Summary
Dieser Artikel beschreibt eine einfache Methode, um vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Arrays durch CVD herzustellen und anschließend stimmen ihre Benetzungseigenschaften, indem sie sie Glühen oder trocken Oxidationsbehandlung Vakuum.
Abstract
In diesem Artikel beschreiben wir eine einfache Methode, um reversibel stimmen die Benetzungseigenschaften von vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) Arrays. Hier werden CNT Arrays definiert als dicht gepackter mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren senkrecht zur Aufwachssubstrat als Ergebnis eines Wachstumsprozesses von der Norm thermische chemische Gasphasenabscheidung (CVD)-Technik. 1,2 Diese CNT Arrays werden dann an Vakuum ausgesetzt Glühbehandlung, damit sie besser zu hydrophoben oder Oxidationsbehandlung trocknen, dass sie dadurch mehrere hydrophile. Die hydrophoben CNT Arrays kann gedreht werden hydrophil, indem sie sie Oxidationsbehandlung trocknen, während die hydrophilen CNT Arrays gedreht, indem sie sie absaugen Glühbehandlung hydrophobe werden. Mit einer Kombination aus beiden Behandlungen, CNT-Arrays wiederholt zwischen hydrophilen und hydrophoben. 2 Darum geschaltet werden, zeigen eine solche Kombination ein sehr hohes Potenzial in vielen industriellen und Consumer-Anwendungeneinschließlich Drug-Delivery-System und hohe Leistungsdichte Superkondensatoren. 3-5
Der Schlüssel, um die Benetzbarkeit von CNT Arrays variieren ist, um die Oberfläche Sauerstoffkonzentration Adsorbate steuern. Grundsätzlich Sauerstoff Adsorbate kann, indem die CNT-Arrays jedem Oxidationsbehandlung eingeführt werden. Wir verwenden hier Trockenoxidation Behandlungen, wie Sauerstoff-Plasma und UV / Ozon, um die Oberfläche des CNT mit oxygeniertem funktionellen Gruppen funktionalisieren. Diese oxygenierten funktionellen Gruppen ermöglichen Wasserstoff-Bindung zwischen der Oberfläche der CNT-und Wassermoleküle zu bilden, wodurch die CNT hydrophil. Zu drehen sie hydrophob muss adsorbierten Sauerstoff von der Oberfläche des CNT entfernt werden. Hier beschäftigen wir Vakuum Glühbehandlung zu Sauerstoff Desorptionsprozess induzieren. CNT-Arrays mit extrem niedrigen Oberfläche Sauerstoffkonzentration Adsorbate weisen eine superhydrophoben Verhalten.
Introduction
Die Einführung von synthetischen Materialien mit einstellbaren Benetzungseigenschaften hat viele Anwendungen einschließlich selbstreinigende Oberflächen und hydrodynamischen Widerstand reduction devices aktiviert. 6,7 Viele berichteten Studien zeigen, dass eine erfolgreiche Abstimmung der Benetzungseigenschaften eines Materials, haben ein in der Lage sein, seine variieren Oberflächenchemie und topographischen Oberflächenrauhigkeit. 8-11 Unter vielen anderen verfügbaren synthetischen Materialien, nanostrukturierte Materialien haben die meiste Aufmerksamkeit aufgrund ihrer inhärenten mehreren skalierten Oberflächenrauhigkeit und deren Oberflächen angezogen leicht durch gängige Methoden funktionalisiert werden. Mehrere Beispiele dieser nanostrukturierten Materialien gehören ZnO, 12,13 SiO 2, 12,14 ITO, 12 und Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT). 15-17 Wir glauben, dass die Fähigkeit zur reversiblen stimmen die Benetzungseigenschaften CNT seine eigene Tugend, da sie als eines der vielversprechendsten Materialien für zukünftige Anwendungen alstionen.
CNT gedreht hydrophilen werden durch Funktionalisierung der Oberfläche mit Sauerstoff angereicherten funktionellen Gruppen während einer Oxidationsbehandlung eingeführt. Bis heute ist die gängigste Methode, um Sauerstoff Adsorbate der CNT führen die bekannten Nassoxidation Techniken, die die Verwendung von starken Säuren und Oxidationsmittel wie Salpetersäure und Wasserstoffperoxid. 18-20 Diese Nassoxidation Techniken sind schwer zu bis auf industrieller Ebene, weil der Sicherheits-und Umweltfragen und der beträchtliche Menge an Zeit, um die Oxidation zu vervollständigen skaliert werden. Darüber hinaus kann ein kritischer Punkt Trocknungsverfahren müssen eingesetzt werden, um die Wirkung von Kapillarkräften, die die mikroskopische Struktur und Gesamtausrichtung des CNT-Anordnung während des Trocknungsprozesses zerstören können minimieren. Trockenoxidation Behandlungen, wie UV / Ozon und Sauerstoff Plasmabehandlungen, bieten ein sicherer und schneller, und kontrollierter Oxidationsprozesses gegenüber dem vorgenanntenNassoxidation Behandlungen.
CNT können hydrophob gemacht werden, indem Sie die beigefügte oxygenierten funktionellen Gruppen von ihren Oberflächen. Bisher sind komplizierte Prozesse immer in der Herstellung von stark hydrophoben CNT-Arrays eingebunden. Typischerweise weisen diese Anordnungen mit nicht-benetzenden Chemikalien, wie PTFE, ZnO und Fluoralkylsilan, 15,21,22 oder durch Fluor oder Kohlenwasserstoff Plasmabehandlung, wie CF4 und CH 4 befriedet beschichtet werden. 16,23 Obwohl der genannten Behandlungen sind nicht allzu schwer zu bis auf industrieller Ebene skaliert werden, sind sie nicht reversibel. Sobald die CNT zu diesen Behandlungen ausgesetzt sind, können sie nicht mehr hydrophil gemacht werden, indem gemeinsame Oxidation Methoden.
Die hierin präsentierten Verfahren zeigen, dass die Benetzbarkeit der CNT Arrays unkompliziert und bequem über eine Kombination aus Vakuum und Trockenoxidation Glühbehandlungen (Abbildung 1) abgestimmt werden. Sauerstoff eindsorption und Desorptionsprozesse durch diese Behandlungen induziert sind hoch reversible wegen ihrer zerstörungsfreien Art und Abwesenheit anderer Verunreinigungen. Daher ermöglichen diese Behandlungen CNT Arrays wiederholt zwischen hydrophilen und hydrophoben geschaltet werden. Ferner sind diese Behandlungen sehr praktisch, sparsam und kann einfach skaliert werden bis da sie kann mit jeder kommerziellen Vakuumofen und UV / Ozon oder Sauerstoff-Plasma gereinigt werden.
Beachten Sie, dass die vertikal ausgerichteten CNT Arrays welche hier durch die Norm thermische chemische Gasphasenabscheidung (CVD)-Technik gezüchtet werden. Diese Arrays werden typischerweise auf Katalysators Siliciumscheibe Substrate in einem Quarzrohr Ofen unter einem Fluss von Kohlenstoff enthaltenden Precursor Gasen bei erhöhter Temperatur gewachsen. Die durchschnittliche Länge der Anordnungen kann von wenigen Mikrometern bis zu einem Millimeter lang durch Ändern der Wachstumszeit variiert werden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Ein. Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) Array Growth
- Vorbereiten eines Silizium-Wafers mit zumindest einem polierten Seite. Es gibt keine spezifische Anforderung an die Größe, kristalline Orientierung, Dotierungstyp, Widerstand und Oxidschichtdicke. Wir verwenden typischerweise eine <100> n-Typ-Silizium-Wafer mit Phosphor dotiert ist, mit einem Durchmesser von 3 Inch, einer Dicke von 381 um und einem spezifischen Widerstand von 5-10 Qcm. Normalerweise Siliziumwafer eine thermische Oxidschicht mit einer Dicke von 300 nm auf.
- Wenn die vorbereitete Siliziumwafer nicht über eine Oxidschicht, füge eine Oxidschicht mit einer Dicke von 300 nm auf der polierten Seite des Wafers. Diese Oxidschicht kann thermisch gewachsene oder abgeschiedene durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), vorzugsweise unter Verwendung von E-Strahl-Verdampfer.
- Abzuscheiden ein Aluminiumoxid (Al 2 O 3) Pufferschicht auf der polierten Seite des Wafers mit einer durchschnittlichen Dicke von 10 nm auf. Deposition per E-Verdampfer bei einer durchschnittlichen Abscheidungsrate von 0,5 Å ;/ Sek. bevorzugt ist. Verwenden Aluminiumoxid-Pellets mit einer Reinheit von 99,99% oder höher.
- Abscheidung einer Eisen (Fe) Katalysatorschicht auf der polierten Seite des Wafers mit einer durchschnittlichen Dicke von 1 nm auf. Da die Einheitlichkeit dieser Pufferschicht ist extrem kritisch, wird die Abscheidung mittels E-Verdampfer bei einer mittleren Abscheidungsrate von 0,3 Å / s oder weniger bevorzugt. Verwenden Eisenpellets mit einer Reinheit von 99,95% oder höher.
- Schneiden und würfeln Katalysator beschichteten Silizium-Wafer in mehrere kleinere Chips, vorzugsweise in 1x1 cm Proben.
- Laden mehrerer Katalysator beschichteten Silizium-Chips in ein 1-Zoll-Durchmesser Quarzrohrofen (Abbildung 2).
- Erhöhen der Temperatur des Ofens auf 750 ° C unter einem konstanten Strom von 400 sccm Argon (Ar)-Gas bei einem Druck von 600 Torr.
- Sobald der Wachstumstemperatur von 750 ° C erreicht ist, beginnen die Vorbehandlungsverfahren durch Strömen einer Mischung aus 200 sccm Argongas und 285 sccm Wasserstoff (H 2) Gas, während ter Druck auf 600 Torr konstant. Führen Sie das Verfahren zur Vorbehandlung für 5 min.
- Sobald die Vorbehandlung abgeschlossen ist, beginnt der Wachstumsprozess durch Strömen einer Mischung von 210 sccm Wasserstoffgas und 490 sccm Ethen (C 2 H 4)-Gas, während der Druck konstant bei 600 Torr. Ausführen des Wachstumsprozesses für bis zu einer Stunde, während die Wachstumstemperatur konstant bei 750 ° C. Die Länge der CNT-Arrays wird durch das Wachstum der Zeit bestimmt. CNT-Arrays mit einer durchschnittlichen Länge von einem Millimeter kann durch wachsende sie für eine Stunde erreicht werden. 2
- Bringen der Temperatur des Ofens auf Raumtemperatur unter einem konstanten Strom von 400 sccm Argongas bei einem Druck von 600 Torr. Entladen der Proben, wenn die Temperatur des Ofens erreicht Raumtemperatur.
- Charakterisieren die allgemeinen Wachstum Eigenschaften, einschließlich des Wachstums Qualität, Länge, Durchmesser und Packungsdichte, mittels Elektronenmikroskopie.
2. Oxygen Adsorption durch UV / Ozon-Behandlung induziert
- Platzieren mehrerer Proben des CNT-Anordnung unter einer starken Quecksilberdampflampe, die UV-Strahlung erzeugt, bei einer Wellenlänge von 185 nm und 254 nm liegt. Diese Proben müssen in einem Abstand von 5 platziert werden - 20 cm von der Lampe. Eine handelsübliche UV / Ozon Reiniger kann als Alternative (Abbildung 3) verwendet werden.
- Setzen Sie diese Arrays von UV-Strahlung in Luft bei normaler Raumtemperatur und Druck. Die gesamte Belichtungszeit hängt von ihrer physikalischen Eigenschaften, die Kraft der UV-Strahlung, und der Grad der Benetzbarkeit, die erreicht werden möchte. Als Annäherung, dauert es etwa 30 min UV-Bestrahlung bei 100 mW / cm 2 nicht zur Gänze eine 15 um hohen CNT-Array aus superhydrophoben um superhydrophilen.
- Messung des statischen Kontaktwinkels der UV / Ozon behandelt CNT Arrays für Wasser unter Verwendung Kontaktwinkel-Goniometer. Protokoll zur Durchführung dieser Messung wird in Abschnitt 5 beschrieben.
- Re-Setzen die CNT-Arrays Anotihrer Runde der UV / Ozon-Behandlung, wenn sie nicht hydrophil genug sind.
- Charakterisieren die Oberflächenchemie des UV / Ozon behandelt CNT-Anordnung durch Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie.
3. Oxygen Adsorption Induced by Sauerstoff-Plasmabehandlung
- Legen Sie mehrere Proben von CNT-Array in der Kammer eines Sauerstoff-Plasma Reiniger / asher / Radierer (Abbildung 4). Ein Remote-Sauerstoff-Plasma Reiniger / asher / Radierer ist vorzuziehen, als die direkte eins wegen seiner isotropen Natur.
- Stellen Sie die Sauerstoffströmungsrate bis 150 sccm und der Kammerdruck auf 500 mTorr. Stellen Sie die HF-Leistung bis 50 Watt.
- Setzen Sie diese Arrays Sauerstoffplasma für einige Minuten. Die gesamte Belichtungszeit hängt von deren physikalischen Eigenschaften und der Grad der Benetzbarkeit, die erreicht werden möchte. Darauf zu achten ist, weil Sauerstoffplasma ist sehr fähig vollständig Oxidieren des CNT in CO und CO 2-Moleküle sind. Als Annäherung, sollte es weniger als 30 kmn nicht zur Gänze eine einen Millimeter groß CNT-Array aus superhydrophoben um superhydrophilen.
- Messung des statischen Kontaktwinkels des Sauerstoffplasma behandelt CNT Arrays für Wasser unter Verwendung Kontaktwinkel-Goniometer. Protokoll zur Durchführung dieser Messung wird in Abschnitt 5 beschrieben.
- Erneut aussetzen CNT-Arrays zu einer anderen Runde der Sauerstoffplasmabehandlung wenn sie nicht hydrophil genug sind.
- Charakterisieren die Oberflächenchemie des Sauerstoffplasma behandelt CNT-Anordnung durch Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie.
4. Oxygen Desorption durch Vakuumtempern Behandlung induziert
- Platzieren mehrerer Proben des CNT-Anordnung in der Kammer von einem Vakuumofen (Abbildung 5).
- Reduzieren des Kammerdrucks auf mindestens 2,5 Torr.
- Erhöhen der Kammer Temperatur auf 250 ° C oder höher.
- Setzen Sie diese Arrays Glühbehandlung für mehrere Stunden absaugen. Die gesamte Belichtungszeit hängt von ihrer physikalischen Eigenschaften und denGrad der Benetzbarkeit, die erreicht werden möchte. Als Annäherung, dauert es mindestens 3 Stunden vollständig schalten einen 15 um hohen CNT-Array aus superhydrophilen um superhydrophoben und mehr als 24 Stunden, um eine einen Millimeter groß CNT-Array aus superhydrophilen um superhydrophoben konvertieren.
- Messung des statischen Kontaktwinkels des vakuumgeglüht CNT Arrays für Wasser unter Verwendung Kontaktwinkel-Goniometer. Protokoll zur Durchführung dieser Messung wird in Abschnitt 5 beschrieben.
- Re-Setzen Sie die Arrays zu einer neuen Runde von Vakuum Glühbehandlung, wenn sie nicht hydrophob genug sind.
- Charakterisieren die Oberflächenchemie des vakuumgeglüht CNT-Anordnung durch Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie.
5. Benetzungseigenschaften Charakterisierung
- Bereiten Sie einen Kontaktwinkel Goniometer. Füllen Sie den Mikrospritze Montage mit deionisiertem Wasser. Diese Spritze hat mit einer 22-Gauge-Flachbild-Spitze gerade Nadel oder einer kleineren Nadel ausgestattet werden. Schalten Sie die Beleuchtung. Legen Sie eine Probe von CNT-Array auf dem Kontaktwinkel-Goniometer Probentabelle. Stellen Sie sicher, dass diese Probe nicht in eine Richtung gekippt.
- Bringt die Mikronadeln Anordnung näher an der Probe und langsam abzugeben einen 5 ul Wassertropfens auf Oberseite der CNT-Anordnung.
- Erfassen eines Bildes des Wassertropfens, sobald es an Rest auf der oberen Oberfläche des CNT-Anordnung gekommen ist. Achten Sie darauf, ein Gleichgewichtszustand vor der Aufnahme erreicht worden ist.
- Berechnen des Kontaktwinkels durch Verarbeitung des aufgenommenen Bildes mit einem dedizierten Software wie DROPimage durch Rame-Hart oder LBADSA. 24
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Das CVD-Verfahren beschriebenen Ergebnisse in dicht gepackten vertikal ausgerichteten mehrwandigen CNT-Arrays mit einem typischen Durchmesser, Anzahl der Wand, und inter-Nanoröhre Abstand von etwa 12 - 20 nm, 8 - 16 Wände, und 40 - 100 nm sind. Die durchschnittliche Länge der Anordnungen kann von wenigen Mikrometer lang (6a) zu einem Millimeter lang (6b) durch Ändern der Wachstumszeit von 5 min bis 1 h bzw. variiert werden. Typischerweise ist die vertikale Ausrichtung ist gut bei größeren Längenskala und einige Verstrickungen präsentieren bei kleineren Längenskala. 1
Nach Überführung in UV / Ozon oder Sauerstoff-Plasmabehandlung ausgesetzt werden die CNT-Arrays hydrophilen und sie von Wasser benetzt werden. Eine verlängerte Exposition gegenüber diesen Behandlungen dreht die CNT-Arrays superhydrophilen, durch ihre extrem niedrige statische Kontaktwinkel von weniger als 30 ° angedeutet. Da diese superhydrophilen CNT-Arrays können sehr leicht durch wat benetzt werdener, sie zeigen ihre ursprüngliche schwarze Farbe, wann immer sie ist vollständig in Wasser getaucht (Abbildung 7).
Nachdem Vakuum ausgesetzt Glühbehandlung, werden die hydrophoben und CNT Arrays sie nicht leicht durch Wasser benetzbar ist. Eine längere Exposition gegenüber dieser Behandlung wird das CNT-Arrays superhydrophoben, durch ihre extrem hohe statische Kontaktwinkel von mehr als 150 ° angegeben. Da diese superhydrophoben CNT Arrays Wasser abstoßen sehr stark, erscheinen sie reflektierend ist, wann immer sie sind vollständig in Wasser aufgrund der Gegenwart von Luft auf Folien auf ihren Oberflächen (Abbildung 7) eingetaucht ist.
Eine einfache oxidationsbeständigen zeitunabhängigen Beziehung kann aus einem Diagramm des Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Atomverhältnis (O / C-Verhältnis) der CNT Arrays ihrer statischen Kontaktwinkel beobachtet werden. Das O / C-Verhältnis, entspricht der Grad der Oxidation der CNT-Anordnung kann aus dem O 1s und C 1s Peaks berechnet werdendurch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS). Das O / C-Verhältnis abnimmt, wenn die statischen Kontaktwinkel der Anordnung erhöht, wobei die O / C-Verhältnis von superhydrophilen CNT Arrays ist höher als 15% und die der superhydrophoben CNT Arrays niedriger ist als 8% (Abbildung 8a). Feststellen, dass die O / C-Verhältnis von superhydrophoben CNT Arrays nicht Null ist, was darauf hindeutet, dass eine kleine Menge an Sauerstoff nicht einfach durch Vakuumzwischenglühen Behandlung entfernt werden.
Dekonvolution des hochauflösenden XPS-Spektren bei der Bindungsenergie von 283 bis 293 eV zeigt vier unterschiedliche Peaks, mit einer primären Maximum mit der Anwesenheit von sp 2 CC 1 s-Bindungen (~ 284,9 eV) und drei sekundäre Peaks mit der Anwesenheit von zugeordneten Hydroxyl-OH C (~ 285,4 eV), Carbonyl C = O (~ 287,4 eV) und Carboxylgruppen-COOH (~ 289,7 eV) funktionellen Gruppen. 20,25 Da die CNT-Arrays werden einer trockenen Oxidationsbehandlung, werden sie stärker hydrophil, und alle Peaks mit C-OH, C = O und zugeordneten-COOH-Gruppen stärker ausgeprägt (Abbildung 8b). Bei einer längeren Belichtungszeit verringert sich die Oberflächenkonzentration von C = O-Gruppen leicht während die der C-OH und-COOH-Gruppen weiter ansteigt (8c). Andererseits nimmt die Menge an C-OH, C = O und-COOH-Gruppen, nachdem das Vakuum Glühbehandlung (8d). Die Existenz dieser Gipfel schlägt vor, dass das Vakuum Glühbehandlung nicht vollständig entfernt Sauerstoff Adsorbate von den CNT-Arrays, obwohl diese Arrays befunden werden superhydrophob.
Abbildung 1. Benetzungseigenschaften CNT Arrays können durch eine Kombination von UV / Ozon oder Sauerstoff-Plasmabehandlung und Vakuum Glühbehandlung variiert werden. Sauerstoff Adsorption erfolgt im Rahmen der UV / Ozon oder Sauerstoff-Plasmabehandlung während Sauerstoff Desorption erfolgt während der Vakuum-Wärmebehandlung. CNT-Arrays werden mehrere hydrophile, nachdem sie UV / Ozon oder Sauerstoff-Plasmabehandlung und hydrophoben nachdem Vakuum ausgesetzt Glühbehandlung ausgesetzt. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .
Abbildung 2. A 1 Zoll Durchmesser Quarzrohrofen, mit digitaler Massenstrom und Druck-Controllern ausgestattet, für CNT-Array Wachstum.
Abbildung 3. Eine kommerzielle UV / Ozon-Reiniger verwendet werden, um CNT-Arrays hydrophilen durch Funktionalisierung sie mit oxygenierten funktionellen Gruppen zu machen.
Abbildung 4. Eine kommerzielle Sauerstoffplasma Reiniger verwendet werden, um CNT-Arrays hydrophilen durch Funktionalisierung sie mit oxygenierten funktionellen Gruppen zu machen.
Abbildung 5. Ein kommerzielles Vakuumofen zum Einleiten von Sauerstoff auf der Desorptionsprozess CNT-Anordnung, so dass sie mehrere hydrophobe gewöhnt.
Abbildung 6. Geringe Vergrößerung REM-Aufnahmen von CNT-Anordnung mit einer durchschnittlichen Länge von 15 um (a) und 985 um (b).
Figure 7. Ein Bild von zwei CNT Arrays mit entgegengesetzter Benetzungseigenschaften vollständig in Wasser eingetaucht ist. Die stark hydrophile UV / Ozon behandelt CNT-Anordnung (§) zeigt ihre ursprünglichen schwarzen Farbe, während die superhydrophobe vakuumgeglüht CNT-Anordnung (‡) erscheint reflektierenden aufgrund der Gegenwart von a dünnen Luftfilm auf seiner Oberfläche.
Abbildung 8. Eine Auftragung von Sauerstoff zu Kohlenstoff Atomverhältnis (O / C-Verhältnis) von CNT Arrays als Funktion des statischen Kontaktwinkels für Wasser, mit schattierten Region zeigt die superhydrophobe Regime (a). Das O / C-Verhältnis kann von dem O 1s und C 1s Peaks durch XPS erlangten Daten berechnet. Dekonvolution Hochauflösung XPS-Spektren des C 1s-Peak einer schwach hydrophilen CNT-Anordnung (b), einer stark hydrophilen CNT-Anordnung (c) (d).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Wir betrachten UV / Ozon-Behandlung als die bequemste Oxidationstechnik denn es kann in Luft bei einer Standard-Raumtemperatur und Druck bis zu mehreren Stunden durchgeführt werden, abhängig von der Länge der CNT-Anordnung und die Leistung der UV-Strahlung. UV-Strahlung, durch eine hohe Intensität Quecksilberdampflampe bei 185 nm und 254 nm erzeugt wird, bricht die molekularen Bindungen auf der Außenwand des CNT wodurch Ozon, Luft gleichzeitig aus durch UV-Strahlung umgewandelt wird, um ihre Oberfläche zu oxidieren. 26,27 Der Oxidationsprozess Anschläge, sobald die CNT Oberflächen vollständig funktionalisierte, Verhindern des CNT um vollständig zu CO und CO 2-Molekülen oxidiert werden.
Im Gegensatz dazu weist Sauerstoffplasmabehandlung in einer speziellen Kammer bei einem reduzierten Druck und einer konstanten Sauerstoffströmungsrate durchgeführt werden. Typischerweise wird Sauerstoffplasma entfernt unter 50 Watt RF-Leistung erzeugt und geliefert bei einer konstanten Fließgeschwindigkeit von 150 sccm und einer Kammer pressure von 500 mTorr für einige Minuten. Obwohl Sauerstoff-Plasma Behandlung ermöglicht eine viel schnellere Oxidation, ist darauf zu achten, weil sie durchaus in der Lage komplett Oxidation des CNT in CO und CO 2-Moleküle ist. .
UV / Ozon und Sauerstoff Plasmabehandlungen wurden erfolgreich verwendet, um die Oberfläche des CNT mit oxygeniertem funktionellen Gruppen funktionalisieren. 26-31 jedoch keines dieser publizierten Methoden wurden vorher für CNT-Arrays durchgeführt. Obwohl die Oxidation hierin beschriebene Verfahren ist ähnlich zu diesen publizierten Methoden, ist es für CNT Arrays nicht CNT Pulver optimiert. Dieser Strom Methode nutzt niedrige UV-Lampe Bestrahlung Strom-und Plasma-Generator Macht halten die Adsorption von Sauerstoff niedrig. Solche niedrigen Sauerstoffadsorption ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass die Funktionalisierung durch die gleichmäßig auftritt CNT-Anordnung Probe ohne sie zu beschädigen. Daher ist die Oxidationszeit für CNT Arrays typischerweise länger thein, dass für CNT Pulver.
Vacuum Glühbehandlung eingesetzt wird, um Sauerstoff Desorption ohne irgendwelche harten Reduktionsmittel zu induzieren. Vakuum Glühbehandlung bei einer milden Vakuum von ca. 2,5 Torr und einer mäßigen Temperatur von etwa 250 ° C mehrere Stunden wird als ausreichend gefunden, um CNT Arrays desoxidieren.
Die Oberfläche Hydrophilie UV / Ozon und Sauerstoff-Plasma behandelt CNT-Arrays gefunden wird an der Luft bei normaler Raumtemperatur stabil für mehr als 2 Monate. Auf der anderen Seite wird die Oberflächenhydrophobie von Vakuum geglüht CNT Arrays gefunden, daß in Luft bei normaler Raumtemperatur stabil für nur 3 Wochen. Diese Vakuum geglüht CNT-Arrays verlieren allmählich ihre Hydrophobie, bis sie schwach hydrophilen werden. Jedoch werden die superhydrophobe CNT Arrays durch Vakuum Glühbehandlung hergestellt vorhanden bleiben superhydrophoben für mehr als 2 Monaten Lagerung unter Luft bei Standardzimmer temperatUre.
Hier haben wir gezeigt, dass die Benetzbarkeit der CNT-Arrays durch eine Kombination von Vakuum und Trockenoxidation Glühbehandlungen abgestimmt werden kann. Allerdings haben diese Behandlungen ein wesentliche Einschränkung. Sowohl trockene Oxidation und Vakuumtempern Behandlungen durchführen schlecht auf niedrige Qualität CNT-Arrays. Im Allgemeinen sind niedrige Qualität CNT Arrays als solche mit einem hohen Gehalt an Metallverunreinigungen oder amorphen Kohlenstoffschichten definiert. Die Oxidschichten auf den metallischen Verunreinigungen inhibieren weiteres Sauerstoff Adsorption, Rendern des Oxidationsprozesses zu CNT ohne Beschädigung ihrer Struktur undurchführbar funktionalisieren. Darüber hinaus sind diese Oxidschichten inhärent hydrophil und können nur von einer Exposition mit einem Reduktionsmittel entfernt werden, nicht durch Vakuum Glühbehandlung. Ebenso macht mangelnde freien Bindungen auf amorphen Kohlenstoffschichten sie von Natur aus hydrophil ist, so dass sie nicht nur durch Vakuum eingeschaltet Glühbehandlung hydrophobe werden. Daher werden diese niedrige Qualität CNT-Arrays are extrem schwierig eingeschaltet hydrophoben durch Vakuum Glühbehandlung werden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Alle Autoren erklären, dass wir keinerlei Interessenkonflikt haben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der Charyk Foundation und The Fletcher Jones Foundation unter Förderkennzeichen 9900600 gefördert. Die Autoren danken den Kavli Nanoscience Institute an der California Institute of Technology für die Nutzung der Nanofabrikation Instrumente, Kontakt mit dem Molecular Materials Research Center der Beckman Institute am California Institute of Technology für die Verwendung der XPS und Winkel Winkelmesser, und die Division Geological and Planetary Sciences der California Institute of Technology für den Einsatz von SEM.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Lindberg Blue M Mini-Mite tube furnace | Thermo Scientific | TF55030A | 1" tube furnace for CNT array growth |
| Electronic mass flow controllers | MKS | PFC-50 πMFC | Max flow rate of 1000 sccm |
| Electronic pressure controller | MKS | PC-90 πPC | Max pressure of 1000 Torr |
| 1" quartz tube | MTI Corp. | >EQ-QZTube-25GE-610 | 1" D x 24" L |
| Hydrogen gas | Airgas | HY UHP200 | CNT array growth precursor gas, 99.999% purity |
| Ethylene gas | Matheson | G2250101 | CNT array growth precursor gas, 99.999% purity |
| Argon gas | Airgas | AR UHP200 | CNT array growth precursor gas, 99.999% purity |
| Silicon wafer | El-Cat | 2449 | With 300 nm polished thermal oxide layer |
| Iron pellets | Kurt J Lesker | EVMFE35EXEA | 99.95% purity |
| Aluminum oxide pellets | Kurt J Lesker | EVMALO-1220B | 99.99% purity |
| E-beam evaporator | CHA Industries | CHA Mark 40 | For buffer and catalyst layer deposition |
| UV/ozone cleaner | BioForce Nanosciences | ProCleaner Plus | For oxidizing CNT array |
| Oxygen plasma cleaner | PVA TePla | M4L | For oxidizing CNT array |
| Vacuum oven | VWR | 97027-664 | For deoxidizing CNT array |
| SEM | Zeiss | 1550 VP | For CNT array growth characterization |
| XPS | Surface Science | M-Probe | For surface chemistry characterization |
| Contact angle goniometer | ramé-hart | Model 190 | For wetting properties characterization |
References
- Sansom, E., Rinderknecht, D., Gharib, M. Controlled partial embedding of carbon nanotubes within flexible transparent layers. Nanotechnology. 19, 035302 (2008).
- Aria, A. I., Gharib, M. Reversible Tuning of the Wettability of Carbon Nanotube Arrays: The Effect of Ultraviolet/Ozone and Vacuum Pyrolysis Treatments. Langmuir. 27, 9005-9011 (2011).
- Lee, S. W., et al. High-power lithium batteries from functionalized carbon-nanotube electrodes. Nat. Nano. 5, 531-537 (2010).
- Aria, A. I., Gharib, M. Effect of Dry Oxidation on the Performance of Carbon Nanotube Arrays Electrochemical Capacitors. MRS Proceedings. 1407, (2012).
- Bianco, A., Kostarelos, K., Prato, M. Applications of carbon nanotubes in drug delivery. Current Opinion in Chemical Biology. 9, 674-679 (2005).
- Scardino, A. J., Zhang, H., Cookson, D. J., Lamb, R. N., Nys, R. d
- Rothstein, J.
- Emsley, J.
- Bhushan, B., Jung, Y., Koch, K. Micro- nano- and hierarchical structures for superhydrophobicity, self-cleaning and low adhesion. Philosophical Transactions - Royal Society. Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 367, 1631-1672 (2009).
- Krupenkin, T., Taylor, J., Schneider, T., Yang, S. From rolling ball to complete wetting: The dynamic tuning of liquids on nanostructured surfaces. Langmuir. 20, 3824-3827 (2004).
- Sun, T., et al. Control over the Wettability of an Aligned Carbon Nanotube Film. Journal of the American Chemical Society. 125, 14996-14997 (2003).
- Ebert, D., Bhushan, B. Transparent, Superhydrophobic, and Wear-Resistant Coatings on Glass and Polymer Substrates Using SiO2, ZnO, and ITO Nanoparticles. Langmuir. 28, 11391-11399 (2012).
- Feng, X., et al. Reversible Super-hydrophobicity to Super-hydrophilicity Transition of Aligned ZnO Nanorod Films. Journal of the American Chemical Society. 126, 62-63 (2003).
- Xu, L., Karunakaran, R. G., Guo, J., Yang, S. Transparent, Superhydrophobic Surfaces from One-Step Spin Coating of Hydrophobic Nanoparticles. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4, 1118 (2012).
- Lau, K., et al.
- Hong, Y., Uhm, H. Superhydrophobicity of a material made from multiwalled carbon nanotubes. Applied Physics Letters. 88, 244101 (2006).
- Lee, C. H., Johnson, N., Drelich, J., Yap, Y. K. The performance of superhydrophobic and superoleophilic carbon nanotube meshes in water-oil filtration. Carbon. 49, 669-676 (2011).
- Hummers, W. S., Offeman, R. E.
- Park, S., Ruoff, R. Chemical methods for the production of graphenes. Nature Nanotechnology. 4, 217-224 (2009).
- Peng, Y., Liu, H. Effects of Oxidation by Hydrogen Peroxide on the Structures of Multiwalled Carbon Nanotubes. Industrial & Engineering Chemistry Research. 45, 6483-6488 (2006).
- Huang, L., et al. Stable superhydrophobic surface via carbon nanotubes coated with a ZnO thin film. The Journal of Physical Chemistry. B. 109, 7746-7748 (2005).
- Feng, L., et al. Super-Hydrophobic Surfaces: From Natural to Artificial. Advanced Materials. 14, 1857-1860 (2002).
- Cho, S., Hong, Y., Uhm, H. Hydrophobic coating of carbon nanotubes by CH4 glow plasma at low pressure, and their resulting wettability. Journal of Materials Chemistry. 17, 232-237 (2007).
- Stalder, A., Kulik, G., Sage, D., Barbieri, L., Hoffmann, P. A snake-based approach to accurate determination of both contact points and contact angles. Colloids and Surfaces. A, Physicochemical and Engineering Aspects. , 286-2892 (2006).
- Naseh, M. V., et al. Fast and clean functionalization of carbon nanotubes by dielectric barrier discharge plasma in air compared to acid treatment. Carbon. 48, 1369-1379 (2010).
- Mawhinney, D. Infrared spectral evidence for the etching of carbon nanotubes: Ozone oxidation at 298 K. Journal of the American Chemical Society. 122, 2383-2384 (2000).
- Sham, M., Kim, J. Surface functionalities of multi-wall carbon nanotubes after UV/Ozone and TETA treatments. Carbon. 44, 768-777 (2006).
- Banerjee, S., Wong, S. Rational sidewall functionalization and purification of single-walled carbon nanotubes by solution-phase ozonolysis. The Journal of Physical Chemistry. B. 106, 12144-12151 (2002).
- Xu, T., Yang, J., Liu, J., Fu, Q. Surface modification of multi-walled carbon nanotubes by O2 plasma. Applied Surface Science. 253, 8945-8951 (2007).
- Felten, A., Bittencourt, C., Pireaux, J. J., Van Lier, G., Charlier, J. C. Radio-frequency plasma functionalization of carbon nanotubes surface O2, NH3, and CF4 treatments. Journal of Applied Physics. 98, 074308 (2005).
- Chen, C., Liang, B., Ogino, A., Wang, X., Nagatsu, M. Oxygen Functionalization of Multiwall Carbon Nanotubes by Microwave-Excited Surface-Wave Plasma Treatment. The Journal of Physical Chemistry C. 113, 7659-7665 (2009).
