Altissima densità Array of allineato verticalmente Nanofili organici piccola molecolari su substrati arbitrarie
18 giugno 2013
Riportiamo un metodo semplice per la realizzazione di una vasta gamma di densità altissima di ordine verticale nanofili organici piccolo-molecolari. Questo metodo consente la sintesi di complessi heterostructured geometrie nanofili ibridi, che possono essere coltivate su substrati a buon arbitrari. Queste strutture hanno potenziali applicazioni in elettronica organica, optoelettronica, sensori chimici, fotovoltaico e spintronica.
L'obiettivo generale di questa procedura è fabbricare un array di nanofili organici allineati verticalmente all'interno di un modello poroso. Questo risultato si ottiene innanzitutto preparando un substrato da anodizzare, lucidando la superficie di una lamina di alluminio oppure depositando un sottile film di alluminio su un substrato arbitrario. Il secondo passaggio consiste nell'anodizzare la lamina di alluminio lucidata o il film sottile di alluminio depositato su un substrato arbitrario.
L'ultimo passaggio consiste nel depositare materiale organico nei pori del stampo utilizzando un innovativo metodo di incapsulamento assistito da centrifuga. Infine, la microscopia elettronica a scansione viene utilizzata per dimostrare l'esistenza di nanofili organici all'interno dei pori del stampo di ossido di alluminio anodico. L'idea per questo metodo è emersa inizialmente quando ho avuto difficoltà a riempire i pori degli stampi di alluminio anodico utilizzando metodi tradizionali di bagnatura dello stampo.
Ho deciso di utilizzare la forza centrifuga di una centrifuga per spingere o favorire la penetrazione della soluzione nei pori. Tagliare innanzitutto fogli di alluminio non lucidato ad alta purezza di circa due centimetri per due centimetri e con uno spessore di 250 micrometri, immergere un piccolo numero di questi fogli in un becher contenente acido nitrico-fosforico per l'incisione a 80 gradi Celsius per cinque minuti; dopo l'incisione, neutralizzare le lamelle immergendole in acqua e successivamente ponendole in idrossido di sodio uno molare per 20 minuti. Successivamente, risciacquare le lamelle con acqua ionizzata.
Successivamente, inserire i fogli di alluminio lucidati nelle celle piatte e riempirle con acido ossalico al 3%. Quindi anodizzare i fogli per 15 minuti a 40 volt in corrente continua; dopo l'anodizzazione, immergere il campione in un becher contenente acido cromofosforico per l'attacco chimico a 60 gradi Celsius per circa 30 minuti. Per rimuovere lo strato di ossido iniziale, riposizionare la lamina nella cella piatta in modo che la stessa area anodizzata in precedenza venga nuovamente esposta all'elettrolita.
Ripetere il processo di anodizzazione con acido ossalico al 3% per 2,5 minuti a 40 volt in corrente continua. Immergere il substrato A a O in acido fosforico al 5% a temperatura ambiente per ridurre lo spessore dello strato barriera alla base dei nanopori e aumentare il diametro dei nanopori a circa 60-70 nanometri; dopo 40 minuti, rimuovere il substrato dal becher e risciacquarlo con acqua deionizzata. Depositare in sequenza il seguente sistema multistrato su vetro pulito.
Deposita 20 nanometri di biossido di titanio mediante deposizione in strati atomici, sette nanometri di oro mediante sputtering e un micrometro di alluminio mediante sputtering. Dopo aver rimosso i campioni dalla camera a vuoto, attacca un elettrodo in foglio alla superficie del film sottile di alluminio da anodizzare. Utilizzando una resina epossidica conduttiva argentata, carica il campione nella cella piatta e riempila con acido ossalico al 3%.
Quindi anodizzare il film sottile di alluminio per quattro minuti a 30 volt di polarizzazione in corrente continua senza rimuovere il campione dalla cella piana. Sciacquare la cella con acqua deionizzata. Versare nella cella piana una soluzione di acido cromofosforico a 60 gradi Celsius e lasciare in posa per un'ora.
In seguito, ripetere i passaggi di anodizzazione e incisione utilizzando le condizioni descritte in precedenza. Dopo il risciacquo con acqua deionizzata, riempire la cella con acido ossalico al 3% e anodizzare un'ultima volta utilizzando le stesse condizioni di prima. Monitorare la corrente del sistema e interrompere l'anodizzazione quando si osserva un brusco aumento della corrente.
Successivamente, eseguire un passaggio di allargamento scarso immergendo il modulo in acido fosforico al 5% a temperatura ambiente. Dopo 40 minuti, rimuovere il modulo dal becher e risciacquarlo con acqua deionizzata. Caricare i moduli nella parte inferiore di una provetta per centrifuga in modo che l'area anodizzata sia rivolta verso l'alto della provetta.
Utilizzando una pipetta, riempire i tubi di prova con soluzioni di PCBM in quantità sufficiente a immergere completamente ciascun stampo. Successivamente, caricare i tubi di prova nella centrifuga ed eseguire la centrifugazione per cinque minuti a 6.000 giri al minuto. Una volta arrestata la centrifuga, scaricare i tubi di prova e versare la soluzione di PCBM.
Rimuovere i modelli dai tubi di prova e metterli da parte ad asciugare. Ripetere i passaggi precedenti in modo da eseguire complessivamente da cinque a dieci centrifugazioni. Infine, rimuovere ogni campione dal fondo dei tubi di prova e utilizzare un bastoncino di cotone imbevuto di toluene per pulire delicatamente la superficie, come evidenziato dalle immagini mostrate qui.
Questo metodo di deposizione a goccia assistita da centrifuga produce nanostrutture continue. Le nanostrutture fabbricate all'interno dei pori del modello di a a O sono allineate verticalmente, uniformi e isolate elettricamente l'una dall'altra, con estremità chiuse. Queste possono essere fabbricate con successo su diversi substrati, il che apre la strada a potenziali applicazioni di queste strutture in numerosi dispositivi differenti.
Per verificare ulteriormente che il materiale all'interno dei pori sia PCBM, sono state effettuate analisi di spettroscopia Raman dei nanofili sui modelli di campo. I dati Raman sono stati confrontati con gli spettri di film sottili di PCBM e anelli di fullerene reperiti in letteratura. Sono stati osservati picchi a 1430, 1463 e 1577 cm⁻¹, che corrispondono rispettivamente alle modalità T1, U4a, G2 e HG8.
Questi valori corrispondono bene ai valori letterari di 1429, 1470 e 1575 centimetri inversi per il PCBM puro relativi alle stesse modalità. Inoltre, ciò dimostra che non vi è alcuno spostamento significativo dei picchi Raman dovuto alla geometria dei nanofili, confermando la presenza di nanofili di PCBM all'interno dei pori prima di seguire questa procedura. Altri metodi, come l'elettrodeposizione di nanofili metallici o lo sputtering di metalli sotto forma di film sottili, possono essere utilizzati per realizzare dispositivi destinati ad applicazioni come la spintronica, l'elettronica ottica, l'elettronica, il fotovoltaico, il rilevamento chimico e i metamateriali.
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Panoramica
Questo studio presenta un metodo per la fabbricazione di un reticolo di nanofili organici allineati verticalmente mediante l'utilizzo di un modello poroso. L'approccio consente la sintesi di geometrie ibride di nanofili eterostrutturati complessi su diversi substrati, con possibili applicazioni nell'elettronica e nell'optoelettronica organica.
Componenti Chiave dello Studio
Ambito Scientifico
- Nanotecnologia
- Scienza dei materiali
- Elettronica organica
Sfondo
- I nanofili organici hanno un potenziale significativo in varie applicazioni elettroniche.
- I metodi tradizionali per riempire i modelli porosi possono essere inefficienti.
- Sono necessarie tecniche migliorate per una fabbricazione più efficace di nanostrutture.
- Questo studio affronta queste sfide con un metodo innovativo.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo semplice per la creazione di nanofili organici ordinati verticalmente.
- Permettere la crescita di geometrie complesse di nanofili su substrati arbitrari.
- Esplorare potenziali applicazioni in diversi campi, come il fotovoltaico e la spintronica.
Metodi Utilizzati
- Preparazione di un substrato mediante lucidatura della lamina di alluminio o deposizione di film sottili di alluminio.
- Anodizzazione dell'alluminio per creare un modello poroso.
- Deposizione del materiale organico nei pori del modello mediante bagnatura assistita da centrifuga.
- Utilizzo della microscopia elettronica a scansione per confermare la presenza di nanofili.
Risultati principali
- Realizzazione con successo di nanofili organici allineati verticalmente.
- Dimostrazione dell'efficacia del metodo nel riempire i pori del template.
- Potenziale per la produzione a basso costo di nanostrutture complesse.
- Individuazione di applicazioni nell'elettronica organica e nel rilevamento chimico.
Conclusioni
- Il metodo proposto offre un modo affidabile per creare nanofili organici.
- Questa tecnica può essere adattata a diversi substrati e applicazioni.
- Studi futuri potrebbero esplorare ulteriori applicazioni nelle tecnologie elettroniche e nei sistemi di rilevamento.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Contenuto
Questo metodo consente la fabbricazione di array di nanofili organici allineati verticalmente su substrati arbitrari, affrontando una sfida chiave nella nanostrutturazione di semiconduttori organici a base di piccole molecole tecnicamente rilevanti, come Alq3, rubrene e PCBM. Superando i limiti dell'impregnazione tradizionale con stampi, l'approccio permette una produzione riproducibile e scalabile di materiali organici nanostrutturati, destinati all'integrazione successiva in dispositivi elettronici ed optoelettronici organici. Questa capacità aumenta la fiducia predittiva nella selezione precoce dei materiali e riduce i rischi lungo i percorsi di traslazione per le applicazioni dei semiconduttori organici.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi delle relazioni tra struttura e proprietà nei semiconduttori organici nanostrutturati per la validazione degli obiettivi nelle applicazioni elettroniche organiche.
- Valore operativo: Fornisce un metodo standardizzato per generare nanofili uniformi, isolati elettricamente e con estremità inferiori sigillate, al fine di ottenere un screening coerente dei materiali.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Produce array di nanofili verticalmente allineati, adatti alla preparazione di piattaforme di rilevamento biologico o chimico che richiedono un controllo morfologico preciso.
- Valore operativo: Favorisce la standardizzazione dei saggi mediante il riempimento riproducibile dei pori attraverso l'impregnazione del modello assistita da centrifugazione, migliorando la prontezza per la valutazione di composti o analiti.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Favorisce la continuità dalla scoperta alla valutazione preclinica, consentendo la nanostrutturazione di materiali organici utilizzati in dispositivi come fotovoltaici e transistor a film sottile.
- Valore operativo: Permette l'adattamento su substrati arbitrari, sostenendo il riutilizzo della piattaforma e la scalabilità nei flussi di lavoro traslazionali.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nel percorso della scoperta consentendo la generazione di materiali organici nanostrutturati da utilizzare nello sviluppo di saggi e nei flussi di lavoro di screening, in particolare quando sono richieste una morfologia precisa e un isolamento elettrico per letture affidabili.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi e la chiarificazione dei percorsi attraverso sistemi organici nanostrutturati ben definiti per lo studio del trasporto di carica e dei fenomeni interfaciali.
- Screening: Fornisce substrati pronti per saggi con array uniformi di nanofili che migliorano la riproducibilità e la coerenza dei risultati quantitativi nelle applicazioni di screening elettronico o di rilevamento.
- Analisi: Permette la validazione morfologica e composizionale a scala nanometrica mediante microscopia elettronica a scansione e spettroscopia Raman, favorendo confronti basati sui dati in diverse condizioni dei materiali.
- Ricerca traslazionale: Si collega alla continuità preclinica consentendo la nanostrutturazione di semiconduttori organici rilevanti per le prestazioni dei dispositivi nel campo del fotovoltaico e dell’elettronica.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una capacità riutilizzabile per generare array verticali di nanofili su diversi substrati e materiali organici, riducendo lo sforzo di sviluppo in campagne di screening dei materiali.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Affidabilità predittiva nelle relazioni struttura-funzione, riduzione dell'ambiguità meccanicistica nel comportamento dei semiconduttori organici.
- Valore operativo: Standardizzazione, riproducibilità e scalabilità della fabbricazione di matrici di nanofili su diversi tipi di substrato.
- Valore strategico: Miglioramento delle decisioni di avanzamento o interruzione nella selezione dei materiali organici, efficienza del capitale e riduzione del rischio di integrazione in fasi avanzate.
- Impatto sul portafoglio: Prioritizzazione corretta per il rischio dei candidati semiconduttori organici basata sulla formazione di nanostrutture validate e su una morfologia rilevante per il dispositivo.
Considerazioni sull'implementazione
- Competenze nell'anodizzazione elettrochimica, nella preparazione di stampi e nella manipolazione di materiali organici.
- Accesso a centrifughe, strumenti per deposizione sotto vuoto (ALD, sputtering) e strumenti analitici (SEM, spettroscopia Raman).
- Standardizzazione dei parametri di anodizzazione, delle fasi di allargamento dei pori e dei protocolli di bagnamento assistiti da centrifuga tra diversi laboratori.
- Considerazioni adattative relative all'energia superficiale del substrato, alla rugosità e alla compatibilità con la deposizione o la lucidatura dell'alluminio.
- I limiti pratici includono la preparazione dello stampo in più fasi, il potenziale collasso dei pori durante l'allargamento e la compatibilità del solvente con i materiali organici durante il riempimento assistito da centrifuga.
Domande frequenti sulla biofarmaceutica
Chapters in this video
0:05
Title
1:24
Growth of Anodic Aluminum Oxide Templates on Conductive Aluminum Substrates
3:15
Growth of AAO Templates on Glass
5:03
Centrifuge Assisted Growth of Small Molecular Organic Nanowires Within the Pores of AAO Template
6:01
Results: Continuous Small-molecular Organic Nanowires by Centrifuge-Assisted Drop Casting
7:37
Conclusion
