임의 기판에 수직으로 정렬 작은 분자 유기 나노 와이어의 초 밀도 배열

본 실험 절차의 전반적인 목표는 다공성 템플릿 내부에 수직으로 정렬된 유기 나노와이어 배열을 제작하는 것입니다. 이는 먼저 알루미늄 호일의 표면을 연마하거나 임의의 기판 위에 알루미늄 박막을 증착하여 양극 산화용 기판을 준비함으로써 달성됩니다. 두 번째 단계는 연마된 알루미늄 호일 또는 임의의 기판에 증착된 알루미늄 박막을 양극 산화하는 것입니다.

마지막 단계는 새로운 원심분리 보조 템플릿 웨딩(centrifuge assisted template wedding)을 사용하여 템플릿의 기공 내에 유기물을 증착하는 것입니다. 최종적으로, 주사 전자 현미경을 통해 양극 산화 알루미늄 템플릿의 기공 내에 유기 나노와이어가 존재하는지 확인합니다. 이 방법은 전통적인 템플릿 웨팅(wetting) 방법으로 양극 산화 알루미늄 템플릿의 기공을 채우는 데 어려움을 겪었을 때 처음 고안되었습니다.

원심분리기의 원심력을 이용해 용액이 기공 내부로 침투하도록 밀어 넣거나 보조하기로 결정했습니다. 먼저 두께 250 µm의 고순도 무연마 알루미늄을 약 2 cm x 2 cm 크기의 시트로 절단합니다. 소량의 시트를 80 °C의 질산 인산 식각액이 담긴 비커에 5분 동안 담가 식각한 후, 시트를 물에 담갔다가 1 M 수산화나트륨 용액에 20분 동안 두어 중화시킵니다. 그 다음, 이온수로 시트를 헹구어 줍니다.

다음으로, 연마된 알루미늄 시트를 플랫 셀에 넣고 3% 옥살산으로 채웁니다. 그런 다음 40V DC 바이어스에서 15분 동안 시트를 양극 산화시킵니다. 양극 산화 후, 샘플을 60°C의 크롬 인산 식각액이 담긴 비커에 약 30분 동안 담급니다. 초기 산화층을 제거하기 위해, 이전에 양극 산화된 동일한 영역이 다시 전해질에 노출되도록 호일을 플랫 셀 내에서 재정렬합니다.

3% 옥살산(oxalic acid)을 사용하여 40V DC 전압에서 2.5분 동안 양극 산화 과정을 반복합니다. 나노공 하단의 장벽층을 얇게 만들고 나노공 직경을 약 60~70 nm로 넓히기 위해, A a O 템플릿을 실온의 5% 인산(phosphoric acid)에 담급니다. 40분 후, 비커에서 템플릿을 꺼내 이온수로 헹굽니다. 깨끗한 유리 위에 다음의 다층 시스템을 순차적으로 증착합니다.

원자층 증착법을 통해 20 nanometers의 이산화티타늄을, 스퍼터링을 통해 7 nanometers의 금과 1 micrometer의 알루미늄을 순차적으로 증착합니다. 진공 챔버에서 샘플을 꺼낸 후, 양극 산화할 알루미늄 박막 표면에 포일 전극을 부착합니다. 전도성 은 에폭시를 사용하여 샘플을 플랫 셀에 장착하고 3% oxalic acid로 채웁니다.

그 다음, 샘플을 플랫 셀에서 제거하지 않은 상태로 30 V DC 바이어스에서 4분 동안 알루미늄 박막을 양극 산화합니다. 셀 내부를 탈이온수로 헹궈냅니다. 60 °C의 크롬 인산 식각액을 플랫 셀에 붓고, 1시간 동안 그대로 둡니다.

그 다음, 이전에 설명한 조건을 사용하여 양극산화 및 식각 단계를 반복합니다. 탈이온수로 헹군 후, 셀을 3% oxalic acid로 채우고 이전과 동일한 조건으로 마지막 양극산화를 수행합니다. 시스템의 전류를 모니터링하고 전류가 급격히 증가하는 것이 관찰되면 양극산화를 중단합니다.

다음으로, 템플릿을 상온의 5% phosphoric acid에 담가 기공 확장 단계를 수행합니다. 40분 후, 비커에서 템플릿을 꺼내 탈이온수로 헹굽니다. 양극 산화된 영역이 시험관 위쪽을 향하도록 템플릿을 원심분리 시험관 바닥에 넣습니다.

피펫을 사용하여 각 템플릿이 완전히 잠길 정도의 PCBM 용액을 시험관에 채웁니다. 그런 다음 시험관을 원심분리기에 넣고 6,000 RPM에서 5분 동안 가동합니다. 원심분리가 멈추면 시험관을 꺼내고 PCBM 용액을 따라 버립니다.

시험관에서 템플릿을 제거하고 건조되도록 따로 둡니다. 이전 단계들을 반복하여 총 5~10회의 원심분리 과정을 수행합니다. 마지막으로, 각 시험관 바닥에서 샘플을 꺼내고 톨루엔에 적신 면봉을 사용하여 여기에 표시된 이미지와 같이 표면을 부드럽게 닦아냅니다.

이 원심분리기 보조 드롭 캐스팅 방법은 연속적인 나노와이어를 생성합니다. AAO 템플릿의 기공 내부에 제작된 나노와이어는 수직으로 정렬되어 있고 균일하며, 하단이 캡핑되어 서로 전기적으로 절연되어 있습니다. 이는 여러 가지 서로 다른 기판 위에 성공적으로 제작될 수 있으며, 이는 다양한 장치에서 이러한 구조체의 잠재적인 응용 가능성으로 이어집니다.

기공 내부의 물질이 PCBM임을 추가로 검증하기 위해, 전계 템플릿의 나노와이어 라만 분광법(Raman spectroscopy)을 수행하였습니다. 라만 데이터는 문헌에 보고된 PCBM 박막 및 풀러렌(fullerene)의 스펙트럼과 비교되었습니다. 1430, 1463, 1577 cm⁻¹에서 피크가 관찰되었으며, 이는 각각 T 1, U 4 a G 2 및 HG 8 모드에 해당합니다.

이 수치들은 동일한 모드에 대한 순수 PCBM의 문헌 값인 14 29, 14 70 및 1575 inverse centimeters와 잘 일치합니다. 또한, 이는 나노와이어 기하 구조로 인한 라만 피크의 유의미한 이동이 없음을 보여주며, 기공 내에 PCBM 나노와이어가 존재함을 확인시켜 줍니다. 이 절차를 따르기 전, 금속 나노와이어의 전기 증착이나 금속 박막의 스퍼터링과 같은 다른 방법들을 사용하여 스핀트로닉스, 광전자 공학, 광전지, 화학 센싱 및 메타물질과 같은 응용 분야를 위한 소자를 제작할 수 있습니다.