Fabrication, verdichting, en Replica Molding van 3D Carbon Nanotube Microstructuren

Samenvatting

We presenteren methoden voor de productie van een patroon microstructuren van verticaal uitgelijnde koolstof nanobuisjes (CNTs), en hun gebruik als master mallen voor de productie van polymeer microstructuren met georganiseerde nanoschaal oppervlaktestructuur. De CNT bossen verdicht door condensatie van oplosmiddel op het substraat, die aanzienlijk verhoogt de pakkingsdichtheid en maakt zelfsturend vorming van 3D-vormen.

Samenvatting

De introductie van nieuwe materialen en processen om microfabricage heeft, voor een groot deel, konden vele belangrijke ontwikkelingen in de microsystemen, lab-on-a-chip apparaten, en hun toepassingen. In het bijzonder werden de mogelijkheden voor kosteneffectieve fabricage van polymeer microstructuren veranderd door de komst van zachte lithografie en andere micromolding technieken ^{1, 2,} en dit leidde een revolutie in de toepassingen van microfabricage tot biomedische technologie en biologie. Niettemin blijft het een uitdaging om microstructuren te fabriceren met goed gedefinieerde nanoschaal oppervlaktestructuren, en om willekeurige 3D-vormen te fabriceren op micro-schaal. Robuustheid van master mallen en het onderhoud van de vorm van integriteit is vooral belangrijk om high fidelity replicatie van complexe structuren en het behoud van hun nanoschaal oppervlaktestructuur. De combinatie van hiërarchische structuren, en heterogene vormen, is een grote uitdaging om bestaande microfabricage methoden die larGely vertrouwen op top-down etsen met behulp van vaste masker sjablonen. Aan de andere kant kan de bottom-up synthese van nanostructuren, zoals nanobuisjes en nanodraden bieden nieuwe mogelijkheden om microfabricage, in het bijzonder door gebruik te maken van het collectieve zelf-organisatie van nanostructuren, en de plaatselijke controle van hun groei gedrag met betrekking tot microfabricated patronen .

Ons doel is het introduceren van verticaal uitgelijnde koolstof nanobuisjes (CNTs), die we naar verwijzen als CNT "bossen", als een nieuwe microfabricage materiaal. We presenteren details van een reeks van verwante methoden die werd ontwikkeld door onze groep: de fabricage van de CNT bos microstructuren door thermische CVD van lithografische patronen katalysator dunne films; zelfgestuurd elastocapillary verdichting van de CNT microstructuren, en replica gieten van polymeer microstructuren met behulp van CNT composiet master-mallen . In het bijzonder ons werk blijkt dat zelfsturend capillaire verdichten ("capillair vormen"), die performed door condensatie van een oplosmiddel op het substraat met CNT microstructuren, verhoogt de dichtheid van CNTs. Dit proces maakt gerichte transformatie van de verticale CNT microstructuren in rechte, schuine en gedraaide vormen, die robuuste mechanische eigenschappen dan die van typische microfabricage polymeren hebben. Dit maakt het mogelijk de vorming van nanocomposiet CNT meester mallen door capillaire-driven infiltratie van polymeren. De replica structuren vertonen de anisotrope nanoschaal textuur van de aangepaste CNTs, en kan muren met sub-micron dikte en de aspect ratio van meer dan 50:1. Integratie van CNT microstructuren in de fabricage biedt verder mogelijkheid om de elektrische en thermische eigenschappen van CNTs, en diverse mogelijkheden voor chemische en biochemische functionalisering ³ te exploiteren.

Protocol

1. Catalyst Patroonvorming

1. Verwerven (100) siliciumplak met een 3000A dikke siliciumdioxydelaag met tenminste een geslepen zijde. U kunt ook het verwerven van een kale silicium wafer en groeien 3000A siliciumdioxide op de wafer. De verwerking hieronder beschreven wordt uitgevoerd op het gepolijste zijde van de wafer.
2. Spincoat een laag HMDS op 500rpm voor 4T, dan op 3000rpm voor de jaren '30. HMDS bevordert de hechting tussen de wafel en de fotolak.
3. Spincoat een laag SPR-220-3 op 500rpm voor 4T, dan op 3000rpm voor de jaren '30.
4. Bak de wafer op een kookplaat bij 115 ° C 90.
5. De gewenste masker katalysator patronen, bloot wafer aan UV licht met een instraling van 20 mW / cm ² bij 405 nm voor 6s in vaste contact mode.1.6) Bak de wafer op een kookplaat weer bij 115 ° C 90 (post blootstelling bakken).
6. Ontwikkel de blootgestelde fotolak voor 60 gebruik van AZ-300 MAV ontwikkelaar.
7. Spoelende wafer gedurende 60 in DI water.
8. Borg 10nm Al ₂ O _3, gevolgd door 1 nm Fe per e-beam verdamping of sputteren.
9. Handmatig schrijver en break wafer in stukken van ongeveer 20 × 20 mm of kleiner.
10. Voer lift-off van de fotolak door het weken van de wafer stukken in een 1 liter bekerglas met 100 ml aceton, terwijl de beker is geplaatst in een ultrasoon bad bij het aanzetten van 6 voor 8min (CREST Ultrasonics 1100D).
11. Gooi en vervang de aceton en ultrasone trillingen weer met dezelfde instellingen.
12. Breng de wafer stukken over in een bekerglas met isopropanol (IPA), dan laten weken voor 2min.
13. Verwijdert u de wafer stukken uit de RIE met een pincet. Droog elk stuk met een lichte stikstofstroom met behulp van een handheld mondstuk.

2. CNT groei

1. Schaf een kale (of oxide-coating) silicium wafer en handmatig schrijver en breken een stuk met afmetingen van ongeveer 22 × 75 mm. Deze "boot"worden gebruikt ter ondersteuning en laden katalysator beklede wafer stukken in de buisoven. De boot is zeer nuttig voor het houden van de wafer stukken tijdens het laden en lossen, maar geen rol spelen in het groeiproces. In principe kan de boot materiaal dat chemisch en thermisch stabiel is onder de CNT groeiomstandigheden zijn.
2. Plaats een gewenst aantal katalysator-gecoate wafer stukken (groeisubstraten) op de boot, 30 mm van de voorrand.
3. Plaats de boot met groeisubstraten in de buis. Duw de boot in de buis, zodanig dat de voorkant is 30 mm achter de oven thermokoppel gelegen, met behulp van een roestvrij stalen of kwarts duwstang. Deze 30mm positie is de "sweetspot", die de hoogste CNT groei geeft in onze oven. Er moet deze positie bepalen inrichting van de gebruiker afhankelijk van de gebruiker de inrichting en doelstellingen (bijv. maximaliseren van CNT groeisnelheid of dichtheid).
4. Aansluitende eindkappen, het afdichten van de buis. Men dient niet te storen de positie van de boot of patroon silicium stukken. Opmerking: CNT groei is zeer gevoelig voor positie in de buis.
5. Spoel de kwartsbuis met 1000sccm van helium 5min bij kamertemperatuur.
6. Terwijl de stromende 400sccm van waterstof en 100sccm van de helium, oprit de temperatuur tot 775 ° C in 10 minuten, en houd vervolgens de stromen en de temperatuur voor 10min. Deze stap waardoor de film chemisch verminderen van ijzeroxide te strijken en dewet in nanodeeltjes.
7. Wijzig de waterstof debiet naar 100sccm en de helium-debiet te 400sccm, terwijl het toevoegen van 100sccm van ethyleen en het onderhoud van de oven op 775 ° C tot CNTs groeien. De hoogte van de CNTs wordt bepaald door de duur van deze stap.
8. Om CNT groei te stoppen en af ​​te koelen van het monster, de hand schuift u de kwartsbuis stroomafwaarts tot aan de katalysator chips worden op ongeveer 1 cm stroomafwaarts van de oven isolatie. Wees voorzichtig omblijven dezelfde stromen en oven instelpunttemperatuur als in de vorige stap, gedurende 15 minuten.
9. Spoel de buis met 1000sccm van helium voor 5min, voorafgaand aan het ophalen van de monsters, en het draaien van de oven uit te schakelen.

3. CNT Verdichting

1. Breng een stukje dubbelzijdig plakband op een 0,8 mm dikke aluminium gaas met gaten met een diameter 6.25mm. Zorg het gaas groter is dan de opening van een 1L bekerglas de band ongeveer gecentreerd op het net.
2. Monteer de silicium wafer stuk met CNTs op de band, zodat de CNT microstructuren naar boven gericht zijn.
3. Giet 100 ml aceton in een 1 liter bekerglas en plaats het bekerglas op een hete plaat in een zuurkast. Stel de verwarmingsplaat een temperatuur van 110 ° C bereiken Wacht tot aceton begint te koken. Wij merken op dat, op onze kookplaat, een instelling van 150 ° C nodig was om 110 ° C te bereiken op het oppervlak. Het kookpunt van aceton veel lager (ca. 56 ° C) maar found dat de verhoogde temperatuur mag aceton sneller koken en verwarmd de zijwanden van de beker, waardoor condensatie in de beker.
4. Plaats de aluminium gaas op de beker zodanig dat de gemonteerde monster naar beneden.
5. Opmerking een snelle fluctuaties in de damp voor stijgende de zijkant van de beker en stel de zuurkast raam niveau de damp voor te stabiliseren.
6. Wanneer de damp voor benadert de top van de beker, zich aan de natuurlijke kleur verandert op het oppervlak van het siliciumsubstraat. Rainbow-achtige patronen zullen verschijnen en vegen over het gehele oppervlak. Dit betekent een dunne laag oplosmiddel dat op het oppervlak als de damp in contact komt met het koude oppervlak.
7. Zodra er voldoende oplosmiddel is gedeponeerd, pak het gaas en zonder de oriëntatie van het monster, houd hem uit de buurt van het kokende oplosmiddel totdat de gedeponeerde oplosmiddel weg verdampt. De hoeveelheid tijd die wordt bepaald empirmatisch gebaseerd op de grootte en verdeling van de CNT structuren. Dit wordt verder behandeld in de discussie.
8. Verwijder het gaas uit de beker, en zorgvuldig verwijderen van het monster van de dubbelzijdige tape, met behulp van een scheermesje. Grootste zorg moet worden genomen dat deze stap is het gemakkelijk om het monster te breken bij het verwijderen.

4. CNT Master Mold Fabrication

1. Pool SU-8 2002 op de verdichte CNT microstructuren. Draai de steekproef op 500rpm voor 10s, daarna bij 3000rpm voor de jaren '30.
2. Bak het monster bij 65 ° C gedurende 2 minuten en vervolgens bij 95 ° C gedurende 4 min.
3. Expose het monster aan UV-licht met een instraling van 75mW/cm ² voor 20.
4. Bak weer het monster bij 65 ° C gedurende 2 minuten, vervolgens op 95 ° C gedurende 4 min.

5. Replica Molding

1. Als repliceren delicate structuren, plaats de meester in een exsiccator samen met een glas walgelijke van 100 ul van (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydtoocyl)-Trichloorsilaan op 400mTorr voor 12u.
2. Meng totaal 1g PDMS (Sylgard 184) met een verhouding van 10:1 monomeer: ​​vernettingsmiddel. Voor microstructuren een bodemmaat van enkele micrometers en een verhouding van 10 of meer gebruik een verhouding van 8:1.
3. Plaats de CNT meester in een aluminium folie schotel, en giet PDMS in de schaal totdat het monster wordt ondergedompeld.
4. Het monster wordt in vacuüm en Degas op 400mTorr gedurende 15 minuten. Eens bellen beginnen te vormen in het PDMS (meestal na ongeveer 3 minuten) periodiek te verhogen de druk snel om grote luchtbellen barsten.
5. Genezen negatieve bij 120 ° C gedurende 20 minuten. Indien het monster HAR structuren, genezing bij 85 ° C voor 5 uur.
6. Eenmaal uitgehard, schil terug aluminiumfolie en scheiden de meester van de zachte PDMS negatief met de hand.
7. Als repliceren delicate structuren, plaatst u het negatieve in een exsiccator samen met een glas walgelijke van 100 ul van (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydtoocyl)-trichloorsilaan op400mTorr voor 12u.
8. Giet SU-8 2002 in de PDMS negatieve en ontgas op 400mTorr voor 10min.
9. Bak het monster (SU-8 gevuld negatief) bij 65 ° C 4min vervolgens bij 95 ° C 6 tot het oplosmiddel verdampen van de dikke SU-8.
10. Expose het monster aan UV-licht met een instraling van 75mW/cm ² voor jaren '20 en bak weer bij 65 ° C gedurende 4min en vervolgens bij 95 ° C gedurende 8min.
11. Laatste handmatig uit de vorm halen de SU-8 replica van het PDMS negatief.

6. Representatieve resultaten

Representatief volwassen CNT pijler arrays met hun verdicht vormen zijn weergegeven in figuur 4 (image gemodificeerd uit De Volder et al.. ^4). HAR pijlers met een dikte van 10 pm of kleiner zijn geleidelijk worden verminderd rechtheid, die verder wordt verminderd tijdens verdichting. Verdichting van halfronde pijlers is aangetoond dat de in uniform gebogen pijlers grote gebieden (Fig. 4c). SU-8 infiltration voorkomt tussen en binnen CNT microstructuur van structuren afstand van 30 pm of onder een dunne film van SU-8 kan bestaan ​​tussen structuren. Foto's van kritische stappen in het replicatieproces zijn weergegeven in figuur 5, de SEM afbeeldingen vergelijken gerepliceerd microstructuren hun replica op verschillende schalen worden getoond in figuur 6 (image gemodificeerd uit Copic et al.. ^5). Current grenzen qua structuur vorming, zoals gevlochten structuren (image gemodificeerd uit De Volder et al.. ⁴⁾ hoge aspectverhouding wanden en inspringende structuren in figuur 7 (beeld gemodificeerd uit Copic et al.. ^5).

Figuur 1. Buisoven setup voor groei CNT groei. (A) Systeem schema. (B) Tube oven (Thermo Fisher-Minimite), met deksel open voor silicium boot haar in gesloten kwartsbuis. (C) b Siliconhaver met samples, blijkt voor en na de groei. Klik hier voor een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 2. (A) Schematische voorstelling van beker setup voor een gecontroleerde condensatie van dampen van oplosmiddelen op CNT microstructuren (beeld gewijzigd van De Volder et al.. ^6). (B) CNT monster substraat verbonden met aluminium gaas boven kokend aceton.

Figuur 3. Process flow voor replica vormen van de CNT microstructuren, en het imago van de representatieve gerepliceerd microstructuur aanbod in vergelijking met US kwartaal dollar munt.

Figuur 4. Voorbeeldige CNT microstructuren voor en na capillary vormen. Schematische en SEM beelden van tal van cilindrische CNT pijlers (a) voor capillair vormen, en (b) na capillair vorming (beeld gewijzigd van De Volder et al.. ^6). Inlegwerk tonen uitlijning en de dichtheid van CNTs. (C) Semicylindrical CNT pijlers verdichten en kantelen tijdens capillair vorming, de vorming van schuine balken (beeld gewijzigd ten opzichte van Zhao et al.. ^7). Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 5. Belangrijke stappen van CNT negatieve mal fabricage en replica gieten. (A) Gieten van PDMS negatieve mal. (B) het ontgassen van de negatieve vorm. (C) Handmatige Lostijd van de negatieve, en het gieten van de SU-8 replica.

Figuur 6. Vergelijking van (a) CNT/SU-8 master en (b) replica micropillar structuren met high-fidelity replicatie van micro-schaal vorm en nanoschaal textuur (dat wil zeggen, zijwanden en bovenkant), over een groot gebied (afbeelding gewijzigd vanaf Copic et al.. ^5). Klik op hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 7. High-aspect-ratio (HAR) en re-deelnemer CNT microstructuren en hun polymeer replica's. (A) Verdicht CNT honingraat met bijbehorende SU8-CNT meester en SU8 replica. (B) Master en de replica van hellende CNT microwell (beeld gewijzigd vanaf Copic et al.. ^5). (C) Verdicht twisted CNT micropillars, met master en replica van de individuele structuur (beeld gewijzigd van De Volder et al.. ^4). De honingraten in (a) hebben wand breedte van 400 nm en een hoogte van 20 pm.= "Http://www.jove.com/files/ftp_upload/3980/3980fig7large.jpg" target = "_blank"> Klik hier voor een grotere afbeelding weer te geven.

Discussie

Lithografische patronen en voorbereiding van de CNT katalysator substraten is eenvoudig en herhaalbaar, maar komen tot een consistente CNT groei vereist een zorgvuldige aandacht aan hoe de hoogte en de dichtheid van de CNT bossen worden beïnvloed door de luchtvochtigheid en de conditie van de groei buis. In onze ervaring patronen groter dan 1000 um ² zijn minder gevoelig voor kleine fluctuaties in de verwerkingsomstandigheden. Verder, de dichtheid van de patronen stukken invloed op de groei dichtheid en hoogt...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Naam van het serum	Vennootschap	Catalogusnummer	Reacties
4 "diameter <100> siliciumplakken bedekt met SiO2 (300 nm)	Silicon Quest	Gewoonte
Positieve fotoresist	Microchem	SPR 220-3.0
Hexamethyldisilizane (HMDS)	Microchem
Ontwikkelaar	AZ Electronic Materials USA Corp	AZ 300 MAV
Sputteren systeem	Kurt J. Lesker	Lab 18	Sputteren systeem voor katalysator depositie
Thermo Fisher-Minimite	Fisher Scientific	TF55030A	Tube oven voor het CNT groei
Kwartsbuis	Technische Glass Products	Gewoonte	22 mm ID x 25 mm OD 30 "lengte
Helium gas	PurityPlus	Hij (PrePurified 300)
Waterstofgas	PurityPlus	H2 (PrePurified 300)	UHP
Ethyleengas	PurityPlus	C 2 H 4 (PrePurified 300)	UHP
Geperforeerde aluminium plaat	McMaster-Carr	9232T221	Voor het houden van bovenstaande voorbeeld verdichting beker
UV flood lamp	Dymax	Model 2000
SU-8 2002	Microchem	SU-8 2002
Polydimethylsiloxaan (PDMS)	Dow Corning	Sylgard 184 Silicone-elastomeer Kit