Ultrahigh Density Array von vertikal ausgerichteten Klein-molekulare organische Nanodrähte auf beliebige Untergründe

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, ein Array senkrecht ausgerichteter organischer Nanodrähte in einer porösen Vorlage herzustellen. Dies wird erreicht, indem zunächst ein Substrat für die Anodisierung vorbereitet wird, entweder durch Polieren der Oberfläche einer Aluminiumfolie oder durch Abscheiden eines dünnen Aluminiumfilms auf einem beliebigen Substrat. Der zweite Schritt besteht darin, die polierte Aluminiumfolie oder den auf einem beliebigen Substrat abgeschiedenen dünnen Aluminiumfilm zu anodisieren.

Der letzte Schritt besteht darin, organisches Material mithilfe einer neuartigen zentrifugenunterstützten Template-Befüllung in die Poren der Vorlage einzubringen. Abschließend wird die Existenz organischer Nanodrähte in den Poren der nanoporösen Aluminiumoxid-Vorlage mittels Rasterelektronenmikroskopie nachgewiesen. Die Idee zu dieser Methode entstand ursprünglich, als ich Schwierigkeiten hatte, die Poren von anodischen Aluminiumoxid-Vorlagen mit herkömmlichen Befüllmethoden zu benetzen.

Ich habe beschlossen, die Zentrifugalkraft einer Zentrifuge zu nutzen, um das Eindringen der Lösung in die Poren zu unterstützen oder zu fördern. Schneiden Sie zunächst etwa zwei Zentimeter mal zwei Zentimeter große Folien aus hochreinem, unpoliertem Aluminium mit einer Dicke von 250 µm aus. Tauchen Sie eine geringe Anzahl der Folien in eine Becherglasportion aus Salpeter-Phosphorsäure zum Ätzen bei 80 °C für fünf Minuten. Nach dem Ätzen neutralisieren Sie die Folien, indem Sie sie in Wasser eintauchen und anschließend 20 Minuten lang in einer einmolaren Natriumhydroxidlösung platzieren. Danach spülen Sie die Folien mit ionisiertem Wasser ab.

Laden Sie anschließend die polierten Aluminiumbleche in flache Zellen ein und füllen Sie diese mit 3 % Oxalsäure. Anodisieren Sie die Bleche dann 15 Minuten lang bei einer Gleichspannung von 40 Volt. Nach der Anodisation tauchen Sie die Probe in ein Becherglas mit chromphosphoriger Säure zum Ätzen bei 60 Grad Celsius für etwa 30 Minuten ein. Um die ursprüngliche Oxidschicht zu entfernen, richten Sie die Folie in der flachen Zelle neu aus, sodass der zuvor anodisierte Bereich erneut dem Elektrolyten ausgesetzt wird.

Wiederholen Sie den Anodisierungsprozess mit 3 % Oxalsäure für 2,5 Minuten bei 40 Volt Gleichspannung. Tauchen Sie die AAO-Vorlage in 5 % Phosphorsäure bei Raumtemperatur ein, um die Sperrschicht an der Basis der Nanoporen zu verfeinern und den Nanoporendurchmesser nach 40 Minuten auf etwa 60 bis 70 Nanometer zu erweitern. Entfernen Sie anschließend die Vorlage aus dem Becher und spülen Sie sie mit ionisiertem Wasser ab. Tragen Sie das folgende mehrschichtige System nacheinander auf sauberes Glas auf.

Tragen Sie 20 Nanometer Titandioxid mittels Atomlagenabscheidung, sieben Nanometer Gold mittels Sputtern und einen Mikrometer Aluminium mittels Sputtern auf. Nach dem Entnehmen der Proben aus der Vakuumkammer befestigen Sie eine Folien-Elektrode an der Oberfläche des dünnen Aluminiumfilms, der anodisiert werden soll. Laden Sie die Probe mit leitfähigem Silber-Epoxidharz in die Flachzelle ein und füllen Sie diese mit 3 % Oxalsäure.

Danach das Aluminium-Dünnschicht für vier Minuten bei 30 Volt Gleichspannung anodisieren, ohne die Probe aus der Flachzelle zu entfernen. Die Zelle mit entionisiertem Wasser ausspülen. 60 Grad Celsius heißes chromhaltiges Phosphorsäure-Ätzmittel in die Flachzelle gießen und eine Stunde lang beiseitestellen.

Danach die Anodisierung und Ätzschritte unter Verwendung der zuvor beschriebenen Bedingungen wiederholen. Nach dem Spülen mit entionisiertem Wasser die Zelle mit 3 % Oxalsäure füllen und unter den gleichen Bedingungen wie zuvor ein letztes Mal anodisieren. Den Strom des Systems überwachen und die Anodisierung beenden, sobald ein starker Anstieg des Stroms beobachtet wird.

Führen Sie anschließend einen Poor-Widening-Schritt durch, indem Sie die Vorlage in 5 % Phosphorsäure bei Raumtemperatur eintauchen. Nach 40 Minuten nehmen Sie die Vorlage aus dem Becher und spülen sie mit entionisiertem Wasser ab. Geben Sie die Vorlagen in den Boden eines Zentrifugenreagenzglases, sodass der anodisierte Bereich zur Öffnung des Reagenzglases zeigt.

Mit einer Pipette füllen Sie die Reagenzgläser mit ausreichend PCBM-Lösung, sodass jede Vorlage vollständig bedeckt ist. Danach laden Sie die Reagenzgläser in die Zentrifuge und zentrifugieren fünf Minuten bei 6.000 U/min. Sobald die Zentrifuge angehalten hat, nehmen Sie die Reagenzgläser heraus und gießen die PCBM-Lösung ab.

Entfernen Sie die Formen aus den Reagenzgläsern und stellen Sie sie zum Trocknen beiseite. Wiederholen Sie die vorherigen Schritte, sodass insgesamt fünf bis zehn Zentrifugierungen durchgeführt wurden. Entfernen Sie abschließend jede Probe vom Boden der Reagenzgläser und reinigen Sie vorsichtig die Oberfläche mit einem mit Toluol getränkten Wattestäbchen, wie durch die hier gezeigten Bilder belegt.

Diese zentrifugengestützte Tropfen-Abscheidungsmethode erzeugt kontinuierliche Nanodrähte. Die innerhalb der Poren der aaO-Vorlage hergestellten Nanodrähte sind vertikal ausgerichtet, einheitlich und elektrisch voneinander isoliert und besitzen verschlossene Enden. Diese können erfolgreich auf verschiedenen Substraten hergestellt werden, was aufgrund der Strukturen eine potenzielle Anwendung in zahlreichen unterschiedlichen Bauelementen ermöglicht.

Um weiter zu überprüfen, dass das Material in den Poren PCBM ist, wurde eine Raman-Spektroskopie der Nanodrähte in den Feldvorlagen durchgeführt. Die Raman-Daten wurden mit den Spektren von PCBM-Dünnschichten und Fullerenringen aus der Literatur verglichen. Es wurden Peaks bei 1430, 1463 und 1577 cm⁻¹ beobachtet, die den Schwingungsmoden T1, U4a, G2 bzw. HG8 entsprechen.

Diese Werte stimmen gut mit den Literaturwerten von 1429, 1470 und 1575 inversen Zentimetern für reines PCBM für die jeweiligen Moden überein. Darüber hinaus zeigt dies, dass aufgrund der Nanodrahtgeometrie keine signifikante Verschiebung der Raman-Peaks vorliegt, und bestätigt das Vorhandensein von PCBM-Nanodrähten in den Poren, bevor wir diesem Verfahren folgen. Andere Methoden wie die Elektroabscheidung metallischer Nanodrähte oder das Sputtern dünner Metallschichten können zur Herstellung von Bauelementen für Anwendungen wie Spintronik, Optik, Elektronik, Photovoltaik, chemische Sensoren und Metamaterialien verwendet werden.