叉指换能器是构成声表面波器件的核心元件, 其特性是影响和决定器件性能的重要因素。对于指条宽度、指间宽度及声孔径均为常数且指条宽度和指间宽度相等的IDT称为均匀换能器。均匀换能器是最简单、最基本的IDT, 本文所应用的IDT即为均匀换能器, 以使得在孔径范围内产生均匀的声表面波, 因此, 有:

λ=vsf0=M1

d=d'=14M=14λ2

式中:λ 为声表面波波长; d为指条宽度; d'为指间宽度; M为周期间距; v_s为声表面波在LiNbO₃压电基片的波速, v_s=3990 m/s, 选定中心频率为50 MHz, 因此, λ为79.8 μ m, 所设计IDT的 d和d'均为19.95 μ m。

叉指对数越多就会越强, 但是叉指对数过多时换能器的频带宽度也会变得过窄。

叉指换能器的4 dB相对带宽为:

Δf=f0N3

由式(3)可知, 在中心频率一定时, 若指条对数太小则会使得带宽过大, 损耗也会过大, 同时其对数也不宜过大, 对数过大会造成声表面波器件的体积过于占用压电基片的面积, 同时加工难度也会增大, 因此, 经过综合考虑, 本文设计的叉指电极对数暂定为36。

在优化之前, 需要对叉指换能器函数模型做出以下假设:

(1)IDT的每个叉指电极都视为周期性独立波源的叠加, 彼此独立互不影响。

(2)每个δ 函数声源都在垂直于叉指电极的方向上发射SAW。

(3)SAW在IDT区域传播过程中不会产生衰减。

(4)忽略金属层对SAW传播的影响, 认为基片表面是均匀的。

在Matlab中输入函数程序, 并对输入信号频率赋值为50 MHz, 叉指对数分别为1对、5对、15对、25对、36对及45对, 得到的输出信号波形及频率响应振幅曲线如图3和图4所示。

图3

Fig.3

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	图3 不同叉指换能器对数输出信号波形图Fig.3 Output signal oscillogram inspired by different numbers of IDTs

图4

Fig.4

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	图4 不同叉指换能器对数频率响应曲线Fig.4 Frequency response curve inspired by different numbers of IDTs

由图3和4可以看出, 对数较小的叉指换能器在时域上极其不稳定, 如1对的振幅最大值仅仅停留3个周期, 5对的振幅最大值只停留一个周期, 换能器振幅最大值停留的周期数与叉指对数呈正比关系; 在频域上, 1对、5对等对数较小的叉指换能器的旁瓣有振动且能量不集中, 随着叉指对数的增加, 频域的能量分布也越来越集中。而叉指换能器在36对、45对时, 其输出波形在时域上振幅最稳定, 在频域上能量最集中, 但制作45对叉指的工艺难度和占用压电基片的面积较36对会有所增加, 而同时相关特性却与36对叉指相差并不明显, 因此, 经过综合考虑, 叉指换能器对数最终确定为36对。

液相法合成金纳米粒子一般经过金原子析出、成核与长大3个过程, 在还原剂与前驱体开始混合后, 溶液中出现大量金原子; 随后过多的金原子就会开始聚集, 形成金纳米晶核; 随着晶核数量的不断增加而消耗大量金原子后, 晶核不再生成而开始进入晶核长大过程; 当溶液中的金原子浓度下降到饱和度以下时, 晶核就会停止生长而形成最终的金纳米粒子。在最后一个阶段时, 金纳米晶核会发生不同程度的集束、团聚与沉积, 本文即是在该阶段时将声表面波振动扰动作用于流体以阻碍或破坏金纳米晶核的沉积与聚集。

基于以上实验需要, 本文所设计的微流体反应器中的声表面波扰动部分示意图如图5所示。其中微流道入口处用于对化学反应制剂的注入, 流体从流道入口处注入后, 经过PDMS微混合池时, 在混合池内受到叉指换能器激发出的声表面波的作用, 池内的粒子溶液通过声表面波的旋转扰动作用生成单分散性更高、形貌更规整等各项参数更优的金纳米粒子, 最后在流道出口处收集制备后的金纳米粒子样品。

图5

Fig.5

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	图5 声表面波扰动系统示意图Fig.5 Schematic diagram of SAW perturbation system

根据实验需要确定了微流体反应器之后, 将压电微泵、微混合器、微流道等按顺序依次对齐放在温控加热器的加热平台上并用软管前后连接, 利用脉动微混合部分收集完金纳米粒子初液后, 再通入到声表面波微流控扰动系统部分, 利用声表面波对粒子溶液进行扰动合成, 所得到的金纳米粒子样品用紫外可见光谱和透射电镜(TEM)进行结果表征。相关实验方案示意图及实物图分别如图8及9所示。

图8

Fig.8

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	图8 可控合成金纳米粒子实验方案示意图Fig.8 Schematic diagram of experiment scheme to controllably prepare gold nanoparticles

图9

Fig.9

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	图9 可控合成金纳米粒子实物图Fig.9 Picture of controllably preparing gold nanoparticles

根据在旋转型声表面波扰动系统加载峰峰值电压的不同所做的5组实验编号及通过实验所测得的结果如表1所示, 其中V_pp为加载峰峰值电压, λ _m为最大吸收波长, α _m为最大吸光度, PWHM为半峰宽。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同加载电压实验结果 Table 1 Experiment results under different on-load voltage 编号 Vpp λ m/nm α m PWHM/nm 1 0 541 1.884 143 2 5 541 1.842 146 3 15 544 1.904 143 4 25 541 1.890 143 5 35 544 1.986 144

表1 不同加载电压实验结果 Table 1 Experiment results under different on-load voltage

图10显示出扰动系统工作频率在50 MHz, 在不同V_pp下的各个紫外可见光谱图像。由图10和表1可以看出, 该五组的吸光度均随着波长的增大呈先增大后减小的趋势。而吸光度则反应了样品中粒子浓度的大小, 这说明随着加载电压的增大, 样品中纳米粒子的浓度呈现出先下降后上升、再下降再上升的趋势。推其原因, 这可能是因为在5 V较小的电压下, 溶液中粒子开始聚集成群簇状态, 形成胶体岛状结构; 随着加载电压增大到15 V时, 将会引起流体内部的运动, 引起溶液中纳米粒子的分散, 聚集的胶体岛状结构逐渐消失, 溶液中粒子的浓度开始上升; 当加载电压再次增大到25 V时, 溶液中的流动再次消失, 溶液中的胶体岛状结构再次重现; 当加载电压加载到足够大如35 V时, 溶液中的流动现象就会变得更明显, 并趋于稳定, 引起溶液中纳米粒子永久的离散。 该现象与澳大利亚学者Tan等^[14]的结论相符, 这也说明了本次基于声表面波技术可控合成金纳米粒子的实验处于声表面波在微流控领域的流体振动阶段。再从图10和表1可以得到1~5号样品的最大吸收波长分别为541、541、544、541、544 nm, 因此1~5号样品中的金纳米粒子均展示了典型金溶胶所特有的光学特征, 即最大吸收波长在500~550 nm可见光区并产生表面等离子共振吸收。

图10

Fig.10

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	图10 不同峰峰值电压下金纳米粒子溶液紫外可见吸收光谱及数码照片Fig.10 UV-vis absorption spectrum and digital photo of gold nanoparticle solution under voltages with different peak-peak values

图11为扰动系统在不同V_pp下的1、2、5号样本的TEM照片。1、2、5号样本的平均粒径和粒径偏差分别为(23.32± 4.91) nm、(22.55± 5.18) nm、(21.89± 4.12) nm。从1号样本原始溶液的TEM照片可以看出粒子的聚集现象较严重, 同时从图11中看出粒子中有部分形貌不是很理想的粒子存在。从2号样本可看出, 粒子的球形度较1号得到了提高, 但是粒子的单分散性较差, 几乎所有粒子均团聚成簇, 这也证实了上文中扰动系统在V_pp为5 V的情况下, 粒子会聚集成群簇状的推论。从5号样本可看出, 相比1、2号样本, 样本中纳米粒子的球形度大多呈现球形或似球形, 形貌最为规整, 粒子间几乎没有聚集现象存在, 粒子表现出了优良的单分散性; 从粒子浓度上看, 5号样本的粒子浓度也是最高的。因此综合来看, 5号样本扰动合成的纳米粒子效果最好。

图11

Fig.11

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	图11 不同峰峰值电压下金纳米粒子TEM照片Fig.11 TEM photo of gold nanoparticles under voltages with different peak-peak values