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DOI : 10.2240/azojono0125

导致 Nanotube 列阵的控制栅模式加强的聚合物综合

 

DESYGN IT - 特刊

设计、 Nanotubes 综合和增长行业技术的

 
 

Emer Lahiff、 Kentaro 仲岛, A.I. Minett 和 W.J. Blau

版权 AZoM.com 有限公司 Pty。

这是在许可证无限制的使用提供原始工作适当地被援引,但是被限制到非商业配电器和再生产的 AZo 桨被分配的一个偶氮开路奖励系统 (AZo 桨) 条款 http://www.azonano.com/oars.asp 条件下

提交: 2007年th 11月 6日

张贴: 2007年th 11月 16日

包括的事宜

摘要

简介

实验

石版影印仿造

光掩膜

弹性体印花税

PDMS 弹性体印花税

催化剂仿造

结果和论述

结论

鸣谢

参考

联络详细资料

摘要

最大化碳 nanotube 增强的作用 (CNT)对聚合物薄膜,而使减到最小的 nanotube 目录,变化 CNTs 的体积分数一个可控制的方式在综合内的是需要的。 这里我们由化学气相沉积描述可控制的 CNT 网格图形的制造在氧化硅基体的 (CVD)。 通过变化网格分隔我们可以操作相当数量 CNTs 在基体。 这些增长的 nanotube 列阵可以容易地合并到自由常设聚合物薄膜里如最近被展示 [1]。 嵌入 nanotubes 机械上加强聚合物并且通过一个绝缘的聚合物矩阵提供传导路网络。 这种合成材料的机械增强,电子和导热性取决于这些传导通道的地点和浓度。

在 nanotube 生产时使用的虚拟石版印刷仿造这种催化剂允许有选择性确定 CNT 列阵。 多被围住的碳 nanotubes 由乙炔的分解在 CVD 房间的增长。

简介

是有大量文件证明的碳 nanotubes 有各种各样潜在的应用。 这归结于他们的高电子和导热性、例外力量、僵硬和能力在压缩 [2-5 以后] 收复他们的原始形状。 碳 nanotubes 可以由包括的不同的进程增长; 弧光放电、激光烧蚀和化学气相沉积。 最有为这些技术是在前被仿造的基体的 CVD [6] 允许 CNTs 在原处增长。 当仿造由石版影印时常规完成,叫的一个新的方法虚拟石版印刷仿造最近被展示是更加高效,经济和多才多艺的 [7-10]。 Nanotubes 是作为一种合成材料一部分的极大的利益两个以他们的原来形状,并且。 在聚合物矩阵的嵌入 nanotubes 通过增加机械力量和传导性提高有形资产 [11-13]。 然而,当综合形成在解决方法被执行,通常 CNTs 与各自的管比较,有对比性质的表单综合。 并且,为了从聚合物的最佳的负荷调用到嵌入 CNTs,必须有管和这个矩阵之间的一个严格的界面。 这些是,但是二问题与 CNT 聚合物综合生产和他们交往由许多研究小组论及了。 可能解决方案包括导致改进的 CNTs [15 的] 散射 [14] 和 functionalisation 的等离子处理。 CNTs 的成功的并网在聚合物矩阵的能导致应用包括; 平板显示器、传感器、灵活的电子设备和致动器 [16-18]。 在发挥他们的潜能前,必须解决 nanotubes 和他们随后的综合的可控制和经济生产的问题。

我们以前报告了合并碳 nanotubes 一个高效和有效方法到多 (dimethylsiloxane), PDMS,聚合物矩阵 [1]。 使用此技术我们能合并增长的 CNT 列阵到综合里。 这消灭需要在综合形成之前分散 CNTs。 它也允许对嵌入 nanotubes 的位置和密度的控制。 嵌入 nanotubes 的形态学可以通过修改用于的 CVD 条件控制生长 CNTs [19]。

这里我们描述是变化 CNTs 体积分数在一个被加强的聚合物的我们的研究的随后的方向。 这由在网格图形的增长的 CNT 列阵完成。 以前我们报告了使用的 CNT 列阵并行线路在这个方向仅加强并行与线路。 然而网格图形允许在薄膜综合的 x- 和 y 飞机的机械增强。 一般来说网格线是 5μm 宽,并且增加在线路之间的分隔变化在基体表面增长的 CNTs 的体积分数。 我们然后将使用这些增长的 CNTs 由涂上在 nanotube 网格上的空转加强聚合物薄膜一个可医治的聚合物。

实验

使用乙炔,碳 nanotubes 由 CVD, CH 增长22,作为碳源。 用于 nanotube 增长的基体由仿造如所描述在别处的虚拟石版印刷准备 [20-22]。 此技术使用使用弹性体印花税,仿造在氧化硅基体上的一个催化剂解决方法。 这种印花税从常规石版影印技术仿造的硅重要资料被转换 (图 1A)。

图 1. (a) : 仿造使用传统石版影印的硅重要资料概要。 (b) : 转换从硅重要资料的一种弹性体印花税概要。 这种印花税可能为虚拟石版印刷仿造然后使用。 许多印花税可以从同一份重要资料被转换。

石版影印仿造

在石版影印仿造的第一步这份重要资料将设计在高级石英, 4inch x 4inch x 0.06inch 光掩膜的正镀铬物。 屏蔽被设计了使用 Kic 2.4 软件 [23] 然后是由 Photronics (威尔士) 有限公司制造的。 我们选择的设计是与递增间隔的网格图形在网格线之间。 网格线的位置对应于 CNT 列阵的最后的地点。 因此,我们系统地减少在基体表面增长的 CNTs 的体积分数通过增加相互网格间隔。 打算这些 CNT 网格图形合并到薄膜综合里。 因此我们将有控制在聚合物矩阵内被埋置的 nanotubes 的体积分数方法。 它是确定这种合成材料的机械,电子和热量属性的地点和密度嵌入 nanotube 网络。 Gridlines 宽被设计是 5ƒÊm 与从 5μm 的分隔到 75μm。

光掩膜

此光掩膜然后用于调用在硅重要资料上的网格图形。 使用过氧化物/硫酸解决方法 (HSO,硅片首先被清洗了24:HO22 在比例 3 :1) 和前烘烤取消任何残余的水。 其次 HMDS (hexamethyldisilazane),附着力促进剂层是在 Shipley 1813 正光致抗蚀剂跟随的硅上的空转转换。 光掩膜被安置了在光致抗蚀剂,并且撕下假面具的区由对紫外的暴露解聚。 在紫外风险以后, Shipley MF 319 开发员用于取消降低了光致抗蚀剂的区。 易反应的离子蚀刻调用这个模式, RIE,显示的硅。 RIE 介入使用锎4 气体以 50 标准立方厘米的流速每分钟 (sccm), rf 功率在 100W 和 1 乇一压。 铭刻时间是 15min。 这份被铭刻的重要资料由场致发射扫描电子显微镜术是印象的 (FESEM),并且高度配置文件由干涉测量法获得。

弹性体印花税

下一个步骤将转换从此硅重要资料的弹性体印花税。 使用的这个弹性体是多的 (dimethylsiloxane), PDMS, (道康宁)。 这是一个疏水聚合物,并且严格遵守硅重要资料。 此不可逆的海豹捕猎的原因是共价 - O SiO 由缩合反应的债券在 PDMS 的 silanol 组和 - 哦包含在硅的官能团的形成。 因此我们必须使这份重要资料疏水在转换印花税前。 这执行使用 fluorosilane 作为版本促进者。 首先硅重要资料被 30mins 的 UV/ozone 清洗并且激活。 在启动之后,这个基体在干燥器与大约 0.3-0.5 ml (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) 一起 - 三氯硅烷安置, (Oakwood Products Inc.)。 这个干燥器抽下来到 2.0 mbar 压。 在 60 分钟以后这个干燥器放气与航空。 这个基体然后被插入到在 60ºC 的一个被预先加热的烤箱 45min 的。

PDMS 弹性体印花税

PDMS 弹性体印花税从疏水硅重要资料 (图 1B) 被转换了。 PDMS 基础混合物: 固化剂,在 10 : 1 个比例,是允许下落的转换在这份重要资料上和在大气条件下治疗在 4 天中。 从这份重要资料容易地然后发行的被治疗的 PDMS 印花税和正如所料,印花税显示了重要资料的倒数拓扑。 这由干涉测量法验证。 印花税是大约 1cm 厚实。

催化剂仿造

印花税然后用于仿造包含 CNT 增长的铁催化剂。 多 (苯乙烯vinylferrocene),负离子由作者综合,并且描绘的是为核磁反应和胶凝体渗透过程色谱法 (没显示) 确定其含铁量 (2.1%)。 热量重力分析向显示在 350ºC 和 450ºC,被分解的 93% 之间这个聚合物。 它也确认 4% 催化剂微粒 (据推测铁或氧化钢) 保持在 800º ‹C. Hence,此催化剂适用于 CVD CNT 增长,以前确定是最佳的在 700ºC [19]。

PS-PVF 催化剂被仿造了在 100nm SiO 上2,充分地是在 50nm 重要厚度上 NT 增长速度饱和 [24]。 CVD 进行了在氩下以大气压。 氩运载气体流速是 200sccm。 使用的有效的气体是乙炔。 乙炔的流速是 200sccm。 CNTs 增长在 700ºC (在 800ºC 与直径更加巨大的然后 100nm 表单的碳纤维),并且证言时间可以从 10min 变化到 1hr 根据 CNTs 的长度要求了。

结果和论述

网格图形被铭刻了到硅重要资料 (图 2)。 4inch x 4inch 重要资料分隔到 15 个部分。 每个部分包含了 5μm 与范围从 5-75μm 的间隔的网格图形。 这对应于从 12-92% 的体积分数。

图 2. FESEM (a) 显示硅主要显示的网格图形。 干涉测量法 (b) 显示这份重要资料的高度配置文件。

这份重要资料然后对待与 fluorosilane 形成与低界面的热力势的表面。 交会角被评定从平均数 16º ± 变成 2º 114º ± 6º 的平均值,是稳定的超过 45 天。 弹性体印花税从这份重要资料然后被转换了并且容易地被发行了。 干涉测量法向显示功能的深度在印花税的是 492nm (图 3)。 使用了这些印花税如导致的和进一步处理不必要的。 早先方法 [7,8,10] 描述 PDMS 印花税的 hydrophilization 使他们与将被仿造的催化剂解决方法兼容。 此步骤是多余的与我们的催化剂材料。

图 3。 干涉测量法扫描显示这种印花税的表面拓扑并且产生 492nm 高度配置文件。

印花税用于仿造在 SiO 基体上的一个催化剂2 解决方法。 使用的这种催化剂是多的 (苯乙烯vinylferrocene), PS-PVF。 此聚合物的 vinylferrocene 零件包含是活跃的作为 CNT 增长的一种催化剂在用于这些实验的温度的铁芯。 PS-PVF 聚合物粉末在甲苯被溶化了。 最初四氢呋喃使用了作为这种溶剂通过使用甲苯,但是,我们获得了改进的模式质量。 甲苯据报道胀大 PDMS [22],但是为我们的 5μm 功能大小我们没有查找对模式质量的负面作用。 在模式质量开始降低前,我们也能重新使用 PDMS 印花税一定数量的次。 我们使用了一个 4wt% 解决方法 (变化这个解决方法的浓度可以用于作为方法控制密度 nanotube 增长 [19])。 PS-PVF 解决方法下落在 SiO 基体2 被安置了。 弹性体印花税然后被带领了进入与这个基体的联络。 催化剂解决方法移居到在这种印花税的凹线,它留给隔夜为了甲苯能蒸发,并且,当去除了这种印花税如图 4. 所显示,它显示了一个被仿造的基体。

图 4. 虚拟石版印刷仿造生成的催化剂微型图象。 在 gridlines 之间的间隔是 10, 25 和 50μm (左到右)。 gridlines 的宽度是恒定的在 5μm。

虚拟石版印刷仿造允许我们限制催化剂微粒到在维数我们的模式内。 所以在 CVD 期间我们预计在表 5. 被观察的 CNTs 在网格维数内仅增长。

图 5。 在 CVD 以后,碳 nanotube 增长在这个基体的微型被仿造的区仅发生了。 CNTs 在与 10μm (a) 间隔和 50μm 间隔 (b) 的网格增长。 (c) 和 (d) 显示在网格的维数内增长的 nanotubes 的更高的放大。

结论

总而言之,我们报告一个可升级的耗费小的技术生长 nanotube 列阵的网格图形。 相互网格间隔可以被剪裁如所需求产生控制在我们的基体增长的 nanotubes 的体积分数一个简单的方法。 是我们的意图合并这些 CNT 列阵到灵活的独立薄膜综合里。 要执行此我们将使用作者以前描述和展示的综合生产一个新颖的方法。

使用仿造虚拟的石版印刷我们可以选择性地确定 CNT 传导通道和控制他们的在综合内的体积分数。 综合可能为要求在一个可弯的矩阵内的导电性通道的应用然后使用。 这些应用包括灵活的电子、电磁式盾和传感器。

鸣谢

作者承认爱尔兰高等教育权限 (HEA)、企业爱尔兰和财政支持的欧盟特定被瞄准的研究计划 DESYGN-IT (没有 NMP4-CT-2004-505626)。

作者也感激 P.M. Ajayan 教授和 C.Y. Ryu 教授, Rensellaer 工学院,纽约,并且,新墨西哥州立大学的 S. Curran 教授,他们最初的输入的到此项目。

参考

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联络详细资料

Werner J. Blau, Kentaro 仲岛博士博士 Emer Lahiff,安德鲁 I. Minett 和

材料爱尔兰聚合物研究中心
物理学校,
三位一体学院都伯林
都伯林 2
爱尔兰

电子邮件: wblau@tcd.ie

 

 

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

Last Update: 15. July 2013 15:46

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