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DOI : 10.2240/azojono0125

Produisant des Configurations de Grille de Commande des Alignements de Nanotube pour Renforcer des Composés de Polymère

 

SERVICE INFORMATIQUE de DESYGN - Édition Spéciale

Design, Synthèse et Accroissement des Nanotubes pour la Technologie Industrielle

 
 

EMER Lahiff, Kentaro Nakajima, A.I. Minett et W.J. Blau

Droit d'auteur AZoM.com Pty Ltd.

C'est un article Azoïque de Système de Récompenses d'Accès Ouvert (Azo-AVIRONS) distribué en vertu des Azo-AVIRONS http://www.azonano.com/oars.asp que l'utilisation libre de laisux a fourni l'oeuvre originale est correctement citée mais est limitée à la distribution et à la reproduction non commerciales.

Soumis : Le 6 novembre 2007th

Posté : Le 16 novembre 2007th

Sujets Couverts

Résumé

Introduction

Expérimental

Structuration de Photolithographie

Photomask

Estampilles d'Élastomère

Estampilles d'Élastomère de PDMS

Structuration de Catalyseur

Résultats et Discussion

Conclusions

Remerciements

Références

Détails des Contacts

Résumé

Pour maximiser l'effet du renforcement de nanotube (CNT) de carbone sur un film mince de polymère, alors que le teneur réduisant à un minimum de nanotube, une voie contrôlable de varier la fraction de volume de CNTs dans le composé est nécessaire. Ici nous décrivons la fabrication des configurations de réseau contrôlables de CNT sur un substrat d'oxyde de silicium par la Déposition En Phase Vapeur (CVD). En variant les séparations de réseau nous pouvons manipuler la quantité de CNTs actuelle sur les substrats. Ceux-ci des alignements comme-élevés de nanotube peuvent être facilement comportés à un film mince debout libre de polymère comme expliqués récent [1]. Les nanotubes Encastrés renforcent mécaniquement un polymère et fournissent également un réseau des voies de conduction par une modification isolante de polymère. Le renforcement, élém. élect. Mécaniques et des conductions thermiques du matériau composite dépendent de l'emplacement et de la concentration de ces tunnels de conduction.

La structuration Douce de lithographie du catalyseur utilisé pendant la production de nanotube tient compte de positionner sélecteur des alignements de CNT. des nanotubes Multi-Murés de carbone ont été développés par la décomposition de l'acétylène dans une cavité de CVD.

Introduction

Il est bien documenté que les nanotubes de carbone aient une grande variété d'applications possibles. C'est dû à leur élém. élect. et conductions thermiques élevées, force exceptionnelle, raideur et capacité pour regagner leur forme initiale après le compactage [2-5]. Des nanotubes de Carbone peuvent être développés par les différents procédés qui comprennent ; décharge en arc, ablation de laser et déposition en phase vapeur. Le plus prometteur de ces techniques est la CVD qui permet à CNTs d'être développé in situ sur les substrats pré-modelés [6]. Tandis Que la structuration est conventionnel faite par photolithographie, récent une structuration douce appelée de lithographie de méthode neuve a été expliquée pour être plus efficace, économique et versatile [7-10]. Les Nanotubes sont d'intérêt énorme les deux sous leur grille d'origine, et également en tant qu'élément d'un matériau composite. Les nanotubes Encastrés dans des modifications de polymère augmentent les propriétés matérielles en augmentant la force et la conductivité mécaniques [11-13]. Cependant, quand la formation composée est effectuée en solution, de CNTs agrégats de forme habituellement qui ont les propriétés réduites en comparaison de différents tubes. En Outre, parce que transfert optimal de charge à partir du polymère au CNTs encastré, il doit y a une surface adjacente intense entre les tubes et la modification. Ceux-ci sont mais deux des problèmes associés avec la production composée et eux de CNT-polymère ont été traités par beaucoup d'organismes de recherche. Les solutions Possibles comprennent la demande de règlement de plasma menant à la dispersion améliorée [14] et au functionalisation du CNTs [15]. La constitution Réussie de CNTs dans des modifications de polymère a pu mener aux applications comprenant ; affichages à panneau plat, senseurs, appareils électroniques flexibles, et déclencheurs [16-18]. Avant De réaliser leur plein potentiel, les questions de la production contrôlable et économique des nanotubes et de leurs composés ultérieurs, doivent être surmontées.

Nous avons précédemment enregistré une méthode efficace et rentable de comporter les nanotubes de carbone dans un poly (dimethylsiloxane), PDMS, la modification de polymère [1]. Utilisant cette technique nous pouvions comporter des alignements comme-élevés de CNT à un composé. Ceci élimine la nécessité de disperser le CNTs avant la formation composée. Il permet également le contrôle de la position et de la densité des nanotubes encastrés. La morphologie des nanotubes encastrés peut être réglée en modifiant les conditions de CVD employés pour élever le CNTs [19].

Ici nous décrivons le sens ultérieur de notre recherche qui est de varier la fraction de volume de CNTs dans un polymère renforcé. Ceci est fait par des alignements croissants de CNT dans des configurations de réseau. Précédemment nous avons enregistré utilisant les lignes parallèles des alignements de CNT qui renforcent seulement dans le sens parallèle aux lignes. Les configurations de Réseau cependant tiennent compte du renforcement mécanique dans le y-plan de x et d'un composé de film mince. En général les lignes de réseau sont 5μm larges et la séparation entre les lignes est augmentée pour varier la fraction de volume de CNTs développée sur la surface de substrat. Nous emploierons alors ces derniers CNTs comme-élevé pour renforcer des films minces de polymère par la rotation vêtant un polymère durcissable sur les réseaux de nanotube.

Expérimental

Des nanotubes de Carbone ont été développés par CVD utilisant l'acétylène, CH22, comme source de carbone. Des Substrats utilisés pour l'accroissement de nanotube ont été préparés par la lithographie douce modelant comme décrit ailleurs [20-22]. Cette technique utilise l'utilisation d'une estampille d'élastomère, de modeler une solution de catalyseur sur un substrat d'oxyde de silicium. L'estampille est moulée d'un maître de silicium modelé par des techniques conventionnelles de photolithographie (Figure 1A).

Le Schéma 1. (a) : Schéma de modeler un maître de silicium utilisant la photolithographie traditionnelle. (b) : Schéma de mouler une estampille d'élastomère d'un maître de silicium. L'estampille peut alors être utilisée pour la structuration douce de lithographie. Beaucoup d'estampilles peuvent être moulées du même maître.

Structuration de Photolithographie

La première étape dans la structuration de photolithographie du maître était de concevoir un chrome positif sur le quartz de haute catégorie, 4inch x 4inch x photomask de 0.06inch. Le masque a été conçu utilisant le logiciel de Kic 2,4 [23] et alors fabriquées par Photronics (Wales) Ltd. Le design que nous avons choisi étaient les configurations de réseau avec l'écartement incrémental entre les lignes de réseau. La position des lignes de réseau correspond à l'emplacement éventuel des alignements de CNT. Par Conséquent, nous diminuons systématiquement la fraction de volume de CNTs développée sur la surface de substrat en augmentant l'écartement d'inter-réseau. On le destine que ces configurations de réseau de CNT soient comportées aux composés de film mince. Nous aurons pour cette raison une méthode de régler la fraction de volume des nanotubes encastrés dans une modification de polymère. C'est l'emplacement et la densité des réseaux inclus de nanotube qui déterminent les propriétés mécaniques, électriques et thermiques du matériau composite. Gridlines ont été conçus pour être 5ƒÊm au loin avec des séparations de 5μm à 75μm.

Photomask

Ce photomask a été alors employé pour transférer la configuration de réseau sur un maître de silicium. Un disque de silicium a été nettoyé la première fois utilisant un peroxyde/solution acide sulfurique (HSO24 : HO22 dans le taux de 3 : 1) et pré-cuit au four pour enlever toute eau résiduelle. Ensuite une couche de HMDS (hexamethyldisilazane), promoteur d'adhérence était moulage de rotation sur le silicium suivi du vernis photosensible de positif de Shipley 1813. Le photomask a été mis au-dessus du vernis photosensible et des zones démasquées ont été dépolymérisées par l'exposition à l'UV. Après l'Exposition aux UV, le révélateur de Shipley MF 319 a été employé pour enlever les zones du vernis photosensible qui avaient dégradé. La configuration a été transférée par gravure d'ion réactive, RIE, du silicium exposé. RIE a comporté l'utilisation du gaz4 de CF à un débit de 50 centimètres cubiques normaux par minute (sccm), alimentation électrique de rf à 100W et pression de 1 Torr. Le temps gravure à l'eau forte était 15min. Le maître corrodé était imagé par Microscopie Électronique de Lecture d'Émission De Champ (FESEM) Et un profil de hauteur a été obtenu par interférométrie.

Estampilles d'Élastomère

La prochaine phase était de mouler des estampilles d'élastomère de ce maître de silicium. L'élastomère utilisé est poly (dimethylsiloxane), PDMS, (Dow Corning). C'est un polymère hydrophobe et adhérera fortement au maître de silicium. La raison de cette chasse aux phoques irréversible est la formation - les obligations O-SI-o par une réaction de condensation des groupes de silanol sur le PDMS et - d'Oh-contenir covalent les groupes fonctionnels sur le silicium. Par Conséquent nous devons rendre le maître hydrophobe avant de mouler les estampilles. Ceci est fait utilisant le fluorosilane en tant que promoteur de release. Le maître de silicium est nettoyé et D'abord lancé par UV/ozone pour 30mins. Juste après le lancement, le substrat est mis dans un dessicateur avec environ 0.3-0.5 ml (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) - trichloro-silane, (Oakwood Products Inc.). Le dessicateur est pompé vers le bas à une pression de 2,0 mbar. Après 60 mn le dessicateur est exhalé avec de l'air. Le substrat est alors inséré dans un four préchauffé à 60ºC pour 45min.

Estampilles d'Élastomère de PDMS

Des estampilles d'élastomère de PDMS ont été moulées du maître hydrophobe de silicium (Figure 1B). Un mélange de base de PDMS : adjuvant de salaison, dans des 10 : 1 taux, était moulage de goutte sur le maître et permis de corriger dans des conditions atmosphériques pendant 4 jours. Les estampilles corrigées de PDMS alors relâchées facilement du maître et comme prévu, les estampilles ont affiché la topologie inverse des maîtres. Ceci a été vérifié par interférométrie. Les Estampilles étaient de l'ordre de 1cm épais.

Structuration de Catalyseur

Les estampilles ont été alors employées pour modeler un fer contenant le catalyseur pour l'accroissement de CNT. Poly (styrène-vinylferrocene), a été anioniquement synthétisé par les auteurs, et caractérisé par la Chromatographie de Perméation de Résonance Magnétique Nucléaire et de Gel (non affichée) pour déterminer son teneur de fer (2,1%). L'Analyse Gravimétrique Thermique a prouvé qu'entre 350ºC et 450ºC, 93% du polymère décomposé. Elle a également confirmé que 4% des particules de catalyseur (vraisemblablement fer ou oxyde de fer) est resté 800º au ‹C. Hence, ce catalyseur convenait pour l'usage dans l'accroissement de CVD CNT, qui a été déterminé précédemment pour être optimal à 700ºC [19].

Le catalyseur de PS-PVF a été modelé sur 100nm SiO2, qui est suffisamment au-dessus de l'épaisseur critique de 50nm où la vitesse d'accroissement de NT sature [24]. La CVD a été exécutée sous l'argon à la pression atmosphérique. Le débit de gaz porteur d'argon était 200sccm. Le gaz actif utilisé était acétylène. Le débit pour l'acétylène était 200sccm. CNTs ont été développés à 700ºC (aux fibres du carbone 800ºC avec une forme 100nm plus grande de diamètres puis) et le temps de dépôt peut être varié de 10min à 1hr selon la longueur de CNTs a exigé.

Résultats et Discussion

Des configurations de Réseau ont été corrodées dans un maître de silicium (le Schéma 2). 4inch x maître de 4inch ont été séparés dans 15 parties. Chaque partie a contenu des configurations de réseau de 5μm avec des écartements s'échelonnant de 5-75μm. Ceci a correspondu aux fractions de volume de 12-92%.

Le Schéma 2. FESEM (a) affiche à un silicium les configurations de réseau de affichage principales. L'Interférométrie (b) affiche le profil de hauteur du maître.

Le maître a été alors traité avec le fluorosilane pour former une surface avec de l'énergie libre dièdre faible. La cornière de contact a été mesurée pour changer d'une moyenne 16º de ± 2º en une valeur moyenne 114º du ± 6º, qui était stable pendant plus de 45 jours. Des estampilles d'Élastomère ont été alors moulées du maître et facilement relâchées. L'Interférométrie a prouvé que la profondeur des caractéristiques techniques sur les estampilles était 492nm (le Schéma 3). Ces estampilles ont été utilisées comme demande de règlement produite et aucune autre n'était nécessaire. Les méthodes Précédentes [7,8,10] ont décrit le hydrophilization des estampilles de PDMS pour les rendre compatibles avec des solutions de catalyseur à modeler. Cette phase est inutile avec du notre matériau de catalyseur.

Le Schéma 3. Une échographie d'interférométrie affiche la topologie extérieure de l'estampille et donne un profil de hauteur de 492nm.

Les estampilles ont été employées pour modeler une solution de catalyseur sur des substrats2 de SiO. Le catalyseur utilisé était poly (styrène-vinylferrocene), PS-PVF. La pièce de vinylferrocene de ce polymère contient un noyau de fer qui est en activité comme catalyseur pour l'accroissement de CNT aux températures utilisées dans ces expériences. La poudre de polymère de PS-PVF a été dissoute en toluène. Au Commencement le tétrahydrofurane a été utilisé comme solvant mais, nous avons obtenu la qualité améliorée de configuration à l'aide du toluène. Le Toluène gonfle, semble-t-il, PDMS [22] mais pour nos tailles de caractéristique technique de 5μm nous n'avons trouvé aucun effet inverse sur la qualité de configuration. Nous pouvions également réutiliser les estampilles de PDMS un certain nombre de fois avant que la qualité de configuration ait commencé à dégrader. Nous avons utilisé une solution de 4wt% (la variation de la concentration de la solution peut être employée comme méthode pour régler la densité de l'accroissement de nanotube [19]). Une goutte de solution de PS-PVF a été mise sur les substrats2 de SiO. L'estampille d'élastomère a été alors mise en contact avec le substrat. La solution de catalyseur migre dans les incisions sur l'estampille, elle été laissée durant la nuit pour que le toluène s'évapore et quand l'estampille a a été retirée elle a indiqué un substrat modelé suivant les indications du Schéma 4.

Le Schéma 4. micro-configurations de Catalyseur produites par la structuration douce de lithographie. L'écartement entre les gridlines est 10, 25 et 50μm (de gauche à droite). La largeur des gridlines est constante à 5μm.

La structuration Douce de lithographie nous permet de loger les particules de catalyseur à dans les cotes de nos configurations. Par Conséquent pendant la CVD nous compterions que le CNTs se développent seulement dans les cotes des réseaux qui a été observé sur le Schéma 5.

Le Schéma 5. Après CVD, l'accroissement de nanotube de carbone s'est produit seulement sur les zones micro-modelées du substrat. CNTs ont été développés sur des réseaux avec l'écartement de 10μm (a) et l'écartement de 50μm (b). (c) et (d) affichent un agrandissement plus élevé des nanotubes développé dans les cotes des réseaux.

Conclusions

En conclusion, nous enregistrons une technique peu coûteuse évolutive pour élever des configurations de réseau des alignements de nanotube. L'écartement d'inter-réseau peut être réglé au besoin donnant une méthode simple de régler la fraction de volume des nanotubes développée sur nos substrats. Il est notre intention de comporter ces alignements de CNT à un composé autonome flexible de film mince. Pour faire ceci nous utiliserons une méthode nouvelle de production composée précédemment décrite et expliquée par les auteurs.

Utilisant la lithographie douce modelant nous pouvons sélecteur positionner les tunnels de conduction de CNT et régler leur fraction de volume dans le composé. Le composé peut alors être utilisé pour les applications qui exigent les tunnels conducteurs dans une modification bendable. Ces applications comprennent l'électronique flexible, les écrans électromagnétiques et les senseurs.

Remerciements

Les auteurs reconnaissent l'Autorité Irlandaise d'Enseignement Supérieur (HEA), l'Entreprise Irlande et le Projet de Recherche Visé par Détail d'UE DESYGN-IT (Aucun NMP4-CT-2004-505626) pour le soutien financier.

Les auteurs sont également reconnaissants à Prof. P.M. Ajayan et à Prof. C.Y. Ryu, d'Institut Polytechnique de Rensellaer, New York, et aussi, Prof. S. Curran d'Université De L'Etat Du Nouveau Mexique, pour leur puissance d'entrée initiale dans ce projet.

Références

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24. A. Cao, P.M. Ajayan, G. Ramanath, R. Baskaran, K. Turner, APPL. Phys. Lett., 84 (1), 109, 2004

Détails des Contacts

Werner J. Blau, M. Emer Lahiff, Andrew I. Minett et M. Kentaro Nakajima

Centre de Recherches de Polymère de l'Irlande de Matériaux
École de la Physique,
Université Dublin de Trinité
Dublin 2
L'Irlande

Email : wblau@tcd.ie

 

 

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

Last Update: 15. July 2013 15:59

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