הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

ייצור, Densification, העתק דפוס של Microstructures Nanotube 3D פחמן

19.4K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/3980

⸱

2 ביולי 2012

 ,  ,  ,  , 
1Mechanosynthesis Group, Department of Mechanical Engineering, University of Michigan , 2IMEC, Belgium

במאמר זה

סיכום

אנו מציגים שיטות ייצור של microstructures בדוגמת של צינורות פחמן מיושר אנכית (CNTs), והשימוש בהם כמו תבניות בסיס לייצור microstructures פולימר במרקם מאורגן פני הננומטרי. ביערות ה-CNT הם densified על ידי עיבוי של ממס על מצע, אשר מגביר באופן משמעותי את צפיפות האריזה שלהם ומאפשר עצמית מכוונת היווצרות של צורות 3D.

תקציר

המבוא של חומרים ותהליכים חדשים microfabrication יש, במידה רבה, לאפשר התקדמות חשובה הרבה Microsystems, מעבדה על שבב התקנים, ואת היישומים שלהם. בפרט, יכולות ייצור יעיל וחסכוני של microstructures פולימר הפכו על ידי הופעתו של ליתוגרפיה רך טכניקות micromolding אחרים 1, 2, וזה הוביל מהפכה היישומים של microfabrication הנדסה ביו ביולוגיה. עם זאת, הוא נותר מאתגר לפברק microstructures עם מוגדרים היטב טקסטורה ננו, וכדי לייצר צורות 3D שרירותיים על מיקרו בקנה מידה. החוסן של תבניות בסיס ותחזוקה של שלמות הצורה חשובה במיוחד על מנת להשיג שכפול איכות גבוהה של מבנים מורכבים ושימור מרקם פני השטח ננו שלהם. שילוב של מרקמים וצורות היררכי, הטרוגניות, הוא אתגר עמוק שיטות microfabrication הקיימים LARgely להסתמך על תחריט מלמעלה למטה באמצעות תבניות מסכת קבועים. מצד שני, סינתזה מלמטה למעלה ננו כגון צינורות ו nanowires יכולים להציע יכולות חדשות microfabrication, בעיקר על ידי ניצול של הארגון העצמי הקולקטיבי של ננו, ושליטה מקומית של התנהגות הצמיחה שלהם לגבי דפוסי microfabricated .

המטרה שלנו היא להציג את צינורות פחמן מיושר אנכית (CNTs), שבה אנו מתייחסים כמו ה-CNT "היערות", כחומר microfabrication חדש. אנו מציגים פרטים על חבילה של שיטות הקשורות שפותחו לאחרונה על ידי הקבוצה: ייצור של ה-CNT microstructures יער ידי CVD תרמית מסרטים זרז בדוגמת lithographically דקים; עצמית מכוונת densification elastocapillary microstructures של ה-CNT, דפוס העתק של פולימר microstructures באמצעות תבניות ה-CNT אמן מרוכבים . בפרט, העבודה שלנו מראה כי densification עצמית מכוונת נימי ("נימי להרכיב"), שהוא performed על ידי עיבוי של ממס על מצע עם microstructures ה-CNT, מגביר באופן משמעותי את צפיפות האריזה של CNTs. תהליך זה מאפשר שינוי כיוון של ה-CNT אנכיים microstructures לצורות ישרות, נוטה, ומעוותים, בעלי תכונות מכניות החזקה העולה על אלו של פולימרים microfabrication טיפוסי. זה בתורו מאפשר היווצרות של nanocomposite תבניות ה-CNT אמן על ידי נימי מונע חדירה של פולימרים. המבנים העתק להפגין את המרקם ננו אניסוטרופי של CNTs מסודרים, והוא יכול להיות עם קירות בעובי מיקרון משנה ו היבט ratios העולה על 50:1. השילוב של ה-CNT microstructures בייצור מציע הזדמנות נוספת לנצל את התכונות החשמליות ותרמית של CNTs, ויכולות מגוונות כימיים functionalization ביוכימי 3.

פרוטוקול

1. Catalyst דפוסים

  1. לרכישת פרוסות סיליקון (100) סיליקון עם שכבת תחמוצת סיליקון בעובי 3000 א, בצד אחד לפחות מלוטש. לחלופין, יוכל לרכוש פרוסות סיליקון חשוף לגדול דו תחמוצת הצורן 3000 א על פרוסות סיליקון. עיבוד כל המתוארת להלן נעשה על הצד המבריק של פרוסות סיליקון.
  2. Spincoat שכבת HMDS ב 500rpm עבור 4s, אז 3000rpm עבור ה -30. HMDS מקדם הדבקה בין רקיק ועל photoresist.
  3. Spincoat שכבה של SPR-220-3 ב 500rpm עבור 4s, אז 3000rpm עבור ה -30.
  4. אופים את פרוסות סיליקון על פלטה חשמלית ב 115 מעלות צלזיוס במשך שנות ה -90.
  5. באמצעות המסכה הרצויה עבור דפוסים זרז, לחשוף את פרוסות לאור UV עם irradiance של 20 mW / cm 2 ב 405 ננומטר במשך 6s במגע קשה mode.1.6) אופים פרוסות על פלטה חשמלית שוב 115 מעלות צלזיוס במשך 90 (POST חשיפה לאפות).
  6. פיתוח photoresist נחשף בשנות ה -60 באמצעות AZ-300 מפתח MIF.
  7. לשטוףפרוסות סיליקון עבור ה -60 במים DI.
  8. הפקדה 10nm אל 2 O 3 ואחריו 1nm פה על ידי אידוי הקורה אלקטרוני או המקרטעת.
  9. באופן ידני הסופר רקיק לשבור לחתיכות כ -20 × 20 מ"מ או קטן יותר.
  10. ביצוע ההמראה של photoresist על ידי השריית פיסות רקיק בכוס 1 ליטר המכיל 100 מ"ל של אצטון, תוך הכוס מונחת באמבטיה קולי בהספק 6 עבור 8min (אולטרסוניקה לפסגה 1100D).
  11. השלך ולהחליף אצטון sonicate שוב עם אותן הגדרות.
  12. מעבירים את חתיכות רקיק כדי הגביע עם isopropanol (IPA), ואז לספוג במשך 2min.
  13. מוציאים את חתיכות פרוסות של IPA בנפרד באמצעות פינצטה. יבש כל פיסת עם זרם חנקן עדין באמצעות זרבובית כף יד.

2. CNT צמיחה

  1. לרכישת פרוסות סיליקון חשופות (או תחמוצת מצופה) סיליקון ידני סופר ולשבור חתיכה עם ממדים כ -22 × 75 מ"מ. זה "סירה"ישמש לתמוך לטעון את הזרז מצופה חתיכות פרוסות לתוך תנור צינור. סירה הוא מאוד שימושי עבור מחזיק את החלקים רקיק במהלך העמסה ופריקה, אבל לא משחק תפקיד בתהליך הצמיחה. בעיקרון סירה יכול להיות כל חומר כימי ויציב תרמית בתנאים צמיחה CNT.
  2. מניחים המספר הרצוי של זרז מצופה חתיכות רקיק (מצעי גידול) על הספינה, 30 מ"מ מהקצה המוביל.
  3. טען את הסירה עם מצעים הצמיחה לתוך הצינור. לדחוף את הסירה לתוך הצינור כך החדשנית ממוקם במורד הזרם של 30 מ"מ תרמי תנור, באמצעות נירוסטה או מוט דחיפה קוורץ. עמדה זו היא 30 מ"מ "sweetspot" אשר נותן את השיעור הגבוה ביותר CNT הצמיחה בתנור שלנו. יהיה צורך לקבוע עמדה על מנגנון של המשתמש, בהתאם למנגנון של המשתמש מטרות (למשל, מקסום של קצב הצמיחה CNT או צפיפות).
  4. לחבראת הקצה כמוסות, איטום צינור. יש להיזהר שלא להפריע את המיקום של הסירה או חתיכות סיליקון בדוגמת. הערה: הצמיחה CNT הוא רגיש מאוד למצב בתוך הצינור.
  5. שטוף את צינור קוורץ עם 1000sccm של הליום עבור 5min בטמפרטורת החדר.
  6. בעוד זורם 400sccm של מימן 100sccm של הליום, כבש את הטמפרטורה ל 775 מעלות צלזיוס 10min ולאחר מכן החזק את תזרימי וטמפרטורה עבור 10min. צעד זה גורם הסרט כדי כימית להפחית מן תחמוצת ברזל ברזל, כדי dewet לתוך חלקיקים.
  7. לשנות את קצב זרימת מימן 100sccm ואת קצב הזרימה הליום 400sccm, תוך הוספת 100sccm של אתילן לשמירה על תנור ב 775 מעלות צלזיוס לגדול CNTs. בעיצומה של CNTs את נשלטת על ידי משך שלב זה.
  8. כדי לעצור את צמיחת ה-CNT ו לקרר את המדגם, באופן ידני להחליק במורד הזרם שפופרת קוורץ עד שבבי זרז ממוקמים כ 1cm במורד הזרם של בידוד הכבשן. השתמש טיפוללשמור על תזרים ואותו סט תנור בטמפרטורה נקודה כמו בשלב הקודם, במשך 15 דקות.
  9. לשטוף עם צינור 1000sccm של הליום עבור 5min, לפני אחזור דגימות, ולהפוך את התנור.

3. CNT Densification

  1. החל נייר דבק דו צדדית על רשת אלומיניום 0.8mm עבה עם חורים בקוטר 6.25mm. ודא הרשת הוא גדול יותר מאשר הפתיחה של גביע 1 ליטר ו - קלטת מרוכז כ על הרשת.
  2. הר פרוסות סיליקון חתיכת עם CNTs על סרט כל כך את ה-CNT microstructures מתמודדים כלפי מעלה.
  3. יוצקים לתוך כוס 100 מ"ל אצטון 1 ליטר ומניחים את הכוס על פלטה חשמלית בתוך במנדף. הניח את הכיריים על מנת להשיג טמפרטורת פני השטח של 110 ° C. המתן עד אצטון מתחיל רותחים. נציין כי, על פלטה חשמלית שלנו, הגדרה של 150 ° C נדרש כדי להשיג 110 ° C על פני השטח. נקודת הרתיחה של אצטון הוא הרבה יותר נמוך (כ 56 מעלות) אבל אנחנו fouND כי טמפרטורת גבוהות מותר אצטון לרתיחה מהר יותר, מחוממת הצדדיים של הגביע, מניעת עיבוי בתוך הכוס.
  4. מניחים את רשת אלומיניום על הכוס כך לדוגמה רכוב פונה כלפי מטה.
  5. הערה כל תנודות מהירות מול אדי עולה בצד של הכוס ולהתאים את רמת קטר אבנט מכסה המנוע על מנת לייצב את החזית אדי.
  6. פעם אחת מול אדי מתקרב לראש הגביע, לראות את השינויים צבע לכאורה על פני השטח של מצע סיליקון. קשת כמו דפוסי יופיע לטאטא על פני כל השטח. זה מסמל שכבה דקה של חומר ממיס להרכיב על פני השטח כאשר אדי בא במגע עם משטח קר.
  7. לאחר ממס מספיק הופקד, להרים את הרשת ואת מבלי לשנות את הכיוון של המדגם, להחזיק אותו במרחק ממס רותחים עד שהופקדו ממס התאדו משם. משך הזמן נקבע empirמבוסס ically על גודל או רווחים של המבנים ה-CNT. זה מופנה נוספת בדיון.
  8. הסר את הרשת של הגביע, בזהירות לקלף את המדגם מתוך סרט דו צדדית, באמצעות סכין גילוח. בזהירות רבה יש לנקוט בשלב זה כפי שהוא קל לשבור את המדגם במהלך ההסרה.

4. CNT מאסטר ייצור עובש

  1. בריכת SU-8 2002 על ה-CNT microstructures densified. לסובב את המדגם ב 500rpm עבור 10s, אז 3000rpm עבור ה -30.
  2. אופים את המדגם על 65 מעלות צלזיוס למשך 2 דק 'ולאחר מכן ב 95 מעלות צלזיוס למשך 4 דקות.
  3. לחשוף את המדגם לאור UV עם irradiance של 75mW/cm 2 עבור ה -20.
  4. אופים מדגם שוב 65 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות, אז 95 מעלות צלזיוס למשך 4 דקות.

5. העתק דפוס

  1. אם שכפול מבנים עדינים, הצב את שני תא ייבוש יחד עם כוס שפל של 100μL של (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydtoocyl)-Trichlorosilane ב 400mTorr ל 12 שעות.
  2. מערבבים כולל של 1G של PDMS (Sylgard 184), עם יחס של מונומר 10:01: חוצה מקשר. עבור microstructures עם גודל בסיס של כמה מיקרומטרים ואת יחס הממדים של שימוש 10 או יותר יחס של 8:01.
  3. מניחים את שני ה-CNT בצלחת נייר אלומיניום, ויוצקים לתוך צלחת PDMS עד המדגם הוא שקוע.
  4. מניחים את הדוגמה ואקום דגה ב 400mTorr במשך 15 דקות. ברגע בועות מתחילות להיווצר PDMS (בדרך כלל לאחר כ 3 דקות) מעת לעת להגביר את הלחץ במהירות לפרוץ בועות גדולות.
  5. לרפא שלילית על 120 מעלות צלזיוס במשך 20 דקות. אם המדגם מכיל מבנים הר, לרפא על 85 מעלות צלזיוס במשך 5 שעות.
  6. נרפא פעם, קליפת רדיד אלומיניום בחזרה להפריד בין שני הרך PDMS שלילית ביד.
  7. אם שכפול מבנים עדינים, הצב את שלילית תא ייבוש יחד עם כוס שפל של 100μL של (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydtoocyl)-trichlorosilane ב400mTorr ל 12 שעות.
  8. יוצקים SU-8 2002 לתוך שלילית PDMS ודגה ב 400mTorr עבור 10min.
  9. אופים את המדגם (SU-8 מלא שלילית) על 65 מעלות צלזיוס במשך 4min, אז 95 מעלות צלזיוס במשך 6 שעות להתאדות ממס משכבה עבה של SU-8.
  10. לחשוף את המדגם לאור UV עם irradiance של 75mW/cm 2 עבור ה -20 ואופים שוב ב 65 מעלות צלזיוס במשך 4min ואז על 95 מעלות צלזיוס במשך 8min.
  11. לאחרונה, באופן ידני demold SU-8 העתק מן PDMS שלילית.

6. נציג תוצאות

כמו מגודלים נציג עמודים מערכי ה-CNT יחד עם צורות densified שלהם שמוצג באיור 4 (תמונה שונה מן דה Volder et al. 4). עמודי הר עם עובי של 10μm או קטן יותר צמצמו בהדרגה יושר, אשר מצטמצם עוד יותר במהלך densification. Densification של עמודים בצורת חצי עיגול הוכח לגרום עמודים מכופפים אחידה על פני שטחים גדולים (איור 4 ג). SU-8 אניnfiltration מתרחשת בין ובתוך microstructures ה-CNT, עבור מבנים עם רווחים של 30μm או מתחת שכבה דקה של SU-8 יכול להישאר בין מבנים. תמונות של השלבים הקריטיים בתהליך שכפול מוצגים בתרשים 5, בעוד תמונות SEM המשווים את microstructures משוכפלים על העתקים שלהם על סולמות שונים שמוצג באיור 6 (התמונה שונה מ Copic et al. 5). המגבלות הנוכחיות, במונחים של יצירת המבנה, כולל מבני מעוותת (התמונה שונה מ De Volder et al. 4), יחס גבוה קירות היבט, מחדש נכנס מבנים מוצגות באיור 7 (תמונה שונה מן Copic et al. 5).

figure-protocol-1
באיור 1. תנור Tube ההתקנה של צמיחה צמיחה CNT. (א) מערכת סכמטית. (ב) Tube הכבשן (Thermo-פישר Minimite), עם מכסה פתוח כדי להראות סירה סיליקון בתוך שפופרת קוורץ אטום. (ג) הסיליקון בשיבולת שועל עם דוגמאות, המוצגות לפני ואחרי צמיחה. לחץ כאן כדי להציג דמות גדולה .

figure-protocol-2
באיור 2. (א) תרשים סכמטי של הגביע על עיבוי מבוקרת של אדי ממס על microstructures ה-CNT (תמונה שונה מן דה Volder et al. 6). (ב) מצע CNT מדגם מחובר רשת אלומיניום על אצטון רותחים.

figure-protocol-3
איור 3. זרימת התהליך עבור דפוס העתק של ה-CNT microstructures, ותמונה של מערך נציג מיקרו משוכפל לעומת מטבע הדולר האמריקני ברבעון.

figure-protocol-4
באיור 4. למופת ה-CNT microstructures לפני ואחרי קפילארY להרכיב. סכמטיים ו SEM תמונות של המערך של גלילי עמודי ה-CNT (א) לפני נימי להרכיב, ו (ב) לאחר נימי להרכיב (תמונה שונה מן דה Volder et al. 6). שיבוצים להראות יישור וצפיפות CNTs. (ג) Semicylindrical עמודי ה-CNT densify להטות במהלך נימי להרכיב, ויצרו קורות משופעים (תמונה שונה מן זאו et al. 7). לחץ כאן כדי להציג דמות גדולה .

figure-protocol-5
איור 5. שלבים עיקריים של ייצור עובש CNT שלילי הליהוק העתק. (א) יציקה של עובש PDMS שלילית. (ב) degassing של עובש שלילית. (ג) ידני של demolding שלילית, הליהוק של העתק SU-8.

figure-protocol-6
איור 6. השוואה בין (א) CNT/SU-8 אב (ב) העתק מבנים micropillar מראה נאמנות גבוהה שכפול של צורה מיקרו בקנה מידה ננומטרי ומרקם (כלומר, הצדדיים ועל המשטח העליון), על פני שטח גדול (תמונה שונה מן Copic et al. 5). לחץ כאן כדי להציג דמות גדולה .

figure-protocol-7
איור 7. היבט גבוהה, יחס (הר) מחדש נכנס microstructures CNT ו העתקים פולימר שלהם. (א) Densified CNT חלת דבש עם מאסטר המקביל SU8-CNT ו SU8 העתק. (ב) אב העתק של ה-CNT משופע microwell (תמונה שונה מן Copic et al. 5). (ג) Densified מעוותת micropillars ה-CNT, עם אב העתק של מבנה בודד (תמונה שונה מן דה Volder et al. 4). חלות דבש ב (א) יש רוחב הקיר של 400 ננומטר ו גובה של 20 מיקרומטר.= "Http://www.jove.com/files/ftp_upload/3980/3980fig7large.jpg" target = "_blank"> לחץ כאן כדי להציג דמות גדולה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

דפוסים ליתוגרפיות והכנת זרז CNT מצעים הוא פשוט הדיר, אולם, השגת צמיחה עקבית CNT צריך להיעשות בזהירות רבה כיצד גובה וצפיפות של יערות ה-CNT מושפעים לחות הסביבה מצבו של הצינור הצמיחה. מניסיוננו, דפוסים גדולים יותר מ 2 מיקרומטר 1000 פחות רגישים לשינויים קטנים בתנאי עיבוד. יתר על כן, הצפיפות של המחזות דפוסי משפיע על צפיפות הצמיחה לגובה 8. הצפיפות הצמיחה וגובה גדולים יותר על דפוסי עם חלק המילוי (שטח כולל של זרז חלקי שטח המצע הכולל) עולה על 20%. כמו כן, חשוב וחיוני ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

אין ניגוד עניינים הצהיר.

תודות

מחקר זה נתמך על ידי תוכנית Nanomanufacturing של הקרן הלאומית למדע (CMMI-0927634). דבור Copic נתמך בחלקו על ידי תוכנית העמיתים ההצטיינות רקהאם באוניברסיטה של ​​מישיגן. סאמח Tawfick מודה תמיכה חלקית מתוך אחוות רקהאם Predoctoral. מייקל דה Volder נתמך על ידי קרן הבלגי למחקר מדעי - פלנדריה (FWO). Microfabrication בוצעה במתקן Nanofabrication לוריא (LNF), שבה הוא חבר של רשת ננוטכנולוגיה התשתיות הלאומיות, וכן במיקרוסקופ אלקטרונים בוצעה על אלקטרונים מישיגן Microbeam ניתוח מעבדה (EMAL).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
שם מגיב חברה מספר קטלוגי תגובות
4 "בקוטר 100 <> סיליקון ופלים מצופים SiO 2 (300 ננומטר) הסיליקון Quest מנהג
חיובי photoresist MicroChem SPR 220-3.0
Hexamethyldisilizane
(HMDS) 		MicroChem
מפתח AZ אלקטרונית חומרים ארה"ב קורפ AZ 300 MIF
המקרטעת מערכת קורט ג'Lesker מעבדה 18 המערכת המקרטעת בתצהיר זרז
תרמו פישר Minimite פישר סיינטיפיק TF55030A צינור תנור לצמיחה CNT
צינור קוורץ זכוכית מוצרים טכניים מנהג 22 × 25 מ"מ מזהה מ"מ OD 30 "אורך
הליום גז PurityPlus הוא (PrePurified 300)
מימן גז PurityPlus H 2 (PrePurified 300) UHP
אתילן גז PurityPlus C 2 H 4 (PrePurified 300) UHP
אלומיניום מחורר גיליון מקמאסטר-קאר 9232T221 לקיום המדגם מעל הכוס densification
המבול מנורת UV Dymax דגם 2000
SU-8 2002 MicroChem SU-8 2002
Polydimethylsiloxane
(PDMS) 		Dow Corning Sylgard 184 אלסטומר סיליקון ערכת

מקורות

  1. Xia, Y. N., Whitesides, G. M. Soft lithography. Annual Review of Materials Science. 28, 153-184 (1998).
  2. Xia, Y. Replica molding using polymeric materials: A practical step toward nanomanufacturing. Advanced Materials. 9, 147-149 (1997).
  3. Tasis, D., Tagmatarchis, N., Bianco, A., Prato, M. Chemistry of Carbon Nanotubes. Chemical Reviews. 106, 1105-1136 (2006).
  4. De Volder, M. Diverse 3D Microarchitectures Made by Capillary Forming of Carbon Nanotubes. Advanced Materials. 22, 4384-4389 (2010).
  5. Copic, D., Park, S. J., Tawfick, S., De Volder, M. F. L., Hart, A. J. Fabrication of high-aspect-ratio polymer microstructures and hierarchical textures using carbon nanotube composite master molds. Lab on a Chip. 11, 1831-1837 (2011).
  6. De Volder, M. F. L., Park, S. J., Tawfick, S. H., Vidaud, D. O., Hart, A. J. Fabrication and electrical integration of robust carbon nanotube micropillars by self-directed elastocapillary densification. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21, 045033-04 (2011).
  7. Zhao, Z. Bending of nanoscale filament assemblies by elastocapillary densification. Physical Review E. 82, 041605(2010).
  8. De Volder, M. F. L., Vidaud, D. O., Meshot, E. R., Tawfick, S., Hart, A. J. Self-similar organization of arrays of individual carbon nanotubes and carbon nanotube micropillars. Microelectronic Engineering. 87, 1233-1238 (2010).
  9. Nessim, G. D. Tuning of Vertically-Aligned Carbon Nanotube Diameter and Areal Density through Catalyst Pre-Treatment. Nano Letters. 8, 3587-3593 (2008).
  10. Pokroy, B., Epstein, A. K., Persson-Gulda, M. C. M., Aizenberg, J. Fabrication of Bioinspired Actuated Nanostructures with Arbitrary Geometry and Stiffness. Advanced Materials. 21, 463-469 (2009).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

CVDSU 8PDMS
ייצור, Densification, העתק דפוס של Microstructures Nanotube 3D פחמן
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.