Une étape procédé de fabrication pour obtenir autoportante double hétérostructure épitaxiale est présenté. Cette approche pourrait atteindre une couverture de ZnO avec une densité en nombre plus élevé que celui de l'hétérostructure épitaxiale unique, conduisant à une nanogénérateur piézoélectrique avec un rendement électrique de sortie accrue.
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Article de méthode
Préparation de ZnO nanotige / graphène / ZnO nanotige épitaxiale double hétérostructure pour piézoélectriques Nanogénérateur à l'aide de préchauffage hydrothermale
Dans cet article
Résumé
Résumé
Nanostructures de ZnO bien alignées ont été intensivement étudiée au cours de la dernière décennie pour les propriétés physiques remarquables et des applications énormes. Ici, nous décrivons une technique de fabrication en une seule étape à la synthèse autoportante ZnO nanotige / graphène / ZnO nanotige double hétérostructure. La préparation de la double hétérostructure est effectuée en utilisant un dépôt chimique en phase vapeur thermique (CVD) et de préchauffage technique hydrothermique. En outre, les propriétés morphologiques ont été caractérisés en utilisant la microscopie électronique à balayage (SEM). L'utilité de autoportante double hétérostructure est démontrée par la fabrication de la nanogénérateur piézoélectrique. La sortie électrique est améliorée jusqu'à 200% par rapport à celle d'un seul hétérostructure en raison de l'effet de couplage de la piézo-électricité entre les réseaux de nanotiges de ZnO sur le haut et le bas de graphène. Cette double hétérostructure uniques ont un énorme potentiel pour les applications opto-électrique et d'électricitédes dispositifs où la densité en nombre élevée et une surface spécifique de nanotiges sont nécessaires, tels que capteur de pression, immuno-biocapteur et les cellules solaires à colorant.
Introduction
Récemment, les appareils électroniques portables et portables sont devenus un élément essentiel pour une vie confortable en raison de la développement de la nanotechnologie, qui se traduit par des exigences énormes pour une source d'énergie de l'ordre de microwatts à milliwatt. Approches considérables pour la source des appareils portables et portables puissance ont été atteints par l'énergie renouvelable, notamment l'énergie solaire de 1,2, 3,4 et la source thermique mécanique 5,6. Nanogénérateur piézo-électrique ont été intensivement étudiée comme l'un des candidats possibles pour le dispositif de récupération d'énergie à partir d'environnements, tels que le bruissement de la feuille 7, 8 onde sonore et le mouvement de l'être humain 9. Le principe sous-tendant la nanogénérateur primaire est le couplage entre le matériau diélectrique et le potentiel de barrière piézoélectrique. Le potentiel généré en matériau piézo-électrique tendu induit le courant transitoire qui circule à travers le circ externeuit, qui équilibre le potentiel à l'interface entre piézo-électrique et un matériau diélectrique. La performance de nanogénérateur serait améliorée par l'utilisation nanostructure de matériau piézoélectrique en raison de la robustesse sous robustesse sous un stress élevé et de la réactivité à petite déformation 10.
Une dimension nanostructure d'oxyde de zinc est un élément prometteur pour les matériaux piézoélectriques dans nanogénérateur en raison de ses propriétés intéressantes, par exemple, sa haute piézoélectricité (26,7 pm / V) 11, la transparence optique 12, et la synthèse facile à l'aide de procédés chimiques 13. Approche hydrothermale pour la croissance de l'nanotige de ZnO bien aligné reçoit une grande attention en raison de leur faible coût, la synthèse respectueux de l'environnement et le potentiel pour faciliter la mise à l'échelle en place. De plus, la technique de préchauffage hydrothermique est facilement contrôlable en condition expérimentale, ce qui entraîne de nombreux nouveaux types de nanostructures, comme nanoleaves 14,nanoflowers 15 et 16 nanotubes. Les nouvelles nanostructures permettent un effet bénéfique sur les performances des appareils électriques et optoélectroniques où la surface spécifique élevée de matière est exigée.
Dans ce protocole, nous décrivons les procédures expérimentales pour la synthèse de plus de roman nanostructure (c.-à-autoportante double hétérostructure). La croissance de ZnO nanotige à l'interface entre le graphène et de polyéthylène téréphtalate (PET) substrat conduit à l'auto-élévation de la nanotige ZnO / graphène simple hétérostructure, donnant le double hétérostructure autonome. En outre, l'application possible de la présente nanostructure unique pour des dispositifs électroniques et opto-électrique est mise en évidence par la fabrication d'un nanogénérateur piézoélectrique. Autoportante double hétérostructure ne fournit pas seulement une zone de surface spécifique élevée, mais aussi une densité de nombre élevé de nanotige dans une zone donnée. Cette nanostructure unique a une énorme puissanteial pour des applications de dispositifs électriques et opto-électriques, tels que capteur de pression, immuno-biocapteur et les cellules solaires à colorant.
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Protocole
1. Chemical Vapor Deposition (CVD) de croissance de couche unique graphène
Note: Le graphène utilisée dans cette étude a été cultivée sur le cuivre (Cu) en utilisant la feuille dépôt thermique chimique en phase vapeur (CVD) technique (figure 1A). La croissance est uniforme sur une surface de 2 cm x 10 cm pour ce système.
- Laver la feuille de Cu (2 cm x 10 cm) avec un flux doux de l'acétone, de l'alcool isopropylique (IPA) et d'eau distillée, respectivement.
- Placer la feuille de Cu nettoyé dans un tube en quartz à deux. (Figure 1B), puis purger la chambre à vide (environ 1 mTorr) pendant 10 min à l'aide de la pompe rotative.
- Configuration de la température du four et la rampe jusqu'à numérisé le four à 995 ° C, tout en maintenant les taux souhaités d'écoulement (100 sccm d'argon et de 50 sccm pour l'hydrogène) (Figure 1C).
- Présentez les 20 SCCM de méthane (CH 4) pendant 10 min à croître graphène multicouche unique. Maintenir la sc 80cm d'argon et 20 sccm du débit d'hydrogène du processus.
- Laisser le four refroidir jusqu'à la température ambiante à moins de 5 min avec les débits indiqués dans l'étape 1.4. Purger la chambre à nouveau avec de l'argon à 100 SCCM.
2. Préparation de graphène / polyéthylène téréphtalate (PET) Substrat
- Placez le graphène grandi feuille de Cu (1,5 cm x 2 cm) sur la lame de verre, et fixer les bords de la bande commerciale (figure 2A).
- Dépôt à la tournette, une couche de poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) à 500 tours par minute pendant 5 secondes, puis 3000 tours par minute pendant 30 secondes (Figure2B). Ensuite, faire cuire le substrat de feuille de Cu PMMA revêtu à 60 ° C pendant 2 min pour enlever les résidus de solvant.
- Couper la feuille Cu revêtue PMMA en plus petit morceau de 1 cm x 1,5 en utilisant une lame de rasoir.
- Plongez PMMA revêtu feuille de Cu Ni dans le réservoir de gravure (plus de 500 ml) en plaçant la face de feuille de Cu bas pendant 30 min. Cela laisse le PMMA couche flottante / graphène sur la solution de gravure ( Figure 2C). Un morceau de PMMA revêtu feuille de Cu est suffisant pour l'expérience de l'avant.
- Scoop PMMA / graphène superposer sur lame de verre, puis plongez PMMA / couche de graphène dans le réservoir d'eau DI. Répéter deux fois. Enfin, écope PMMA / graphène calque vers le haut sur le PET substrat (figure 2D), puis cuire le substrat à 105 ° C pendant 2 minutes pour enlever les résidus de l'eau.
- Retirer la couche de PMMA par trempage dans de l'acétone chaude (60 ° C) pendant 10 min.
3. Synthèse de ZnO nanotige / graphène / ZnO nanotige épitaxiale double hétérostructure
- Commencer à chauffer la solution de précurseur avec 40 mM de nitrate de zinc hexahydraté, 40 mM de l'hexaméthylènetétramine (HMT) et 9 mM polyéthylènimine (PEI) dans de l'eau DI pendant 60 minutes à 95 ° C dans un four à convection (figure 3A). A savoir, le processus de préchauffage.
- Bien processus de préchauffage, couvrir entièrement la solution avec de l'acétate de zinc 5 mM dans de l'éthanol sur la couche de substrat et de spin une couche de zinc acétate sur le substrat graphène / PET à 500 tours par minute pendant 5 sec puis 2.000 tours par minute pendant 60 secondes (figure 3B et figure 3C) .Ensuite, cuire le substrat à 200 ° C pendant 30 min. Répéter deux fois. L'épaisseur de couche est d'environ 30 nm.
- Immerger le graphène / PET substrat en solution préchauffée de semences revêtu en plaçant la face du substrat vers le bas à 95 ° C (Figure 3D). Déterminer le temps de chauffage pour la nanostructure souhaitée, à savoir, seule hétérostructure (t <12 h, Figure 3E) et double hétérostructure (t> 12 h, figure 3F).
- Vaporisez soigneusement éthanol sur le substrat et sécher à température ambiante pendant 1 h.
Remarque: Pour la microscopie électronique à balayage (MEB), dés l'échantillon en plus petit morceau 5 mm x 5 mm en utilisant une lame de rasoir et de monter l'échantillon sur scène SEM.
4. Fabrication de piézoélectriques Nanogénérateur
Note: nanog piézoélectriqueenerator dans cette étude présente les trois électrodes (haut, milieu, bas). Utilisation de l'oxyde d'indium et d'étain (ITO) en tant que PET revêtu de l'électrode de fond (figure 4A).
- Manteau de Spin une couche de polydiméthylsiloxane (PDMS) à 500 tours par minute pendant 5 secondes, puis 6000 rpm pendant 60 secondes pour former la couche isolante entre ITO et ZnO nanotige (figure 4B). L'épaisseur de couche est d'environ 3 pm.
- Durcir complètement le substrat à 80 ° C pendant 2 heures dans un four à convection.
- Transférer le graphène à PDMS substrat revêtu ITO / PET en utilisant la méthode à la section 2 (figure 4C).
- Synthétiser la double hétérostructure sur le substrat en utilisant la méthode à la section 3 (figure 4D).
- Manteau de Spin une couche de PDMS à 500 tours par minute pendant 5 secondes, puis 5000 tpm pendant 60 secondes afin d'améliorer la robustesse et la durabilité du nanotige ZnO, puis guérir pleinement à 80 ° C pendant 2 heures (figure 4E). L'épaisseur de coucheest d'environ 8 um.
- Couvrir le substrat avec PET revêtu d'ITO que l'électrode supérieure (Figure 4F).
Configuration de mesure 5. Performance électrique
Note: Nous mettons en place des équipements sur mesure pour la caractérisation de la performance électrique utilisant un moteur linéaire, l'échelle commerciale et l'oscilloscope. Construire le châssis pour supporter verticalement le moteur linéaire et placer l'échelle commerciale sous le moteur linéaire comme représenté sur la figure 5A. L'échelle devrait être sensible à un faible poids (0,02 kg - 20 kg).
- Placez le nanogénérateur sur une échelle, puis connectez les électrodes de nanogénérateur à la détection de sondes de l'oscilloscope (figure 5A et 5B).
- Mettre en place les positions et les vitesses initiales et finales de moteur linéaire tout en surveillant attentivement le poids dans la balance.
Astuce: Configurer la position initiale où nanogénérateur est légèrement en contact avec mesurconfiguration ement. Vitesse du moteur linéaire détermine la vitesse de déformation. - Démarrez le moteur linéaire et surveiller le signal de tension avec le temps. Enregistrer le signal en fonction du temps de tension dans la mémoire flash. Taux de Souche: 100 mm / sec et la charge appliquée: 50 N.
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Résultats
La microscopie électronique à balayage (MEB) des images présentées sur la figure 6 présente la morphologie des nanotiges de ZnO hydrothermique cultivées. La technique de préchauffage hydrothermique peut se traduire par deux nanostructures différentes en fonction du temps de croissance. La figure 6A montre une image typique de ZnO sur graphène nanotiges / PET substrat au moment de 5 heures de croissance. En revanche, l'image r...
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Discussion
S'il vous plaît noter que la haute qualité (> 99,8%, recuit) de feuille de Cu devrait être considéré comme un substrat pour la croissance réussie de graphène seule couche. Sinon, le graphène monocouche est pas uniformément cultivé sur la feuille Cu, conduisant à diminuer considérablement la conductivité du graphène. Un recuit de 1 heure à température élevée contribuerait à l'amélioration de la feuille cristallinité Cu ainsi que l'enlèvement des contaminants de la feuille de Cu.
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Déclarations de divulgation
Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.
Remerciements
Ce travail a été soutenu par la subvention de la Fondation nationale de recherche de Corée (NRF) financée par le gouvernement coréen (MSIP) (n°2014R1A2A1A11051146). Ce travail a également été soutenu par une subvention de la Fondation nationale de recherche de Corée financée par le gouvernement coréen (NRF-2014R1A1A2058350).
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Feuille de cuivre | Alfa Aesar | 13382 | |
| poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) | Aldrich | 182230 | |
| nitrate de zinc hexahydraté | Sigma-Aldrich | 228732 | |
| hexaméthylènetétramine (HMT) | Sigma-Aldrich | 398160 | |
| polyéthylénimine (PEI) | Sigma-Aldrich | 408719 | |
| indium étain PET enduit d’oxyde (ITO) | Aldrich | 639303 | |
| Silicone Elastomer Kit | Dow Corning | Sylgard 184 a, b | |
| Nickel Etchant Type1 | Transene Company | 41212 |
Références
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Réimpressions et autorisations
