綁定碳納米管分散矽表面上的光學鑷子

桑迪（Sandeep庫馬爾）拉傑什庫馬爾，Ranvinder辛格，拉克什庫馬爾，庫馬爾舒克拉Awdhesh，VK金達萊和拉利特M. Bharadwaj

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提交時間：2005年12月26日，
發表於：2006年6月10日，日

討論主題

摘要
背景
碳納米管在計量中的應用
隔離單個碳納米管
官能
材料和方法
分散多壁碳納米管
圖像分析
碳納米管的提取
表徵
結果與討論
碳納米管的分散
圖像分析
功能化碳納米管的紅外光譜表徵
碳納米管綁定到矽襯底
結論
鳴謝
參考文獻
聯繫方式

摘要

有效的碳納米管的分散性和選擇性的定位與傳統的微電子技術以及新穎的功能器件的發展未來整合是必要的。據報導，在碳納米管的分散和控制安置進展有限。在本研究中，我們使用光學鑷子暨microdissector系統的分散的碳納米管，然後綁定到一個矽表面。 - OH基團的矽表面上創建了。碳納米管進行了處理，在其兩端，形成一個羧基。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）均錄得確認功能化。這些碳納米管與矽表面發生反應。矽表面的掃描電子顯微鏡（SEM）下進行了調查。圖像顯示綁定到矽表面的碳納米管數量。這樣到基板結合，將開闢的路徑，像化學傳感器的應用，基於碳納米管的掃描探針針尖等。

背景

碳納米管已被廣泛用於製造納米電子器件的重要組成部分的調查。金屬以及半導體碳納米管的存在，所有碳為基礎的技術在有源器件，半導體納米管和金屬碳納米管組成的電線（互連）的未來發展提出的希望。

碳納米管在計量中的應用

這些新穎的管狀結構獨特的電氣，機械和化學屬性，使他們深入研究的領域的納米技術 [1-4]材料。這些納米材料的器件應用已經設想 [5-8]。由於其靈活性，碳納米管可以用作提示在掃描探針儀器與傳統的秘訣比較提高分辨率和這些提示也不會受到因為他們的高彈性的表面崩潰。碳納米管提示可以修改化學官能團的附件，可作為潛在的應用在化學和生物學的分子探針。

隔離單個碳納米管

然而，缺乏技術所需的位置安排在碳納米管，是一個主要障礙。沒有適當的方式來操縱碳納米管的物理和化學特性，在一個受控制的方式。目前，知識不足，處理單個的碳納米管和執行對他們的測量，其物理性質的實際調查的複雜性。調查只有一個單一的碳納米管的，其他納米管已經得到很好的樣本中分離出來。否則，不同的碳納米管會影響對方的物理性質，化學性質。因為他們嘗試捆綁，它不是簡單的隔離碳納米管。

官能

表面上的碳納米管的功能化和具有約束力可能帶來許多潛在的應用，但像化學惰性和在溶劑中的溶解度低的因素使得繁瑣。儘管如此，一些報告可以附加分子碳納米管通過努力，共價 [9-12]以及非共價相互作用[13-16]，在生物和化學傳感應用的具體目標。在本文件中，我們集中在多壁碳納米管在矽表面具有約束力。光學鑷子 [17，18]分別用碳納米管分散成小捆。

材料和方法

純度在95％以上，長度為 0.2-200微米，直徑 50納米水平的多壁碳納米管，納米和非晶材料採購， 美國 。這些都是使用沒有在我們的實驗進一步淨化。自Sigma Aldrich，美國採購了所有其他的分子生物學級化學品。 18畝厘米微孔系統的水用於沖洗樣品。取向[100]矽表面。

分散多壁碳納米管

少量的多壁碳納米管（碳納米管）1毫升的蒸餾水，並為 2個小時超聲。

為了達到更好的分散，然後使用光學鑷子暨顯微切割組合系統（Palm系統，德國）和處理，超聲碳納米管下降。一束多壁碳納米管的分裂和分散成更小的部分使用的紫外線激光（UV）激光光鑷。

採用波長 337納米的紫外線激光束，水多壁碳納米管束。 60％的原始能量（300μJ），後在顯微鏡的損失（86.67％），樣品提供能源約為24μJ。激光的4納秒的脈衝持續時間。和33赫茲的頻率。因此，每個脈衝峰值功率非常高（約 75千瓦，其中10千瓦的目標）。

圖像分析

這些更小的束，然後分割成更小的部分再次重複使用紫外激光的應用程序。圖像分析獲得的圖像進行手動監督對 24位圖像的閾值，使用自製的圖像分析軟件量化碳納米管團塊。

碳納米管的提取

提取少量的這些較為分散和分離的碳納米管。然後，這些懸浮在一個濃硫酸 - 硝酸混合（3:1 V / V）為 24小時。在多壁碳納米管的表面氧化和羧酸基團形成這樣的結果。解決的辦法是再離心 10分鐘 13000轉。殘留物洗淨，用三次蒸餾水離心完全去除酸。最後碳納米管乾燥烘箱中在80 ° C。

表徵

官能團附著在碳納米管的形成，證實了紅外光譜（Perkin Elmer公司的頻譜 RXI紅外系統）。錄得的紅外光譜使用KBr壓片法。與羧酸基團的碳納米管被轉換成酸氯化物，亞硫酰氯_{（SOCL 2）}治療24小時。這些功能化多壁碳納米管分散使用ultrasonicator吡啶，然後受到- OH官能矽表面。每個矽表面在丙酮和甲醇超聲清洗10分鐘前functionalizing他們與 - OH基團 [Ulman等，張等人。反應完成後，表面仔細去離子水洗滌，乾燥後在75 ° C。還進行了對照實驗沒有SOCL _2個療程 ，以調查是否只是表面上的，或者如果他們是化學結合沉積碳納米管。採用掃描電子顯微鏡研究的多壁碳納米管在矽表面上的約束力。

結果與討論

碳納米管的分散

分散碳納米管的碳納米管束，即分配或束分裂成單個管繼續構成重大挑戰。由於其很強的麵包車范德華相互作用的捆綁形式存在的傾向，對實現其在納米技術領域的的潛力仍然是一個主要障礙。分散性，即程度和輕鬆放置碳納米管懸浮液中，並隨著時間的推移分散穩定性關注的首要因素。世界各地的研究人員正在使用不同的方法，如超聲波，機械攪拌，用DMF治療 [19]，二氯乙烷[20]等，以克服這個問題。然而，目前還缺乏對什麼是好與差的分散協議。我們已經用光學鑷子暨microdissector光子力量的優勢，實現碳納米管的分散。

本實驗所用的紫外激光提供足夠的能量克服的范德華力，集群。紫外激光影響一堆多壁碳納米管，這束分裂成更小的部分。較小的串，然後再次轟炸反复應用的紫外激光和碳納米管的分散如圖。 1（A）-1（E）。圖 1（a）代表多壁碳納米管的原一堆1（B）顯示的紫外激光後三槍的影響。圖 1（c）為圖 1（E）均錄得每七桿後。

圖1（AE）。使用光學鑷子暨顯微切割組合系統（查看80μm的領域）的碳納米管的分散。

圖像分析

通過分析圖像，物體表面積的基礎上，計算和分類，涵蓋如表1所示。描繪在圖 2清楚地表明了碳納米管的分散數據的圖形表示。

表1。面積由不同的對象範圍覆蓋紫外激光後的後續治療

圖2對象的數量，他們經過反复的紫外激光的應用後取得不同的時間間隔的大小（較小的碳納米管束）的變化。

功能化碳納米管的紅外光譜表徵

光學鑷子分散的多壁碳納米管，其紅外光譜圖（3）所示官能為明顯。功能化多壁碳納米管的紅外光譜表明1739.4 3430.9 ^厘米 -1 ^厘米 -1，三個額外的透過率峰^，1638.2 cm - 1的比較與對照譜。

官能碳納米管，採用KBr壓片法的紅外光譜圖3 。

這三個峰分別對應羧基（拉伸），羥基（拉伸）和羰基（拉伸）功能組別。高峰在3430厘米^-1（低強度）控制光譜中也觀察到，和樣品中的水分造成的。在2919.2 ^cm - 1處和2354.8 ^cm - 1處的兩個主要峰也被視為在頻譜。這些山峰的起源是對二甲苯和_CO 2分別在光譜儀的紅外光學塗層。

碳納米管綁定到矽襯底

當矽表面的掃描電子顯微鏡下成像，它揭示了綁定到表面的多壁碳納米管數量。 （圖 4（a）和4（b）項）。

圖4（AB）。多壁碳納米管碳納米管在矽表面上的約束。

整體的表面粗糙度，增加與酸的化學處理的結果也很明顯。同樣的矽片表面，沒有在掃描電子顯微鏡成像_{SOCL 2個}療程時沒有表現出任何躺在其表面上的多壁碳納米管。碳納米管矽結合後，才創建COCl使用SOCL ₂治療方法，如在圖5中所述的組。

圖5矽表面上的碳納米管具有約束力的機制。

這表明，多壁碳納米管的表面勢必SOCL ₂治療結果，並不僅僅是物理吸附。我們重複了很多次，並能得到中間處理與亞硫酰氯進行了只有當表面的矽納米管。在圖。 4（B），不同長度的碳納米管大量的矽表面上的約束。有沒有優惠的方向控制和整個基板表面沉積納米管以隨機方式。碳納米管出現均勻地分佈在表面。我們奉行的多壁碳納米管的約束力，但不分散使用光鑷的相同的步驟。如圖所示的掃描電子顯微照片顯示的矽表面上的碳納米管具有約束力。 6（AB）。

圖。 6（AB）。多壁碳納米管的矽表面上沒有他們的分散使用光鑷約束。

從上面的圖片清楚，團塊 /集群或聚集的形式約束的多壁碳納米管。這個實驗重複多次，並獲得了類似的結果。

結論

這項研究的目的是為了調查一個矽襯底上碳納米管的分散性和約束力。光鑷暨顯微切割組合用於分散，隨著圖像定量分析。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像表明，碳納米管團塊形式的約束，無需使用光鑷。我們是成功的，在我們的方法分散和沉積碳納米管。控制碳納米管的表面結合，最終將促進這些材料在納米級的電極和其他微​​電子器件的使用。多壁碳納米管的優點是，這些​​大多是金屬，低接觸電阻的電極也非常穩健，扭結形成不敏感。

鳴謝

作者大大承認信息技術部，印度政府提供的財政支持。 Sandeep Kumar和Ranvinder辛格感謝他們的研究獎學金的科學和工業研究理事會。作者感謝主任中央科學儀器組織（CSIO），昌迪加爾，提供必要的設施。我們承認從 G.米特拉和博士的研究小組的其他成員的幫助和支持

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聯繫方式

桑迪（Sandeep庫馬爾）拉傑什庫馬爾，Ranvinder辛格，拉克什庫馬爾，庫馬爾舒克拉Awdhesh和拉利特M. Bharadwaj

生物分子電子學和納米技術部（彎曲）
中央科學儀器組織（CSIO）
部門 30 - C，昌迪加爾，160030 印度
電子郵件： lalitmbharadwaj@hotmail.com

VK金達萊

系物理，
旁遮普大學
昌迪加爾