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DOI : 10.2240/azojono0112

ケイ素の表面の光学ピンセットによって分散するカーボン Nanotubes の不良部分

Sandeep Kumar、 Rajesh Kumar、 Ranvinder Singh、 Rakesh Kumar、 Awdhesh Kumar Shukla、 V.K. Jindal および Lalit M. Bharadwaj

版権の AZoM.com の Pty 株式会社。

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入れられる: 2005 年 12 月 26 日
掲示される: 2006 年 6 月 10 日

カバーされるトピック

概要
背景
度量衡学のカーボン Nanotubes のアプリケーション
個々のカーボン Nanotubes の隔離
Functionalization
材料および方法
分散の複数の囲まれたカーボン Nanotubes
イメージ分析
カーボン Nanotubes の抽出
性格描写
結果および議論
カーボン Nanotubes の分散
イメージ分析
Functionalised カーボン Nanotubes の FTIR の性格描写
シリコン基板への結合カーボン Nanotubes
結論
確認応答
参照
接触の細部

概要

カーボン nanotubes の有効な分散そして選択的な位置は慣習的なマイクロエレクトロニクスの未来の統合、また新しい機能装置の開発に必要です。 限られた進歩はカーボン nanotubes の分散そして制御された配置で報告されました。 現在の調査では、私達は microdissector システム付きの光学ピンセットを使用してカーボン nanotubes を分散させ、次にケイ素の表面に binded。 - オハイオ州のグループはケイ素の表面で作成されました。 カーボン nanotubes は端にカルボキシル基のグループを形作るために処理されました。 フーリエ変換の赤外線 (FTIR)スペクトルは functionalization を確認するために記録されました。 これらのカーボン nanotubes はケイ素の表面と反応するために作られました。 ケイ素の表面は走査型電子顕微鏡の下で調査されました (SEM)。 画像はケイ素の表面に binded いくつかのカーボン nanotubes の存在を示しました。 この不良部分種類の基板に不良部分ははカーボン nanotubes に基づいてプローブの先端等をスキャンする化学センサーのようなアプリケーションに経路を開発します。

背景

カーボン nanotubes は nanoelectronic 装置を製造するための必要なコンポーネントとして広く調査されました。 金属、また半導体カーボン nanotubes の存在は実行中装置が半導体の nanotubes から成り、電気配線によってが金属カーボン nanotubes から (相互接続します) 成っているすべてのカーボンによって基づく技術の未来の開発のための希望を上げました。

度量衡学のカーボン Nanotubes のアプリケーション

これらの新しい管状の構造の一義的な電気の、機械および化学特性はそれらにナノテクノロジー [1-4] のフィールドの集中的に調査された材料をしました。 これらの nanoscale 材料のいくつかの装置アプリケーションは想像されました [5-8]。 柔軟性のために、 nanotubes は慣習的な先端と比べて改善された解像度をまた高い伸縮性のために表面とのクラッシュに得るスキャンのプローブの器械の先端がこれらの先端苦しまないように使用することができ。 Nanotube の先端は基の接続機構によって化学的に修正し、潜在的なアプリケーションの分子プローブとして化学および生物学で使用することができます。

個々のカーボン Nanotubes の隔離

ただし、望ましい位置でカーボン nanotubes を配列する技術の欠乏は主要なハードルです。 制御された方法のカーボン nanotubes の物理的な、化学特性を処理する適切な方法がありません。 物理的性質の実用的な調査を複雑にする単一の nanotubes を扱い、それらの測定を行うことの今、不十分な知識。 単一カーボン Nanotube だけの調査のために、他の nanotubes はサンプルでよく分かれていなければなりません。 さもなければ、異なった nanotubes は互いの物理的性質に影響を及ぼします。 それは束ねることを試みるので簡単 nanotubes を隔離するためにではないです。

Functionalization

表面のカーボン nanotubes の Functionalization そして結合は約多数の潜在的なアプリケーションを持って来ることができますが、溶媒の化学 inertness そして低い容解性のような要因はそれを退屈にさせます。 これにもかかわらず複数のレポートは生物的の特定の目的の共有の [9-12]、また非共有アプリケーションを感じる相互作用 [13-16] および化学薬品を通してカーボン nanotubes に分子を接続するための努力で使用できます。 現在のペーパーでは、私達はケイ素の表面の複数の囲まれたカーボン nanotubes の不良部分に焦点を合わせました。 光学ピンセット [17、 18] 小さい束にカーボン nanotubes を分散させるのに使用されました。

材料および方法

95% の上の純度のレベルが付いている複数の囲まれたカーボン nanotubes、長さ 0.2-200 の ìm および直径 50 まで nm は Nanostructured および無定形材料、米国から 手に入れられました。 これらは私達の実験でそれ以上の浄化なしで使用されました。 他の分子生物学の等級の化学薬品はすべてシグマ Aldrich、米国から手に入れられました。 Millipore システムからの 18 MÙ cm 水はサンプルを洗うために使用されました。 オリエンテーション [100] のケイ素の表面は使用されました。

ディスパーシングはカーボン Nanotubes を複数の囲みました

複数の囲まれたカーボン nanotubes の少しは (MWCNTs)蒸留水の 1 つの ml で取られ、 2 時間超音波で分解されました。

よりよい分散を達成するためには、超音波で分解された MWCNTs の低下は microdissection の combi システム (やしシステム、ドイツ) 付きの光学ピンセットを使用してそして取られ、処理されました。 複数の囲まれた nanotubes の束は光学ピンセットの紫外レーザー (紫外線) レーザーを使用してより小さい部品に分割され、分散しました。

337 nm の波長の紫外線レーザ光線は、水の複数の囲まれたカーボン nanotubes の束に加えられました。 元のエネルギー (300 µJ) の 60% は損失 (86.67%) の後で 24µJ のまわりにサンプルで顕微鏡で、有効エネルギーありました使用され。 レーザーに 4 nsec のパルスの持続期間がありました。 そして 33 の Hz の頻度。 従って、 (およそ 75 キロワットが 10 キロワット目的で使用できる) パルスごとのピーク期の電力は非常に高いです。

イメージ分析

これらのより小さい束は紫外線レーザーの繰り返されたアプリケーションを使用して静かでより小さい部品にそれから再度分割されました。  得られた画像のイメージ分析は自作のイメージ分析のソフトウェアを使用して 24 ビット画像の手動で指示された thresholding の CNT の群生の、量を示すために行われました。

カーボン Nanotubes の抽出

より分散したこれらの少しおよび分けられた MWCNTs は得られました。 これらは集中された硫酸 - 24 時間硝酸の混合物 (3:1 v/v) でそれから中断されました。 これは MWCNTs の表面の酸化およびカルボン酸のグループの形成で起因します。 解決は 10 分の 13000 の rpm でそれから遠心分離機にかけられました。 残余は酸を完全に取除くために 3倍に遠心分離に先行している蒸留水と洗浄されました。 最後に nanotubes は 80°C. のオーブンで乾燥しました。

性格描写

MWCNTs で接続した FTIR (Perkin Elmer スペクトル RXI FTIR システム) によって基の形成は確認されました。 FTIR スペクトルは KBR の餌方法を使用して記録されました。 カルボン酸のグループとの MWCNTs は酸の塩化物に 24 時間塩化チオニル (SOCl) との2処理によって変換されました。 これらは ultrasonicator を使用してピリジンで functionalized MWCNTs 分散し、次にに服従しました - オハイオ州はケイ素の表面を functionalized。 ケイ素の表面はそれらを functionalizing 前の 10 分のアセトンそしてメタノールそれぞれで - オハイオ州のグループ [Ulman 等、チャン等] と超音波によってきれいになりました。 反作用の完了の後で、表面は脱イオンされた水と注意深く洗浄され、 75°C. で乾燥しました。 制御実験はまた SOCl の処置なしで2 nanotubes が表面で単に沈殿するかどうかまたは化学的に区切られれば調査するために行なわれました。 ケイ素の表面の複数の囲まれたカーボン nanotubes の結合はスキャンの電子顕微鏡検査を使用して調査されました。

結果および議論

カーボン Nanotubes の分散

カーボン nanotubes の nanotube の束のすなわち分布または個々の管への束の分割の分散は主要な挑戦を提起し続けます。 van 非常に強い der Waals の相互作用による束の形に存在する傾向はナノテクノロジーの領域に潜在性の実現の方の主要なハードルに残ります。 Dispersability のすなわち程度および中断および分散の安定性に nanotubes を置くことの容易さは一定時間にわたり心配の主要因です。 世界中研究者はこの問題を克服するのに DMF [19] の ultrasonication、機械動揺、処置、ジクロルエタン [20] 等のような異った方法を使用しています。 ただし悪い分散対よい構成するものがの、現在一致の欠乏があります。 私達はカーボン nanotubes の分散を達成するのに光通信力を利用するのに microdissector 付きの光学ピンセットを使用しました。

この実験で使用された紫外線レーザーは多くによりクラスタを合わせているバンの der の Waals の相互作用を克服するために十分なエネルギーを提供しました。 紫外線レーザーは複数の囲まれたカーボン nanotubes の束で衝突するために作られ、これはより小さい部品に束の分割で起因しました。 より小さい束は紫外線レーザーの繰り返されたアプリケーションとそれから再度衝撃され、 nanotubes は図 1 (a) に示すように - 1 分散しました (e)。 図 1 (a) は MWCNTs の元の束を表し、 1 (b) は 3 つの打撃の後で紫外線レーザーの効果を示します。 図 1 (c) への図 1 (e) は 7 つの打撃それぞれの後に記録されました。

図 1 (a-e)。microdissection の combi システム (視野 80µm) 付きの光学ピンセットを使用してカーボン nanotubes の分散。

イメージ分析

イメージ分析を使用して、目的は数えられ、データの表 1. の写実的な表示に示すようにカバーされる表面積に基づいて分類されてはっきり nanotubes の分散を示す図 2 で描写されます。

別の目的によってカバーされる表 1. の表面積は紫外線レーザーとの次の処理の後で及びます

µ の目的領域2

画像 1

画像 2

画像 3

画像 4

画像 5

250-50.0

1

0

0

0

0

50.0-10.0

0

1

1

1

1

10.0-2.0 

0

2

2

2

1

2.0-0.70

1

8

30

26

26

0.70-0.025

0

7

93

102

113

異なった時間間隔の後で紫外線レーザーの繰り返されたアプリケーションの後で得られるサイズの目的 (より小さい nanotube の束) の番号の図 2. 変化。

Functionalised カーボン Nanotubes の FTIR の性格描写

光学ピンセットによって分散した複数の囲まれたカーボン nanotubes は図 (3) で示されている FTIR スペクトルによって明白ように functionalized。 functionalized 複数の囲まれたカーボン nanotubes の FTIR スペクトルは 1739.4 cm、 3430.9 cm、制御スペクトル-1と比較された 1638.2-1 cm で 3 つの-1 追加伝送のピークを示しました。

図 3. KBR を使用して functionalized カーボン nanotubes の FTIR スペクトルは方法を小球形にします。

この 3 つのピークはそれぞれ carboxyl グループ (伸張)、ヒドロキシルグループ (伸張) およびカルボニル (伸張) の基に対応します。 3430 cm (低強度-1 ) のピークはまた制御スペクトルで観察され、湿気によってサンプルで引き起こされます。 2919.2 cm および 2354.8 cm の-1 2 つの主要なピークは-1 またスペクトルで見られました。 これらのピークの起源はそれぞれ分光計の2 IR の光学の parylene および CO のコーティングです。

シリコン基板への結合カーボン Nanotubes

ケイ素の表面は走査型電子顕微鏡の下で視覚化されていたときに、表面に区切られたいくつかの複数の囲まれた nanotubes を明らかにしました。 (図 4 (a) および (b) 4)。

図 4 (a-b)。複数の囲まれたカーボン nanotubes はケイ素の表面で区切ます。

それは全面的な表面荒さの酸と処理する化学薬品の結果として増加されたことまた明白です。 SOCl の処置のない視覚化された下の走査型電子顕微鏡が表面2 にある複数の囲まれた nanotubes を示さなかった場合の同じケイ素の表面。 作成の後やっとケイ素への MWCNTs の縛り - 図 5. に記述されているように SOCl の2 処置を使用して COCl のグループ。


ケイ素の表面の MWCNTs の不良部分のための 5.Mechanism を計算して下さい

これは複数の囲まれた nanotubes が SOCl の処置の結果として表面に区切られ、2 ただ物理的に吸着されないことを示します。 私達は何回も塩化チオニルとの中間処理が遂行されたときにだけこれを繰り返し、ケイ素の表面の nanotubes を得られました。 図 4 (b) では、異なった長さの多数の nanotubes はケイ素の表面で区切られます。 優先オリエンテーション制御がなかったし、 nanotubes は基板の表面を渡る任意方法で沈殿しました。 Nanotubes は均一に表面へ分布したようです。 私達は光学ピンセットを使用して複数の囲まれた nanotubes の分散なしで不良部分為の同じ手順に続きました。 ケイ素の表面の nanotubes の不良部分を示すスキャンの電子顕微鏡写真は図 6 (a-b) で示されています。

図。 6 (a-b)。光学ピンセットを使用して分散なしでケイ素の表面で区切られる複数の囲まれたカーボン nanotubes。

はっきり上記の画像から、 MWCNTs は群生/クラスタまたは総計の形で区切ます。 この実験は数回繰り返され、同じような結果は得られました。

結論

この調査の目標はシリコン基板のカーボン nanotubes の分散そして結合を調査することでした。 microdissection の combi 付きの光学ピンセットは定量化のためのイメージ分析と共に分散のために使用されました。 走査型電子顕微鏡の (SEM)画像は nanotubes が光学ピンセットの使用なしで群生の形で区切ることを示しました。 私達は私達の方法によって分散し、沈殿の nanotubes で成功していました。 表面への nanotubes の制御された結合は最終的に nanoscale の電極および他のマイクロエレクトロニック装置のこれらの材料の使用を促進します。 MWCNTs の利点はこれらが大抵金属であること、電極への低い接触抵抗があり、そしてまたよじれの形成に非常に強く、無感覚です。

確認応答

著者は情報技術、インドの政府の部門によって提供される財政援助を非常に認めます。 Sandeep Kumar および Ranvinder Singh は研究団体に科学的で、産業研究の議会に感謝します。 著者は Central ディレクター科学器械構成、必要な機能を (CSIO)提供するためのチャンディーガルに感謝しています。 私達はヘルプを認め、先生 G.Mitra および研究グループの他のメンバーからサポートします

参照

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接触の細部

Sandeep Kumar、 Rajesh Kumar、 Ranvinder Singh、 Rakesh Kumar、 Awdhesh Kumar Shukla および Lalit M. Bharadwaj

Biomolecular 電子工学およびナノテクノロジー部 (くねり)
中央科学器械構成 (CSIO)
セクター 30-C、チャンディーガル160030、 インド
電子メール:
lalitmbharadwaj@hotmail.com

V.K. Jindal

物理学の部門、
Panjab 大学、
チャンディーガル

Date Added: Jun 10, 2006 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 06:46

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