3]。

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