Układ ultrawysokiej gęstości pionowo ustawionych małocząsteczkowych nanodrutów organicznych na dowolnych podłożach

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wytworzenie macierzy pionowo wyrównanych organicznych nanodrutów wewnątrz porowatego szablonu. Osiąga się to poprzez wstępne przygotowanie podłoża do anodowania, polegające na wypolerowaniu powierzchni folii aluminiowej lub osadzeniu cienkiej warstwy aluminium na dowolnym podłożu. Drugim krokiem jest anodowanie wypolerowanej folii aluminiowej lub cienkiej warstwy aluminium osadzonej na dowolnym podłożu.

Ostatnim krokiem jest osadzanie materiału organicznego w porach szablonu przy użyciu nowatorskiej metody wypełniania szablonu wspomaganego wirowaniem. Ostatecznie zastosowano skaningową mikroskopię elektronową, aby wykazać obecność organicznych nanodrutów wewnątrz porów szablonu z anodowego tlenku glinu. Pomysł na tę metodę pojawił się, gdy napotkałem trudności z wypełnianiem porów szablonów anodowych metodami tradycyjnego zwilżania.

Zdecydowałem się wykorzystać siłę odśrodkową wirówki, aby wymusić lub wspomóc penetrację roztworu w pory. Najpierw należy wyciąć arkusze z wysokiej czystości niepolerowanego aluminium o wymiarach około 2 cm na 2 cm i grubości 250 µm, a następnie zanurzyć niewielką liczbę arkuszy w zlewce z trawiącym kwasem azotowo-fosforowym w temperaturze 80 °C na pięć minut. Po trawieniu należy zneutralizować folie, zanurzając je w wodzie, a następnie umieszczając w 1 M wodorotlenku sodu na 20 minut. Następnie folie należy wypłukać wodą jonizowaną.

Następnie załaduj wypolerowane arkusze aluminium do płaskich ogniw i napełnij je 3% kwasem szczawiowym. Następnie anoduj arkusze przez 15 minut przy napięciu stałym 40 V. Po anodowaniu zanurz próbkę w zlewce z trawiącym kwasem chromowo-fosforowym w temperaturze 60 °C przez około 30 minut. Aby usunąć początkową warstwę tlenku, ponownie ustaw folię w płaskim ogniwie tak, aby ten sam obszar, który został wcześniej anodowany, był ponownie wystawiony na działanie elektrolitu.

Powtórz proces anodowania w 3% kwasie szczawiowym przez 2,5 minuty przy napięciu 40 V prądu stałego. Zanurz matrycę AAO w 5% kwasie fosforowym w temperaturze pokojowej, aby odchudzić warstwę barierową na dnie nanoporów i zwiększyć średnicę nanoporów do około 60 do 70 nanometrów. Po 40 minutach wyjmij matrycę z zlewki i opłucz ją wodą jonizowaną. Następnie sekwencyjnie nanieś poniższy system wielowarstwowy na czyste szkło.

Nanieś 20 nanometrów dwutlenku tytanu metodą osadzania warstw atomowych, siedem nanometrów złota metodą rozpylania oraz jeden mikrometr aluminium metodą rozpylania. Po wyjęciu próbek z komory próżniowej przymocuj elektrodę foliową do powierzchni cienkiej warstwy aluminium przeznaczonej do anodowania. Używając przewodzącego epoksydu srebrowego, umieść próbkę w płaskiej celi i wypełnij ją 3% kwasem szczawiowym.

Następnie przeprowadź anodowanie cienkiej warstwy aluminium przez cztery minuty przy napięciu stałym 30 V, nie wyjmując próbki z celi płaskiej. Przepłucz celę wodą dejonizowaną. Wlej do celi płaskiej roztwór chromowo-fosforowego kwasu trawiącego o temperaturze 60 °C i odstaw na jedną godzinę.

Następnie powtórzyć etapy anodowania i trawienia zgodnie z wcześniej opisanymi warunkami. Po przepłukaniu wodą dejonizowaną, napełnić ogniwo 3% kwasem szczawiowym i przeprowadzić końcowe anodowanie w tych samych warunkach co poprzednio. Monitorować natężenie prądu w układzie i przerwać proces anodowania w momencie zaobserwowania gwałtownego wzrostu natężenia prądu.

Następnie przeprowadź etap poszerzania porów poprzez zanurzenie matrycy w 5% kwasie fosforowym w temperaturze pokojowej. Po 40 minutach wyjmij matrycę z zlewki i wypłucz ją wodą dejonizowaną. Umieść matryce na dnie probówki do wirówki w taki sposób, aby obszar anodowany był skierowany ku górze probówki.

Za pomocą pipety napełnij probówki roztworem PCBM w ilości wystarczającej do całkowitego zanurzenia każdego szablonu. Następnie umieść probówki w wirówce i wiruj przez pięć minut przy 6, 000 RPM. Po zatrzymaniu wirówki wyjmij probówki i odlej roztwór PCBM.

Wyjmij matryce z probówek i odstaw je do wyschnięcia. Powtórz poprzednie kroki, aż zostanie wykonanych łącznie od 5 do 10 cykli wirowania. Na koniec wyjmij każdą próbkę z dna probówek i użyj nasączonego toluenem patyczka higienicznego, aby delikatnie oczyścić powierzchnię, co zostało przedstawione na widocznych tutaj obrazach.

Ta metoda odlewania kropelkowego wspomagana wirówką pozwala na otrzymanie ciągłych nanowłókien. Nanowłókna wytworzone w porach szablonu Al₂O₃ są wyrównane pionowo, jednorodne i odizolowane elektrycznie od siebie, z zamkniętymi końcami dolnymi. Metodę tę można z powodzeniem zastosować na kilku różnych podłożach, co otwiera możliwość wykorzystania tych struktur w wielu różnych urządzeniach.

Aby dodatkowo zweryfikować, że materiałem wewnątrz porów jest PCBM, przeprowadzono spektroskopię Ramanowską szablonów polowych nanodrutów. Dane ramanowskie porównano ze spektrami cienkich warstw PCBM oraz fulerenów dostępnymi w literaturze. Odnotowano piki przy 1430, 1463 oraz 1577 cm⁻¹, które odpowiadają odpowiednio modom T1, U4 a G2 oraz HG8.

Wartości te są zgodne z danymi literaturowymi wynoszącymi 1429, 1470 i 1575 cm⁻¹ dla czystego PCBM w odniesieniu do tych samych modów. Ponadto wykazuje to, że geometria nanodrutów nie powoduje istotnego przesunięcia piku Ramanowskiego i potwierdza obecność nanodrutów PCBM wewnątrz porów. Przed przystąpieniem do tej procedury można zastosować inne metody, takie jak elektroosadzanie metalicznych nanodrutów lub napylanie cienkich warstw metali, w celu wytworzenia urządzeń do zastosowań w spintronice, optoelektronice, fotowoltaice, sensorach chemicznych oraz metamateriałach.