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DOI : 10.2240/azojono0125

導致 Nanotube 列陣的控制柵模式加強的聚合物綜合

 

DESYGN IT - 特刊

設計、 Nanotubes 綜合和增長行業技術的

 
 

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

版權 AZoM.com 有限公司 Pty。

這是在許可證無限制的使用提供原始工作適當地被援引,但是被限制到非商業配電器和再生產的 AZo 槳被分配的一個偶氮開路獎勵系統 (AZo 槳) 條款 http://www.azonano.com/oars.asp 條件下

提交: 2007年th 11月 6日

張貼: 2007年th 11月 16日

包括的事宜

摘要

簡介

實驗

石版影印仿造

光掩膜

彈性體印花稅

PDMS 彈性體印花稅

催化劑仿造

結果和論述

結論

鳴謝

參考

聯絡詳細資料

摘要

最大化碳 nanotube 增強的作用 (CNT)對聚合物薄膜,而使減到最小的 nanotube 目錄,變化 CNTs 的體積分數一個可控制的方式在綜合內的是需要的。 這裡我們由化學氣相沉積描述可控制的 CNT 網格圖形的製造在氧化硅基體的 (CVD)。 通過變化網格分隔我們可以操作相當數量 CNTs 在基體。 這些增長的 nanotube 列陣可以容易地合併到自由常設聚合物薄膜裡如最近被展示 [1]。 嵌入 nanotubes 機械上加強聚合物並且通過一個绝緣的聚合物矩陣提供傳導路網絡。 這種合成材料的機械增強,電子和導熱性取決於這些傳導通道的地點和濃度。

在 nanotube 生產時使用的虛擬石版印刷仿造這種催化劑允許有選擇性確定 CNT 列陣。 多被圍住的碳 nanotubes 由乙炔的分解在 CVD 房間的增長。

簡介

是有大量文件證明的碳 nanotubes 有各種各樣潛在的應用。 這歸結於他們的高電子和導熱性、例外力量、僵硬和能力在壓縮 [2-5 以後] 收復他們的原始形狀。 碳 nanotubes 可以由包括的不同的進程增長; 弧光放電、激光燒蝕和化學氣相沉積。 最有為這些技術是在前被仿造的基體的 CVD [6] 允許 CNTs 在原處增長。 當仿造由石版影印時常規完成,叫的一個新的方法虛擬石版印刷仿造最近被展示是更加高效,經濟和多才多藝的 [7-10]。 Nanotubes 是作為一種合成材料一部分的極大的利益兩個以他們的原來形狀,並且。 在聚合物矩陣的嵌入 nanotubes 通過增加機械力量和傳導性提高有形資產 [11-13]。 然而,當綜合形成在解決方法被執行,通常 CNTs 與各自的管比較,有對比性質的表單綜合。 並且,為了從聚合物的最佳的負荷調用到嵌入 CNTs,必須有管和這個矩陣之間的一個嚴格的界面。 這些是,但是二問題與 CNT 聚合物綜合生產和他們交往由許多研究小組論及了。 可能解決方案包括導致改進的 CNTs [15 的] 散射 [14] 和 functionalisation 的等離子處理。 CNTs 的成功的並網在聚合物矩陣的能導致應用包括; 平板顯示器、傳感器、靈活的電子設備和致動器 [16-18]。 在發揮他們的潛能前,必須解決 nanotubes 和他們隨後的綜合的可控制和經濟生產的問題。

我們以前報告了合併碳 nanotubes 一個高效和有效方法到多 (dimethylsiloxane), PDMS,聚合物矩陣 [1]。 使用此技術我們能合併增長的 CNT 列陣到綜合裡。 這消滅需要在綜合形成之前分散 CNTs。 它也允許對嵌入 nanotubes 的位置和密度的控制。 嵌入 nanotubes 的形態學可以通過修改用於的 CVD 條件控制生長 CNTs [19]。

這裡我們描述是變化 CNTs 體積分數在一個被加強的聚合物的我們的研究的隨後的方向。 這由在網格圖形的增長的 CNT 列陣完成。 以前我們報告了使用的 CNT 列陣並行線路在這個方向仅加強並行與線路。 然而網格圖形允許在薄膜綜合的 x- 和 y 飛機的機械增強。 一般來說網格線是 5μm 寬,并且增加在線路之間的分隔變化在基體表面增長的 CNTs 的體積分數。 我們然後將使用這些增長的 CNTs 由塗上在 nanotube 網格上的空轉加強聚合物薄膜一個可醫治的聚合物。

實驗

使用乙炔,碳 nanotubes 由 CVD, CH 增長22,作為碳源。 用於 nanotube 增長的基體由仿造如所描述在別處的虛擬石版印刷準備 [20-22]。 此技術使用使用彈性體印花稅,仿造在氧化硅基體上的一個催化劑解決方法。 這種印花稅從常規石版影印技術仿造的硅重要資料被轉換 (圖 1A)。

圖 1. (a) : 仿造使用傳統石版影印的硅重要資料概要。 (b) : 轉換從硅重要資料的一種彈性體印花稅概要。 這種印花稅可能為虛擬石版印刷仿造然後使用。 許多印花稅可以從同一份重要資料被轉換。

石版影印仿造

在石版影印仿造的第一步這份重要資料將設計在高級石英, 4inch x 4inch x 0.06inch 光掩膜的正鍍鉻物。 屏蔽被設計了使用 Kic 2.4 軟件 [23] 然後是由 Photronics (威爾士) 有限公司製造的。 我們選擇的設計是與遞增間隔的網格圖形在網格線之間。 網格線的位置對應於 CNT 列陣的最後的地點。 因此,我們系統地減少在基體表面增長的 CNTs 的體積分數通過增加相互網格間隔。 打算這些 CNT 網格圖形合併到薄膜綜合裡。 因此我們將有控制在聚合物矩陣內被埋置的 nanotubes 的體積分數方法。 它是確定這種合成材料的機械,電子和熱量屬性的地點和密度嵌入 nanotube 網絡。 Gridlines 寬被設計是 5ƒÊm 與從 5μm 的分隔到 75μm。

光掩膜

此光掩膜然後用於調用在硅重要資料上的網格圖形。 使用過氧化物/硫酸解決方法 (HSO,硅片首先被清洗了24:HO22 在比例 3 :1) 和前烘烤取消任何殘餘的水。 其次 HMDS (hexamethyldisilazane),附著力促進劑層是在 Shipley 1813 正光致抗蝕劑跟隨的硅上的空轉轉換。 光掩膜被安置了在光致抗蝕劑,并且撕下假面具的區由對紫外的暴露解聚。 在紫外風險以後, Shipley MF 319 開發員用於取消降低了光致抗蝕劑的區。 易反應的離子蝕刻調用這個模式, RIE,顯示的硅。 RIE 介入使用锎4 氣體以 50 標準立方厘米的流速每分鐘 (sccm), rf 功率在 100W 和 1 乇一壓。 銘刻時間是 15min。 這份被銘刻的重要資料由場致發射掃描電子顯微鏡術是印象的 (FESEM),并且高度配置文件由干涉測量法獲得。

彈性體印花稅

下一個步驟將轉換從此硅重要資料的彈性體印花稅。 使用的這個彈性體是多的 (dimethylsiloxane), PDMS, (道康寧)。 這是一個疏水聚合物,并且嚴格遵守硅重要資料。 此不可逆的海豹捕獵的原因是共價 - O SiO 由縮合反應的債券在 PDMS 的 silanol 組和 - 哦包含在硅的官能團的形成。 因此我們必須使這份重要資料疏水在轉換印花稅前。 這執行使用 fluorosilane 作為版本促進者。 首先硅重要資料被 30mins 的 UV/ozone 清洗并且激活。 在啟動之後,這個基體在乾燥器與大約 0.3-0.5 ml (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) 一起 - 三氯硅烷安置, (Oakwood Products Inc.)。 這個乾燥器抽下來到 2.0 mbar 壓。 在 60 分鐘以後這個乾燥器放氣與航空。 這個基體然後被插入到在 60ºC 的一個被預先加熱的烤箱 45min 的。

PDMS 彈性體印花稅

PDMS 彈性體印花稅從疏水硅重要資料 (圖 1B) 被轉換了。 PDMS 基礎混合物: 固化劑,在 10 : 1 個比例,是允許下落的轉換在這份重要資料上和在大氣條件下治療在 4 天中。 從這份重要資料容易地然後發行的被治療的 PDMS 印花稅和正如所料,印花稅顯示了重要資料的倒數拓撲。 這由干涉測量法驗證。 印花稅是大約 1cm 厚實。

催化劑仿造

印花稅然後用於仿造包含 CNT 增長的鐵催化劑。 多 (苯乙烯vinylferrocene),負離子由作者綜合,并且描繪的是為核磁反應和膠凝體滲透過程色譜法 (沒顯示) 確定其含鐵量 (2.1%)。 熱量重力分析向顯示在 350ºC 和 450ºC,被分解的 93% 之間這個聚合物。 它也確認 4% 催化劑微粒 (據推測鐵或氧化鋼) 保持在 800º ‹C. Hence,此催化劑適用於 CVD CNT 增長,以前確定是最佳的在 700ºC [19]。

PS-PVF 催化劑被仿造了在 100nm SiO 上2,充分地是在 50nm 重要厚度上 NT 增長速度飽和 [24]。 CVD 進行了在氬下以大氣壓。 氬運載氣體流速是 200sccm。 使用的有效的氣體是乙炔。 乙炔的流速是 200sccm。 CNTs 增長在 700ºC (在 800ºC 與直徑更加巨大的然後 100nm 表單的碳纖維),并且證言時間可以從 10min 變化到 1hr 根據 CNTs 的長度要求了。

結果和論述

網格圖形被銘刻了到硅重要資料 (圖 2)。 4inch x 4inch 重要資料分隔到 15 個部分。 每個部分包含了 5μm 與範圍從 5-75μm 的間隔的網格圖形。 這對應於從 12-92% 的體積分數。

圖 2. FESEM (a) 顯示硅主要顯示的網格圖形。 干涉測量法 (b) 顯示這份重要資料的高度配置文件。

這份重要資料然後對待與 fluorosilane 形成與低界面的熱力勢的表面。 交會角被評定從平均數 16º ± 變成 2º 114º ± 6º 的平均值,是穩定的超過 45 天。 彈性體印花稅從這份重要資料然後被轉換了并且容易地被發行了。 干涉測量法向顯示功能的深度在印花稅的是 492nm (圖 3)。 使用了這些印花稅如導致的和進一步處理不必要的。 早先方法 [7,8,10] 描述 PDMS 印花稅的 hydrophilization 使他們與將被仿造的催化劑解決方法兼容。 此步驟是多餘的與我們的催化劑材料。

圖 3。 干涉測量法掃描顯示這種印花稅的表面拓撲并且產生 492nm 高度配置文件。

印花稅用於仿造在 SiO 基體上的一個催化劑2 解決方法。 使用的這種催化劑是多的 (苯乙烯vinylferrocene), PS-PVF。 此聚合物的 vinylferrocene 零件包含是活躍的作為 CNT 增長的一種催化劑在用於這些實驗的溫度的鐵芯。 PS-PVF 聚合物粉末在甲苯被溶化了。 最初四氫呋喃使用了作為這種溶劑通過使用甲苯,但是,我們獲得了改進的模式質量。 甲苯據報道脹大 PDMS [22],但是為我們的 5μm 功能大小我們沒有查找對模式質量的負面作用。 在模式質量開始降低前,我們也能重新使用 PDMS 印花稅一定數量的次。 我們使用了一個 4wt% 解決方法 (變化這個解決方法的濃度可以用於作為方法控制密度 nanotube 增長 [19])。 PS-PVF 解決方法下落在 SiO 基體2 被安置了。 彈性體印花稅然後被帶領了進入與這個基體的聯絡。 催化劑解決方法移居到在這種印花稅的凹線,它留給隔夜為了甲苯能蒸發,并且,當去除了這種印花稅如圖 4. 所顯示,它顯示了一個被仿造的基體。

圖 4. 虛擬石版印刷仿造生成的催化劑微型圖像。 在 gridlines 之間的間隔是 10, 25 和 50μm (左到右)。 gridlines 的寬度是恆定的在 5μm。

虛擬石版印刷仿造允許我們限制催化劑微粒到在維數我們的模式內。 所以在 CVD 期間我們預計在表 5. 被觀察的 CNTs 在網格維數內仅增長。

圖 5。 在 CVD 以後,碳 nanotube 增長在這個基體的微型被仿造的區仅發生了。 CNTs 在與 10μm (a) 間隔和 50μm 間隔 (b) 的網格增長。 (c) 和 (d) 顯示在網格的維數內增長的 nanotubes 的更高的放大。

結論

總而言之,我們報告一個可升級的耗費小的技術生長 nanotube 列陣的網格圖形。 相互網格間隔可以被剪裁如所需求產生控制在我們的基體增長的 nanotubes 的體積分數一個簡單的方法。 是我們的意圖合併這些 CNT 列陣到靈活的獨立薄膜綜合裡。 要執行此我們將使用作者以前描述和展示的綜合生產一個新穎的方法。

使用仿造虛擬的石版印刷我們可以選擇性地確定 CNT 傳導通道和控制他們的在綜合內的體積分數。 綜合可能為要求在一個可彎的矩陣內的導電性通道的應用然後使用。 這些應用包括靈活的電子、電磁式盾和傳感器。

鳴謝

作者承認愛爾蘭高等教育權限 (HEA)、企業愛爾蘭和財政支持的歐盟特定被瞄準的研究計劃 DESYGN-IT (沒有 NMP4-CT-2004-505626)。

作者也感激 P.M. Ajayan 教授和 C.Y. Ryu 教授, Rensellaer 工學院,紐約,並且,新墨西哥州立大學的 S. Curran 教授,他們最初的輸入的到此項目。

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聯絡詳細資料

Werner J. Blau, Kentaro 仲島博士博士 Emer Lahiff,安德魯 I. Minett 和

材料愛爾蘭聚合物研究中心
物理學校,
三位一體學院都伯林
都伯林 2
愛爾蘭

電子郵件: wblau@tcd.ie

 

 

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

Last Update: 15. July 2013 15:50

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