OARS - Open Access Rewards System
DOI : 10.2240/azojono0125

Producera Kontrollerat Raster Mönstrar av Nanotube Samlingar för Förstärkning av PolymerKomposit

 

DESYGN IT - Special Upplaga

Design, Syntes och Tillväxt av Nanotubes för Industriell Teknologi

 
 

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

Ta Copyrightt på AZoM.com Pty Ltd.

Denna är en Öppen AZo Tar Fram Belöningar, artikeln för Systemet som (AZo-OARS som) är utdelad under, benämner av AZo-OARSNA http://www.azonano.com/oars.asp, som oinskränkt bruk för tillstånd g det original- arbetet citeras riktigt, men begränsas till denreklamfilm fördelning och reproduktionen.

Sänt: 6th November 2007

Postat: 16th November 2007

Täckte Ämnen

Abstrakt begrepp

Inledning

Experimentellt

Mönstra för Photolithography

Photomask

ElastomerStämplar

PDMS-ElastomerStämplar

Mönstra för Katalysator

Resultat och Diskussion

Avslutningar

Bekräftelser

Hänvisar till

Kontakten Specificerar

Abstrakt begrepp

Att maximera verkställa av kolnanotube (CNT)förstärkningen på en tunn polymer filma, stunder som minimerar nöjd nanotube, ett controllable av varierande volymen, del långt av CNTs inom komposit är nödvändigt. Här beskriver vi fabriceringen av det controllable CNT-rastret mönstrar på en silikonoxidsubstrate vid Kemisk DunstAvlagring (CVD). Vid varierande rasteravskiljandena kan vi behandla beloppet av CNTs gåva på substratesna. Dessa som-fullvuxna nanotubesamlingar kan lätt inkorporeras in i en fri stå polymer filmar thin som visade för en tid sedan [1]. Inbäddade nanotubes förstärker mekaniskt en polymer och ger också en knyta kontakt av ledningsbanor till och med en isolera polymermatris. Mekaniska elektriska och termiska conductivities för förstärkning, av det sammansatt materiellt beror på läget, och koncentration av dessa ledning kanaliserar.

Mjukt mönstra för lithography av katalysatorn som används under nanotubeproduktion, låter för selektiv positionering av CNT-samlingar. Mång--Walled kolnanotubes var fullvuxna vid upplösningen av acetylene i en CVD-kammare.

Inledning

Det är den dokumenterade brunnen - att kolnanotubes har en enorm variation av potentiella applikationer. Denna är tack vare deras elektriska kick, och termiska conductivities, ovanlig styrka, styvhet och kapacitet för att återvinna deras original formar efter kompression [2-5]. Kolnanotubes kan vara fullvuxna av olika bearbetar som inkluderar; bågurladdning, laser-ablation och kemisk dunstavlagring. Det mest lova av dessa tekniker är CVD som låter CNTs vara fullvuxen i situ på pre-mönstrade substrates [6]. Att mönstra för Stunder göras konventionellt av photolithography, för en tid sedan en kallad ny metod mjukt mönstra för lithography har visats för att vara effektivare, ekonomiskt och mångsidigt [7-10]. Nanotubes är av enormt intresserar båda i deras original bildar, och också som del av en materiell komposit. Inbäddade nanotubes i polymermatriser förhöjer den materiella rekvisitan vid ökande mekanisk styrka och conductivity [11-13]. Emellertid när sammansatt bildande bärs ut i lösning, bildar CNTs vanligt aggregat som har förminskat rekvisita i jämförelse med individrör. Också for optimalt ladda överföringen från polymern till den inbäddade CNTsen, det måste finnas ett starkt har kontakt mellan rören och matrisen. Dessa är, men två av problemen som är tillhörande med CNT-polymer sammansatt produktion och dem, har tilltalats av många forskninggrupper. Möjlighetlösningar inkluderar plasmabehandling som leder till förhöjd spridning [14] och functionalisationen av CNTsen [15]. Lyckad inkorporering av CNTs i polymermatriser kunde leda till applikationer däribland; lägenhetpanelskärmar, avkännare, böjliga elektroniska apparater och utlösare [16-18]. Innan realisering deras fulla potentiellt, utfärdar av controllable, och den ekonomiska produktionen av nanotubes och deras följande komposit, måste vara betagen.

Vi har anmält ett effektivt och kostar föregående - effektiv metod av att inkorporera kolnanotubes in i ett poly (dimethylsiloxane), PDMS, polymermatris [1]. Genom Att Använda denna teknik var vi kompetent till införlivade som-fullvuxna CNT-samlingar in i en komposit. Detta avlägsnar behovet att skingra CNTsen före sammansatt bildande. Det låter också kontrollerar över placera och tätheten av de inbäddade nanotubesna. Morfologin av de inbäddade nanotubesna kan kontrolleras, genom att förändra CVDEN, villkorar van vid växer CNTsen [19].

Här beskriver vi den följande riktningen av vår forskning som är att variera volymen del av CNTs i en förstärkt polymer. Detta göras av växande CNT-samlingar i raster mönstrar. Föregående anmälde vi genom att använda parallell fodrar av CNT-samlingar som förstärker endast i riktningsparallellen till fodrar. Rastret mönstrar låter emellertid för mekanisk förstärkning i både xet, och detplant av ett tunt filmar komposit. I allmänhet fodrar rastret är breda 5μm, och avskiljandet between fodrar ökas för att variera volymen del av CNTs som är fullvuxen på substraten, ytbehandlar. Vi ska därefter dessa bruk som-fullvuxna CNTs för att förstärka polymern filmar thin vid snurrandet som täcker en curable polymer på nanotuberastren.

Experimentellt

Kolnanotubes var fullvuxna vid CVD genom att använda acetylene, CH22, som kolkällan. Substrates som användes för nanotubetillväxt, var förberedda av mjuk lithography som mönstrar som beskrivit någon annanstans [20-22]. Denna teknik använder bruket av en elastomerstämpel, att mönstra en katalysatorlösning på en silikonoxidsubstrate. Stämpeln casts från ett ledar- mönstrat för silikoner av konventionella photolithographytekniker (Figurera 1A).

Figurera 1.  (a): Schematiskt av att mönstra en silikon styra genom att använda traditionell photolithography. (b): Schematiskt av rollbesättning en elastomerstämpel från en ledar- silikon. Stämpeln kan därefter användas för mjukt mönstra för lithography. Många stämplar kan casts från det samma ledar-.

Mönstra för Photolithography

Första steg, i att mönstra för photolithography av det ledar-, var att planlägga en realitetkrom på kick graderar kvartar, 4inch x 4inch x 0.06inch-photomask. Maskera planlades genom att använda Kic 2,4 programvara [23] och tillverkades därefter av den Photronics (Wales) AB. Designen som vi valde, var rastret mönstrar med ökande göra mellanslag mellan rastret fodrar. Placera av rastret fodrar motsvarar till det slutligen läget av CNT-samlingar. Hence oss systematiskt minskning som volymen del av CNTs som är fullvuxen på substraten, ytbehandlar vid ökande inter-raster göra mellanslag. Det ämnas att rastret för dessa CNT mönstrar inkorporeras in i tunt filmar komposit. Vi ska har därför en metod av att kontrollera volymen för att del av nanotubes inbäddade inom en polymermatris. Det är läget, och täthet av inbäddad nanotube knyter kontakt som bestämmer den mekaniska, elektriska och termiska rekvisitan av den materiella komposit. Gridlines planlades för att vara 5ƒÊm som var breda med avskiljanden från 5μm till 75μm.

Photomask

Denna photomask var därefter den van vid överföringen som rastret mönstrar på en ledar- silikon. Ett silikonrån gjordes först ren genom att använda en peroxide/en sulphuric syrlig lösning (HSO24: HO22 i förhållandet av 3:1) och pre-bakat för att ta bort any residualen bevattna. Därefter var ett lagrar av HMDS (hexamethyldisilazane), adhesiontillskyndare snurrandecasten på silikonerna som följdes av Shipley realitetphotoresist 1813. Photomasken förlades över photoresisten, och demaskerade områden depolymerised av exponering till UV. Efter UV exponering var Shipley MF 319 bärare bort van vid tar områden av photoresist som hade degraderat. Mönstra överfördes av reactive jonetsning, RIE, av de utsatta silikonerna. Involverade RIE bruket av CF4 gasar på ett flöde klassar av 50 standarda kubikcm per minimalt (sccm), rf driver på 100W och en pressa av 1 Torr. Etsatiden var 15min. Det etsade ledar- avbildades av Field Microscopy för Elektron för UtsläppScanning, (FESEM) och en höjd profilerar erhölls av interferometry.

ElastomerStämplar

De nästa kliver var att cast elastomerstämplar från denna ledar- silikon. Den använda elastomeren är poly (dimethylsiloxane), PDMS, (Dow som Konserverar). Denna är en hydrophobic polymer, och ska klibba starkt till de ledar- silikonerna. Resonera för detta irreversible försegla är bildandet av covalent - förbindelser Nolla-Si-NOLLa vid en kondensationsreaktion av silanolgrupperna på PDMSEN och - OH-innehålla funktionella grupper på silikonerna. Hence måste vi göra det ledar- hydrophobic för rollbesättning stämplarna. Detta göras genom att använda fluorosilane som en frigörartillskyndare. Först göras aktiveras den ledar- silikonen ren och av UV/ozone för 30mins. Omgående efter aktivering, förläggas substraten i en dessicator samman med omkring 0.3-0.5 ml (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) - trichlorosilane, (Oakwood Produkter Inc.). Dessicatoren pumpas besegrar till en pressa av 2,0 mbar. Efter 60 har noterat, vädras dessicatoren med luftar. Substraten sätts därefter in in i en föruppvärmningsugn på 60ºC för 45min.

PDMS-ElastomerStämplar

PDMS-elastomerstämplar cast från de ledar- hydrophobic silikonerna (Figurera 1B). En blandning av PDMS baserar: avvänjningmedel, i 10: 1 förhållande, var tappar casten på det ledar-, och tillåtet villkorar att kurera under atmosfäriskt över en period av 4 dagar. Den kurerade PDMSEN stämplar därefter utsläppt lätt från det ledar- och, som förväntat, stämplarna visade omvändningtopologin av styr. Detta verifierades av interferometry. Stämplar var i regionen av tjock 1cm.

Mönstra för Katalysator

Stämplarna var van vid mönstrar därefter en stryka som innehåller katalysatorn för CNT-tillväxt. Poly (styrene-vinylferrocene), synthesized anionically av författarna, och karakteriserat av Kärn- Magnetisk (inte-visad) Resonans- och GelPermeationChromatography för att bestämma dess stryka nöjt (2,1%). Termisk Gravimetric Analys visade att mellan 350ºC och 450ºC, 93% av den förmultnade polymern. Den bekräftade också, att 4% av katalysatorpartiklarna (stryka eller stryka förmodligen oxiden) återstod på 800º ‹C. Hence, denna katalysator var passande för bruk i tillväxt för CVD CNT, som var beslutsam föregående att vara optimal på 700ºC [19].

PS--PVFkatalysatorn mönstrades på 100nm SiO2, som är tillräckligt ovanför den kritiska tjockleken av 50nm, var NT-tillväxthastighet genomdränker [24]. CVD utfördes under argon på atmosfäriskt pressar. Argonbäraren gasar flöde klassar var 200sccm. Aktivet gasar använt var acetylene. Flödet klassar för acetylene var 200sccm. CNTs var fullvuxen på 700ºC (på fibrer för kol 800ºC med diametrar som mer stor 100nm bildar därefter), och avlagringtid kan vara omväxlande från 10min till 1hr beroende av längden av CNTs krävde.

Resultat och Diskussion

Rastret mönstrar etsades in i en ledar- silikon (Figurera 2). Avskildes 4inch x ledar- 4inch in i 15 delar upp. Varje delar upp innehöll 5μm som rastret mönstrar med mellanrum som spänner från 5-75μm. Detta motsvarade till volym del från 12-92%.

Figurera 2. FESEM (a) visar att ett ledar- visande raster för silikoner mönstrar. Interferometry (b) visar att höjden profilerar av det ledar-.

Det ledar- behandlades därefter med fluorosilane för att bilda en ytbehandla med låg mellan två ytor fri energi. Kontakten metar mättes för att ändra från ett genomsnitt av 16º ± 2º till ett genomsnitt värderar av 114º ± 6º, som var stabil för mer än 45 dagar. Elastomerstämplar cast därefter från det ledar- och utsläppt lätt. Interferometryen visade att djupet av särdragen på stämplarna var 492nm (Figurera 3). Dessa stämplar användes, som producerad och ingen mer ytterligare behandling var nödvändig. Föregående metoder [7,8,10] har beskrivit hydrophilizationen av PDMS-stämplar för att göra dem kompatibla med katalysatorlösningar som ska mönstras. Detta kliver är onödigt med vår materiella katalysator.

Figurera 3. En interferometrybildläsning visar ytbehandlatopologin av stämpeln och ger en höjd profilerar av 492nm.

Stämplarna var van vid mönstrar en katalysatorlösning på SiO2 substrates. Den använda katalysatorn var poly (styrene-vinylferrocene), PS-PVF. Vinylferrocenedelen av denna polymer innehåller en stryka kärnar ur som är aktivet som en katalysator för CNT-tillväxt på temperaturerna som används i dessa experiment. PS--PVFpolymern pudrar upplöstes i toluene. Initialt användes tetrahydrofuran som vätskan, men, erhöll vi förhöjt mönstrar kvalitets-, genom att använda toluene. Toluene sväller enligt rapporten PDMS [22], men för våra 5μm som särdrag storleksanpassar oss, grunda inte motsatt verkställer på den kvalitets- mönstra. Vi var också kompetent beträffande-bruk som PDMSEN stämplar ett nummer av tider, för mönstra kvalitets- började att degradera. Vi använde en varierande 4wt% lösning (koncentrationen av lösningen kan användas som en metod för att kontrollera tätheten av nanotubetillväxt [19]). En tappa av PS--PVFlösningen förlades på de SiO2 substratesna. Elastomerstämpeln koms med därefter in i kontakt med substraten. Katalysatorlösningen migrates in i räfflar på stämpeln, den över natten för att lämnades toluenen ska avdunsta, och, då stämpeln togs bort, avslöjde den en mönstrad substrate, som visat in Figurera 4.

Figurera 4. Katalysatorn mikro-mönstrar frambragt av mjukt mönstra för lithography. Göra mellanslag mellan gridlines är 10, 25 och 50μm (från vänster till höger). Bredden av gridlinesna är konstant på 5μm.

Mjukt mönstra för lithography låter oss begränsa katalysatorpartiklarna till inom dimensionerar av vårt mönstrar. Därför under CVD skulle vi förväntar att CNTsen växer endast inom dimensionerar av rastren som observerades in Figurerar 5.

Figurera 5. Efter CVD uppstod kolnanotubetillväxt endast på demönstrade områdena av substraten. CNTs var fullvuxen på raster med 10μm (a) som görar mellanslag, och 50μm som görar mellanslag (b). och (D) (c) visa att en högre förstoring av nanotubesna som är fullvuxna inom dimensionerar av rastren.

Avslutningar

Avslutningsvis anmäler vi en scalable billig teknik för att växa raster mönstrar av nanotubesamlingar. Inter-raster göra mellanslag kan anpassas, som krävt ge en enkel metod av att kontrollera volymen del av nanotubes som är fullvuxna på våra substrates. Det är vår avsikt till införlivat dessa CNT-samlingar in i ett böjligt fristående tunt filmar komposit. Att att göra detta som vi ska använder en ny metod av den sammansatt produktionen som beskrevs och visades föregående av författarna.

Genom Att Använda mjuk lithography mönstra som vi kan selektivt placera CNT-ledningen, kanaliserar och kontrollerar deras volym del inom komposit. Komposit kan därefter användas för applikationer som kräver ledande kanaliserar inom en bendable matris. Dessa applikationer inkluderar böjlig elektronik som är elektromagnetisk skyddar och avkännare.

Bekräftelser

Författarna bekräftar den Irländska Högre utbildningMyndigheten (HEA), Företaget Irland, och Uppsätta som mål Forskningen för EG Närmare detalj Projekterar DESYGN-IT (Ingen NMP4-CT-2004-505626) för ekonomisk hjälp.

Författarna är också tacksamma till Prof. P.M. Ajayan och Prof. C.Y. Ryu, av Rensellaer det Polytekniska Institutet, New York, och också, Prof. S. Curran av Nytt - den mexico Delstatsuniversiteten, for deras initialt matar in in i denna projekterar.

Hänvisar till

1.     E. Lahiff, C.Y. Ryu, S. Curran, A.I. Minett, W.J. Blau, P.M. Ajayan, Nano Lett. (Kommunikation), 3(10), 1333-1337, 2003.

2.     M.R. Falvo, G.J. Clary, R.M. Taylor, V. Chi, F.P. Bäck Jr, S. Washburn, R. Extrafin, Natur, 389, 582, 1997.

3.     J.W.G. Wildoer L.C. Venema, A.G. Rinzler, R.E. Smalley, C. Dekker, Natur, 1998, 391, 59.

4.     M.J. Biercuk, M.C. Llaguno, M. Radosavljevic, J.K. Hyun, A.T. Johnson Appl. Phys. Lett., 2002, 80, 2767.

5.     S.A. Chesnokov, V.A. Nalimova, A.G. Rinzler, R.E. Smalley, J.E. Fischer, Phys. Rev. Lett., 82 (2), 343, 1999.

6.     B.Q. Wei, R. Vajtai, Y. Jung, J. Avvärja, R. Zhang, G. Ramanath, P.M. Ajayan, Natur, 416, 495, 2002.

7.     H. Sort J.M. Bonard, C. Emmenegger, L.O. Nilsson, K. Hernadi, E. Maillard-Schaller, L. Schlapbach, L. Forro, K. Kern, Adv. Mater., 11 (15), 1285, 1999

8.     J.M. Bonard, P. Chauvin, C. Klinke, Nano Lett., 2 (6), 665-667, 2002

9.     S. Huang, L. Dai, A. Mau, Physica B, 323, 333-335, 2002.

10. H. Sort J.M. Bonard, L. Forro, K. Kern, K. Hernadi, L.O. Nilsson, L. Schlapbach, Langmuir, 16, 6877-6883, 2000.

11. M. Cadek, J.N. Coleman, K.P. Ryan, V. Nicolosi, G. Bister, A. Fonseca, J.B. Nagy, K. Szostak, F. Beguin, W.J. Blau, Nano Lett., (Kommunikationen), 4(2); 353-356 2004.

12. J.N. Coleman, M. Cadek, R. Blake, V. Nicolosi, K.P. Ryan, C. Belton, A. Fonseca, J.B. Nagy, Y.K. Gun'ko, W.J. Blau, Adv. Gyckel. Mater., 14 (8), 791-798, 2004

13. A.B. Dalton, S. Collins, E. Munoz, J.M. Razal, V.H. Ebron, J.P. Ferraris, J.N. Coleman, B.G. Kim, R.H. Baughman, Natur, 2003, 423, 703.

14. D. Shi, J. Lian, P. Honom L.M. Wang, F. Xiao, L. Yang, M.J. Schulz, D.B. Mast, Appl. Phys. Lett., 83 (25), 5301, 2003.

15. Velasco-Santos A.L. Martýnez-Hernandez, F.T. Fisher R. Ruoff, V.M. Castan, Chem. Mater., 15, 4470-4475, 2003.

16. W.A. de Heer, A. Chatelain, D. Ugarte, Vetenskap, 1995, 270, 1179.

17. A. Modi, N. Koratkar, E. Jänta, B. Wei, P.M. Ajayan, Natur, 2003, 424, 171.

18. S. Courty, J. Bryta, A.R. Tajbakhsh och E.M. Terentjev, Europhys. Lett., 2003, 64 (5), 654-660.

19. E. Lahiff, A.I. Minett, S. Curran, C.Y. Ryu, W.J. Blau, P.M. Ajayan som är Matt. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 782, A5.11.1, 2004.

20. Y. Xia, G.M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed., 37, 550-575, 1998.

21. Y. Xia, J. Tien, D. Qin, G.M. Whitesides, Langmuir, 12, 4033-4038, 1996.

22. A. Kumar, G.M. Whitesides, Appl. Phys. Lett., 63 (14), 2002-2004, 1993.

23. IC-DesignProgramvara, Whiteley Research Inc., UtsiktAveny för 456 Floror, Sunnyvale CA 94086.

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

Kontakten Specificerar

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

Forskning för den MaterialIrland Polymern Centrerar
Skola av Fysik,
TrinityHögskola Dublin
Dublin 2
Irland

E-post: wblau@tcd.ie

 

 

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

Last Update: 15. July 2013 16:40

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit