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DOI : 10.2240/azojono0125

ポリマー合成物を増強するための Nanotube のアレイの制御された格子図形を作り出します

 

DESYGN IT - 特集号

産業技術のための Nanotubes のデザイン、統合および成長

 
 

Emer Lahiff、 Kentaro 中島町、 A.I. Minett および W.J. Blau

版権の AZoM.com の Pty 株式会社。

これは割り当ての制限されていない使用が元の作業をきちんと引用されたり非営利的な分布および再生に限定される提供したが、 AZo オール http://www.azonano.com/oars.asp の条件のもとで配られるアゾの開架の報酬システム (AZo オール) 記事です。

入れられる: 2007 年th 11 月 6 日

掲示される: 2007 年th 11 月 16 日

カバーされるトピック

概要

導入

実験

写真平版の模造

フォトマスク

エラストマーのスタンプ

PDMS のエラストマーのスタンプ

触媒の模造

結果および議論

結論

確認応答

参照

接触の細部

概要

最小化の nanotube の内容は、合成物内の (CNT) CNTs の体積分率を変える制御可能な方法必要であるが、ポリマー薄膜に対するカーボン nanotube の補強の効果を最大化するため。 ここに私達は化学気相堆積によってケイ素酸化物の基板の制御可能な CNT の格子図形の製造を記述します (CVD)。 格子分離の変化によって私達は基板の CNTs の量を処理してもいいです。 これらは最近示されるように自由で永続的なポリマー薄膜にように育てられた nanotube のアレイ容易に組み込むことができます [1]。 埋め込まれた nanotubes は機械的にポリマーを増強し、また絶縁ポリマーマトリックスを通して伝導のパスのネットワークを提供します。 複合材料の機械補強の、電気および熱伝導度はこれらの伝導チャネルの位置そして集中によって決まります。

nanotube の生産の間に使用される CNT のアレイの選択的な位置を触媒の柔らかい石版印刷の模造は可能にします。 複数の囲まれたカーボン nanotubes は CVD 区域のアセチレンの分解によって育ちました。

導入

それはカーボン nanotubes にいろいろ潜在的なアプリケーションがあることよくとり上げられます。 これは高い電気および熱伝導度、例外的な強さ、剛さおよび機能が原因圧縮 [2-5] の後で元の形を取り戻すです。 カーボン nanotubes は含んでいる異なったプロセスによって育てることができます; アーク放電、レーザーの切除および化学気相堆積。 これらの技術の最も有望の CNTs が前模造された基板 [6] でそのままで育つようにする CVD です。 模造が写真平版によって通常される間、最近呼出される新しい方法はより効率的、経済的多目的であるために柔らかい石版印刷の模造示されてしまいました [7-10]。 Nanotubes は原型の、そしてまた複合材料の一部とする途方もない興味両方です。 ポリマーマトリックスの埋め込まれた nanotubes は機械強さおよび伝導性 [11-13] 高めることによって物質的な特性を高めます。 ただし、合成の形成が解決で遂行される時、個々の管と比べて減らされた特性がある通常 CNTs 形式の総計。 またポリマーからの埋め込まれた CNTs への、なぜなら最適ロード転送、管とマトリックス間に強いインターフェイスがなければなりません。 これらはありますが、 CNT ポリマー合成の生産およびと関連付けられる多くの研究グループ問題の 2 つはアドレス指定されました。 可能な解決策は高められた分散 [14] および CNTs [15] の functionalisation に導く血しょう処置を含んでいます。 ポリマーマトリックスの CNTs の正常な結合はアプリケーションのを含む原因となることができます; フラットパネルディスプレイ、センサー、適用範囲が広い電子デバイスおよびアクチュエーター [16-18]。 豊富な可能性を、 nanotubes およびそれに続く合成物の制御可能な、経済的な生産の問題は実現する前に、克服されなければなりません。

私達は多に前にカーボン nanotubes (dimethylsiloxane)、 PDMS のポリマーマトリックス [1] 組み込む効率的な、費用有効方法を報告してしまいました。 この技術を使用して私達は合成物にように育てられた CNT のアレイを組み込めました。 これは合成の形成前に CNTs を分散させる必要性を除去します。 それはまた埋め込まれた nanotubes の位置そして密度の制御を可能にします。 埋め込まれた nanotubes の形態は使用される CVD の状態の変更によって CNTs [19] 育てるのに制御することができます。

ここに私達は補強されたポリマーの CNTs の体積分率を変えることである私達の研究のそれに続く方向を記述します。 これは格子図形の成長 CNT のアレイによってされます。 以前は私達はラインに平行方向でだけ増強する CNT のアレイの平行ラインを使用して報告しました。 しかし格子図形は薄膜の合成物の x- および y 平面両方の機械補強を可能にします。 一般にグリッド線は広い 5μm であり、基板の表面で育つ CNTs の体積分率を変えるためにライン間の分離は高められます。 私達はそれから nanotube の格子に治療が可能なポリマーに塗る回転によってポリマー薄膜を補強するのにこれらをように育てられた CNTs 使用します。

実験

カーボン nanotubes はカーボンソースとしてアセチレンを使用して CVD、22 CH によって、育ちました。 nanotube の成長に使用した基板は他の所で記述されているように模造する柔らかい石版印刷によって準備されました [20-22]。 この技術はエラストマーのスタンプの使用を、ケイ素酸化物の基板に触媒の解決を模造する用います。 スタンプは慣習的な写真平版の技術 (図 1A) によって模造されるケイ素のマスターから投げられます。

図 1. (a): 従来の写真平版を使用してケイ素のマスターの模造の設計図。 (b): ケイ素のマスターからのエラストマーのスタンプを投げることの設計図。 スタンプは柔らかい石版印刷の模造にそれから使用することができます。 多くのスタンプは同じマスターから投げることができます。

写真平版の模造

マスターの写真平版の模造の第一歩は高い等級の水晶、 4inch x 4inch x 0.06inch のフォトマスクの肯定的なクロムを設計することでした。 マスクは Kic 2.4 のソフトウェア [23] を使用して設計され、次に Photronics (ウェールズ) 株式会社によって製造されました。 私達が選択したデザインはグリッド線間のインクレメンタル間隔の格子図形でした。 グリッド線の位置は CNT のアレイの終局の位置に対応します。 それ故に、私達は組織的に相互格子間隔を高めることによって基板の表面で育つ CNTs の体積分率を減らします。 これらの CNT の格子図形が薄膜の合成物に組み込まれることが意図されています。 従って私達にポリマーマトリックスの内で埋め込まれた nanotubes の体積分率を制御する方法があります。 それは複合材料の機械の、電気および熱特性を定める埋め込まれた nanotube ネットワークの位置そして密度です。 Gridlines は 5μm から 75μm まで分離との 5ƒÊm であるように広く設計されていました。

フォトマスク

このフォトマスクがそれからケイ素のマスターに格子図形を転送するのに使用されました。 シリコンの薄片は過酸化物/硫酸の解決 (HSO を使用して最初にきれいになりました24: HO22 3 の比率で: 1) および残り水を取除くために前焼かれる。 次に HMDS (hexamethyldisilazane) の層は、付着促進者 Shipley 1813 の陽性の光硬化性樹脂に先行しているケイ素に回転の鋳造物でした。 フォトマスクは光硬化性樹脂に置かれ、暴露された領域は紫外線への露出によって単量体に分解されました。 紫外線露出の後で低下した光硬化性樹脂の領域を取除くのに、 Shipley MF 319 の開発者が使用されました。 パターンは反応イオン・エッチング、露出されたケイ素の RIE によって、転送されました。 RIE は分 (sccm)、4 rf 力および 1 トルの圧力ごとの 50 の標準立方センチメートルの流動度で 100W でカリホルニウムのガスの使用を含みました。 腐食の時間は 15min でした。 エッチングされたマスターはフィールド放出スキャンの電子顕微鏡検査によって視覚化されて、 (FESEM)高さのプロフィールはインターフェロメトリーによって得られました。

エラストマーのスタンプ

次のステップはこのケイ素のマスターからのエラストマーのスタンプを投げることでした。 使用されるエラストマーは多 (dimethylsiloxane)、 PDMS です、 (Dow Corning)。 これは疎水性ポリマーで、ケイ素のマスターに強く付着します。 この不可逆シーリングの理由は共有に - PDMS の silanol のグループの縮合反応による O SiO 結束および - ケイ素の基を OH 含んでいることの形成です。 それ故に私達はマスターをスタンプを投げる前に疎水性にしなければなりません。 これはリリース促進者として fluorosilane を使用してされます。 最初にケイ素のマスターは 30mins のための UV/ozone によってきれいになり、作動します。 アクティブ化の直後に、基板は約 0.3-0.5 ml (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) とともに乾燥器 - trichlorosilane に置かれます、 (Oakwood Products Inc.)。 乾燥器は 2.0 mbar の圧力にポンプでくまれます。 60 分後で乾燥器は空気と出ます。 基板は 45min のための 60ºC の予備加熱されたオーブンにそれから挿入されます。

PDMS のエラストマーのスタンプ

PDMS のエラストマーのスタンプは疎水性ケイ素のマスター (図 1B) から投げられました。 PDMS ベースの混合物: 10 の治癒エージェント、: 1 つの比率は、低下の鋳造物がマスターにそして 4 日一定期間に渡って大気条件の下で治るようにされたでした。 マスターから容易に解放された治された PDMS のスタンプはそれから期待どおりに、スタンプマスターの反対の位層幾何学を表示し。 これはインターフェロメトリーによって確認されました。 スタンプは厚い 1cm あたりのありました。

触媒の模造

スタンプがそれから CNT の成長のための触媒を含んでいる鉄を模造するのに使用されました。 多 (スチレンvinylferrocene)、陰イオンに著者によって総合され、核磁気共鳴そしてゲルの浸透クロマトグラフィーによって鉄内容 (2.1%) を定めるために (示されていない) 特徴付けられ。 熱重量測定分析はことを 350ºC と 450ºC、分解したポリマーの 93% 間で示しました。 触媒の粒子の 4% が 800º ‹に (推定上鉄か酸化鉄) C. Hence 残ったことをまた、この触媒 700ºC [19] で最適であるために前に定められた CVD CNT の成長の使用のために適していました確認しました。

PS-PVF の触媒は NT の成長の速度が2飽和する 50nm の重大な厚さの上に十分にである 100nm SiO に模造されました、 [24]。 CVD は大気圧のアルゴンの下で行われました。 アルゴンの搬送ガスの流動度は 200sccm でした。 使用された実行中のガスはアセチレンでした。 アセチレンのための流動度は 200sccm でした。 CNTs は (直径のより大きいそして 100nm 形式が付いている 800ºC カーボンファイバー) の 700ºC で育ち、沈殿時間は CNTs の長さによって 10min から 1hr への必要となりました変えることができます。

結果および議論

格子図形はケイ素のマスター (図 2) にエッチングされました。 4inch x 4inch のマスターは 15 のセクションに分かれていました。 各セクションは 5-75μm から及ぶ間隔の 5μm の格子図形を含んでいました。 これは 12-92% からの体積分率に対応しました。

(a) 図 2. FESEM はケイ素にマスターの表示の格子図形を示します。 インターフェロメトリー (b) はマスターの高さのプロフィールを示します。

マスターは fluorosilane とそれから低い界面自由エネルギーの表面を形作るために扱われました。 接触角は 16º ± の平均 2º から 45 日間以上安定していた 114º ± の平均値に 6º 変更するために測定されました。 エラストマーのスタンプはマスターからそして投げられ、容易に解放されました。 インターフェロメトリーはスタンプの機能の深さが 492nm (図 3) だったことを示しました。 これらのスタンプは作り出されたそれ以上の処置が必要ではなかったように使用されました。 前の方法 [7,8,10] それらを模造されるべき触媒の解決と互換性があるようにするために PDMS のスタンプの hydrophilization を記述しました。 このステップは私達の触媒材料と不必要です。

図 3。 インターフェロメトリースキャンはスタンプの表面の位層幾何学を示し、 492nm の高さのプロフィールを与えます。

スタンプが SiO の基板に触媒の解決を模造するのに2 使用されました。 使用された触媒は多 (スチレンvinylferrocene)、 PS-PVF でした。 このポリマーの vinylferrocene の部品はこれらの実験で使用される温度で CNT の成長のための触媒としてアクティブである鉄心を含んでいます。 PS-PVF ポリマー粉はトルエンで分解しました。 最初にテトラヒドロフランは溶媒として使用されましたが、私達はトルエンの使用によって高められたパターン品質を得ました。 トルエンは伝えられるところによれば PDMS [22] 膨らましますが、私達の 5μm の形状のために私達はパターン品質に対する悪影響を見つけませんでした。 私達はパターン品質が低下し始めた前に PDMS のスタンプを再使用またいくつかの時間できました。 私達は 4wt% の解決を使用しました (解決の集中を nanotube の成長 [19 制御するのに] の密度を方法として変えることが使用することができます)。 PS-PVF の解決の低下は SiO の基板に2 置かれました。 エラストマーのスタンプは基板が付いている接触にそれから持って来られました。 触媒の解決はスタンプの溝に移行します、蒸発することをトルエンのために夜通しに残し、スタンプは除去されたときに図 4. に示すように模造された基板を明らかにしました。

柔らかい石版印刷の模造によって生成される図 4. 触媒マイクロパターン。 gridlines 間の間隔は 10、 25 および 50μm (左から右) です。 gridlines の幅は 5μm で一定しています。

柔らかい石版印刷の模造は私達が私達のパターンの次元内のに触媒の粒子を制限することを可能にします。 従って CVD の間に私達は図 5. で観察された CNTs が格子の次元の内でだけ育つと期待します。

図 5。 CVD の後で、カーボン nanotube の成長は基板のマイクロ模造された領域でだけ行われました。 CNTs は 10μm の (a) 間隔および 50μm の間隔 (b) の格子で育ちました。 (c) および (d) は格子の次元の内で育つ nanotubes のより高い拡大を示します。

結論

結論として、私達は nanotube のアレイの格子図形を育てるためにスケーラブル安価な技術を報告します。 相互格子間隔は必要とされるように合わせることができま私達の基板で育つ nanotubes の体積分率を制御する簡単な方法を与えます。 それは適用範囲が広く支えがない薄膜の合成物にこれらの CNT のアレイを組み込む私達の意思です。 これをするためには私達は前に著者が記述して、示した合成の生産の新しい方法を用います。

模造する柔らかい石版印刷を使用して私達は選択式に CNT の伝導チャネルを置き、合成物内の彼らの体積分率を制御してもいいです。 合成物は折り曲げられるマトリックス内の伝導性チャネルを必要とするアプリケーションにそれから使用することができます。 これらのアプリケーションは適用範囲が広い電子工学、電磁石の盾およびセンサーを含んでいます。

確認応答

著者はアイルランドの高等教育の権限、 (HEA)企業アイルランドおよび財政援助のための EU の細目によって目標とされる研究計画 DESYGN-IT (NMP4-CT-2004-505626 無し) を認めます。

著者は教授および C.Y. Ryu 教授に P.M. Ajayan また感謝しています、 Rensellaer の工芸学校の、ニューヨークおよびこのプロジェクトにまた、 S. Curran 彼らの最初の入力のためのニューメキシコの州立大学の教授。

参照

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接触の細部

、 Werner J. Blau Emer Lahiff、アンドリュー I. Minett および先生 Kentaro 中島町先生

材料のアイルランドポリマー研究所
物理学の学校、
三位一体の大学ダブリン
ダブリン 2
アイルランド

電子メール: wblau@tcd.ie

 

 

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

Last Update: 15. July 2013 16:10

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