Low-Voltage Electrowetting on Dielectrics Integrated and Investigated with Electrical Impedance Spectroscopy (LV-EWOD-EIS)

by Yingjia Li
Doctoral thesis
Date of Examination:2018-08-07
Date of issue:2018-10-18
Advisor:Prof. Dr. Andreas Janshoff
Referee:Prof. Dr. Andreas Janshoff
Referee:Prof. Dr. Philipp Vana
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7099

 

 

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Name:Dissertation_Yingjia_Li_2018_LV-EWOD-EIS.pdf
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Abstract

English

Electrowetting on dielectrics (EWOD) is an electrically controllable wetting effect, that has been applied in diverse fields including optics, displays and lab on a chip systems. However, the further development of EWOD applications and the online electrical characterization of EWOD are hindered by one major bottleneck, the need for high operating voltages. Due to the importance of overcoming this critical obstacle and better understanding the EWOD effect, a low-voltage EWOD electrode was developed in this thesis. It is based on a dielectric bilayer consisting of an anodic tantalum pentoxide (Ta2O5) thin film with a high relative permittivity and a self-assembled hydrophobic silane monolayer. By means of this novel EWOD electrode, low-voltage EWOD was achieved. It shows a low voltage threshold of 2 V that enabled the integration of EWOD with electrical impedance spectroscopy (EIS). A further association with a high-speed imaging instrument facilitated the simultaneous EWOD excitation, optical imaging and impedimetric measurement using either frequency-domain EIS or dynamic EIS. This paved the way to online investigate the frequency dependence of EWOD on the application of alternating voltages as well as the non-linearity and dynamics of EWOD and dewetting. The EWOD configuration is an aqueous electrolyte droplet of μL volume on the low-voltage EWOD electrode in oil as the ambient medium. Between the droplet and the electrode, an oil layer of nm thickness is entrapped. Its thickness was determined during EWOD and dewetting. The frequency dependence of EWOD was studied with the focus on the Young-Lippmann equation, the fundamental equation of electrowetting theory, and its adaptions to account for the application of alternating voltages. The frequency dependence of the three EWOD-related variables in the equation was studied at various measurement conditions (applied voltage and salt concentration). The EWOD efficiency on the application of alternating voltages was assessed by a correlation coefficient introduced in the equation. Moreover, the non-linearity of EWOD and dewetting was characterized by the hysteresis in the deformation of the droplet and that of the entrapped oil layer. The characteristic time for the droplet deformation was determined to evaluate the dynamics of EWOD and dewetting. For the first time, both non-linearity and dynamics of EWOD and dewetting on the novel lowvoltage EWOD electrode were studied with dynamic EIS with the focus on the conversion efficiency of the electric potential energy in the deformation processes.
Keywords: electrowetting on dielectrics; EWOD; electrical impedance spectroscopy; EIS; Young-Lippmann equation; tantalum pentoxide; hydrophobic silane; μL-droplets; entrapped oil layer

German

Die Elektrobenetzung auf Dielektrika („Electrowetting On Dielectrics“ – EWOD) ist ein elektrisch steuerbarer Benetzungseffekt, der seine Anwendung in verschiedenen Gebieten findet, von Optik, über Bildschirme bis hin zu Lab-on-a-Chip-Systemen. Allerdings werden die Weiterentwicklung der EWOD-basierten Anwendungen und die elektrische Online- Untersuchungen der EWOD deutlich erschwert, weil hohe Betriebsspannungen für die EWOD notwendig sind. Aufgrund der Bedeutung der Überwindung der hohen Betriebsspannungen und des besseren Verständnisses des EWOD-Effektes wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Niedrigspannungs-EWOD-Elektrode entwickelt. Sie basiert auf einer dielektrischen Doppelschicht aus einer anodischen Tantalpentoxid – (Ta2O5) – Dünnschicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstante und einer selbst-assemblierten hydrophoben Silan-Monoschicht. Diese neuartige EWOD-Elektrode ist als Niedrigspannungs-Elektrode geeignet. Sie weist eine niedrige Schwellenspannung von 2 V auf, die ermöglichte, den EWOD-Effekt mit elektrischer Impedanzspektroskopie (EIS) zu kombinieren. Die Verbindung mit einem bildgebenden Instrument mit einer hohen Aufnahmegeschwindigkeit ermöglichte die zeitgleiche Durchführung verschiedener Prozesse: EWOD-Anregung, optischer Bildaufnahme und Impedanzmessung mittels EIS bei Frequenzvariation oder dynamischer EIS. Damit war es möglich, eine Online-Untersuchung der Frequenzabhängigkeit der EWOD bei Anwendung von Wechselspannungen sowie der Nichtlinearität und Dynamik der Elektrobe- und Entnetzung durchzuführen. Die EWOD-Anordnung besteht aus einem wässrigen Elektrolyttropfen in einem Volumen von μL auf der Elektrode in Öl als Umgebungsmedium. Zwischen dem Tropfen und der Elektrode ist eine Ölschicht in einer Dicke von nm eingeschlossen. Deren Schichtdicke wurde während der Elektrobe- und Entnetzung bestimmt. Die Frequenzabhängigkeit der EWOD wurde mit dem Fokus auf der Young-Lippmann- Gleichung, der grundlegenden Gleichung in der Theorie der Elektrobenetzung, und deren Anpassungen an Wechselspannungsanwendungen untersucht. Die Frequenzabhängigkeit der drei EWOD-relevanten Variablen in der Gleichung wurde unter verschiedenen Messbedingungen (angewendete Spannung und Salzkonzentration) untersucht. Die EWODEffizienz bei den Wechselspannungsanwendungen wurde anhand eines in die Gleichung eingeführten Korrelationskoeffizienten ausgewertet. Zudem wurde die Nichtlinearität der Elektrobe- und Entnetzung durch die Hysteresen in der Verformung des Tropfens und der eingeschlossenen Ölschicht charakterisiert. Die charakteristische Zeitkonstante der Tropfenverformung wurde ermittelt, um die Dynamik der Elektrobe- und Entnetzung zu evaluieren. Zum ersten Mal wurden sowohl die Nichtlinearität als auch die Dynamik der Elektrobe- und Entnetzung der neuartigen EWOD-Elektrode mittels dynamischer EIS mit dem Schwerpunkt auf dem Umwandlungswirkungsgrad der elektrischen Potentialenergie in den Verformungs-prozessen untersucht.
 
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