Fabrication, Verdichtung, und Replica Molding von 3D-Carbon Nanotube Mikrostrukturen

Zusammenfassung

Wir stellen Methoden zur Herstellung von gemusterten Mikrostrukturen von vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs), und ihre Verwendung als Master-Formen für die Herstellung von Polymer-Mikrostrukturen mit organisierten nanoskalige Oberflächenstruktur. Die CNT-Wälder werden durch Kondensation von Lösungsmittel auf das Substrat, ein deutliches Plus an Packungsdichte und ermöglicht selbst gesteuertes Bildung von 3D-Formen verdichtet.

Zusammenfassung

Die Einführung neuer Materialien und Prozesse zu Mikrofabrikation hat, zum großen Teil, konnten viele wichtige Fortschritte in der Mikrosystemtechnik, Lab-on-a-Chip-Geräten und deren Anwendungen. Insbesondere wurden Möglichkeiten für eine kostengünstige Herstellung von Polymer-Mikrostrukturen mit dem Aufkommen der weichen Lithographie und andere Mikroformen Techniken ^{1, 2} verwandelt, und dies führte eine Revolution in Anwendungen der Mikrosystemtechnik zur biomedizinischen Technik und Biologie. Dennoch bleibt es schwierig, Mikrostrukturen mit genau definierten nanoskaligen Oberflächenstrukturen herzustellen und zu beliebigen 3D-Formen auf der Mikro-Maßstab herzustellen. Robustheit der Meister Formen und Wartung der Form ist besonders wichtig, um High-Fidelity-Replikation komplexer Strukturen und Wahrung ihrer nanoskaligen Oberflächenstruktur zu erreichen. Die Kombination von hierarchischen Strukturen und heterogene Formen, ist eine große Herausforderung, bestehende Mikrofertigungsverfahren dass LARgely auf Top-down-Ätzung mit festen Maske Vorlagen zurückgreifen. Auf der anderen Seite kann der Bottom-up-Synthese von Nanostrukturen wie Nanoröhren und Nanodrähte neue Funktionen zur Mikrofabrikation bieten, insbesondere durch die Nutzung der kollektiven Selbstorganisation von Nanostrukturen und lokale Kontrolle über ihr Wachstum Verhalten in Bezug auf mikrofabrizierten Muster .

Unser Ziel ist es vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs), die wir als CNT "Wälder", als eine neue Mikrofabrikation Material einzuführen. Wir präsentieren Details einer Reihe von verwandten Methoden kürzlich von unserer Arbeitsgruppe entwickelt: Herstellung von CNT Wald Mikrostrukturen durch thermische CVD aus lithographisch strukturiert Katalysator dünnen Schichten; selbstgesteuerten elastocapillary Verdichtung von CNT Mikrostrukturen; und Replik Formen von Polymer-Mikrostrukturen mit CNT Composite Masterformen . Insbesondere zeigt unsere Arbeit, dass selbst gesteuertes kapillaren Verdichtung ("Kapillare bilden"), die Perfo istrmed durch Kondensation eines Lösungsmittels auf das Substrat mit CNT Mikrostrukturen, erhöht die Packungsdichte von CNTs. Dieses Verfahren ermöglicht die Transformation von vertikal gerichteten CNT Mikrostrukturen in geraden, schrägen und verdrehten Formen, die robuste mechanische Eigenschaften über denen der typische Polymere Mikrofabrikation haben. Dies wiederum ermöglicht die Bildung von Nanocomposit CNT Masterform mit Kapillar-angetriebenen Infiltration von Polymeren. Die Replik Strukturen weisen die anisotropen nanoskaligen Textur der ausgerichteten CNTs, und Wände mit Submikrometer-Dicke und Seitenverhältnissen von mehr als 50:1 haben. Integration von CNT in der Fertigung von Mikrostrukturen bietet weitere Gelegenheit, um die elektrischen und thermischen Eigenschaften von CNTs, und vielfältige Funktionen für die chemische und biochemische Funktionalisierung ³ zu nutzen.

Protokoll

1. Catalyst-Strukturierung

1. Erfassen einer (100) Silizium-Wafer mit einer 3000 Å dicken Siliziumdioxidschicht, mit mindestens einer polierten Seite. Alternativ können Sie erwerben ein Siliziumwafer, und wachsen 3000 Å Siliziumdioxid auf dem Wafer. Die gesamte Verarbeitung unten beschrieben auf der polierten Seite des Wafers durchgeführt.
2. Spincoat eine Schicht aus HMDS bei 500 UpM für 4s, dann bei 3000rpm für 30s. HMDS fördert die Haftung zwischen dem Wafer und dem Photoresist.
3. Spincoat eine Schicht von SPR-220-3 bei 500 UpM für 4s, dann bei 3000rpm für 30s.
4. Backen Sie den Wafer auf einer Heizplatte bei 115 ° C für 90s.
5. Mit der gewünschten Maske für die Strukturierung Katalysator, entlarven den Wafer mit UV-Licht mit einer Strahlungsleistung von 20 mW / cm ² bei 405 nm für 6s in hartem Kontakt mode.1.6) backen der Wafer auf einer Heizplatte wieder bei 115 ° C für 90s (post Exposure Bake).
6. Entwickeln des belichteten Fotolack für 60s mit AZ-300 MIF-Entwickler.
7. Spülender Wafer für 60s in DI-Wasser.
8. Deposit 10 nm Al ₂ O _3, gefolgt von 1 nm Fe durch Elektronenstrahlverdampfung oder Sputtern.
9. Manuelles Ritzen und Brechen Wafer in Stücke ca. 20 × 20 mm oder kleiner.
10. Führen des Abhebens des Photoresists durch Eintauchen der Wafer in einem Stück 1L Becherglas mit 100 ml Aceton, während der Becher in einem Ultraschallbad beim Einschalten 6 für 8min (CREST Ultrasonics 1100D) angeordnet ist.
11. Entsorgen und ersetzen Sie das Aceton und beschallen wieder mit den gleichen Einstellungen.
12. Übertragen Sie die Wafer-Stücke in ein Becherglas mit Isopropanol (IPA), dann für 2min einweichen.
13. Entfernen Sie die Wafer-Stücke aus dem IPA einzeln mit einer Pinzette. Trocknen Sie jedes Stück mit einem leichten Stickstoffstrom mit einem Handheld-Düse.

2. CNT-Wachstum

1. Erwerben Sie eine blanke (oder Oxid beschichtet) Silizium-Wafer und manuell Ritzen und Brechen ein Stück mit den Maßen ca. 22 x 75 mm. Dieses "Boot"wird zur Unterstützung und zum Laden der Katalysator beschichteten Wafer Stücke in dem Rohrofen werden. Das Boot ist sehr nützlich für das Halten der Wafer-Stücke beim Laden und Entladen, nicht aber eine Rolle spielen im Wachstumsprozess. Im Prinzip kann das Boot einem Material, das chemisch und thermisch stabil ist unter den Wachstumsbedingungen CNT sein.
2. Legen Sie eine gewünschte Anzahl von mit Katalysator beschichteten Wafer Stück (Wachstum Substrate) auf dem Boot, 30mm von der Vorderkante.
3. Laden Sie das Boot mit einem Wachstum Substrate in die Röhre. Drücken Sie den Boot in die Röhre, so dass die Vorderkante 30 mm hinter dem Ofen Thermoelement angeordnet ist, mit einem Edelstahl oder Quarz Schubstange. Diese 30mm Position ist der "Sweet Spot", die die höchste Wachstumsrate CNT gibt in unserem Ofen. Es wird notwendig sein, um diese Position für Geräte des Benutzers zu bestimmen, je nachdem, auf dem Benutzer-Apparat und Ziele (zB Maximierung des CNT Wachstumsrate oder Dichte).
4. Verbindendie Endkappen, Abdichten des Rohres. Es ist darauf zu nicht stören die Position des Bootes oder der gemusterten Silizium Stücke werden. Hinweis: CNT-Wachstum ist sehr empfindlich auf Position innerhalb des Rohres.
5. Spülen Sie das Quarzrohr mit 1000sccm von Helium für 5min bei Raumtemperatur.
6. Während fließenden 400sccm von Wasserstoff und Helium 100sccm, Rampe die Temperatur auf 775 ° C in 10min, und halten Sie dann die Strömungen und Temperatur für 10min. Dieser Schritt führt die Folie chemisch von Eisenoxid zu Eisen zu reduzieren und in Nanopartikel DeWet.
7. Ändern der Wasserstofffluss um 100sccm und das Helium Strömungsrate 400sccm, während es 100sccm von Ethylen und Halten des Ofens bei 775 ° C bis CNTs wachsen. Die Höhe der CNTs wird durch die Dauer dieser Schritt kontrolliert.
8. Um CNT-Wachstum stoppen und die Probe abkühlen, gehen Sie manuell Quarzrohr Downstream, bis der Katalysator-Chips ca. 1 cm hinter dem Ofen Isolation befinden. Seien Sie vorsichtig, umbehalten die gleichen Ströme und Ofen Sollwerttemperatur als in dem vorherigen Schritt, für 15 Minuten.
9. Spülen Sie den Schlauch mit 1000sccm von Helium für 5min, vor dem Abrufen der Proben und Drehen des Ofens ab.

3. CNT Verdichtung

1. Benutzen Sie ein Stück doppelseitiges Klebeband an eine 0,8 mm dicken Aluminium-Mesh mit 6,25 mm Durchmesser Löcher. Stellen Sie sicher, das Netz ist größer als die Öffnung eines 1L Becherglas gegeben und das Band etwa mittig auf dem Netz.
2. Montieren Sie das Stück Silizium-Wafer mit CNTs auf dem Band, so dass die CNT Mikrostrukturen aufwärts konfrontiert sind.
3. Gießen Sie 100 ml Aceton in einen 1L Becherglas und das Becherglas auf einer Heizplatte in einer Abzugshaube. Stellen Sie die Kochplatte auf eine Oberflächentemperatur von 110 ° C erreichen Warten Sie, bis das Aceton aufkocht. Man beachte, daß, auf der Heizplatte, eine Einstellung von 150 ° C benötigt wurde auf 110 ° C auf der Oberfläche zu erreichen. Der Siedepunkt von Aceton ist deutlich geringer (ca. 56 ° C), aber wir found, dass die erhöhte Temperatur das Aceton schneller kochen darf, und erhitzt die Seitenwände des Bechers und verhindert Kondensation im Becherglas.
4. Setzen Sie den Alugitter auf dem Becher montiert, so dass die Probe nach unten zeigt.
5. Beachten Sie irgendwelche schnellen Schwankungen in der Dampf aufsteigt Front an der Seite des Bechers und stellen Sie den Abzug Schärpe Ebene, um den Dampf Front zu stabilisieren.
6. Sobald der Dampf vor nähert sich dem oberen Rand des Bechers, beobachten die scheinbare Farbe Veränderungen an der Oberfläche des Siliziumsubstrats. Regenbogen-ähnlichen Muster erscheint und fegen über die gesamte Fläche. Dies bedeutet einen dünnen Film aus Lösungsmittel, welches auf der Oberfläche, wenn der Dampf in Kontakt mit der kalten Oberfläche.
7. Sobald genügend Lösungsmittel hinterlegt worden ist, nehmen Sie den Mesh und ohne Änderung der Orientierung der Probe, halten Sie ihn entfernt von der siedenden Lösungsmittel, bis das Lösungsmittel abgelagert wurde abgedampft. Die Menge der Zeit bestimmt wird empitisch von der Größe und der Abstand der CNT Strukturen. Dies wird in der Diskussion gerichtet.
8. Entfernen Sie das Gitter aus dem Becherglas und Ziehen Sie vorsichtig die Probe aus dem doppelseitigen Klebeband, mit einer Rasierklinge. Äußerste Sorgfalt sollte bei diesem Schritt genommen werden, da es leicht ist, die Probe bei der Entnahme zu brechen.

4. CNT Meister Formenbau

1. Pool SU-8 2002 zu den verdichteten CNT Mikrostrukturen. Drehen Sie die Probe bei 500 UpM für 10 Sekunden, dann bei 3000rpm für 30s.
2. Backen der Probe bei 65 ° C für 2 min und dann bei 95 ° C für 4 min.
3. Setzen Sie die Probe mit UV-Licht mit einer Bestrahlungsstärke von 75mW/cm ² für 20s.
4. Backen der Probe wieder bei 65 ° C für 2 min, dann bei 95 ° C für 4 min.

5. Replica Molding

1. Wenn die Replikation filigranen Strukturen, stellen Sie den Master in einem Exsikkator zusammen mit einem Glas niederträchtigen von 100 &mgr; von (Tridecafluor-1, 1,2,2,-tetrahydtoocyl)-Trichlorsilan bei 400mTorr für 12h.
2. Mischen insgesamt 1 g PDMS (Sylgard 184), mit einem Verhältnis von 10:1 Monomer: Vernetzer. Für Mikrostrukturen mit einer Base hat eine Größe von wenigen Mikrometern und ein Längenverhältnis von 10 oder mehr verwendet ein Verhältnis von 8:1.
3. Legen Sie die CNT-Master in einer Aluminiumfolie Schüssel und gießen PDMS in die Schüssel, bis die Probe eingetaucht wird.
4. Legen Sie die Probe im Vakuum und bei Degas 400mTorr für 15 min. Sobald Blasen beginnen, in dem PDMS bilden (in der Regel nach ca. 3 Minuten) in regelmäßigen Abständen erhöhen den Druck schnell zu großen Blasen platzen.
5. Aushärten der negativen bei 120 ° C für 20 min. Enthält die Probe HAR Strukturen, bei 85 ° C für 5h heilen.
6. Einmal ausgehärtet, abziehen der Aluminiumfolie und trennen den Meister aus dem weichen PDMS negativ mit der Hand.
7. Wenn die Replikation filigranen Strukturen, legen Sie die negativen in einem Exsikkator zusammen mit einem Glas niederträchtigen von 100 &mgr; von (Tridecafluor-1, 1,2,2,-tetrahydtoocyl)-Trichlorsilan bei400mTorr für 12h.
8. Gießen SU-8 2002 in das PDMS negativ und Degas bei 400mTorr für 10min.
9. Backen der Probe (SU-8 gefüllt negativ) bei 65 ° C für 4 Minuten, dann bei 95 ° C für 6 h, um das Lösungsmittel von der dicken Schicht aus SU-8-verflüchtigen.
10. Setzen Sie die Probe mit UV-Licht mit einer Bestrahlungsstärke von 75mW/cm ² für 20er und backen wieder bei 65 ° C für 4 min und dann bei 95 ° C für 8min.
11. Last, manuell entformen die SU-8-Replik aus der PDMS-negativ.

6. Repräsentative Ergebnisse

Vertreter CNT-Säulen-Arrays zusammen mit ihren verdichteten Formen werden in Abbildung 4 dargestellt (Bild von De Volder et al modifiziert. ^4). HAR Säulen mit Dicken von 10 um oder kleiner haben schrittweise Geradheit, die während der Verdichtung weiter reduziert wird reduziert. Die Verdichtung des halbkreisförmigen Säulen wurde gezeigt, dass in Uniform gebogenen Säulen über große Flächen (4c) führen. SU-8-infiltration tritt in die und innerhalb der CNT Mikrostrukturen, für Strukturen mit einem Abstand von 30 um oder unter einem dünnen Film aus SU-8 kann zwischen Strukturen bleiben. Fotografien der kritischen Schritte in der Replikation sind in 5 gezeigt, während SEM-Bilder Vergleichen der replizierten Mikrostruktur ihre Replikate auf verschiedenen Skalen in 6 gezeigt (Bild von Copic et al modifiziert. ^5). Heutige Grenzen im Hinblick auf die Strukturbildung, darunter Twisted-Strukturen (Bild von De Volder et al. ⁴ geändert), mit hohem Seitenverhältnis Wände und einspringenden Strukturen sind in Abbildung 7 dargestellt (Bild von Copic et al modifiziert. ^5).

Abbildung 1. Rohrofen Setup für Wachstum CNT Wachstum. (A)-System schematisch. (B) Rohrofen (Thermo-Fisher Minimite), mit offener Haube auf Silizium-Boot innen verschlossenen Quarzrohr zeigen. (C) Silicon bHafer mit Proben vor und nach dem Wachstum gezeigt. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung anzuzeigen .

Abbildung 2. (A) Schematische Darstellung der Becher-Setup für die kontrollierte Kondensation von Lösemitteldampf CNT auf Mikrostrukturen (Bild von De Volder et al modifiziert. ^6). (B) CNT Probensubstrat zu Alugitter über siedendem Aceton befestigt.

Abbildung 3. Prozessablauf zur Replik Formen von CNT Mikrostrukturen, und das Image der Vertreter repliziert Mikrostrukturanordnung auf US-Dollar-Münze Quartal verglichen.

Abbildung 4. Beispielhafte CNT Mikrostrukturen vor und nach der Kapillareny bilden. Schaltplan und REM-Aufnahmen von CNT-Array von zylindrischen Säulen (a) vor Kapillare bildet, und (b) nach der Kapillar-Umformung (Bild von De Volder et al modifiziert. ^6). Einschübe zeigen Ausrichtung und Dichte der CNTs. (C) halbzylindrische CNT Säulen verdichten und kippen während Kapillare bildet, bilden schräge Balken (Bild von Zhao et al. ⁷ modifiziert). Klicken Sie hier für eine größere Abbildung anzuzeigen .

Abbildung 5. Die wichtigsten Schritte der CNT Negativform Herstellung und Replik Gießen. (A) Giessen von PDMS Negativform. (B) Entgasung der Negativform. (C) Manuelle Entformung des Negativen, und Gießen des SU-8-Replik.

6. Vergleich von (a) CNT/SU-8 Master und (b) Replik Mikrosäulen Strukturen zeigen, high fidelity Replikation von Mikro-und Nano-Maßstab Form Textur (dh Seitenwänden und Oberseite), über eine große Fläche (Bild von Copic et al modifiziert. ^5). Klicken hier für eine größere Abbildung .

Abbildung 7. High-aspect-ratio (HAR) und einspringenden CNT Mikrostrukturen und deren Polymer-Repliken. (A) Verdichtetes CNT Wabe mit entsprechenden SU8-CNT-Master und SU8 Replik. (B) und Master-Replik der geneigte CNT Mikrotiterplatten (Bild von Copic et al modifiziert. ^5). (C) Verdichtetes Twisted CNT Mikrosäulen, mit Master und Replik der individuellen Struktur (Bild von De Volder et al. ⁴ modifiziert). Die Waben in (a) über Wand Breite von 400 nm und einer Höhe von 20 um.= "Http://www.jove.com/files/ftp_upload/3980/3980fig7large.jpg" target = "_blank"> Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen.

Diskussion

Lithographische Strukturierung und Vorbereitung des CNT Katalysatorsubstrate ist einfach und wiederholbar, aber die Erzielung konsistenter CNT Wachstum erfordert vorsichtige Aufmerksamkeit zu, wie die Höhe und Dichte der CNT Wälder sind von der Luftfeuchtigkeit und dem Zustand des Wachstums Rohr beeinflusst. Nach unserer Erfahrung sind Muster, die größer als 1000 um ² weniger empfindlich gegenüber kleinen Schwankungen in den Verarbeitungsbedingungen. Ferner betrifft die Dichte der Muster Stücke des Wachstums ...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Name des Reagenzes	Firma	Katalog-Nummer	Kommentare
4 "Durchmesser <100> Silizium-Wafer mit SiO 2 (300 nm) beschichtet	Quest-Silicon	Brauch
Positiv-Fotoresist	MicroChem	SPR 220-3,0
Hexamethyldisilizan (HMDS)	MicroChem
Entwickler	AZ Electronic Materials USA Corp	AZ 300 MIF
Sputter-System	Kurt J. Lesker	Lab 18	Sputter-System für die Katalysator-Abscheidung
Thermo-Fisher Minimite	Fisher Scientific	TF55030A	Rohrofen für CNT-Wachstum
Quarzrohr	Technical Glass Products	Brauch	22 mm × 25 mm ID OD 30 "Länge
Helium-Gas	PurityPlus	Er (vorgereinigte 300)
Wasserstoffgas	PurityPlus	H 2 (vorgereinigte 300)	UHP
Ethylen-Gas	PurityPlus	C 2 H 4 (vorgereinigte 300)	UHP
Aluminium-Lochblech	McMaster-Carr	9232T221	Zur Aufnahme von Probe oben Verdichtung Becherglas
UV-Lampe Flut	Dymax	Modell 2000
SU-8-2002	MicroChem	SU-8-2002
Polydimethylsiloxan (PDMS)	Dow Corning	Sylgard 184 Silikon-Elastomer-Kit