| dc.contributor.advisor | Janshoff, Andreas Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Li, Yingjia | |
| dc.date.accessioned | 2018-10-18T08:25:02Z | |
| dc.date.available | 2018-10-18T08:25:02Z | |
| dc.date.issued | 2018-10-18 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-002E-E4D3-9 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7099 | |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.publisher | Niedersächsische Staats- und Universitätsbibliothek Göttingen | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 540 | de |
| dc.title | Low-Voltage Electrowetting on Dielectrics Integrated and Investigated with Electrical Impedance Spectroscopy (LV-EWOD-EIS) | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.contributor.referee | Janshoff, Andreas Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2018-08-07 | |
| dc.description.abstractger | 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. | de |
| dc.description.abstracteng | 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. | de |
| dc.contributor.coReferee | Vana, Philipp Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | electrowetting on dielectrics | de |
| dc.subject.eng | EWOD | de |
| dc.subject.eng | electrical impedance spectroscopy | de |
| dc.subject.eng | EIS | de |
| dc.subject.eng | Young-Lippmann equation | de |
| dc.subject.eng | tantalum pentoxide | de |
| dc.subject.eng | hydrophobic silane | de |
| dc.subject.eng | μL-droplets | de |
| dc.subject.eng | entrapped oil layer | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-002E-E4D3-9-2 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Chemie | de |
| dc.subject.gokfull | Chemie (PPN62138352X) | de |
| dc.identifier.ppn | 1034103555 | |