Summary
وقد استخدمنا بلازما تعزيز ترسيب الأبخرة الكيميائية لإيداع الأغشية الرقيقة التي تتراوح بين بضعة نانومتر إلى 100 نانومتر عدة في نانو الحجم الجسيمات من المواد المختلفة. نحن في وقت لاحق حفر المواد الأساسية لإنتاج nanoshells أجوف الذي نفاذية تسيطر عليها سمك قذيفة. نحن نصنف نفاذية هذه الطلاءات إلى المواد المذابة الصغيرة وتثبت أن هذه الحواجز يمكن أن توفر إطلاق المطرد للمواد الأساسية على مدى عدة أيام.
Abstract
في هذا البروتوكول، وتوليفها الأساسية قذيفة النانو بواسطة بلازما تعزيز ترسيب الأبخرة الكيميائية. ونحن ننتج حاجزا غير متبلور عن طريق البلمرة البلازما من الأيزوبروبانول على ركائز صلبة مختلفة، بما فيها السيليكا وكلوريد البوتاسيوم. وتستخدم هذه التقنية متعددة الاستخدامات لعلاج النانوية وnanopowders بأحجام تتراوح بين 37 نانومتر إلى 1 ميكرون، عن طريق إيداع الأفلام التي يمكن أن تكون سماكة في أي مكان من 1 نانومتر إلى ما يزيد عن 100 نانومتر. حل الأساسية تتيح لنا دراسة معدل تغلغل من خلال الفيلم. في هذه التجارب، ونحن تحديد معامل انتشار بوكل من خلال فيلم الحاجز بواسطة البلورات النانوية بوكل طلاء ورصد في وقت لاحق من الموصلية الأيونية من الجزيئات المغلفة معلقة في الماء. الاهتمام الأساسي في هذه العملية هو التغليف وإطلاق تأخر المواد المذابة. سمك القشرة هي واحدة من المتغيرات المستقلة التي نحن السيطرة على معدل للإفراج عنهم. يكون لها تأثير قوي على معدلمن الإفراج عنه، الأمر الذي يزيد من اطلاق سراح ست ساعات (قذيفة سماكة هو 20 نانومتر) لبيان طويل الأجل على مدى 30 يوما (قذيفة سماكة هو 95 نانومتر). ملف الافراج يظهر السلوك المميز: بيان سريع (35٪ من المواد النهائية) خلال الدقائق الخمس الاولى بعد بداية انحلال، وأبطأ حتى الافراج عن جميع المواد الأساسية يخرج.
Protocol
1. إعداد السيليكا النانوية لترسب
- بدءا من مسحوق السيليكا الجافة، واعداد نموذج لطلاء عن طريق القضاء على المجاميع الكبيرة 1.
- غسل جسيمات السيليكا (قطره 200 نانومتر، والتي تم شراؤها من جل تيك كورب) مع الإيثانول (190 إثبات نقي) وترك عينة تحت غطاء الدخان حتى تتبخر الرطوبة وجميع مع الايثانول.
- نخل الجسيمات من خلال سلسلة من الشبكات المعدنية (الولايات المتحدة # 100-400) من أجل كسر أي التجمعات المتبقية.
- جسيمات صغيرة ومكان شريط محرك مغناطيسي في مفاعل أنبوبي، كما هو موضح في الشكل رقم 1. ينبغي أن توضع الجزيئات داخل المنطقة البلازما.
- اغلاق مفاعل الزجاج عن طريق وضع يا الدائري بين الشفاه، واحد في نهاية أنبوب زجاجي واحد في نهاية الأنبوب متصلا المضخة.
- تثبيت المشبك الفولاذ المقاوم للصدأ حلقة حول الشفاه وجهة تشديد المسمار حول المشبك.
2.إعداد نظام فراغ
- ملء فخ النيتروجين السائل، ثم السماح سطح فخ لتصبح باردة. انتظر 5 دقائق.
- إضافة الأيزوبروبانول في الفوار والاتصال مفاعل البلازما.
- ختم الفوار من خلال وضع المطاط يا الدائري حول أنبوب معدني وتشديد الجوز حتى مكان الأنابيب إلى اتصال الفوار يصبح مختومة.
3. البلازما عملية ترسب
- وضع الفوار في حمام ماء مع درجة الحرارة من 34 درجة مئوية ± 2
- بدوره على تدفق الأرجون تحكم الغاز وأدخل 6.00 SCCM كنقطة مجموعة.
- فتح تدريجيا صمام البوابة التي تربط أنبوب زجاجي للمضخة في حين أن مضخة تعمل. تنفيذ هذه الخطوة بعناية بسبب الانخفاض المفاجئ للضغط قد تؤدي إلى تفجير الجزيئات بعيدا عن التدفق. الانتظار حتى ضغط يصل إلى 200 mTorr، ثم ترك صمام بوابة مفتوحة بالكامل.
- وضع محرك مغناطيسي تحت أنبوب زجاجي وتعيين سرعة في 100 صم.
- ربط حلقة الألومنيوم حول المفاعل زجاج أنبوبي لترددات الراديو، الترددات اللاسلكية، والمولدات الكهربائية وربط المشبك الفولاذ المقاوم للصدأ على الأرض.
- بدوره على شبكة التصفح (ايني MW-5D) أولا ومن ثم التبديل خط تيار متردد وقوة الترددات اللاسلكية على مولد. تعيين السلطة في 30 واط للعملية برمتها.
- بعد مدة محددة من الزمن (10، 20، أو 40 دقيقة) إيقاف شبكة التصفح، مولد الترددات اللاسلكية، والتيار المتردد على التوالي.
- إغلاق صمام الاختيار وثم أوقف تشغيل وحدة تحكم تدفق الأرجون. قطع الفوار من الصمام وزيادة تدريجية في الضغط على مفاعل في الغلاف الجوي.
- فتح المشبك ونقل جزيئات من الأنبوب في طبق من البلاستيك باستخدام ملعقة معدنية.
4. إعداد الجزيئات الجوف بواسطة حل للمواد الأساسية
- ضع عينة تحت غطاء الدخان لكامل عملية إضافة حمض الهيدروفلوريك.
- حمض الهيدروفلوريك هو المشارك للغايةقد حامض rrosive والتعرض للعين والجلد لأنه يسبب ضررا دائما. استخدام نظارات واقية مع درع الوجه وارتداء معطف المختبر عند التعامل مع HF.
- خلط 10 مل من حمض الهيدروفلوريك (الدريتش 49٪) مع 10 مل ماء منزوع الأيونات وإضافة إلى طبق من البلاستيك الذي يحتوي على جزيئات المغلفة.
- وضع طبق من البلاستيك على محرك مغناطيسي، والسماح للالأساسية إلى حل لمدة 24 ساعة.
- بعد يوم واحد يخفف من العينة مع الماء منزوع الأيونات 50 مل الطرد المركزي والعينة لمدة 1 ساعة. تجاهل طبقة السائل في قمة في وعاء من البلاستيك وتحويل الطبقة السفلى التي تحتوي على جزيئات في طبق بيتري من البلاستيك.
- إضافة 50 مل من الماء منزوع الأيونات ودوامة العينة الطرد المركزي وذلك مرة أخرى. تخلص من الطبقة العليا ونقل طبقة الجسيمات في طبق بيتري نظيفة.
- يغسل الجسيمات مع الايثانول والهواء الجاف في العينة، ونقل الجزيئات جوفاء إلى قارورة مع قبعة والحفاظ على الجسيمات في مجفف.
5. شاراcterization من نفاذية (معدل الإصدار الأساسي)
المواد: كلوريد البوتاسيوم بالنسبة للمواد الأساسية
- إعداد 0،001 كلوريد البوتاسيوم المولي (بوكل) والحل بواسطة غرام 0،0745 خلط بوكل مع الماء 1 لتر منزوع الأيونات.
- ملء زجاجة من انتاج نموذج ثابت رذاذ 3076 وتثبيت غطاء زجاجة.
- ربط خرطوم الهواء المضغوط لمجفف غشاء، وهذا مرتبط إلى مدخل غاز من رذاذ. ثم إرفاق مرشح للخرطوم منفذ من أجل جمع جزيئات بوكل.
- فتح تدريجيا صمام الهواء المضغوط، والسماح للتدفق الهواء من خلال غشاء مجفف. السماح للجسيمات تتراكم في فلتر لمدة 5 ساعة.
- إغلاق صمام الهواء المضغوط وإزالة بعناية تصفية وجمع الجسيمات. وضع الجزيئات في مجفف قبل عملية الطلاء.
- تتبع بروتوكول 2 و 3 من أجل الحصول على جسيمات بوكل مغلفة بشكل موحد.
- مزيج بوكل المغلفة مع 10 مل وا منزوع الأيوناتثالثا في قارورة من الزجاج. لخلط تماما العينة، إسقاط محرك مغناطيسي في حل وترك الأمر على محرك مغناطيسي. احتضان العينة على 25 درجة مئوية.
- إدراج الموصلية مسبار متر (الحرارية أوريون طراز 105) في قارورة وتسجيل الموصلية على مدى 30 يوما.
6. ممثل النتائج
لقد طبقنا هذه العملية إلى مجموعة متنوعة من المواد الأساسية، بما في ذلك أكاسيد (السيليكا)، وأملاح (بوكل) والمعادن (آل)، كما هو مبين في الشكل 2. وقد استخدمت انتقال الإلكترون المجهر للتأكد من انتظام شعاعي من الأفلام وقياس سماكة بهم. لدينا الجسيمات بنجاح المغلفة تتراوح بين 37 نانومتر إلى 200 نانومتر في القطر (الشكل 2) ولكن ليس هناك قيود جوهرية على حجم الجزيئات التي يمكن أن تعالج بهذه الطريقة. معدل ترسيب قذيفة حوالي 1 نانومتر / دقيقة. هذا معدل بطيئة نوعا ما يجعل من الممكن السيطرة على سمك من الأفلام تمامابدقة عن طريق ترسب مرة. قذيفة البلازما بلمرة يشكل عائقا نفاذة، كما يتضح ذلك من حقيقة أن المواد الأساسية ويمكن إزالتها عن طريق الحفر أو انحلال. ويبين الشكل 3 قذائف الجوفاء التي لا تزال قائمة بعد إزالة النواة السيليكا. إزالة الأساسية كاملة والتوحيد شعاعي وسمك من الأفلام مرتفعة جدا. لأغراض تقييم نفاذية من خلال هذه الأفلام، ونحن تحولت إلى بوكل كمادة أساسية يمكن رصدها منذ تفكك بوكل بسهولة جدا من خلال الموصلية الأيونية من الحل. ويبين الشكل 4 الافراج عن بوكل من جوهر لمدة أربع عينات مع سماكة مختلفة، 20 نانومتر، نيو مكسيكو 40، نانومتر 75، ونيو مكسيكو 95، على التوالي. وعلقت الجسيمات بوكل المغلفة في المياه وأعقب الموصلية من الحل لمدة 30 يوما. بالإضافة إلى عينات من أربعة، ورصدت أيضا عنصر تحكم التي تتكون من جسيمات بوكل غير المصقول. بوكل الجزيئات غير المصقول dissolve في غضون فترة زمنية قصيرة جدا من حوالي 1 دقيقة. على النقيض من ذلك، بوكل المغلفة يظهر معدل إطلاق أبطأ بكثير. ويتميز ملف الافراج عن جسيمات المغلفة من قبل الاندفاع الأولي الذي يحدث داخل ساعة الأولى، يليه بيان أبطأ بكثير أن يأخذ عدة أيام لاستكمال، وهذا يتوقف على سمك الفيلم.
الشكل 1. تمثيل تخطيطي لإعداد النانوية، وترسب البلازما، وأجوف تشكيل الجسيمات.
الشكل 2. صور تيم من المغلفة (أ) و (ب) وجسيمات السيليكا مع د = 200 نانومتر، (ج) للجسيمات السيليكا مع نانومتر د 37 =، (د) الألومنيوم مع د ~ 100 نانومتر، و (ه) مع الجسيمات بوكل د = 100 نانومتر
الشكل (3). TEM صور من الجزيئات جوفاء بعد الحفر (أ)، جوهر السيليكا (ب) مع قطره 200 نانومتر، و (ج) الأساسية بوكل.
الشكل 4. تأثير سماكة قذيفة على الملف الإصدار. ويبين الرسم البياني أقحم الافراج خلال ساعة الأولى.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
واحدة من أكبر التحديات في جزيئات الطلاء هو توفير كيمياء متوافقة بين الطلاء و1،2 الركيزة. المنهجية الموصوفة هنا لديه ميزة أنه ليس من مادة محددة. البوليمرات البلازما إظهار التصاق ممتازة على مجموعة متنوعة من ركائز، بما في ذلك المعادن الصلبة (الشكل 2 (ج))، والسليكا (الشكل 2 (ج))، والسيليكون، أو مواد لينة (على سبيل المثال، والبوليمرات) من دون الحاجة إلى أي تعديل السطح الخاصة 3 ، 4،5. هذه التقنية لديها ميزة أخرى أن لا يقتصر ذلك حسب حجم الجسيمات الأساسية وغير قابلة للتكيف بسهولة مع الجزيئات في نطاق نانو وميكرومتر. يتم التحكم في سمك الطلاء في الوقت ترسيب ويمكن أن تختلف من بضعة بسهولة إلى عدة مئات من نانومتر. يتم توفير مستوى آخر من السيطرة من جانب السلائف العضوي الذي يستخدم لانتاج طلاء. على سبيل المثال، يمكن أن تتفاوت على الطابع مسعور للطلاء بواسطة سيلي مناسبction من السلائف 6. واحد من جوانب هذه العملية في حاجة إلى مزيد من التحسن وتحقيق التوحيد من الطلاء. نقدر أن حوالي 70٪ من الجزيئات التي تتم معالجتها في البلازما تصبح مغلفة بشكل كامل مع 30٪ المتبقية تظهر طلاء جزئي. ويمكن تصميم وهندسة المفاعل الجديد الذي يحيط البلازما في جميع أنحاء الجسيمات خلال العملية برمتها في تحسين هذا.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
وأيد هذا العمل من قبل عدد المنح CBET-0651283 من المؤسسة القومية الأميركية للعلوم والمنح 117041PO9621 رقم من تقنية التبريد المتقدمة.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Silica particles | Geltech Inc. | ||
| Potassium chloride (crystals) | EMD Chemicals Inc. | ||
| Isopropyl alcohol (99.9%) | Sigma-Aldrich | ||
| Hydrofluoric acid (48-51%) | VWR | ||
| Pipes and flanges | Swagelok | diameter of ¼ and 1 inch | |
| roughing pump | Edwards | ||
| liquid nitrogen trap | A&N Corporation |
References
- Xu, X., Asher, S. A. Synthesis and Utilization of Monodisperse Hollow Polymeric Particles in Photonic Crystals. Journal of the American Chemical Society. 126, 7940-7945 (2004).
- Lou, X., Archer, L., Yang, Z. Hollow Micro-/nanostructures: Synthesis and Applications. Advanced Material. 20, (2008).
- Kim, D. J., Kang, J. Y., Kim, K. S. Coating of TiO2 Thin Films on Particles by a Plasma Chemical Vapor Deposition Process. Advanced Powder Technology. 21, 136-140 (2010).
- Marino, E., Huijser, T., Creyghton, Y., van der Heijden, A. Synthesis and Coating of Copper Oxide Nanoparticles Using Atmospheric Pressure Plasmas. Surface and Coatings Technology. 201, 9205-9208 (2007).
- Hakim, L., King, D., Zhou, Y., Gump, C., George, S., Weimer, A. Nanoparticle Coating for Advanced Optical, Mechanical and Rheological Properties. Advanced Functional Materials. 17, 3175-3181 (2007).
- Kim, S. H., Kim, J., Kang, B., Uhm, H. S. Superhydrophobic CFx Coating via In-Line Atmospheric RF Plasma of He-CF4-H2. Langmuir. 21, 12213-12217 (2005).
