בעבודה זו, אנו מתארים פרוטוקול ליצירת ננו-חוט ברזל, כולל היווצרות קרום אלומינה נקבובי המשמש כתבנית, הפקדת לתוך תבניות באמצעות האלקטרוליט פתרון, ושחרורו של ננו לתוך הפתרון.
במאמר זה
סיכום
תקציר
ננו-מגנטיים בעלי תכונות ייחודיות אשר משכו את האינטרס של תחומים שונים של מחקר, כולל פיסיקה בסיסית, ביודיצין ואחסון נתונים. אנו מדגימים שיטת הייצור של ברזל (Fe) ננו-חוט באמצעות התצהיר אלקטרוכימי לתוך התבניות של תחמוצת החנקן אנודי (AAO). התבניות מיוצרים על ידי אנוזציה של האלומיניום (אל) דיסקים, ואורך הנקבוביות והקוטר נשלטים על ידי שינוי תנאי האלגון. נקבוביות בקוטר ממוצע של סביב 120 ננומטר נוצרות באמצעות חומצה אוקסלית כאלקטרוליט. שימוש בשיטה זו, ננו-קירות גלילי מסונתז, אשר משתחררים על ידי המסת אלומינה באמצעות מזמור כימי סלקטיבי.
מבוא
ננו-חוט מגנטי גלילי משכו כמות עצומה של עניין בעשור האחרון למגוון יישומים מבטיחים. הננו-חוט הם חומרים חדשניים בעלי תכונות ייחודיות, בעיקר בשל יחס גובה-רוחב גבוה והצורה anisotropy1. בגלל מאפיינים אלה, ננו-קירות נחשבים מערכות ייחודיות ואובייקטים מודל מעולה עבור מספר יישומים מעשיים: חיישני זרימה2, הפרדה מגנטית3, חיישנים ביו בהשראת חיישן4, קצירת אנרגיה 5, סרטן טיפולים2,6, משלוח התרופה7,8, ו-MRI סוכני ניגודיות3,9. ננו-חוט נחשבים גם אידיאליים עבור יישומים אחרים: מיקרוסקופ כוח מגנטי10, מגנטוטוריסיעמידת ענק11, ספין העברת מומנט12,13, והתקני אחסון נתונים14, . חמש עשרה
על מנת לנצל את הננו-קירות האלה כדי לנצל את היתרון המלא שלהם, שיטת ייצור לאחר התפוקה התשואות נאנו-ובאיכות גבוהה ומאפיינים ספציפיים נדרש. האנוזציה של אלומיניום מייצרת מאורגנת עצמית, נקבוביות גלילי במיוחד עם קטרים הנקבוביות לשליטה. בגלל זה, תבניות AAO מועדפות ביישומים ננוטכנולוגיה על טכניקות ליטוגרפיות יקרות. השימוש בממברנות אלה כקפלי פיגומים, ניתן ליצור על-ידי זרם ישר (DC), זרם חילופין (AC), או מכוון חשמלי בשיטת DC. שליטה בתהליך הייצור של הקרום ואת התצהיר של ננו-הקירות, מגוון רחב של הננו-נאנו מגנטיים ניתן ליצור עבור יישומים מסוימים1. כאן, אנו מדווחים על הייצור של הננו-חוט, כולל היווצרות קרום אלומינה נקבובי המשמש כתבנית, הפקדת לתוך תבניות באמצעות האלקטרוליט פתרון, ושחרורו של ננו לתוך הפתרון.
פרוטוקול
התראה: נא להתייעץ עם כל גליונות הנתונים הרלוונטיים של בטיחות חומרים (MSDS) לפני השימוש. כמה מן הכימיקלים המשמשים בחומרים אלה הם רעילים ומסרטנים בחריפות. ננו עשוי להציב מפגעים נוספים לעומת עמיתיהם בצובר שלהם. אנא השתמש בכל שיטות הבטיחות המתאימות בעת ביצוע תגובת ננו, כולל השימוש בבקרת הנדסה (מכסה המנוע) וציוד הגנה אישי (כוסות בטיחות, כפפות, מעיל מעבדה, מכנסי אורך מלא, נעליים סגורות בבוהן).
1. ההכנות של תבניות אלומיניום
-
ניקוי דיסקי האלומיניום
- שטוף את הדיסקים של אל בגביע עם מים מפוהים (DI). . אני חוזר 3 פעמים
- להחזיק את הדיסק אל עם מלקחיים ולשטוף עם אצטון ואחריו אלכוהול איזופרופיל (IPA) ו-DI מים.
- הניחו את הדיסקים של אל בגביע עם אצטון וsonicate במשך 10 דקות.
-
אלקטרופוליש של דיסקי אלומיניום
- הכינו את התמיסה אלקטרופוליש, 3 מ perchloric חומצה אתנול. מצננים את פתרון אלקטרופוליש במקרר ב-4 ° c לפני השימוש.
- שטוף את הדיסקים של אל בגביע עם מים די. . אני חוזר 3 פעמים
- לאחוז את התבנית אל ניקה עם מלקחיים ההלבשה לטבול אותו בתוך הגביע מלא אלקטרופוליש הפתרון יחד עם פלטינה (Pt) רשת האלקטרודה. השאר את הלקחיים מחוץ לפתרון כמה שיותר.
- מערבבים את הפתרון ב 400 סל ד.
- חבר את הדיסק אל למסוף החיובי ו-Pt למסוף השלילי של ספק הכוח. החל מתח של 20 וולט כאשר הזרם מוגבל ל-2 א.
- להבריק את הדיסקים עבור 3 דקות ולשטוף את הדיסקים עם מים DI.
2. אנוזציה קשה
-
הכנת התאים
- לשטוף את חלקי התא (צלחת נחושת, מוצרי PDMS/גומי O, תא, Pt שינוי כובע) עם מים DI.
- קח את הדיסקים האלקטרו מלוטשים אל מתוך המים של DI ומניחים אותו על החורים התא עם O-טבעות. בדוק היטב כי אין דליפות.
-
אנוזציה
- מלאו את התא המורכב עם חומצה אוקסלית 0.3 M ומניחים אותו על הצלחת הקרה ב -4 ° c.
- לאחר החומצה האוקסלית הוא בין 2-5 ° c, להחיל 40 V עבור 20 דקות (אנוזציה קלה). ואז, להגדיל את מתח בשלבים של 0.1 V/s עד 140 V.
- שמור על קבוע מתח זה עבור 45 דקות. תבנית האלומיניום תהיה. בצבע זהוב בוהק
- פתח את התא ושטוף את הדיסק של אל עם די מים ויבש עם חנקן (N2).
3. הכנה לתצהיר
-
הסרת מחזור אל
- להכין פתרון נחושת עם 0.1 M של CuCl2· 2h2O ו 6 M של HCl.
- מניחים את תבנית האלומיניום בתא (עם קוטר של 10 מ"מ) עם הצד האחורי פונה כלפי מעלה.
- יוצקים את התמיסה נחושת ומערבב מגנטי לתוך התא מתפרעים ב 300 סל ד.
- לאחר כ-15 דקות, הפתרון הופך לשקוף. החלף אותו בתמיסה טרייה ומתפרעים למשך 5 דקות נוספות.
- לשטוף את הדיסקים עם די מים ויבש עם N2.
-
פתיחת הנקבוביות
- מניחים את המדגם (צד אחורי פונה כלפי מעלה) בצלחת פטרי ברצועת pH.
- הפקדה 10 wt x חומצה זרחתית כדי לכסות לחלוטין את הקרום. להוסיף חומצה זרחתית יותר מדי שעה כדי למנוע יובש.
- לאחר 6.5 h, לשטוף עם מים די, ויבש עם N2.
-
התזה מזהב
- . הכן את מכונת הריסוס פתח את שסתום הגז הנייח. ופתח את החדר
- הקלטת את הדיסק אל הבמה המלאה כאשר הצד האחורי פונה כלפי מעלה.
- התאם את הפרמטרים להפקדה 200 ננומטר והפעל את הפרופיל.
4. הפקדת ננו-חוט
- להכין פתרון של 0.2 M של ברזל (II) סולפט, 0.16 m של חומצה חומצת ו 0.05 M של חומצה אסקורבית.
- הר הממברנה אל התא (חור בקוטר 15 מ"מ)
- יוצקים את הפתרון לתא ולחבר את מד המקור עם הקשר השלילי המצורפת לצלחת הנחושת ואת הקשר החיובי לרשת פלטינה.
- החל זרם קבוע של 2.5 mA כדי להתחיל בתצהיר. אורך הננו-חוט ביחס ישיר. לזמן האלקטרו-מפסק
5. הסרת ממברנה ושטיפת ננו-חוט
-
תחריט זהוב
- לשבור את הקרום באמצעות טוויצר. בחר חתיכות קטנות (סביב 1 או 2 מ"מ2).
- הכינו כלי קטן אחד או יותר לתחריט יבש בעזרת ציוד לחריטה ביון (RIE). הדבק את השברים לפרוסת בובה באמצעות חומר סיכה, שמירה על פנים הזהב למעלה.
- לאיכול את הזהב בציוד RIE עבור 2 דקות באמצעות הפרמטרים הבאים: T = 25 ° צ', P = 150 W ושיעור זרימת הארגון = 25 ס"מ3/min. Repeat במחזורים קצרים יותר אם יש זהב עדיין נוכח.
-
שחרור ננו-חוט
- להכין את הפתרון כרום באמצעות 0.2 M של הקרו3 ו 0.5 M של H3פו4.
- מילוי שפופרת מיקרופופרת של 1.5 mL עם 1 מ ל של פתרון כרום ואת פיסות קטנות של קרום המכיל ננו-חוט.
- השאירו את הפתרון עובד 24 שעות ב 40 ° c.
- כאשר הננו-חוט משתחררים לחלוטין, אין לצפות בחלקיקים שחורים בעין בלתי.
- רוחצים את הננו-חוט על ידי הצבת מיקרוצינורית בארון תקשורת מגנטית והחלפת פתרון כרום עם 1 מ ל אתנול.
- חזור על תהליך הכביסה לפחות 10 פעמים.
תוצאות
לאחר אלקטרופוליש, הדיסקים של אל משקפים אור היטב, כפי שנראה באיור 1. אם נצפו שריטות קטנות או נקודות, מחק את הדיסק. העלילה של הזרם המוחל בתהליך האנוזציה צריכה להיות חלקה ולעקוב אחר שלושת השלבים של אנוזציה. במקרה של פתרון מזוהם, פגמים מוגזמת על משטח הדיסק, הכנה שגויה של התא (ראה איור 2), או הפתרון להיות חם מדי, עקומות העלילה הנוכחית שהוחלו יראה פסגות וחריגות. שתי עקומות ממשיות בפועל מוצגות באיור 3, כולל תמונות של הדגימות. הדבר מתרחש על צד אחד של דיסק אל (למעלה). לאחר הסרת החזרה אל, הקרום צריך להיות גלוי בבירור משני הצדדים. פתיחת הנקבוביות ניתן לבדוק באמצעות סריקה אלקטרון מיקרוסקופ (SEM) בצד התחתון. איור 4 מראה מדגם שבו הנקבוביות לא נפתחו לחלוטין. שיעור התצהיר של הננו נאנו לממברנות בגודל זה הוא סביב 300 nm/min. כדוגמה, פה ננו-חוט של כ-1 יקרומטר מוצג באיור 5. שים לב כי תמונה זו צולמה לאחר שבירת קרום.
איור 1: דיסקי אלומיניום. לפני הליטוש (משמאל) ולאחר הליטוש (מימין). הסימונים על גבי הדיסק המלוטש נגרמים על-ידי המלקחיים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: תא אנוזציה. (א) רכיבי התא. (ב) פרט לדיסק אל מוצב מעל ה-Pdms O-ring. (C) תא מורכב. (ד) תא ממוקם על הפלטה הקרה ועם הטירר המכני. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: לעומת הזמן הנוכחי שהוחל במהלך התהליך האנוזציה עבור מוצלח (שמאל) ומלא מוצלח (מימין). ניתן לזהות בקלות את שלושת השלבים של האנוזציה. האורווה 40 V (0 – 20 דקות); הגידול התמידי של עד 140 V (20-36:40 דקות), המוצג תחילה כגידול של הזרם המוחל ומאוחר יותר כזרם קבוע; ושלישית, האורווה 145 V עד לסוף התהליך. כשאנוזציה מתרחשת כהלכה, עקומות חלקות כמו זו שמשמאל. כאשר העקומות מציגות פסגות או התנהגות כאוטית (מימין) המדגם נשרף. במקרה זה, קוטר הדיסק של אל היה 25 מ"מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: התמונה SEM של קרום מהצד התחתון. תמונה זו מציגה את המבנה של קרום ליד הקצה שלה. בכל נקודה אחרת של הקרום, הקרום מראה נקבוביות פתוחות כמו אלה בתמונה. אם הנקבוביות אינן פתוחות כראוי, מבנה משושה המוצג בקצה התמונה יהיה גלוי בכל מקום בקרום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: מקטע הצלב SEM תמונה של ננו ברזל בתוך הקרום. הננו-חוט מזוהה בבירור מקרום אלומינה. עקב צפיפות האלקטרונים הגבוהה שלה אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
דיון
כמו בכל ייצור ננו אחר, פתרונות באיכות גבוהה וחומרים נדרשים בפרוטוקול זה. ניתן לעשות שימוש חוזר בפתרונות אלקטרופוליש והפקדת החשמל מספר פעמים. עם זאת, ניתן להשתמש בפתרון האנוזציה רק פעם אחת ולהיות טרי. לאחר הסרת הגב, הקרומים חלשים מאוד ועלולים להישבר אם לא יטופלו בקפידה. אין להחיל את N2 ישירות בעת ייבוש הקרומים. כל התהליכים לפני אנוזציה חשובים באותה מידה לסידור עצמי של מבני נקבובית. זיהומים בפני השטח, בורות ושריטות עלול להוביל לnanopores הוזמנה בצורה גרועה.
עובי של קרום אלומינה שנוצר בשלב 2 הוא בדרך כלל סביב 60 μm, הרבה יותר מאשר ננו-חוט אנחנו דורשים. אם יש צורך בנאנו-חוט, ניתן להתאים את הפרוטוקול לקרומים עבים יותר על-ידי הגברת הזמן של החלת האנוזציה. Nanopores אלה יכולים לשמש כתבניות ליצירת מערכים של נאנו-ננו או שפורסמו על ידי הסרה כימית הבאים של מבנה אלומינה. יתרה מזאת, ניתן להפקיד מתכות שונות באמצעות אותה התקנה, כולל נאנו-חוט מחולק15, על-ידי שינוי הפתרון והזרם המוחל. התצהיר בתעריף יהיה שונה עבור כל מתכת.
היתרון העיקרי של שיטת האנוזציה המוצגת היא האיכות הגבוהה של הנקבוביות: קוטר קבוע לאורך עשיריות של מיקרומטר, התפלגות בקוטר קטן, וצפיפות גבוהה בנקבוביות. יתרה מזאת, טכניקה זו יעילה, חסכונית ומאוד מתוכמת. ניתן לעשות זאת בבטחה בתנאי הסביבה במעבדה הכללית. ננו-מבטיח הרבה בעתיד אנרגיה המרה התקנים (כולל photovoltaics, תרמואלקטרוניקה, ו betavoltaics16) ו ביולוגי וחיישנים רפואיים17. כל היישומים הללו ידרשו פיתוח חומרים והתקנים נרחבים.
גילויים
. למחברים אין מה לגלות
תודות
המחקר שדווח בפרסום זה נתמך על ידי אוניברסיטת המלך עבדאללה למדע וטכנולוגיה (KAUST).
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| אצטון | סיגמא אולדריץ' | CAS 67-64-1 | |
| דיסקי אלומיניום 99.999% | GoodFellow | AL000957 | עובי: 0.50 מ"מ +/- 10%, קוטר 25.0 מ"מ +/- 0.5 מ"מ |
| 1000 מ"ל | |||
| חומצה בורית | סיגמא אולדריץ' | 101942058 | 99% |
| כבלים | |||
| פישר תחמוצת כרום (VI) | כימי | A98-212 | |
| צלחת קרה | Thermo Scientific | Accel 500 LC | |
| מחשב | בשימוש עם LabView לשליטה במד המקור | ||
| נחושת (II) כלוריד | |||
| צלחת | בהתאמה אישית | ||
| מקור כוח DC | Agilent | E3646A | |
| DI מים | |||
| חבישת מלקחיים | פישר מדעי | 12-460-164 | אורך 30.5 ס"מ, טיפים משוננים |
| אתנול | VWR אינטרנשיונל בע"מ (ארה"ב) | 20823.327 | |
| קולט | אדים פלורס וואלס | ||
| חומצה הידרוכלורית | VWR אינטרנשיונל בע"מ (ארה"ב) | 20255.290 | |
| ברזל (II) סולפט | Merck | 1.03965.1000 | |
| L-Ascorbic acid | MP biomedicals | 100769 | |
| טכנולוגיות חיים | מגנטיות | DynaMag 2 | |
| מערבל מגנטי ופלטה חמה | IKA | RCT מערבל מכני בסיסי | |
| Aslong | JGB37-520 | ||
| מיקסר ומחמם | Eppendorf | ThermoMixer F1.5 | |
| תא | ניילון | ||
| חומצה אוקסלית | VWR International Ltd. (ארה"ב) | 20063.365-5L | |
| PDMS טבעת | בהתאמה אישית | ||
| חומצה פרכלורית | VWR International Ltd. (ארה"ב) | 20583.327 | 70-72% |
| צלחת | או כל מיכל אחר | ||
| רצועת | כל רצועת pH | ||
| חומצה זרחתית | acros אורגני | 201140010 | 85% משקל |
| פלטינה | Goodfellow | קוטר PT005115 0.05 מ"מ, 99.9% טוהר | |
| חוט פלטינה | Goodfellow | קוטר | PT05120: 0.2 מ"מ, טוהר: 99.95% |
| ספק כוח | Rhode & Scharz | NGPX 35/10 | |
| מעמד רטרט (x2) | |||
| ברגים | |||
| 50 מ"ל | |||
| מד מקור | Keithley | 2400-C | |
| מקרטע | Quorum | Q300T D | |
| קלטת | כל מדחף טפלון עמיד בטמפרטורה | ||
| מנקה |
מקורות
- Mohammed, H., Moreno, J., Kosel, J. Advanced Fabrication and Characterization of Magnetic Nanowires. Magnetism and Magnetic Materials. , Intechopen. (2018).
- Alfadhel, A., Li, B., Zaher, A., Yassine, O., Kosel, J. A magnetic nanocomposite for biomimetic flow sensing. Lab on Chip. 14, 4362-4369 (2014).
- Fratila, R. M., Rivera-Fernandez, S., Jesus, M. Shape matters: Synthesis and biomedical applications of high aspect ratio magnetic nanomaterials. Nanoscale. 7, 8233-8260 (2015).
- Alnassar, M., Alfadhel, A., Ivanov, Y. P., Kosel, J. Magnetoelectric polymer nanocomposite for flexible electronics. Journal of Applied Physics. 117, 17D711(2015).
- Contreras, M. F., Sougrat, R., Zaher, A., Ravasi, T., Kosel, J. Non-chemotoxic induction of cancer cell death using magnetic nanowires. International Journal of Nanomedicine. 10, 2141-2153 (2015).
- Yassine, O., et al. Highly efficient thermoresponsive nanocomposite for controlled release applications. Scientific Reports. 6, 28539(2016).
- Martínez-Banderas, A. I., et al. Functionalized magnetic nanowires for chemical and magneto-mechanical induction of cancer cell death. Scientific Reports. 6, 35786(2016).
- Shore, D., et al. Electrodeposited Fe and Fe-Au nanowires as MRI contrast agents. Chemical Communications. 52, 12634-12637 (2016).
- García-Martín, J., et al. Imaging magnetic vortices by magnetic force microscopy: Experiments and modelling. Journal of Physics D: Applied Physics. 37, 965(2004).
- Piraux, L., et al. Giant magnetoresistance in magnetic multilayered nanowires. Applied Physics Letters. 65, 2484-2486 (1994).
- Piraux, L., et al. Template-grown NiFe/Cu/NiFe nanowires for spin transfer devices. Nano Letters. 7, 2563-2567 (2007).
- Wang, Z., et al. Spin-wave quantization in ferromagnetic nickel nanowires. Physical Review Letters. 89, 027201(2002).
- Wernsdorfer, W., et al. Measurements of magnetization switching in individual nickel nanowires. Physical Review B. 55, 11552(1997).
- Kou, X., et al. Memory effect in magnetic nanowire arrays. Advanced Materials. 23, 1393-1397 (2011).
- Mohammed, H., Vidal, E. V., Ivanov, Y. P., Kosel, J. Magnetotransport measurements of domain wall propagation in individual multisegmented cylindrical nanowires. IEEE Transactions on Magnetics. 52, 1-5 (2016).
- Goktas, N. I., et al. Nanowire for energy: A review. Applied Physics Reviews. 5, 041305(2018).
- Zongjie, W., Suwon, L., Kyo-in, K., Keekyoung, K. Nanowire-Based Sensors for Biological and Medical Applications. IEEE Transactions on Nanobioscience. 15 (3), 186(2016).
הדפסות חוזרות והרשאות
