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DOI : 10.2240/azojono0125

Esteuerte Schachbrettmuster von Nanotube-Reihen für die Verstärkung von Polymer-Zusammensetzungen Produzieren

 

DESYGN IT - Sonderausgabe

Auslegung, Synthese und Wachstum von Nanotubes für Industrietechnik

 
 

Emer Lahiff, Kentaro Nakajima, A.I. Minett und W.J. Blau

Copyright AZoM.com Pty Ltd.

Dieses ist ein der Belohnungs-Anlage AZO-Freien Zugangs Artikel (AZO-RUDER), der im Sinne der AZO-RUDER http://www.azonano.com/oars.asp verteilt wird, denen uneingeschränkter Gebrauch der Erlaubnis die Originalarbeit ist richtig zitiert aber ist begrenzt auf nicht gewerbliche Verteilung und Wiedergabe lieferte.

Eingegeben: Am 6. November 2007th

Bekannt gegeben: Am 16. November 2007th

Themen Umfaßt

Zusammenfassung

Einleitung

Experimentell

Photolithographie Kopieren

Fotomaske

Elastomer Stempel

PDMS-Elastomer-Stempel

Katalysator Kopieren

Ergebnisse und Diskussion

Schlussfolgerungen

Quittungen

Bezüge

Kontaktdaten

Zusammenfassung

Zu den Effekt von Kohlenstoff nanotube Verstärkung (CNT) auf einen Dünnfilm des Polymers maximieren, während Minderungsnanotube Inhalt, eine kontrollierbare Methode des Unterschieds des Volumenbruches von CNTs innerhalb der Zusammensetzung erforderlich ist. Hier beschreiben wir die Fälschung von kontrollierbaren CNT-Schachbrettmustern auf einer Siliziumoxidsubstratfläche durch Chemischer Dampf-Absetzung (CVD). Indem wir die Gittertrennungen uns unterscheiden, können wir die Menge von CNTs manipulieren vorhanden auf den Substratflächen. Diese wie-gewachsene nanotube Reihen können in einen Dünnfilm des freien stehenden Polymers leicht enthalten werden, wie vor kurzem demonstriert worden [1]. Eingebettete nanotubes verstärken mechanisch ein Polymer und stellen auch ein Netz von Leitungsbahnen durch eine isolierende Polymergrundmasse zur Verfügung. Mechanische Verstärkung-, elektrische und Wärmeleitfähigkeiten des Verbundwerkstoffs hängen vom Einbauort und von der Konzentration dieser Leitungskanäle ab.

Das Weiche Lithographiekopieren des Katalysators, der während nanotube Produktion verwendet wird, lässt die selektive Positionierung von CNT-Reihen zu. Mehrwandige Kohlenstoff nanotubes wurden durch die Aufspaltung des Acetylens in einer CVD-Kammer gewachsen.

Einleitung

Es ist gut dokumentiert, dass Kohlenstoff nanotubes eine enorme Vielzahl von möglichen Anwendungen haben. Dieses liegt an ihren hohen elektrischen und Wärmeleitfähigkeiten, an außergewöhnlichen Stärke, an Steifheit und an Fähigkeit, ihre ursprüngliche Form nach Drucklufterzeugung [2-5] wiederzugewinnen. Kohlenstoff nanotubes können durch verschiedene Prozesse gewachsen werden, die umfassen; Lichtbogeneinleitung, Laser-Entfernung und Absetzung des chemischen Dampfes. Das viel versprechendste dieser Techniken ist CVD, der erlaubt, dass CNTs in situ auf vor-kopierten Substratflächen [6] gewachsen wird. Während das Kopieren herkömmlich durch photolithographie getan wird, vor kurzem ist eine neue Methode, die weiches Lithographiekopieren gerufen wird, demonstriert worden, um wirtschaftlich und vielseitig zu sein effizienter, [7-10]. Nanotubes sind von den ungeheuren Zinsen beide an ihrer Ausgangsmaske und auch als Teil eines Verbundwerkstoffs. Eingebettete nanotubes in den Polymergrundmassen erhöhen die Materialeigenschaften, indem sie mechanische Festigkeit und Leitfähigkeit [11-13] erhöhen. Jedoch wenn zusammengesetzte Entstehung in gelöster Form durchgeführt wird, CNTs Formulargesamtheiten normalerweise, die verringerte Eigenschaften im Vergleich zu einzelnen Gefäßen haben. Auch für optimale Lastübertragung vom Polymer zum eingebetteten CNTs, muss es eine starke Schnittstelle zwischen den Gefäßen und der Grundmasse geben. Diese sind, aber zwei der Probleme, die mit CNT-Polymer zusammengesetzter Produktion und ihnen verbunden sind, sind von vielen Forschungsgruppen angesprochen worden. Mögliche Lösungen umfassen die Plasmabehandlung, die zu erhöhte Streuung [14] führt und functionalisation des CNTs [15]. Erfolgreiche Inkorporation von CNTs in den Polymergrundmassen konnte zu Anwendungen einschließlich führen; Flachbildschirmanzeigen, Fühler, flexible elektronische Geräte und Stellzylinder [16-18]. Vor der Verwirklichung ihres vollen Potenzials, müssen die Punkte der kontrollierbaren und wirtschaftlichen Produktion von nanotubes und von ihren nachfolgenden Zusammensetzungen, ausgeglichen werden.

Wir haben vorher über eine effiziente und kosteneffektive Methode des Enthaltens von Kohlenstoff nanotubes in ein Poly (dimethylsiloxane), PDMS, Polymergrundmasse [1] berichtet. Unter Verwendung dieser Technik waren wir in der Lage, wie-gewachsene CNT-Reihen in eine Zusammensetzung zu enthalten. Dieses beseitigt den Bedarf, das CNTs vor zusammengesetzter Entstehung zu zerstreuen. Es erlaubt auch Regelung über der Stellung und der Dichte der eingebetteten nanotubes. Die Morphologie der eingebetteten nanotubes kann gesteuert werden, indem man die CVD-Zustände ändert, die verwendet werden, um das CNTs [19] zu wachsen.

Hier beschreiben wir die nachfolgende Richtung unserer Forschung, die, sich den Volumenbruch von CNTs in einem verstärkten Polymer zu unterscheiden ist. Dieses wird durch wachsende CNT-Reihen in den Schachbrettmustern getan. Vorher berichteten wir unter Verwendung der parallelen Zeilen von CNT-Reihen, die nur in der Richtung sich verstärken, die zu den Zeilen parallel ist. Schachbrettmuster lassen jedoch mechanische Verstärkung im x und Oflugzeug einer Dünnfilmzusammensetzung zu. Im Allgemeinen sind die Gitterlinien 5μm, die breit sind und die Trennung zwischen Zeilen wird erhöht, um sich den Volumenbruch von CNTs zu unterscheiden gewachsen auf der Substratflächenoberfläche. Wir verwenden dann diese wie-gewachsenes CNTs, um Dünnfilme des Polymers durch die Drehbeschleunigung zu verstärken, die ein heilbares Polymer auf die nanotube Gitter beschichtet.

Experimentell

Kohlenstoff nanotubes wurden durch CVD unter Verwendung des Acetylens, CH,22 als die Kohlenstoffquelle gewachsen. Die Substratflächen, die für nanotube Wachstum verwendet wurden, wurden durch die weiche Lithographie vorbereitet, die kopiert, wie anderswo beschrieben [20-22]. Diese Technik setzt den Gebrauch von einem Elastomerstempel ein, eine Katalysatorlösung auf eine Siliziumoxidsubstratfläche zu kopieren. Der Stempel wird von einem Silikonoriginal gegossen, das durch herkömmliche photolithographietechniken kopiert wird (Abbildung 1A).

Abbildung 1. (a): Diagramm des Kopierens eines Silikonoriginals unter Verwendung der traditionellen photolithographie. (b): Diagramm des Gießens eines Elastomerstempels von einem Silikonoriginal. Der Stempel kann für das weiche Lithographiekopieren dann verwendet werden. Viele Stempel können vom gleichen Original gegossen werden.

Photolithographie Kopieren

Der erste Schritt, beim photolithographiekopieren des Originals war, ein positives Chrom auf Quarz der hohen Qualität, 4inch x 4inch x 0.06inch-Fotomaske zu konstruieren. Die Maske wurde unter Verwendung Software Kic 2,4 [23] konstruiert und dann durch Photronics (Wales) Ltd. die Auslegung, die wir wählten, waren Schachbrettmuster mit Inkrementalabstand zwischen Gitterlinien hergestellt. Die Stellung von Gitterlinien entspricht dem etwaigen Einbauort von CNT-Reihen. Folglich verringern wir systematisch den Volumenbruch von CNTs gewachsen auf der Substratflächenoberfläche, indem wir den Intergitter Abstand erhöhen. Es wird beabsichtigt, dass diese CNT-Schachbrettmuster in Dünnfilmzusammensetzungen enthalten werden. Wir haben deshalb eine Methode der Steuerung des Volumenbruches der nanotubes, die innerhalb einer Polymergrundmasse eingebettet werden. Es ist der Einbauort und die Dichte von eingebetteten nanotube Netzen, die die mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs bestimmen. Gridlines wurden konstruiert, um 5ƒÊm breit mit Trennungen von 5μm bis 75μm zu sein.

Fotomaske

Diese Fotomaske wurde dann verwendet, um das Schachbrettmuster auf ein Silikonoriginal zu übertragen. Eine Siliziumscheibe wurde zuerst unter Verwendung einer Lösung des Hyperoxyds/der Schwefelsäure gesäubert (HSO24: HO22 im Verhältnis von 3: 1) und vorgebackenes irgendwelche Abwässer löschen. Als Nächstes war eine Schicht HMDS (hexamethyldisilazane), Beitrittsförderer Drehbeschleunigungsform auf das Silikon, das vom Positivphotoresist Shipley 1813 gefolgt wurde. Die Fotomaske wurde über das Fotoresist gelegt und entlarvte Bereiche wurden durch Aussetzung zu UV entpolymerisiert. Nach UVberührung wurde Entwickler Shipley MF 319 verwendet, um Bereiche des Photoresists zu löschen, die vermindert hatten. Das Muster wurde durch reagierende Ionenradierung, RIE, des freigelegten Silikons übertragen. RIE bezog den Gebrauch von CF-4 Gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 Standardkubikzentimeter pro Protokoll (sccm), HF-Leistung an 100W und einen Druck von 1 Torr mit ein. Die Ätzdauer war 15min. Das geätzte Original war durch Bereich-Emissions-Rasterelektronenmikroskopie abgebildet (FESEM) und ein Höhenprofil wurde durch Interferometrie erreicht.

Elastomer Stempel

Der nächste Schritt war, Elastomerstempel von diesem Silikonoriginal zu gießen. Das Elastomer, das verwendet wird, ist (dimethylsiloxane), PDMS Poly, (Dow Corning). Dieses ist ein hydrophobes Polymer und wird stark am Silikonoriginal befolgen. Der Grund für diese irreversible Dichtung ist die Entstehung des kovalenten - O-Si-O Anleihen durch eine Kondensationsreaktion der silanol Gruppen auf dem PDMS und - Oh-Enthaltens von Funktionsgruppen auf dem Silikon. Folglich müssen wir das Original hydrophob machen, bevor wir die Stempel gießen. Dieses wird unter Verwendung des fluorosilane als Freigabeförderer getan. Zuerst wird das Silikonoriginal durch UV/ozone für 30mins gesäubert und aktiviert. Sofort nach Aktivierung wird die Substratfläche in einen Entfeuchter zusammen mit ungefähr 0.3-0.5 ml (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) - Trichlorosilane gelegt, (Oakwood Products Inc.). Der Entfeuchter wird unten zu einem Druck von 2,0 mbar gepumpt. Nach 60 Minuten wird der Entfeuchter mit Luft belüftet. Die Substratfläche wird dann in einen vorgeheizten Ofen an 60ºC für 45min eingeschoben.

PDMS-Elastomer-Stempel

PDMS-Elastomerstempel wurden vom hydrophoben Silikonoriginal gegossen (Abbildung 1B). Eine Mischung von PDMS-Basis: Härtemittel, in 10: 1 Verhältnis, war die Absinkenform auf das Original und unter Witterung über eine Zeitdauer von 4 Tagen aushärten lassen. Die ausgehärteten PDMS-Stempel, die dann leicht vom Original und wie erwartet, die Stempel freigegeben wurden, zeigten die umgekehrte Topologie der Originale an. Dieses wurde durch Interferometrie überprüft. Stempel waren in der Region von starkem 1cm.

Katalysator Kopieren

Die Stempel wurden dann verwendet, um ein Eisen zu kopieren, das Katalysator für CNT-Wachstum enthält. Poly (Styrol-vinylferrocene), wurde anionisch von den Autoren synthetisiert und gekennzeichnet durch die Magnetische Resonanz- und Gel-Durchdringungs-Kernchromatographie (nicht gezeigt worden) um sein Eisengehalt (2,1%) zu bestimmen. Thermische Gravimetrische Analyse zeigte dass zwischen 350ºC und 450ºC, 93% des zerlegten Polymers. Sie bestätigte auch, dass 4% der Katalysatorpartikel (vermutlich Eisen oder Eisenoxid) 800º am ‹C. Hence blieb, dieser Katalysator war geeignet für Gebrauch in Wachstum CVD CNT, das vorher bestimmt wurde, um an 700ºC [19] optimal zu sein.

Der PS-PVF Katalysator wurde auf 100nm SiO kopiert2, das genug über der kritischen Stärke von 50nm ist, in dem NT-Wachstumsgeschwindigkeit sättigt [24]. CVD wurde unter Argon mit Atmosphärendruck durchgeführt. Die Argonträgergas-Strömungsgeschwindigkeit war 200sccm. Das aktive verwendete Gas war Acetylen. Die Strömungsgeschwindigkeit für Acetylen war 200sccm. CNTs wurden an 700ºC (an den Fasern des Kohlenstoffes 800ºC mit größerem dann Formular 100nm der Durchmesser) gewachsen und Absetzungszeit kann von 10min zu 1hr abhängig von der Länge von CNTs unterschieden werden benötigte.

Ergebnisse und Diskussion

Schachbrettmuster wurden in ein Silikonoriginal geätzt (Abbildung 2). Wurden 4inch x 4inch-Original in 15 Kapitel getrennt. Jedes Kapitel enthielt 5μm Schachbrettmuster mit den Abständen, die von 5-75μm reichen. Dieses entsprach Volumenbrüchen von 12-92%.

Abbildung 2. FESEM (a) zeigt einem Silikon anzeigende VorlagenSchachbrettmuster. Interferometrie (b) zeigt das Höhenprofil des Originals.

Das Original wurde dann mit fluorosilane behandelt, um eine Oberfläche mit niedriger Zwischenflächen- freier Energie zu bilden. Der Kontaktwinkel wurde gemessen, um von einem Durchschnitt 16º ± 2º zu einem Durchschnittswert von 114º ± 6º zu ändern, das für mehr als 45 Tage stabil war. Elastomerstempel wurden dann vom Original gegossen und freigegeben leicht. Interferometrie zeigte, dass die Tiefe der Merkmale auf den Stempeln 492nm war (Abbildung 3). Diese Stempel wurden verwendet, wie produzierte und keine weitere Behandlung notwendig war. Vorhergehende Methoden [7,8,10] haben das hydrophilization von PDMS-Stempeln beschrieben, um sie kompatibel zu machen mit den kopiert zu werden Katalysatorlösungen. Dieser Schritt ist mit unserem Katalysatormaterial unnötig.

Abbildung 3. Ein Interferometriescan zeigt die Oberflächentopologie des Stempels und gibt ein Höhenprofil von 492nm.

Die Stempel wurden verwendet, um eine Katalysatorlösung auf SiO-Substratflächen2 zu kopieren. Der Katalysator, der verwendet wurde, war (Styrol-vinylferrocene), PS-PVF Poly. Das vinylferrocene Teil dieses Polymers enthält einen Eisenkern, der als Katalysator für CNT-Wachstum bei den Temperaturen aktiv ist, die in diesen Experimenten verwendet werden. Das PS-PVF Polymerpulver wurde im Toluol aufgelöst. Zuerst wurde Tetrahydrofuran als das Lösungsmittel verwendet, aber, wir erreichten erhöhte Musterqualität, indem wir Toluol verwendeten. Toluol schwillt angeblich PDMS [22], aber für unsere 5μm Kenngrößen fanden wir keine Auswirkungen auf der Musterqualität. Wir waren auch in der Lage, die PDMS-Stempel einige Male wiederzuverwenden, bevor Musterqualität anfing zu vermindern. Wir verwendeten eine 4wt% Lösung (der Unterschied der Konzentration der Lösung kann als Methode verwendet werden, um die Dichte von nanotube Wachstum [19] zu steuern). Ein Absinken von PS-PVF Lösung wurde auf die SiO-Substratflächen2 gelegt. Der Elastomerstempel wurde dann in Kontakt mit der Substratfläche geholt. Die Katalysatorlösung migriert in die Nuten auf dem Stempel, wurde er Nacht gelassen, damit das Toluol verdunstet und als der Stempel gelöscht wurde, deckte er eine kopierte Substratfläche wie in Abbildung 4. gezeigt auf.

Abbildung 4. Katalysatormikrostrukturen erzeugt durch das weiche Lithographiekopieren. Der Abstand zwischen gridlines ist 10, 25 und 50μm (von links nach rechts verlaufend). Die Breite der gridlines ist bei 5μm konstant.

Das Weiche Lithographiekopieren erlaubt uns, die Katalysatorpartikel auf innerhalb den Abmessungen unserer Muster zu begrenzen. Deshalb während CVD würden wir erwarten, dass das CNTs nur innerhalb der Abmessungen der Gitter wachsen, das in Abbildung 5. beobachtet wurde.

Abbildung 5. Nach CVD trat Kohlenstoff nanotube Wachstum nur auf den mikro-kopierten Bereichen der Substratfläche auf. CNTs wurden auf Gitter mit 10μm (a) Abstand und 50μm Abstand (b) gewachsen. (c) und (d) zeigen eine höhere Vergrößerung der nanotubes, die innerhalb der Abmessungen der Gitter gewachsen werden.

Schlussfolgerungen

Als schlußfolgerung berichten wir über eine ersteigbare billige Technik, um Schachbrettmuster von nanotube Reihen zu wachsen. Der Intergitter Abstand kann wie erforderlich hergestellt werden, eine einfache Methode der Steuerung des Volumenbruches der nanotubes gebend, die auf unseren Substratflächen gewachsen werden. Es ist unsere Absicht, diese CNT-Reihen in eine flexible freistehende Dünnfilmzusammensetzung zu enthalten. Um dies zu tun setzen wir eine neue Methode der zusammengesetzten Produktion vorher beschrieben und von den Autoren demonstriert ein.

Unter Verwendung der weichen kopierenden Lithographie können wir die CNT-Leitungskanäle selektiv in Position bringen und ihren Volumenbruch innerhalb der Zusammensetzung steuern. Die Zusammensetzung kann für Anwendungen dann verwendet werden, die leitfähige Kanäle innerhalb einer bendable Grundmasse benötigen. Diese Anwendungen umfassen flexible Elektronik, elektromagnetische Schilder und Fühler.

Quittungen

Die Autoren bestätigen die Irische Hochschulausbildungs-Berechtigung (HEA), Unternehmen Irland und das Gerichtete Forschungsprojekt DESYGN-IT (Kein NMP4-CT-2004-505626) EU Besondere für finanzielle Halterung.

Die Autoren sind auch Prof P.M. Ajayan und Prof C.Y. Ryu, Polytechnischen Instituts Rensellaer, New York und auch, Prof S. Curran der Staat New Mexiko-Universität, für ihren Anfangsinput in dieses Projekt dankbar.

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Kontaktdaten

Werner J. Blau, Dr. Emer Lahiff, Andrew I. Minett und Dr. Kentaro Nakajima

Materialien Irland-Polymer-Forschungszentrum
Schule von Physik,
Dreiheit College Dublin
Dublin 2
Irland

E-Mail: wblau@tcd.ie

 

 

Date Added: Nov 14, 2007 | Updated: Jul 15, 2013

Last Update: 15. July 2013 16:03

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