Мы представляем методы изготовления узорные микроструктур вертикально углеродных нанотрубок (УНТ), и их использование в качестве ведущего пресс-форм для производства микроструктуры полимера с организованной наноразмерных текстуру поверхности. CNT леса уплотненным путем конденсации растворителя на подложке, что значительно увеличивает их плотность упаковки и позволяет самостоятельного формирования 3D-форм.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Изготовление, уплотнения, и реплики Формование 3D микроструктур углеродных нанотрубок
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Внедрение новых материалов и процессов в микрофабрикацию в значительной степени способствовало многим важным достижениям в области микросистем, устройств «лаборатория на чипе» и их приложений. В частности, возможности экономически эффективного изготовления полимерных микроструктур были преобразованы с появлением мягкой литографии и других методов микроформования 1, 2, что привело к революции в применении методов микрофабрикации в биомедицинской инженерии и биологии. Тем не менее, создание микроструктур с четко определенной наноразмерной текстурой поверхности, а также изготовление произвольных трехмерных форм в микромасштабе по-прежнему остаются сложной задачей. Прочность мастер-форм и сохранение целостности формы особенно важны для достижения высокой точности репликации сложных структур и сохранения их наноразмерной текстуры поверхности. Сочетание иерархических текстур и гетерогенных форм представляет собой серьезную проблему для существующих методов микрофабрикации, которые в основном полагаются на травление сверху вниз с использованием фиксированных масок-шаблонов. С другой стороны, синтез наноструктур, таких как нанотрубки и нанопроволоки, по принципу «снизу вверх», может открыть новые возможности для микрофабрикации, в частности, за счет использования коллективной самоорганизации наноструктур и локального контроля процесса их роста относительно микрофабрикованных паттернов.
Наша цель — представить вертикально ориентированные углеродные нанотрубки (УНТ), которые мы называем «лесами» УНТ, в качестве нового материала для микрофабрикации. Мы подробно описываем комплекс взаимосвязанных методов, недавно разработанных нашей группой: изготовление микроструктур из «лесов» УНТ методом термического CVD из литографически структурированных тонких пленок катализатора; самоорганизующееся эластокапиллярное уплотнение микроструктур УНТ; и репликационное формование полимерных микроструктур с использованием мастер-форм из композитов УНТ. В частности, наша работа показывает, что самоорганизующееся капиллярное уплотнение («капиллярное формование»), осуществляемое путем конденсации растворителя на подложке с микроструктурами УНТ, значительно увеличивает плотность упаковки УНТ. Этот процесс позволяет направленно трансформировать вертикальные микроструктуры УНТ в прямые, наклонные и скрученные формы, которые обладают высокими механическими свойствами, превосходящими свойства типичных полимеров, используемых в микрофабрикации. Это, в свою очередь, делает возможным создание нанокомпозитных мастер-форм из УНТ путем инфильтрации полимеров под действием капиллярных сил. Реплики структур демонстрируют анизотропную наноразмерную текстуру ориентированных УНТ и могут иметь стенки субмикронной толщины с аспектом (отношением высоты к ширине), превышающим 50:1. Интеграция микроструктур УНТ в процесс изготовления открывает дополнительные возможности для использования электрических и тепловых свойств УНТ, а также разнообразные возможности для химической и биохимической функционализации 3.
Протокол
1. Catalyst структурирование
- Приобретать (100) кремниевых пластин с 3000A толстым слоем диоксида кремния, по крайней мере одной полированной стороной. Кроме того, вы можете приобрести голый кремниевой пластины и расти 3000A диоксида кремния на подложке. Вся обработка описаны ниже делается на полированную сторону пластины.
- Spincoat слой HMDS на 500rpm для 4s, то в 3000 оборотов в минуту для 30-х годов. HMDS способствует адгезии между пластин и фоторезиста.
- Spincoat слой SPR-220-3 на 500rpm для 4s, то в 3000 оборотов в минуту для 30-х годов.
- Выпекать пластины на плите при температуре 115 ° С в течение 90-х годов.
- Использование маски для желаемых катализатор рисунка, подвергать пластины УФ-светом с освещенности 20 мВт / см 2 при 405 нм для 6s в жесткий контакт mode.1.6) Выпекать пластины на плиту снова при 115 ° С в течение 90-х годов (после воздействия печь).
- Разработка открытых фоторезиста для 60-х годов использование AZ-300 MIF разработчика.
- Полосканиеподложки для 60-х годов в воду DI.
- Депозит 10 нм Al 2 O 3 следует 1 нм Fe по электронной лучевого испарения или распыления.
- Вручную писца и брейк пластин на куски примерно 20 × 20 мм или меньше.
- Выполните отрыва от фоторезиста, впитывая пластин штук в 1 л стакан, содержащий 100 мл ацетона, в то время как в стакан помещается в ультразвуковую ванну на питание 6 8 минут (CREST Ультразвук 1100D).
- Утилизация и заменить ацетон и разрушать ультразвуком снова с теми же настройками.
- Передача части пластины в стакан с изопропанол (IPA), а затем замочить на 2 минуты.
- Снимите пластину части от МПА по отдельности с помощью пинцета. Высушите каждый кусок с нежным потоком азота с помощью карманного сопла.
2. CNT роста
- Получить голой (или оксидный) кремниевой пластины и вручную писца и разбить кусок размером примерно 22 × 75 мм. Это «лодка»будут использованы для поддержки и загрузить каталитическим покрытием части пластины в трубу печи. Лодка очень полезно для проведения части пластины при погрузке и разгрузке, а не играть роль в процессе роста. В принципе, лодка может быть любой материал, который является химически и термически стабильны в условиях роста УНТ.
- Поместите необходимое количество катализатора покрытие пластин штук (рост субстратов) на лодке, 30 мм от передней кромки.
- Загрузите лодка с ростом субстратов в трубку. Нажмите на лодке в трубку так, что передний край расположен 30 мм на выходе из печи термопары, с использованием нержавеющей стали или кварцевого толкателем. Это 30-мм позиция "sweetspot", которая дает самый высокий темп роста УНТ в нашей печи. Необходимо будет определить это положение аппарата пользователя, в зависимости от аппарата пользователей и цели (например, максимизация роста УНТ или плотности).
- Соединятьсязаглушки, уплотнительные трубки. Следует проявлять осторожность, чтобы не нарушить положение лодке или узорной части кремния. Примечание: рост УНТ очень чувствителен к положению внутри трубки.
- Флеш кварцевой трубки с 1000sccm гелия на 5 минут при комнатной температуре.
- В то время как текущий 400sccm водорода и гелия 100sccm, увеличивать температуру до 775 ° C в 10 минут, а затем, удерживая потоки и температура в течение 10 минут. Этот шаг вызывает фильм химически уменьшить оксида железа в железо, и dewet в наночастицах.
- Изменение скорости потока водорода в 100sccm и гелий расход на 400sccm, добавив 100sccm этилена и поддержание в печи при 775 ° C рост УНТ. Высота УНТ контролируется продолжительность этого этапа.
- Чтобы остановить рост УНТ и охлаждения образца, вручную сдвинуть кварц вниз трубы, пока катализатор чипов расположен примерно в 1 см на выходе из печи изоляции. Будьте осторожны, чтобысохранить тот же потоков и печь набор точка температура, как и в на предыдущем шаге, течение 15 минут.
- Промойте трубка с 1000sccm из гелий для 5мин, предварительного запросов используется для получения образцов, и поворачивая отходящих печных.
3. CNT Уплотнение
- Применить кусок двойной-односторонней лента, чтобы 0.8mm толстый сетка алюминия с 6.25mm отверстий диаметре. Убедитесь в том, сетка является больший, чем открытие из 1L стакан и лента примерно сосредоточены на сетки.
- Смонтируйте кусок кремниевой пластины с УНТ на ленте так что CNT микроструктур с которыми сталкиваются вверх.
- Налейте 100мл ацетон в 1L химический стакан и поместите химический стакан на горячей плите внутри вытяжном шкафу. Установите горячий пластина для достижения температура поверхности из 110 ° C. Подождите, пока ацетон начинается кипения. Мы отмечаем, что, на нашем плитой, настройку из 150 ° C был, необходимых для достижения 110 ° C на поверхности. Точка кипения из ацетон является намного ниже, (прибл. 56 ° C), но мы Fouм, что повышение температуры позволило ацетон кипеть быстрее, и нагревают боковые стенки стакана, предотвращение конденсации в стакан.
- Поместите алюминиевой сетки на стакан так, что установленный образец лицевой стороной вниз.
- Обратите внимание на любые резкие колебания в передней пары поднимаются сторону стакан и регулировать уровень дыма створки капота, чтобы стабилизировать пара фронт.
- Как только передняя пара приближается к верхней части стакана, обратите внимание на видимые изменения цвета на поверхности кремниевой подложки. Rainbow-модели, как появится и прокатиться по всей поверхности. Это означает, тонкая пленка растворителя формирования на поверхности, когда пара приходит в соприкосновение с холодной поверхностью.
- После достаточно растворитель был сдан на хранение, забрать сеткой и без изменения ориентации образца, держите его подальше от растворитель до хранение испарения растворителя прочь. Количество времени, определяется эмпирическогочески в зависимости от размера и расстояния между структурами УНТ. Этот вопрос рассматривается далее в обсуждении.
- Снимите сетку из стакана и аккуратно снимите пробу из двустороннего скотча, с помощью лезвия бритвы. Предельное внимание должно быть принято на этот шаг, как легко сломать образца в процессе удаления.
4. CNT Master Mold Производство
- Бассейн SU-8 2002 года на уплотненной микроструктуры CNT. Спиновая образца при 500rpm в течение 10 секунд, затем на 3000 оборотов в минуту для 30-х годов.
- Выпекать образца при температуре 65 ° С в течение 2 мин, а затем при температуре 95 ° С в течение 4 мин.
- Вынести образца ультрафиолетовым светом с облученность 75mW/cm 2 20.
- Выпекать образца снова при 65 ° С в течение 2 мин, затем при 95 ° С в течение 4 мин.
5. Реплика формовочный
- Если репликация деликатной структуры, поставить хозяина в сушильном шкафу вместе со стаканом подлый из 100 мкл (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydtoocyl) Трихлорсилана в 400mTorr за 12ч.
- Смешайте в общей сложности 1 г PDMS (Sylgard 184), с соотношением 10:1 мономера: поперечных связей. Для микроструктуры с базовым размером несколько микрометров и соотношением сторон 10 или более широкое использование соотношении 8:1.
- Поместите CNT мастер блюдо алюминиевой фольгой, и залить PDMS в блюдо, пока образец погружен в воду.
- Поместите образец в вакуумной дегазации и на 400mTorr в течение 15 мин. Когда пузырьки начинают формироваться в PDMS (как правило, через 3 минуты) периодически увеличивать давление быстро лопаются большие пузыри.
- Лечение отрицательный при 120 ° С в течение 20 мин. Если образец содержит HAR структур, лечение при 85 ° С в течение 5 часов.
- После отверждения, отогните алюминиевой фольги и отделить мастера из мягкой PDMS отрицательный вручную.
- Если репликация деликатной структуры, поместите отрицательное в сушильном шкафу вместе со стаканом подлый из 100 мкл (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydtoocyl) трихлорсилана в400mTorr за 12ч.
- Налейте СУ-8 2002 в PDMS отрицательным и дегазации на 400mTorr в течение 10 минут.
- Выпекать образца (SU-8 заполнены отрицательной) при температуре 65 ° С в течение 4 мин, затем при 95 ° С в течение 6 часов для испарения растворителя из толстого слоя SU-8.
- Вынести образца ультрафиолетовым светом с облученность 75mW/cm 2 20 и выпекать еще раз при температуре 65 ° С в течение 4 мин, а затем при температуре 95 ° С в течение 8 минут.
- Последнее, вручную demold SU-8 реплики из PDMS отрицательным.
6. Представитель Результаты
Представителя, выращенных УНТ столб массивы вместе с уплотненной форме показаны на рисунке 4 (изображение изменение Де Volder соавт. 4). HAR столбы с толщиной 10 мкм или меньше постепенно уменьшить прямолинейность, которая еще больше снижается во время уплотнения. Уплотнение полукруглой столбов было показано, что результат в форме изогнутого столбы на больших площадях (рис. 4в). SU-8 яnfiltration происходит между ними и внутри УНТ микроструктуры, для конструкций с шагом 30 мкм или менее тонким слоем SU-8 может остаться между структурами. Фотографии важных шагов в процессе репликации показано на рисунке 5, в то время как SEM, сравнивая репликации микроструктуры их реплики на различных уровнях, показаны на рисунке 6 (изменение изображения с Copic соавт. 5). Текущие ограничения, с точки зрения формирования структуры, в том числе витой структуры (изменение изображения с De Volder соавт. 4), высокими стенами пропорции, и реентрантны структуры показан на рисунке 7 (изображение изменение от Copic соавт. 5).
Рисунок 1. Труб печи установки для роста роста УНТ. (А) Система схеме. (Б) трубчатой печи (Thermo Fisher-Minimite), с открытой крышкой, чтобы показать кремния лодке в запечатанном кварцевой трубке. (С) кремний бовсяная с образцами, показанные до и после роста. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Рисунок 2. (А) Схема установки для стакана контролируемых конденсации паров растворителя на микроструктуры CNT (изображение изменение Де Volder соавт. 6). (Б) УНТ образец прилагается к подложке алюминиевой сетки над кипящим ацетоном.
Рисунок 3. Технологическая схема для реплики формирование микроструктуры CNT, и образ представителя репликации микроструктуры массива по сравнению с США долларовая монета квартал.
Рисунок 4. Примерные микроструктуры CNT до и после капиллярову формирования. Схема и СЭМ изображения массив цилиндрических столбов CNT (а) до капиллярного формирования, и (б) после капиллярного формирования (изображение изменение Де Volder соавт. 6). На врезках и выравнивание плотности нанотрубок. (С) полуцилиндрической столбы CNT уплотняют и наклон во время капиллярного формирования, образуя наклонные балки (изображение изменены с Чжао и др.. 7). Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Рисунок 5. Основные этапы УНТ отрицательный изготовления форм и литье реплики. (А) Литье PDMS отрицательные формы. (Б) Дегазация отрицательные формы. (С) Руководство съемом отрицательной, и литье SU-8 реплики.
Рисунок 6. Сравнение (а) CNT/SU-8 мастер и (б) копия micropillar структур демонстрируя высокую точность репликации микро-масштабе форму и наноразмерных текстуры (например, боковые стенки и верхняя поверхность), на большой площади (изображение изменение от Copic соавт. 5). Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Рисунок 7. Высокого удлинения (HAR) и реентрантны CNT микроструктуры и их полимерных реплик. (А) уплотненной CNT сотовый с соответствующими SU8-CNT мастера и SU8 реплики. (Б) Мастер и копия наклонной CNT микропланшетным (изображение изменение от Copic соавт. 5). (С) прессованная витой micropillars УНТ, с хозяином и реплики отдельных структуры (изменение изображения с De Volder соавт. 4). Соты в (а) у стены шириной 400 нм и высотой 20 мкм.= "Http://www.jove.com/files/ftp_upload/3980/3980fig7large.jpg" целевых = "_blank"> Нажмите здесь, чтобы увеличить цифру.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Литографических структурирование и подготовка CNT катализатор субстратов проста и повторяемые, однако, достижение устойчивого роста УНТ требует особого внимания к тому, как высота и плотность леса CNT подвергаются воздействию влажности окружающей среды и состояния роста трубки. По нашему опыту, модели более 1000 мкм 2 менее чувствительны к небольшим колебаниям условий обработки. Кроме того, плотность моделей пьесы влияет на плотность роста и высоты 8. Плотность рост и рост больше для заполнения шаб...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Нет конфликта интересов объявлены.
Благодарности
Это исследование было поддержано нанопроизводства программы Национального научного фонда (CMMI-0927634). Давор Copic была частично поддержана стипендий Ракхем заслуги программе в Университете штата Мичиган. Самех Tawfick признает частичную поддержку от Ракхем Predoctoral стипендий. Майкл Де Volder при поддержке бельгийского фонда научных исследований - Фландрия (FWO). Микротехнологий проводилось на установке Лурье Nanofabrication (ЛНФ), которая является членом Национальной сетевой инфраструктуры нанотехнологий и электронной микроскопии была выполнена в Мичигане Электрон микропучка анализа лаборатории (Эмаль).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Название реагента | Компания | Номер по каталогу | Комментарии |
| 4 "диаметром <100>, кремниевые пластины покрыты SiO 2 (300 нм) | Кремний Quest | Обычай | |
| Положительные фоторезиста | MicroChem | SPR 220-3.0 | |
| Hexamethyldisilizane (HMDS) | MicroChem | ||
| Разработчик | Я электронных материалов корпорации США | AZ 300 MIF | |
| Распыление системы | Kurt J. Lesker | Лаборатория 18 | Распыление системы осаждения катализатора |
| Thermo Fisher-Minimite | Fisher Scientific | TF55030A | Труба печи для роста УНТ |
| Кварцевые трубки | Технические продукты стекла | Обычай | 22 мм ID × 25 мм, диаметр 30 "длиной |
| Гелий газа | PurityPlus | Он (предварительно очищенный 300) | |
| Водород | PurityPlus | H 2 (предварительно очищенный 300) | UHP |
| Этилен газа | PurityPlus | C 2 H 4 (предварительно очищенный 300) | UHP |
| Перфорированный лист алюминия | McMaster-Carr | 9232T221 | Для проведения пример выше уплотнения стакана |
| УФ-лампы наводнение | Dymax | Модель 2000 | |
| СУ-8 2002 | MicroChem | СУ-8 2002 | |
| Полидиметилсилоксан (PDMS) | Dow Corning | Sylgard 184 Силиконовый эластомер Kit |
Ссылки
- Xia, Y. N., Whitesides, G. M. Soft lithography. Annual Review of Materials Science. 28, 153-184 (1998).
- Xia, Y. Replica molding using polymeric materials: A practical step toward nanomanufacturing. Advanced Materials. 9, 147-149 (1997).
- Tasis, D., Tagmatarchis, N., Bianco, A., Prato, M. Chemistry of Carbon Nanotubes. Chemical Reviews. 106, 1105-1136 (2006).
- De Volder, M. Diverse 3D Microarchitectures Made by Capillary Forming of Carbon Nanotubes. Advanced Materials. 22, 4384-4389 (2010).
- Copic, D., Park, S. J., Tawfick, S., De Volder, M. F. L., Hart, A. J. Fabrication of high-aspect-ratio polymer microstructures and hierarchical textures using carbon nanotube composite master molds. Lab on a Chip. 11, 1831-1837 (2011).
- De Volder, M. F. L., Park, S. J., Tawfick, S. H., Vidaud, D. O., Hart, A. J. Fabrication and electrical integration of robust carbon nanotube micropillars by self-directed elastocapillary densification. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21, 045033-04 (2011).
- Zhao, Z. Bending of nanoscale filament assemblies by elastocapillary densification. Physical Review E. 82, 041605(2010).
- De Volder, M. F. L., Vidaud, D. O., Meshot, E. R., Tawfick, S., Hart, A. J. Self-similar organization of arrays of individual carbon nanotubes and carbon nanotube micropillars. Microelectronic Engineering. 87, 1233-1238 (2010).
- Nessim, G. D. Tuning of Vertically-Aligned Carbon Nanotube Diameter and Areal Density through Catalyst Pre-Treatment. Nano Letters. 8, 3587-3593 (2008).
- Pokroy, B., Epstein, A. K., Persson-Gulda, M. C. M., Aizenberg, J. Fabrication of Bioinspired Actuated Nanostructures with Arbitrary Geometry and Stiffness. Advanced Materials. 21, 463-469 (2009).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
