任意の基板上の垂直配向小分子有機ナノワイヤーの超高密度アレイ

本手順の全体的な目的は、多孔質テンプレート内に垂直配向した有機ナノワイヤアレイを作製することです。これは、まずアルミニウム箔の表面を研磨するか、任意の基板上にアルミニウム薄膜を堆積させることで、陽極酸化用の基板を準備し、次に、研磨したアルミニウム箔または任意の基板上に堆積させたアルミニウム薄膜を陽極酸化させることで達成されます。

最終ステップは、新規の遠心分離補助テンプレート浸潤法を用いて、テンプレートの細孔に有機物を堆積させることです。最終的に、走査型電子顕微鏡を用いて、陽極酸化アルミナテンプレートの細孔内に有機ナノワイヤが存在することを示します。この手法のアイデアは、従来のテンプレート浸潤法では陽極酸化アルミナテンプレートの細孔を充填させるのが困難であったことから得られました。

遠心分離機の遠心力を利用して、溶液の細孔への浸透を促進または補助することにしました。まず、厚さ 250 micrometers の高純度無研磨アルミニウムを約 2 cm × 2 cm のシート状に切り出します。少数のシートを 80 °C の硝酸リン酸エッチング液が入ったビーカーに 5 分間浸し、エッチング後、箔を水に浸して中和させ、1 molar 水酸化ナトリウム溶液に 20 分間浸します。その後、箔をイオン交換水で洗浄します。

次に、研磨したアルミニウムシートをフラットセルにセットし、3%シュウ酸を満たします。その後、DCバイアス40 Vで15分間陽極酸化を行います。陽極酸化後、サンプルを60 °Cに加熱したクロムリン酸エッチング液が入ったビーカーに約30分間浸漬させます。初期酸化層を除去するため、以前に陽極酸化した箇所が再び電解液に接するように、フラットセル内でフォイルの位置を調整します。

3%シュウ酸を用いて、40 Vの直流電圧で2.5分間、陽極酸化処理を繰り返します。ナノポア底部のバリア層を薄くし、ナノポア径を約60から70 nmまで拡大させるため、AAOテンプレートを室温の5%リン酸に浸漬させます。40分後、テンプレートをビーカーから取り出し、イオン水で洗浄します。洗浄したガラス上に、以下の多層システムを順次堆積させます。

原子層堆積法により20 nanometersの二酸化チタンを、スパッタリングにより7 nanometersの金を、そしてさらにスパッタリングにより1 micrometerのアルミニウムを堆積させます。真空チャンバーからサンプルを取り出した後、陽極酸化を行うアルミニウム薄膜の表面に箔電極を取り付けます。導電性銀エポキシを用いてサンプルをフラットセルに装着し、3%シュウ酸で満たします。

次に、サンプルをフラットセルから取り出さずに、30 VのDCバイアスで4分間、アルミニウム薄膜を陽極酸化します。セルを脱イオン水で洗浄します。60 °Cのクロムリン酸エッチング液をフラットセルに注ぎ、1時間放置します。

続いて、前述の条件を用いて陽極酸化とエッチングのステップを繰り返します。脱イオン水で洗浄した後、セルに3%シュウ酸を満たし、前と同じ条件で最後に一度陽極酸化を行います。システムの電流を監視し、電流の急激な上昇が観察された時点で陽極酸化を停止します。

次に、テンプレートを室温で5%リン酸に浸し、孔径拡大（ポア・ワイデニング）を行います。40分後、テンプレートをビーカーから取り出し、脱イオン水で洗浄します。陽極酸化領域が試験管の上方を向くようにして、遠心分離用試験管の底にテンプレートを配置します。

ピペットを用いて、各テンプレートが完全に浸かる十分な量のPCBM溶液を試験管に満たします。次に、試験管を遠心分離機にセットし、6,000 RPMで5分間回転させます。遠心分離が停止したら、試験管を取り出し、PCBM溶液を捨てます。

試験管からテンプレートを取り出し、傍らに置いて乾燥させます。合計で5回から10回の遠心分離が行われるまで、前の手順を繰り返します。最後に、試験管の底から各サンプルを取り出し、トルエンに浸した綿棒を用いて、ここに示す画像のように表面を優しく洗浄します。

この遠心分離支援ドロップキャスティング法により、連続的なナノワイヤを作製できます。AAOテンプレートの細孔内に作製されたナノワイヤは垂直に配向し、均一であり、底部がキャップされているため、互いに電気的に絶縁されています。この手法はさまざまな基板上で正常に実施できるため、これらの構造を多くの異なるデバイスに応用できる可能性があります。

細孔内部の物質がPCBMであることをさらに検証するため、フィールドテンプレートのナノワイヤ・ラマン分光法を実施した。得られたラマンデータは、文献にあるPCBM薄膜およびフラーレン環のスペクトルと比較した。1430、1463、および1577 inverse centimetersにピークが観察され、これらはそれぞれT1、U4 a G2、およびHG8モードに対応している。

これらの数値は、同様の各モードにおける純粋なPCBMの文献値である14 29、14 70、および1575 inverse centimetersとよく一致しています。加えて、この結果はナノワイヤの幾何学的形状によるラマンピークの有意なシフトがないことを示しており、細孔内にPCBMナノワイヤが存在することを裏付けています。以上の手順に従います。金属ナノワイヤの電気堆積や金属薄膜のスパッタリングなどの他の手法を用いて、スピントロニクス、光エレクトロニクス、光起電、化学センシング、およびメタマテリアルなどのアプリケーション向けデバイスを作製することが可能です。