栅极调控纳米通道器件尺寸与调控性能的仿真研究

刘 骁，张 然，张春鹏，褚金奎

（大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连116024）

0 引言

近年来，以微纳结构为核心组件的微纳流控芯片因其微型化、原位驱动等优点在生物、化学和医疗等领域有着广泛的应用[1]。固体纳米通道壁面材料和溶液接触吸引表面电荷，进而形成双电层。由于纳米尺度下德拜长度和通道尺度相近，产生独特的离子传输现象。普通的固态纳米通道产生的双电层由表面性质所决定，器件一经制成就难于改变。通过在器件上制作栅电极并施加电压的方式可以调节表面电荷密度，进而影响纳米通道内部电荷排布，影响器件的电渗流调控性能，进行场效应调控[2-3]。在这个调控的模型中，纳米通道的高度、纳米通道长度和介电层等几何参数会对调控性能产生影响。对调控性能的探究涉及到电场、离子分布和流体流动等多个物理场的耦合求解，通常采用数值方式进行求解[4]。

本文通过耦合多物理场仿真的方式，根据仿真理论建立栅控纳米通道仿真模型，针对栅控纳米流体器件的不同尺寸，设置边界条件进行仿真，探究栅控纳米流体器件的电渗流调控性能。

1 纳米通道栅控调节仿真模型

1.1 仿真模型概述

本文研究的栅控纳米通道器件的基本结构如图1所示。通道表面具有固有的表面电荷密度，通道左右两侧为储液池，通道上下两侧通过介电层和电极相连。该模型涉及静电场、离子分布场和流体场，本文采用COMSOL Multiphysics软件对本问题进行数值模拟。……