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方法論記事

予熱水熱を利用したピエゾ電気NanogeneratorためのZnOナノロッド/グラフェン/ ZnOのナノロッドエピタキシャルダブルヘテロ構造の作製

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DOI:

10.3791/53491

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2016年1月15日

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1Department of Nanoenergy Engineering, BK21 Plus Nanoconvergence Technology Division, Pusan National University (PNU), Miryang, 2Department of Cogno-Mechatronics Engineering, Pusan National University (PNU), Busan, 3SKKU Advanced Institute of Nanotechnology (SAINT), Center for Human Interface Nanotechnology (HINT), SKKU-Samsung Graphene Center, Sungkyunkwan University (SKKU)

この記事について

サマリー

自立型エピタキシャルダブルヘテロ構造を得るための一段階の製造方法が提供されます。このアプローチは、高出力の電気的性能を有する圧電nanogeneratorにつながる、エピタキシャル単一ヘテロ構造のより高い数密度でのZnOのカバレッジを達成できます。

要約

よく整列したZnOナノ構造は、集中的に注目すべき物理的性質と巨大なア​​プリケーションのために過去10年間で研究されてきました。ここで、我々は、ZnOナノロッド/グラフェン/ ZnOのナノロッドダブルヘテロ構造自立合成にワンステップ製造技術について説明します。ダブルヘテロ構造の製造は、熱化学気相堆積（CVD）を用いて水熱技術を予熱することによって行われます。また、形態学的特性は、走査電子顕微鏡（SEM）を用いて特徴付けました。ダブルヘテロ構造自立の有用性は、圧電nanogeneratorを製造することにより実証されています。電気出力は、グラフェンの頂部および底部上にZnOナノロッドのアレイ間の圧電性のカップリング効果により、単一ヘテロ構造に比べて200％にまで向上しています。このユニークなダブルヘテロ構造は、電気と光電のアプリケーションのための非常に大きな可能性を持っていますデバイスナノロッドの高い数密度と比表面積は、例えば、圧力センサ、免疫バイオセンサー及び色素増感太陽電池のように、必要とされています。

概要

最近では、携帯型のウェアラブル電子機器はミリワッ​​トにマイクロワットの範囲内の電源のための途方もない要求につながるナノテクノロジーの発展により快適な生活のために不可欠な要素となりました。ポータブルとウェアラブル機器の電源用のかなりのアプローチは3,4太陽熱エネルギー1,2、および機械的なソース5,6を含めて、再生可能エネルギーによって達成されています。圧電nanogeneratorは集中的に、このような葉7をざわめくなどの環境、音波8と人間が9であることの動きからエネルギーハーベスティングデバイスのための可能な候補の一つとして検討されています。 nanogeneratorの基礎となる主要な原則は、バリアとしての圧電電位と誘電体材料との間のカップリングです。歪み材料で生成された圧電ポテンシャルが外部CIRC流れる過渡電流を誘導圧電と誘電体材料との間の界面の電位をバランスUIT、。 nanogeneratorの性能は、小さな変形10に高応力と応答性の下で堅牢性の下で堅牢性に圧電材料のナノ構造体を使用することによって改善されるだろう。

一次元酸化亜鉛ナノ構造体など 、その高い圧電（26.7 PM / V）11、光透過性12、および化学プロセス13を使用して、容易な合成、、その魅力的な特性にnanogeneratorにおける圧電材料の有望なコンポーネントです。よく整合したZnOナノロッドを成長させるための熱水のアプローチが原因で簡単にスケールアップのための低コスト、環境に優しい合成し、潜在的に大きな注目を受けます。また、予熱水熱技術は、例えば、nanoleaves 14としての新規ナノ構造体の多くの種類、その結果、実験条件で容易に制御可能ですナノフラワー15とナノチューブ16。小説ナノ構造は、材料の高比表面積が要求されるところはどこでも電気や光電デバイスの性能に有益な効果を有効にしてください。

このプロトコルでは、我々は（ すなわち、ダブルヘテロ構造自立）より、新規なナノ構造体の合成のための実験手順を説明します。グラフェンおよびポリエチレンテレフタレート（PET）基板との界面でのZnOナノロッドの成長が自立ダブルヘテロ構造をもたらす、自己昇降たZnOナノロッド/グラフェン単一ヘテロ構造をもたらします。さらに、電子および光電デバイスの場合、このユニークなナノ構造の実現可能なアプリケーションは、圧電nanogeneratorを製造することにより実証されています。自立ダブルヘテロ構造は、高い比表面積だけでなく、特定の領域でのナノロッドの高い数密度だけでなく、を提供します。このユニークなナノ構造体は、強力な驚異的なを持っていますこのような圧力センサ、免疫バイオセンサー及び色素増感太陽電池などの電気および光電デバイスの用途のためにIAL。

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プロトコル

1.化学気相成長（CVD）成長単層グラフェンの

注：この研究で使用したグラフェンは、熱化学気相堆積（CVD）技術（ 図1A）を使用して、箔、銅（Cu）の上に成長させました。成長は、このシステムのために2センチのx 10 cmの領域にわたって均一です。

  1. それぞれ、軽度のアセトンの流れ、イソプロピルアルコール（IPA）及び蒸留水（×10 cmで2 cm）のCu箔を洗います。
  2. 2インチ石英管（ 図1B）で洗浄Cu箔を配置した後、ロータリーポンプを用いて10分間真空（約1ミリトール）と、チャンバをパージします。
  3. デジタル化炉の温度を設定し、所望の流量（アルゴンを100sccmと水素のための50 SCCM）（ 図1C）を維持しながら 、995℃に加熱炉を立ち上げます。
  4. 単層グラフェンを成長させるために10分間、メタン（CH 4）の20 SCCMをご紹介します。 80 SCを維持アルゴンと水素のスループットプロセスの20 SCCMのCM。
  5. 炉はステップ1.4で指定された流量の5分以内に室温まで冷却させます。 100 SCCMでアルゴンで再びチャンバーをパージします。

グラフェン/ポリエチレンテレフタレート（PET）基材の調製

  1. スライドガラス上のグラフェン成長Cu箔（1.5センチメートル×2センチ）を配置し、商業テープ（ 図2A）によってエッジを固定してください。
  2. スピンコート5秒間500rpmでポリ層（メチルメタクリレート）（PMMA）、次いで30秒間（Figure2B）3000 RPM。次に、溶媒残渣を除去するために、2分間60℃でPMMAで被覆された銅箔基板を焼きます。
  3. サイコロPMMAは小さいピースカミソリの刃を使用して1センチメートル×1.5にCu箔をコーティングしました。
  4. 30分間のCu箔面を下に置くことにより、Niのエッチング液貯留（以上500ミリリットル）にPMMAコーティングされたCu箔を浸し。これは、（エッチング液ソリューションの浮動PMMA /グラフェン層を残します図2C）。 PMMAで被覆したCu箔の部分は前方の実験のために十分です。
  5. スクープPMMA /グラフェンは、スライドガラス上にアップ層、その後、DI水リザーバーにPMMA /グラフェン層を浸します。二回繰り返します。最後に、PMMA /グラフェンは、PET基板（ 図2D）上にスコップ層、次いで水の残留物を除去するために、2分間105℃で基板を焼きます。
  6. 10分間（60℃）暖かいアセトンに浸漬することによりPMMA層を除去します。

ZnOナノロッド/グラフェンの合成3 / ZnOのナノロッドエピタキシャルダブルヘテロ構造

  1. 前駆体の40mM硝酸亜鉛六水和物、40mMのヘキサメチレンテトラミン（HMT）を含む溶液と、対流式オーブン（ 図3A）で95℃で60分間DI水9mmのポリエチレンイミン（PEI）を加熱して開始します。すなわち、プロセス予熱。
  2. プロセスを予熱しながら、完全にZINの基板層とスピンコートでエタノール中の5mMの酢酸亜鉛を含む溶液をカバー5秒、60秒、その後2000rpmで500 rpmでグラフェン/ PET基板上のC酢酸（ 図3B及び図3C）.Thenは、30分間200℃の基板を焼きます。二回繰り返します。層の厚さは約30nmです。
  3. 95°C（ 図3D）で基板面を下に置くことにより、予熱した溶液中に種子コーティングされたグラフェン/ PET基板を浸し。希望のナノ構造のための加熱時間を決定する。 すなわち、単一ヘテロ構造（T <12時間、 図3E）、ダブルヘテロ構造（T> 12時間、 図3F）。
  4. 慎重に、基板上にエタノールを噴霧し、室温で1時間、それを乾燥させます。
    注：走査型電子顕微鏡（SEM）のために、カミソリの刃を使用して、より小さな片5ミリメートル×5ミリメートルに試料をダイスとSEMステージにサンプルをマウントします。

圧電Nanogenerator 4.製作

注：圧電NANOGenerator本研究において三つの電極（上部、中央、下部）を有し​​ています。下部電極（ 図4A）としてPETコーティングされたインジウムスズ酸化物（ITO）を使用します。

  1. ITOとZnOナノロッド（ 図4B）との間に絶縁層を形成するために60秒間スピンコート5秒間500rpmでポリジメチルシロキサンの層（PDMS）、次いで、6,000 rpmで。層の厚さは約3μmです。
  2. 完全に対流式オーブン中で2時間、80℃で基板を硬化します。
  3. 第2節（ 図4C）でメソッドを使用して、ITO / PET基板コーティングされたPDMSにグラフェンを転送します。
  4. セクション3（ 図4D）方法を用いて基板上にダブルヘテロ構造を合成します。
  5. スピンコート5秒間500rpmでPDMSの層、次いで5000rpmで60秒のZnOナノロッドの堅牢性と耐久性を向上させ、その後、完全に2時間80°C（ 図4E）でそれを硬化させます。層の厚さ約8ミクロンです。
  6. 上部電極（ 図4F）などのITO被覆PETで基板を覆います。

5.電気パフォーマンス測定のセットアップ

注：私たちは、リニアモータ、商業規模とオシロスコープを使用して、電気的性能の特徴付けのためにカスタムメイドの装置を設定します。垂直リニアモーターを支持するフレームを構築し、 図5（a）に示すように 、リニアモータの下に商業規模を置きます。規模が小さい重量（ - 20キロ0.02キロ）に敏感でなければなりません。

  1. 規模でnanogeneratorを配置した後、オシロスコープのセンシングプローブ（ 図5（a）及び（b））にnanogeneratorの電極を接続します。
  2. 慎重スケールで重量を監視しながら、リニアモータの最初と最後の位置と速度を設定します。
    ヒント：nanogeneratorを少しmeasurと接触させて初期位置を設定しますementセットアップ。リニアモータの速度は、ひずみ率を決定します。
  3. リニアモータを起動し、時間とともに電圧信号を監視します。フラッシュメモリ内の時間依存性の電圧信号を保存します。ひずみ率：100ミリメートル/秒、適用負荷：50 N.

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結果

図6に示す走査電子顕微鏡（SEM）画像は、水熱成長したZnOナノロッドの形態を提示します。予熱水熱技術は成長時間に依存して、2つの異なるナノ構造をもたらすことができる。 図6Aは、5時間の成長時間で、グラフェン/ PET基板上にZnOナノロッドの典型的な画像を示します。対照的に、 図6（b）に示す画像は、12時間の成長時間でのZnOナノロッドの成長が正常にグラフェンの上だけでなく、グラフェンの底面だけでなく進行することを示しています。両方のZnOナノロッドは、垂直方向に、それぞれ、2.49および0.70ミクロンの平均長さで、グラフェン層に配列されています。成長時間は24時間まで増加するように、図6（c）に示すようにさらに、グラフェンの底面上にZnOナノロッドの長さは、約2倍に増加させます。下部O上にZnOナノロッドの成長Fグラフェンは、それによって自立ダブルヘテロ構造（ 図6D）を形成し 、酸化亜鉛ナノ...

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ディスカッション

Cu箔の高品質な（> 99.8％、アニール）は、単層グラフェンの成功成長用基板として考慮されるべきであることに注意してください。そうでない場合には、単層グラフェンを均一に劇的にグラフェンの導電率の低下につながる、Cu箔上に成長されていません。高温で1時間アニールをCu箔の結晶性の向上だけでなく、Cu箔からの汚染物質の除去に役立つだろう。

ZnOナノロッドの成長は、成長のための最適濃度、温度及び時間を慎重に較正しなければならず、従って、水を予熱するための条件に依存します。硝酸亜鉛六水和物の濃度とHMTは、ZnOナノロッドの直径、PEIは酸化亜鉛ナノロッドのアスペクト比の向上を提供するだけでなく、長い時間17,18のための継続的なZnOの成長を助けるだけでなく、添加剤を決定します。

典型的な自立型の単一のSEM像とダブルヘテロ構造は 、図6に示されている。これらの図から分かるように、グラフェンの底面上にZnOナノロッドのアレイは、成...

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開示事項

著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。

謝辞

この研究は、韓国政府（MSIP）(No.2014R1A2A1A11051146)の資金提供を受けて、韓国国立研究財団（NRF）の助成金によって支援されました。この研究は、韓国政府が資金提供する韓国国立研究財団の助成金(NRF-2014R1A1A2058350)の支援も受けました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
銅箔Alfa Aesar13382
ポリ(メタクリル酸メチル) (PMMA)Aldrich182230
硝酸亜鉛六水和物Sigma-Aldrich228732
ヘキサメチレンテトラミン (HMT)Sigma-Aldrich398160
ポリエチレンイミン (PEI)Sigma-Aldrich408719
インジウム錫酸化物(ITO)コーティングPETAldrich639303
シリコーンエラストマーキットダウ コーニングシルガード 184 a, b
ニッケルエッチング液 Type1トランセン 会社41212

参考文献

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