Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Przygotowanie podwójnej heterostruktury epitaksjalnej nanopręta ZnO/grafenu/nanopręta ZnO dla nanogeneratora piezoelektrycznego za pomocą podgrzewania hydrotermalnego

12.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/53491

⸱

15 stycznia 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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)

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiono jednoetapową metodę wytwarzania w celu uzyskania samodzielnej podwójnej heterostruktury epitaksjalnej. Podejście to może doprowadzić do osiągnięcia pokrycia ZnO o większej gęstości liczbowej niż w przypadku pojedynczej heterostruktury epitaksjalnej, co doprowadzi do powstania nanogeneratora piezoelektrycznego o zwiększonej wyjściowej wydajności elektrycznej.

Streszczenie

Dobrze dopasowane nanostruktury ZnO były intensywnie badane w ciągu ostatniej dekady pod kątem niezwykłych właściwości fizycznych i ogromnych zastosowań. W tym miejscu opisujemy jednoetapową technikę wytwarzania do syntezy wolnostojącej podwójnej heterostruktury nanopręta ZnO / grafenu / nanopręta ZnO. Przygotowanie podwójnej heterostruktury odbywa się przy użyciu techniki termicznego chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) i wstępnego podgrzewania hydrotermalnego. Ponadto scharakteryzowano właściwości morfologiczne za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Użyteczność wolnostojącej podwójnej heterostruktury została zademonstrowana poprzez wytworzenie nanogeneratora piezoelektrycznego. Moc wyjściowa elektryczna jest lepsza nawet o 200% w porównaniu z pojedynczą heterostrukturą dzięki efektowi sprzężenia piezoelektryczności między układami nanoprętów ZnO na górze i na dole grafenu. Ta unikalna podwójna heterostruktura ma ogromny potencjał do zastosowań w urządzeniach elektrycznych i optoelektrycznych, w których potrzebna jest wysoka gęstość liczbowa i powierzchnia właściwa nanoprętów, takich jak czujnik ciśnienia, immuno-biosensor i barwnikowe ogniwa słoneczne.

Wprowadzenie

Ostatnio, przenośne i noszone urządzenia elektroniczne stały się niezbędnym elementem komfortowego życia dzięki rozwojowi nanotechnologii, co skutkuje ogromnym zapotrzebowaniem na źródło zasilania w zakresie od mikrowatów do miliwatów. Znaczące podejście do źródła zasilania urządzeń przenośnych i ubieralnych zostało osiągnięte dzięki energii odnawialnej, w tym energii słonecznej 1,2, energii cieplnej 3,4 i źródła mechanicznego 5,6. Nanogenerator piezoelektryczny był intensywnie badany jako jeden z możliwych kandydatów na urządzenie zbierające energię z środowisk takich jak szelest liścia 7, fala dźwiękowa 8 i ruch człowieka 9. Podstawową zasadą leżącą u podstaw nanogeneratora jest sprzężenie między potencjałem piezoelektrycznym a materiałem dielektrycznym jako barierą. Potencjał piezoelektryczny generowany w odkształconym materiale indukuje prąd przejściowy, który przepływa przez obwód zewnętrzny, co równoważy potencjał na granicy faz między materiałem piezoelektrycznym i dielektrycznym. Wydajność nanogeneratora uległaby poprawie dzięki zastosowaniu nanostruktury materiału piezoelektrycznego ze względu na wytrzymałość pod wpływem dużych naprężeń i reagowanie na drobne odkształcenia 10.

Jednowymiarowa nanostruktura tlenku jest obiecującym składnikiem dla materiałów piezoelektrycznych w nanogeneratorze ze względu na swoje atrakcyjne właściwości, np. wysoką piezoelektryczność (26,7 pm/V) 11, przezroczystość optyczną 12 i łatwą syntezę przy użyciu procesu chemicznego 13. Hydrotermalne podejście do hodowli dobrze dopasowanego nanopręta ZnO cieszy się dużym zainteresowaniem ze względu na niski koszt, przyjazną dla środowiska syntezę i potencjał łatwego skalowania. Co więcej, technika wstępnego podgrzewania hydrotermalnego jest łatwa do kontrolowania w warunkach eksperymentalnych, co skutkuje wieloma rodzajami nowych nanostruktur, takich jak nanoliście 14, nanokwiaty 15 i nanorurki 16. Nowatorskie nanostruktury umożliwiają korzystny wpływ na wydajność urządzeń elektrycznych i optoelektrycznych wszędzie tam, gdzie wymagana jest duża powierzchnia właściwa materiału.

W tym protokole opisujemy eksperymentalne procedury syntezy bardziej nowatorskiej nanostruktury (np. wolnostojącej podwójnej heterostruktury). Wzrost nanopręta ZnO na granicy faz między grafenem a substratem z politereftalanu etylenu (PET) prowadzi do samowznoszenia się pojedynczej heterostruktury nanopręta ZnO/grafenu, dając wolnostojącą podwójną heterostrukturę. Co więcej, możliwe zastosowanie tej unikalnej nanostruktury w urządzeniach elektronicznych i optoelektrycznych zostało zademonstrowane poprzez wytworzenie nanogeneratora piezoelektrycznego. Wolnostojąca podwójna heterostruktura zapewnia nie tylko dużą powierzchnię właściwą, ale także wysoką gęstość liczbową nanoprętów w danym obszarze. Ta unikalna nanostruktura ma ogromny potencjał w zastosowaniach urządzeń elektrycznych i optoelektrycznych, takich jak czujnik ciśnienia, immuno-biosensor i barwnikowe ogniwa słoneczne.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) Wzrost jednowarstwowego grafenu

Uwaga: Grafen użyty w tym badaniu został wyhodowany na folii miedzianej (Cu) przy użyciu techniki termicznego chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) (Rysunek 1A). Wzrost jest równomierny na powierzchni 2 cm x 10 cm dla tego systemu.

  1. Folię Cu (2 cm x 10 cm) umyć łagodnym strumieniem odpowiednio acetonu, alkoholu izopropylowego (IPA) i wody destylowanej.
  2. Umieść oczyszczoną folię Cu w 2-calowej rurce kwarcowej (rysunek 1B), a następnie przepłucz komorę próżnią (około 1 mTorr) przez 10 minut za pomocą pompy rotacyjnej.
  3. Skonfiguruj temperaturę zdigitalizowanego pieca i zwiększ temperaturę pieca do 995 °C, zachowując przy tym żądane natężenia przepływu (100 sccm dla argonu i 50 sccm dla wodoru) (rysunek 1C).
  4. Wprowadź 20 sccm metanu (CH4) na 10 minut, aby wyhodować jednowarstwowy grafen. Utrzymanie przepustowości procesu na poziomie 80 sccm argonu i 20 sccm wodoru.
  5. Pozostawić piec do ostygnięcia do temperatury rynkowej w ciągu 5 minut przy natężeniu przepływu określonym w kroku 1.4. Ponownie oczyść komorę argonem o stężeniu 100 sccm.

2. Przygotowanie podłoża z grafenu/politereftalanu etylenu (PET)

  1. Umieść grafenową folię Cu (1,5 cm x 2 cm) na szkiełku podstawowym i przymocuj krawędzie taśmą dostępną w handlu (rysunek 2A).
  2. Wiruj warstwę poli(metakrylanu metylu) (PMMA) z prędkością 500 obr./min przez 5 sekund, a następnie 3,000 obr./min przez 30 sekund (rysunek 2B). Następnie wyprakuj podłoże z folii Cu pokrytej PMMA w temperaturze 60 °C przez 2 minuty, aby usunąć pozostałości rozpuszczalnika.
  3. Folię Cu pokrytą PMMA pokrój w kostkę na mniejszy kawałek o wymiarach 1 cm x 1,5 za pomocą żyletki.
  4. Zanurz folię Cu pokrytą PMMA w zbiorniku wytrawiacza Ni (ponad 500 ml), kładąc folię Cu stroną zadrukowaną do dołu na 30 minut. W ten sposób na roztworze wytrawiacza pozostaje pływająca warstwa PMMA/grafenu (rysunek 2C). Do przeprowadzenia eksperymentu wystarczy kawałek folii Cu pokrytej PMMA.
  5. Nabierz warstwę PMMA/grafenu na szkiełko szkiełkowe, a następnie zanurz warstwę PMMA/grafenu w zbiorniku wodnym DI. Powtórz dwa razy. Na koniec nabierz warstwę PMMA/grafenu na podłoże PET (rysunek 2D), a następnie piecz podłoże w temperaturze 105 °C przez 2 minuty, aby usunąć pozostałości wody.
  6. Usunąć warstwę PMMA, zanurzając ją w ciepłym acetonie (60 °C) na 10 minut.

3. Synteza podwójnej heterostruktury epitaksjalnej ZnO Nanorod/Grafen/ZnO Nanorod

  1. Rozpocząć od podgrzania roztworu prekursora z 40 mM sześciowodnego azotanu, 40 mM heksametylenotetraminy (HMT) i 9 mM polietylenotetraminy (PEI) w wodzie DI przez 60 minut w temperaturze 95 °C w piecu konwekcyjnym (Rysunek 3A). Mianowicie proces podgrzewania.
  2. Podczas procesu podgrzewania należy całkowicie pokryć roztwór 5 mM octanem w etanolu na podłożu i ponownie pokryć warstwę octanu na podłożu grafen/PET przy 500 obr./min przez 5 sekund, a następnie 2,000 obr./min przez 60 sekund (rysunek 3B i rysunek 3C). Następnie piecz podłoże w temperaturze 200 °C przez 30 minut. Powtórz dwukrotnie. Grubość warstwy wynosi około 30 nm.
  3. Zanurz podłoże grafenowe/PET pokryte nasionami w podgrzanym roztworze, kładąc podłoże stroną zadrukowaną do dołu w temperaturze 95 °C (rysunek 3D). Określ czas nagrzewania dla pożądanej nanostruktury; tj. pojedyncza heterostruktura (t < 12 godz., ryc. 3E) i podwójna heterostruktura (t > 12 godz., ryc. 3F).
  4. Ostrożnie spryskaj podłoże etanolem i wysusz je w temperaturze pokojowej przez 1 godz.
    Uwaga: W przypadku skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) pokrój próbkę na mniejsze kawałki o wymiarach 5 mm x 5 mm za pomocą żyletki i zamontuj próbkę na stoliku SEM.

4. Produkcja nanogeneratora piezoelektrycznego

Uwaga: Nanogenerator piezoelektryczny w tym badaniu ma trzy elektrody (górna, środkowa, dolna). Użyj PET pokrytego tlenkiem indu cyny (ITO) jako dolnej elektrody (rysunek 4A).

  1. Wiruj warstwę polidimetylosiloksanu (PDMS) z prędkością 500 obr./min przez 5 sekund, a następnie 6 000 obr./min przez 60 sekund, aby utworzyć warstwę izolacyjną między nanoprętem ITO i ZnO (rysunek 4B). Grubość warstwy wynosi około 3 μm.
  2. Całkowicie utwardzić podłoże w temperaturze 80 °C przez 2 godziny w piecu konwekcyjnym.
  3. Przenieś grafen na podłoże ITO/PET pokryte PDMS, stosując metodę opisaną w sekcji 2 (rysunek 4C).
  4. Zsyntetyzować podwójną heterostrukturę na podłożu za pomocą metody opisanej w sekcji 3 (rysunek 4D).
  5. Warstwę PDMS należy obrócić z prędkością 500 obr./min przez 5 sekund, a następnie z prędkością 5 000 obr./min przez 60 sekund, aby poprawić wytrzymałość i trwałość nanopręta ZnO, a następnie całkowicie utwardzić go w temperaturze 80 °C przez 2 godziny (rysunek 4E). Grubość warstwy wynosi około 8 μm.
  6. Przykryj podłoże PET pokrytym ITO jako górną elektrodą (Rysunek 4F).

5. Konfiguracja pomiaru parametrów elektrycznych

Uwaga: Ustawiamy specjalnie wykonane urządzenia do charakteryzowania wydajności elektrycznej za pomocą silnika liniowego, wagi komercyjnej i oscyloskopu. Zbuduj ramę do pionowego podparcia silnika liniowego i umieść wagę handlową pod silnikiem liniowym, jak pokazano na rysunku 5A. Waga powinna być wrażliwa na małą wagę (0,02 kg - 20 kg).

  1. Umieść nanogenerator na wadze, a następnie podłącz elektrody nanogeneratora do sond czujnikowych oscyloskopu (rysunek 5A i 5B).
  2. Ustaw pozycję początkową i końcową oraz prędkość silnika liniowego, uważnie monitorując wagę na wadze.
    Wskazówka: Skonfiguruj pozycję początkową, w której nanogenerator jest lekko stykany z konfiguracją pomiaru. Prędkość silnika liniowego określa szybkość odkształcania.
  3. Uruchom silnik liniowy i monitoruj sygnał napięciowy w czasie. Zapisz zależny od czasu sygnał napięciowy w pamięci flash. Prędkość odkształcania: 100 mm/s i przyłożone obciążenie: 50 N.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Obrazy z pomiarów skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) przedstawione na Ryc. 6 ukazują morfologię nanoprętów ZnO otrzymanych metodą hydrotermalną. Technika hydrotermalna z wstępnym podgrzewaniem może prowadzić do powstania dwóch różnych nanostruktur w zależności od czasu wzrostu. Ryc. 6A przedstawia typowy obraz nanopręta ZnO na podłożu grafen/PET przy czasie wzrostu wynoszącym 5 hr. Z kolei obraz pokazany na Ryc. 6B wskazuje, że pr...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Należy pamiętać, że wysoka jakość (>99,8%, wyżarzana) folii Cu powinna być traktowana jako podłoże do udanego wzrostu jednowarstwowego grafenu. W przeciwnym razie grafen jednowarstwowy nie jest równomiernie rozrastany na folii Cu, co prowadzi do dramatycznego spadku przewodności grafenu. Wyżarzanie trwające 1 godzinę w wysokiej temperaturze pomogłoby poprawić krystaliczność folii Cu, a także usunąć wszelkie zanieczyszczenia z folii Cu.

Wzrost nanopręta ZnO zależy od warunków wstępnego podgrzew...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez grant Narodowej Fundacji Badawczej Korei (NRF) finansowany przez rząd Korei (MSIP) (No.2014R1A2A1A11051146). Prace te były również wspierane przez National Research Foundation of Korea Grant finansowany przez rząd koreański (NRF-2014R1A1A2058350).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Folia CuAlfa Aesar13382
poli(metakrylan metylu) (PMMA)Aldrich182230
azotan sześciowodnySigma-Aldrich228732
heksametylenotetraamina (HMT)Sigma-Aldrich398160
polietyleninini (PEI)Sigma-Aldrich408719
cyna indowa Zestaw elastomerów silikonowych PET pokrytych tlenkiem (ITO)Aldrich639303
Dow CorningSylgard 184 a, b
Wytrawiacz niklowy typu 1Transene Company41212

Bibliografia

  1. Lee, S., Lee, Y., Park, J., Choi, D. Stitchable organic photovoltaic cells with textile electrodes. Nano Energy. 9, 88-93 (2014).
  2. Pan, S., et al. Wearable solar cells by stacking textile electrodes. Angew. Chem.-Int. Edit. 53, 6110-6114 (2014).
  3. Yang, Y., et al. Pyroelectric nanogenerators for harvesting thermoelectric energy. Nano Lett. 12, 2833-2838 (2012).
  4. Lee, J. H., et al. Highly stretchable piezoelectric-pyroelectric hybrid nanogenerator. Adv. Mater. 26, 765-769 (2014).
  5. Zhong, J., et al. Finger typing driven triboelectric nanogenerator and its use for instantaneously lighting up LEDs. Nano Energy. 2, 491-497 (2013).
  6. Tang, W., Han, C. B., Zhang, C., Wang, Z. L. Cover-sheet-based nanogenerator for charging mobile electronics using low-frequency body motion/vibration. Nano Energy. 9, 121-127 (2014).
  7. Li, S., Yuan, J., Lipson, H. Ambient wind energy harvesting using cross-flow fluttering. J. Appl. Phys. 109, 026104(2011).
  8. Cha, S. N., et al. Sound-driven piezoelectric nanowire-based nanogenerators. Adv. Mater. 22, 4726-4730 (2010).
  9. Bai, P., et al. Integrated multilayered triboelectric nanogenerator for harvesting biomechanical energy from human motions. ACS Nano. 7, 3713-3719 (2013).
  10. Xu, S., Wang, Z. L. One-dimensional ZnO nanostructures: Solution growth and functional properties. Nano Res. 4, 1013-1098 (2011).
  11. Zhao, M. -H., Wang, Z. -L., Mao, S. X. Piezoelectric characterization of individual zinc oxide nanobelt probed by piezoresponse force microscope. Nano Lett. 4, 587-590 (2004).
  12. Nam, G. -H., Baek, S. -H., Cho, C. -H., Park, I. -K. A flexible and transparent graphene/ZnO nanorod hybrid structure fabricated by exfoliating a graphite substrate. Nanoscale. 6, 11653-11658 (2014).
  13. Zou, X., Fan, H., Tian, Y., Yan, S. Facile hydrothermal synthesis of large scale ZnO nanorod arrays and their growth mechanism. Mater. Lett. 107, 269-272 (2013).
  14. Qiu, J., et al. Single-crystalline twinned ZnO nanoleaf structure via a facile hydrothermal process. J. Nanosci. Nanotechnol. 11, 2175-2184 (2011).
  15. Qiu, J., et al. Synthesis and characterization of flower-like bundles of ZnO nanosheets by a surfactant-free hydrothermal process. J. Nanomater. 2014, 281461(2014).
  16. Sun, Y., Riley, D. J., Ashfold, M. N. R. Mechanism of ZnO nanotube growth by hydrothermal methods on ZnO Film-coated Si substrates. J. Phys. Chem. B. 110, 15186-15192 (2006).
  17. Qiu, J., et al. The growth mechanism and optical properties of ultralong ZnO nanorod arrays with a high aspect ratio by a preheating hydrothermal method. Nanotechnology. 20, 155603(2009).
  18. Qiu, J., et al. Solution-derived 40 µm vertically aligned ZnO nanowire arrays as photoelectrodes in dye-sensitized solar cells. Nanotechnology. 21, 195602(2010).
  19. Shin, D. -M., et al. Freestanding ZnO nanorod/graphene/ZnO nanorod epitaxial double heterostructure for improved piezoelectric nanogenerators. Nano Energy. 12, 268-277 (2015).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

heterostruktura grafenowatermiczne CVDpiezoelektryczny nanogeneratorskaningowa mikroskopia elektronowaazotan cynku(II) sześciowodnyroztwór octanu cynkuwarstwa polidimetylosiloksanutlenek indu i cyny
Przygotowanie podwójnej heterostruktury epitaksjalnej nanopręta ZnO/grafenu/nanopręta ZnO dla nanogeneratora piezoelektrycznego za pomocą podgrzewania hydrotermalnego
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.