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Engineering

मनमानी Substrates पर खड़ी गठबंधन छोटे आणविक जैविक Nanowires के ultrahigh घनत्व ऐरे

doi: 10.3791/50706 Published: June 18, 2013

Summary

हम खड़ी आदेश दिया छोटे आणविक जैविक nanowires के एक ultrahigh घनत्व सरणी fabricating के लिए एक सरल विधि की रिपोर्ट. इस विधि को सस्ते में मनमाना substrates पर उगाया जा सकता है, जो जटिल heterostructured संकर nanowire geometries के संश्लेषण के लिए अनुमति देता है. इन संरचनाओं कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक्स, optoelectronics, रासायनिक संवेदन, photovoltaics और spintronics में संभावित आवेदन किया है.

Introduction

एक टेम्पलेट की मदद से विधि सामान्यतः 1-3 खड़ी उन्मुख nanowire सरणियों के निर्माण के लिए प्रयोग किया जाता है. इस विधि में इस तरह अक्सर विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल अनुप्रयोगों में वांछित हैं जो एक अक्षीय 4-6 या त्रिज्यात 7 heterostructured nanowire superlattice, के रूप में परिसर के nanowire geometries के सरल निर्माण की अनुमति देता है. इसके अलावा, इस उच्च throughput और बहुमुखी प्रतिभा के साथ एक कम लागत, नीचे अप nanosynthesis विधि है. नतीजतन, टेम्पलेट का निर्देश तरीकों 2,3 दुनिया भर के शोधकर्ताओं के बीच काफी लोकप्रियता हासिल की है.

"टेम्पलेट का निर्देशन विधि" का मूल विचार इस प्रकार है. सबसे पहले एक टेम्पलेट खड़ी उन्मुख बेलनाकार nanopores का एक सरणी शामिल हैं, जो निर्माण किया हुआ है. Pores में भर रहे हैं जब तक अगला, वांछित सामग्री nanopores के भीतर जमा है. एक परिणाम के रूप में वांछित सामग्री ताकना आकारिकी को गोद ले और टी मेजबानी के भीतर एक nanowire सरणी रूपोंemplate. अंत में, लक्ष्य आवेदन के आधार पर मेजबान टेम्पलेट हटाया जा सकता है. हालांकि, यह भी खड़ी आदेश नष्ट कर देता है. ज्यामिति और अंतिम nanostructures की आयामों ताकना आकारिकी और इसलिए मेजबान टेम्पलेट का संश्लेषण नकल निर्माण की प्रक्रिया का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है.

Nanoporous टेम्पलेट्स के विभिन्न प्रकार के साहित्य 8 में सूचित किया गया है. सबसे अधिक इस्तेमाल किया टेम्पलेट्स (एक) बहुलक ट्रैक etched झिल्ली, (ख) ब्लॉक copolymers और (ग) anodic एल्यूमीनियम ऑक्साइड (आओ) टेम्पलेट्स शामिल हैं. बहुलक ट्रैक etched झिल्ली बनाने के लिए एक बहुलक पन्नी पूरी तरह से पन्नी घुसना और थोक पन्नी 9 भीतर अव्यक्त आयन पटरियों को छोड़ जो उच्च ऊर्जा आयनों के साथ विकिरणित है. पटरियों तो चुनिंदा बहुलक पन्नी 9 भीतर nanosized चैनल बनाने के लिए etched हैं. nanosized चैनलों के आगे एक उपयुक्त नक़्क़ाशी कदम से चौड़ा किया जा सकता. इस विधि के साथ प्रमुख समस्याओं वीं की गैर एकरूपता हैंई nanochannels, स्थान के नियंत्रण की कमी है, चैनलों के बीच गैर वर्दी सापेक्ष दूरी, कम घनत्व (प्रति इकाई क्षेत्र चैनलों की संख्या ~ 10 8/2 सेमी), और खराब झरझरा संरचना 1 आदेश दिया. ब्लॉक copolymer विधि में एक समान बेलनाकार nanoporous टेम्पलेट पहले pores के 8 भीतर वांछित सामग्री के विकास, इसके बाद बनाई गई है.

अतीत में, तरीकों (क) और (ख) ऊपर उल्लेख बहुलक nanowires 8 निर्माण करने के लिए इस्तेमाल किया गया है. हालांकि, इन तरीकों के बाद प्रसंस्करण कदम के दौरान चुनिंदा नक़्क़ाशी की क्षमता के अभाव के कारण किसी भी मनमाने ढंग से कार्बनिक पदार्थ की nanowires के synthesizing के लिए उपयुक्त नहीं हो सकता. बाद के प्रसंस्करण आम तौर पर उपर्युक्त टेम्पलेट्स के लिए कार्बनिक विलायकों की आवश्यकता होगी जो मेजबान टेम्पलेट को हटाने, शामिल है. इस तरह सॉल्वैंट्स जैविक nanowires के संरचनात्मक और शारीरिक गुण पर हानिकारक प्रभाव पड़ सकता है. हालांकि, इन टेम्पलेट्स आदर्श हो के रूप में कामऐसे कोबाल्ट 10, निकल, तांबा और बहुलक मेजबान को हटा नक़्क़ाशी प्रक्रिया में अप्रभावित रहते हैं, जो धातु multilayers 11, के रूप में अकार्बनिक nanowires के लिए अनुसूचित जनजातियों. उपर्युक्त विधियों के लिए एक संभावित चुनौती उच्च तापमान पर मेजबान मैट्रिक्स के गरीब थर्मल स्थिरता है. Annealing उच्च तापमान अक्सर मेजबान मैट्रिक्स का अच्छा थर्मल स्थिरता की आवश्यकता को इंगित करता है जो कार्बनिक nanowires है, के स्फटिकता सुधार करने के लिए आवश्यक है.

एल्यूमीनियम की नियंत्रित विद्युत ऑक्सीकरण (भी एल्यूमीनियम की "anodization" के रूप में जाना जाता है) एक प्रसिद्ध औद्योगिक प्रक्रिया है और आमतौर पर ऑटोमोबाइल, बर्तन, एयरोस्पेस और जंग 12 से एल्यूमीनियम की सतह की रक्षा के लिए अन्य उद्योगों में प्रयोग किया जाता है. ऑक्सीकरण एल्यूमीनियम (या "anodic एल्यूमिना") की प्रकृति anodization लिए इस्तेमाल इलेक्ट्रोलाइट का पीएच पर गंभीर रूप से निर्भर करता है. संक्षारण प्रतिरोध के लिए आवेदन पत्र, anodization आम तौर पर wea के साथ किया जाता हैएक कॉम्पैक्ट, गैर झरझरा, "बाधा की तरह" एल्यूमिना फिल्म 12 बनाने के जो कश्मीर एसिड (पीएच ~ 5-7),. इलेक्ट्रोलाइट (पीएच <4) दृढ़ता से अम्लीय है हालांकि, अगर ऑक्साइड की वजह से एच + आयनों द्वारा ऑक्साइड के स्थानीय विघटन करने के लिए "झरझरा" हो जाता है. ऑक्साइड भर में स्थानीय बिजली क्षेत्र के पूर्व patterning के पूर्व anodization को इसलिए स्थानीय एच + आयनों की एकाग्रता और सतह निर्धारित करता है अंतिम झरझरा संरचना पर कुछ नियंत्रण प्रदान करता है. pores के छोटे व्यास (~ 10-200 एनएम) और इसलिए इस तरह के nanoporous anodic एल्यूमिना फिल्मों विभिन्न सामग्री 2,3 के nanowires के synthesizing के लिए हाल के वर्षों में बड़े पैमाने पर इस्तेमाल किया गया है, के साथ बेलनाकार हैं.

Nanoporous anodic एल्यूमिना टेम्पलेट्स ऐसे इलेक्ट्रोलाइट और anodization वोल्ट का पीएच रूप से anodization मापदंडों के विवेकपूर्ण विकल्प के माध्यम से बेहतर थर्मल स्थिरता, उच्च ताकना घनत्व, लंबी दूरी ताकना आदेश, और ताकना व्यास की उत्कृष्ट tunability, लंबाई, अंतर - ताकना जुदाई और ताकना घनत्व की पेशकशउम्र 2,3. इन कारणों की वजह से हम जैविक विकास nanowire के लिए मेजबान मैट्रिक्स के रूप में आओ टेम्पलेट्स चुनें. इसके अलावा, इस तरह के एल्यूमिना के रूप में अकार्बनिक आक्साइड इस प्रकार एल्यूमिना सतह पर 13 कार्बनिक समाधान (कम सतह ऊर्जा) का प्रसार वर्दी की सुविधा, उच्च सतह ऊर्जा है. इसके अलावा, हमारे लक्ष्य के लिए सीधे एक प्रवाहकीय और / या पारदर्शी सब्सट्रेट पर इन nanowire सरणियों विकसित करने के लिए है. नतीजतन, ताकना हम नीचे का वर्णन के रूप में अधिक विचार की जरूरत है, जो नीचे अंत में बंद कर दिया है. पतली टेम्पलेट्स के गरीब यांत्रिक स्थिरता की वजह से एक के माध्यम से ताकना टेम्पलेट और वांछित सब्सट्रेट करने के बाद के हस्तांतरण के भीतर nanowires के विकास अक्सर गरीब इंटरफेस गुणवत्ता के कारण अवांछनीय है और इस विधि से कम लंबाई nanowires के (या पतली टेम्पलेट्स) के लिए भी संभव नहीं है .

π संयुग्मित कार्बनिक पदार्थों को मोटे तौर पर दो श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: (क) लंबी श्रृंखला संयुग्मित पॉलिमर और (ख) छोटे आणविक भार कार्बनिक है emiconductors. कई समूहों अतीत में एक आओ टेम्पलेट का बेलनाकार nanopores के भीतर लंबी श्रृंखला बहुलक nanowires के संश्लेषण की सूचना दी है. इस विषय पर व्यापक समीक्षा refs के 8,14 में उपलब्ध है. हालांकि, आओ में व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण छोटे आणविक ऑर्गेनिक्स nanowires के संश्लेषण (जैसे rubrene, Tris-8-hydroxyquinoline एल्यूमीनियम (ALQ 3), और PCBM) के रूप में अत्यंत दुर्लभ है. आओ टेम्पलेट के nanopores के भीतर rubrene और ALQ 3 के भौतिक वाष्प जमाव कई समूहों 4,15-17 द्वारा सूचित किया गया है. हालांकि, ऑर्गेनिक्स का केवल एक पतली परत (~ 30 एनएम) pores के भीतर जमा (~ 50 एनएम व्यास) और लंबे समय तक बयान ताकना प्रवेश द्वार 4,16,17 ब्लॉक जाता किया जा सकता है. ताकना व्यास 15 (~ 200 एनएम) पर्याप्त बड़ी है अगर पूरी ताकना भरने इस विधि में प्राप्त किया जा सकता है. इस प्रकार उप 100 एनएम रेंज में ताकना व्यास के लिए लागू होता है कि एक वैकल्पिक तरीका खोजने के लिए यह महत्वपूर्ण है.

टेम्पलेट गीला "विधि 8,14"> कुछ अन्य छोटे आणविक ऑर्गेनिक्स के लिए इस्तेमाल किया गया है कि एक और दृष्टिकोण एक तथाकथित है ". हालांकि, ज्यादातर रिपोर्टों में पक्ष खुले pores और बड़े व्यास दोनों के साथ मोटी वाणिज्यिक टेम्पलेट्स (~ 50 माइक्रोन) (~ 200 एनएम) का इस्तेमाल किया गया है. इस तरह के विधि एक साइड में nanowires उत्पादन नहीं किया है, इससे पहले कि संभवतः pores के भीतर समाधान की घुसपैठ को रोकता है pores, जो भीतर फंस हवा जेब की उपस्थिति के कारण के रूप में उल्लेख है pores बंद हुआ. हम पहले इन चुनौतियों से पार करता है और किसी भी वांछित सब्सट्रेट पर मनमानी आयामों के साथ छोटे आणविक जैविक nanowire सरणियों के विकास की अनुमति देता है कि एक उपन्यास विधि की सूचना दी. क्या इस प्रकार में, हम विस्तृत प्रोटोकॉल, संभावित सीमाओं और भविष्य संशोधनों का वर्णन करेंगे.

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Protocol

जैसा कि ऊपर कहा, आओ-आधारित निर्माण की प्रक्रिया में दो महत्वपूर्ण कदम (एक) मनमानी पर खाली आओ टेम्पलेट का संश्लेषण (मुख्य रूप से प्रवाहकीय और / या पारदर्शी) substrates के (चित्र 1 में योजनाबद्ध वर्णन) और छोटे (ख) वृद्धि कर रहे हैं आओ टेम्पलेट के nanopores के भीतर आणविक जैविक nanowires के (चित्रा 2). इस भाग में हम इन प्रक्रियाओं का विस्तृत विवरण उपलब्ध कराते हैं.

1. प्रवाहकीय एल्यूमिनियम Substrates पर एनोडिक एल्यूमिनियम ऑक्साइड (आओ) टेम्पलेट्स का विकास

  1. पहला चमकाने एल्यूमीनियम foils द्वारा nanoporous एल्यूमिना टेम्पलेट्स बनाएँ और फिर (या electrochemically ऑक्सीकरण) उन्हें anodizing. मोटाई 250 माइक्रोन के साथ उच्च शुद्धता unpolished एल्यूमीनियम के छोटे (~ 2 एक्स 2 सेमी 2) शीट (99.997%) बाहर काटने के द्वारा शुरू करो.
  2. Electropolishing के एवज में, एक सरल रासायनिक चमकाने प्रक्रिया 18 प्रयोग किया जाता है. डूब में नाइट्रिक-2 एक्स 2 सेमी 2 चादरों की एक छोटी संख्या80 में फॉस्फोरिक एसिड एचेंट ° 5 मिनट के लिए एक hotplate पर सी.

नोट: एल्यूमीनियम शीट पूर्व इलाज के लिए इस्तेमाल नाइट्रिक-फॉस्फोरिक एसिड समाधान 15 भागों 68% नाइट्रिक एसिड और 85 भागों में 85% फॉस्फोरिक एसिड है. के रूप में खरीदा एल्यूमीनियम की सतह खुरदरापन कुछ माइक्रोन, सतह पर एक गैर वर्दी बिजली के क्षेत्र बनाता है और एक आदेश ताकना सरणी के गठन से बचाता है, जो की व्यवस्था की है क्योंकि एक चमकाने कदम पहले से anodization करने के लिए आवश्यक है. साहित्य में, electropolishing इस उद्देश्य 2,3 के लिए बड़े पैमाने पर इस्तेमाल किया गया है. हालांकि, रासायनिक चमकाने भी तुलनीय (या बेहतर) चिकनाई 18 के साथ पॉलिश सतहों जो पैदावार एक सस्ता और आसान विकल्प है.

  1. नक़्क़ाशी के बाद, 20 मिनट के लिए 1 एम सोडियम हाइड्रोक्साइड में पन्नी बेअसर. ये "रासायनिक पॉलिश" पन्नी अब anodized बनने के लिए तैयार हैं.
  2. फ्लैट कोशिकाओं में पॉलिश एल्यूमीनियम शीट लोड और 3% oxal के साथ 15 मिनट के लिए उन्हें anodize40 वी डीसी पूर्वाग्रह पर आईसी एसिड.

नोट: पन्नी के नमूने के लिए एक दो कदम anodization प्रक्रिया 2,3,19 आदेश ताकना सुधार करने के लिए किया जाता है. यह पहला कदम anodization के दूसरे चरण के दौरान ध्यान में लीन होना विकास के लिए दीक्षा साइटों के रूप में कार्य जो एल्यूमीनियम / एल्यूमिना इंटरफेस, पर अल सतह और नैनो पैमाने गालों पर एक झरझरा परत ऑक्साइड पैदा करेगा.

  1. फ्लैट सेल से निकाल कर क्रोमिक-फॉस्फोरिक एसिड में खोदना नमूना. 60 पर एक गर्म थाली पर एचेंट की एक बीकर में नमूना विसर्जित डिग्री सेल्सियस ~ के लिए प्रारंभिक ऑक्साइड परत को दूर करने के लिए 30 मिनट.
  2. अन्य सभी मापदंडों को अपरिवर्तित रखते हुए 2.5 मिनट के लिए anodization प्रक्रिया (1.4 कदम) दोहराएँ. कदम (1.4) में anodized ही क्षेत्र फिर इलेक्ट्रोलाइट को उजागर किया जाएगा कि इस तरह के फ्लैट सेल में पन्नी को फिर से संगठित करने की कोशिश करो.

नोट: अंतिम anodization कदम का समय फाइनल की मोटाई निर्धारित करता हैऑक्साइड परत और उसके अनुसार बदला जा सकता है. 2.5 मिनट की अवधि. ~ 500 एनएम की एक फिल्म मोटाई (ताकना लंबाई) से मेल खाती है. दूसरे चरण के अंत में एक सुव्यवस्थित nanopore सरणी anodic एल्यूमिना परत में बनाया जाता है. anodization और नक़्क़ाशी चक्र आगे ताकना आदेश में सुधार करने के लिए दोहराया जा सकता है.

  1. Nanopores के तल पर अवरोध परत पतली और nanopore के व्यास को चौड़ा करने के लिए 40 मिनट के लिए कमरे के तापमान पर 5% फॉस्फोरिक एसिड में डूब टेम्पलेट. इस कदम के बाद अंतिम nanopore के व्यास ~ 60-70 एनएम है.

2. पारदर्शी substrates पर आओ टेम्पलेट्स की ग्रोथ (ग्लास)

  1. TiO 2 (20 एनएम, परमाणु परत बयान), एयू (7 एनएम, sputtering), अल (1 माइक्रोन, sputtering): क्रमिक रूप से साफ गिलास स्लाइड पर निम्नलिखित बहुपरत प्रणाली जमा.

नोट: एयू परत anodization के लिए आवश्यक एक इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करता है, और पारदर्शिता 20 खराब नहीं करता है </> समर्थन. TiO 2 Au और ग्लास सब्सट्रेट के बीच एक पारदर्शी आसंजन परत के रूप में कार्य करता है.

  1. एक प्रवाहकीय चांदी epoxy का उपयोग anodized होने के लिए एल्यूमिनियम की पतली फिल्म की सतह के लिए एक पन्नी इलेक्ट्रोड संलग्न. वर्तमान वितरण में सुधार करते हुए इस शक्ति का स्रोत से नमूना करने के लिए एक उचित संबंध में परिणाम होगा.

नोट: पहले उल्लेख तकनीक चमकाने, गिलास सब्सट्रेट पर जमा बहुत कम एल्यूमीनियम के बाद से वहाँ एल्यूमीनियम सतह समतल करने के लिए व्यवहार्य नहीं हैं. इसके बजाय, इस प्रोटोकॉल का एक और anodization / नक़्क़ाशी कदम को शामिल करने से anodization प्रक्रिया को संशोधित करता है.

  1. फ्लैट सेल करने में नमूना लोड और 30 वी डीसी पूर्वाग्रह से कम 3% oxalic एसिड का उपयोग करते हुए 4 मिनट के लिए एल्यूमीनियम पतली फिल्म anodize.
  2. फ्लैट सेल से नमूना हटाने के बिना, गर्म एचेंट मैं गिरने से 1 घंटे के लिए 60 में डि पानी और क्रोमिक-फॉस्फोरिक एसिड में खोदना टेम्पलेट डिग्री सेल्सियस के साथ सेल बाहर कुल्लासेल के लिए एन.

नोट: एचेंट का तापमान तुरंत यह सेल में डाल दिया गया है एक बार कम करने के लिए शुरू कर देंगे. इसलिए, नक़्क़ाशी की अवधि के सभी ऑक्सीकरण फिल्म निकाल दिया जाता है सुनिश्चित करने के लिए पन्नी के नमूने के लिए 30 मिनट से 1 घंटे की वृद्धि हुई है.

  1. फिर सेल बाहर कुल्ला और पहले के रूप में एक ही परिस्थितियों में एक दूसरी बार anodize, 30 वी डीसी पूर्वाग्रह से कम 3% oxalic एसिड का उपयोग कर, 4 मिनट के लिए.
  2. कदम (2.4) दोहराएँ. फ्लैट सेल से नमूना हटाने के बिना, सेल में गर्म एचेंट गिरने से 1 घंटे के लिए 60 में डि पानी और क्रोमिक-फॉस्फोरिक एसिड में खोदना टेम्पलेट डिग्री सेल्सियस के साथ सेल बाहर कुल्ला.
  3. अंतिम समय के लिए सेल से बाहर कुल्ला और 30 वी डीसी में 3% oxalic एसिड का उपयोग कर तीसरी (और पिछले) anodization कदम, प्रदर्शन करते हैं. जब रोकने के लिए निर्धारित करने के लिए प्रणाली की वर्तमान निगरानी करें.

नोट: एक फाइनल के दौरान नजर रखी जा करने के लिए वर्तमान आवश्यकताओंodization. पहले कुछ सेकंड के बाद, वर्तमान 1-2 के आसपास मा स्थिर. इस वर्दी anodization जगह ले जा रहा है इंगित करता है. Anodization प्रक्रिया शेष एल्यूमीनियम का सेवन किया है एक बार, इलेक्ट्रोलाइट समाधान (3% oxalic एसिड) वर्तमान anodization (चित्रा 3) में तेजी से वृद्धि का कारण होगा जो अंतर्निहित सोने की परत के साथ संपर्क में आ जाएगा. इस बिंदु पर, anodization बंद कर दिया है. समय 4 मिनट के निशान के आसपास लगभग होना चाहिए. एक समान अवरोध परत समाधान और धातु सब्सट्रेट अलग करती है क्योंकि वर्तमान में यह वृद्धि पन्नी नमूने (चित्रा 3) में नहीं मनाया जाता है.

  1. 40 मिनट के लिए कमरे के तापमान पर 5% फॉस्फोरिक एसिड में टेम्पलेट submerging द्वारा पन्नी नमूना प्रोटोकॉल के समान एक छेद को चौड़ा कदम प्रदर्शन करना.

नोट:. यह pores में व्यापक हो जाएगा लेकिन anodization प्रक्रिया अवरोध परत के माध्यम से खाया है के बाद से पतली करने के लिए छोड़ दिया वहाँ कोई नहीं है फाईgure 4 गिलास सब्सट्रेट / 20 एनएम एक अवरोध परत के अभाव के साथ TiO 2/7 एनएम एयू / 500 एनएम झरझरा अल 2 3 हे की बहुस्तरीय संरचना से पता चलता है और स्पष्ट रूप से एयू पतली फिल्म अंतर्निहित के संपर्क में pores. चित्रा 5a और 5 ब खाली आओ दिखाता है क्रमशः पन्नी और ग्लास substrates पर टेम्पलेट्स.

3. आओ टेम्पलेट के छिद्र के भीतर लघु आण्विक जैव Nanowires की असिस्टेड ग्रोथ अपकेंद्रित्र

  1. एक उपयुक्त विलायक में छोटे आणविक जैविक का एक संतृप्त घोल तैयार करें.

नोट: निम्न कार्बनिक अणुओं और विलायकों इस्तेमाल किया गया है: एसीटोन, टोल्यूनि में क्लोरोफॉर्म और PCBM में ALQ 3 में rubrene. यहां पर से PCBM ब्याज के अणु के रूप में जाना जाता है.

  1. Anodized क्षेत्र टेस्ट ट्यूब के ऊपर का सामना करना पड़ रहा है कि इस तरह के एक अपकेंद्रित्र टेस्ट ट्यूब के नीचे करने में टेम्पलेट्स लोड. ट्यूब बड़ी ई होना चाहिएअंदर नमूना फिट करने के लिए nough.

नोट: पन्नी के नमूने लिए, यह पन्नी समर्थन और नीचे वर्णित के रूप में centrifugation के दौरान झुकने को रोकने के लिए इसी तरह के आकार की एक वेफर उपयोग करने के लिए उपयोगी है चित्रा 2 से पता चलता नमूना अपकेंद्रित्र में रखा गया है कि कैसे एक योजनाबद्ध विवरण..

  1. टेम्पलेट पूरी तरह से डूबे हुए है कि ऐसे पर्याप्त PCBM समाधान के साथ टेस्ट ट्यूब भरने के लिए एक विंदुक का प्रयोग करें.
  2. अपकेंद्रित्र में टेस्ट ट्यूब लोड और 6000 rpm पर 5 मिनट के लिए चला रहे हैं.

नोट: नमूने एक कोण पर टेस्ट ट्यूब में रखा गया है, टेस्ट ट्यूब anodized सतह अपकेंद्रित्र के केंद्र (चित्रा 2) की ओर इशारा कर रहा है कि इस तरह से मुहिम शुरू की है सुनिश्चित करते हैं.

  1. अपकेंद्रित्र बंद कर दिया गया है, टेस्ट ट्यूब उतारना और ट्यूब से PCBM समाधान डालना.
  2. टेस्ट ट्यूब से टेम्पलेट्स निकालें, या एलसूखे के लिए ~ 1 मिनट के लिए तल पर eave उन्हें.
  3. दोहराएँ 5-10 अपकेंद्रित्र रन के कुल प्रदर्शन किया गया है कि ताकि 3.2-3.6 कदम.

नोट: अपने विलायक में छोटे अणु के निम्न घुलनशीलता है, जहां स्थितियों में, अधिक अपकेंद्रित्र रन nanopores में जमा अधिक सामग्री में मदद मिलेगी.

  1. टेस्ट ट्यूब के नीचे से नमूना निकालें और धीरे टेम्पलेट की सतह पर पर छोड़ दिया है कि किसी भी सामग्री को हटाने, टेम्पलेट की सतह को साफ करने के लिए टोल्यूनि (या संबंधित विलायक) में भिगो एक कपास झाड़ू का उपयोग करें.

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Representative Results

के रूप में (आंकड़े 5 और 6) नीचे दिखाया आंकड़े इसका सबूत यह सेंट्रीफ्यूज की मदद से ड्रॉप कास्टिंग विधि निरंतर nanowires के उत्पादन करता है. आओ टेम्पलेट का pores अंदर गढ़े nanowires, खड़ी छाया पैंदा के साथ एक दूसरे से, गठबंधन वर्दी, और विद्युत अलग कर रहे हैं. nanowires के व्यास टेम्पलेट में pores के व्यास से निर्धारित होता है. वे सफलतापूर्वक बाद में उल्लिखित कई उपकरणों में इन संरचनाओं की क्षमता का आवेदन करने के लिए नेतृत्व जो कई अलग substrates, पर निर्मित किया जा सकता है.

पीएसएस या फोटोवोल्टिक सेल अनुप्रयोगों के लिए PCBM: इन परिणामों को इस तरह के उच्च पहलू अनुपात सुविधाओं में होते हैं, इसलिए यह इस बयान की विधि भी ऐसे PEDOT साथ कोटिंग बनावट substrates के रूप में घुलनशील सामग्री के अन्य बूंद कास्टिंग / कोटिंग के तरीकों के लिए विस्तारित किया जा सकता है कारण खड़ा है.

चित्रा 2, अपकेंद्रित्र bef का एक योजनाबद्धअयस्क और centrifugation के दौरान, अपकेंद्रित्र ट्यूब के अंदर क्या हो रहा है की कल्पना करने में मदद करता है. Centrifugation के तहत, समाधान एक के पास सीधा कोण पर सब्सट्रेट के खिलाफ मजबूर है. यह pores में यह मजबूर, समाधान पर "प्रभावी गुरुत्वाकर्षण" बढ़ जाती है. इस प्रक्रिया का परिणाम है कि वे nanowires के (चित्रा 6) के रूप में है कि इस तरह के कार्बनिक छोटे अणु सामग्री के साथ खाली pores के भरने (चित्रा 4 और 5) है.

आगे चित्रा 6 का pores अंदर सामग्री तथ्य PCBM nanowires में है कि पुष्टि करने के लिए भरा टेम्पलेट्स के रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का प्रदर्शन किया गया है. अध्ययन रमन PCBM पतली फिल्मों के स्पेक्ट्रम और PCBM और nanowires नैनोट्यूब पर, हमारे ज्ञान करने के लिए, विद्यमान नहीं पर सीमित कर रहे हैं. अणुओं stru में बहुत समान हैं, लेकिन, जैसा कि हम अपने प्रयोगों से साथ ही फुलरीन (सी 60) के रूप में उपलब्ध सीमित साहित्य परिणाम के लिए रमन डेटा की तुलना कर सकते हैंसाहित्य से तुलनीय कंपन मोड cture और दिखा. हम 1,430, 1,463 पर चोटियों का निरीक्षण, और क्रमशः, टी 1u (4), ए जी (2), और एच जी (8) मोड के अनुरूप जो 1,577 सेमी -1 (चित्रा 7),. यह 1,429, 1,470 और 1,575 प्राचीन C60 के 21 और 1,429 के लिए -1 सेमी, 1465 और ही संबंधित मोड 22 के लिए प्राचीन PCBM के लिए -1 1573 सेमी की साहित्य मूल्यों के साथ अच्छी तरह से मेल खाता है. यह वहाँ ज्यामिति nanowire के कारण रमन चोटियों में कोई महत्वपूर्ण बदलाव है और हम वास्तव में हमारे pores के भीतर विद्यमान PCBM nanowires के लिए क्या है कि इस तथ्य का समर्थन करता है कि पता चलता है.

चित्रा 1
चित्रा 1. जैविक nanowire के संश्लेषण के योजनाबद्ध वर्णन कदम (एक) -. (ई) अच्छी तरह से आदेश के निर्माण के लिए कई कदम anodization और नक़्क़ाशी का प्रतिनिधित्व करता है एड Nanopores. चरण (च) जैविक विकास nanowire का प्रतिनिधित्व करता है.

चित्रा 2
चित्रा 2. जैविक विकास nanowire के लिए टेस्ट ट्यूब में खाली टेम्पलेट का अपकेंद्रित्र और लदान के योजनाबद्ध.

चित्रा 3
चित्रा 3. समय के एक समारोह के रूप में वर्तमान anodization. गिलास सब्सट्रेट, पूरे एल्यूमीनियम सेवन किया जाता है जब वर्तमान उगता है और इलेक्ट्रोलाइट पर anodization के अंतिम चरण के लिए अंतर्निहित एयू परत के साथ संपर्क में आता है.

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4 चित्रा. पूर्व एजी nanowire के बयान को बहुस्तरीय संरचना की FESEM (500 एनएम झरझरा अल 23/7 एनएम एयू / 20 एनएम Ti0 2 / ग्लास सब्सट्रेट).

चित्रा 5
चित्रा 5. (क) अल पन्नी पर हो खाली टेम्पलेट का FESEM छवियों, (ख) गिलास. Insets के पार के अनुभागीय दृश्य दिखाने के और मुख्य छवियों शीर्ष दृश्य दिखा. बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें .

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6 चित्रा. भरी टेम्पलेट के FESEM छवियों. (क) मुख्य छवि आओ मैट्रिक्स से अवगत कराया PCBM नैनोट्यूब सुझावों से पता चलता है. PCBM नैनोट्यूब नीचे में बंद हो जाती हैं. इनसेट आओ pores के भीतर हो PCBM नैनोट्यूब के पार के अनुभागीय दृश्य दिखाता है. (ख) आओ टेम्पलेट का pores से फैला हुआ ALQ 3 nanowires के (तीर द्वारा दिखाया गया है) के अनुभागीय छवि क्रॉस. बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें .

7 चित्रा
चित्रा 7. अल 2 3 हे टेम्पलेट में imbedded PCBM nanowires के रमन स्पेक्ट्रम.

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Discussion

Nanowire विकास के लिए शारीरिक चित्र

यह पूरी तरह से जैविक nanowires के विकास पद्धति को समझने के लिए पहली महत्वपूर्ण है. एक बार जब हम वे बड़े होते हैं और हम इंजीनियर है nanostructures, उपकरणों और सामग्री के इस बयान विधि का उपयोग कर सकते हैं pores में खुद को फार्म ठीक से पता कैसे. अतीत में, बहुलक nanowires एक अपकेंद्रित्र की सहायता के बिना टेम्पलेट गीला प्रक्रिया का उपयोग कर निर्मित किया गया है, लेकिन इस तरह के कार्बनिक छोटे अणुओं के रूप में कुछ सामग्री के लिए, हम यह अप्रभावी हो पाया है. समाधान और टेम्पलेट के साथ ही nanopore में फंस हवा जेब के बीच सतह के रसायन शास्त्र के कारण, समाधान आज़ादी ताकना प्रवेश करने में असमर्थ है. समाधान अपकेंद्रित्र के केन्द्रापसारक बल के प्रभाव में है, यह सार नमूना पहले से ही सामना कर रहा था गुरुत्वाकर्षण बल को जोड़ने में है. जैविक समाधान जाहिर ताकना कब्जे हवा से सघन होता है क्योंकि यह मैं तहत ताकना नीचे करने के लिए मजबूर किया जाता हैकेन्द्रापसारक बल ncreased. समाधान स्वाभाविक रूप से pores में प्रवेश करने से यह रखने ताकतों को दूर किया है एक बार अपकेंद्रित्र बंद कर दिया है, के बाद भी यह ताकना पर कब्जा करने के लिए जारी रहेगा. नमूना तो अपकेंद्रित्र से हटा दिया है और सूखने के लिए छोड़ दिया है. कार्बनिक विलायकों अपेक्षाकृत तेजी से लुप्त हो जाना, क्योंकि सुखाने की प्रक्रिया ही कमरे के तापमान पर एक मिनट के बारे में लेता है. ताकना उद्घाटन करने के लिए पास के छेद में समाधान पहले लुप्त हो जाना और ताकना तल पर समाधान हवा हो गया है और ताकना में छोड़ दिया है कि सभी जैविक छोटे अणुओं है जब तक कम है और कम प्रगति होगी. समाधान उड और रास्ते के रूप में ध्यान में लीन होना खोलने, विलायक की उस मात्रा में भंग कर दिया गया है कि छोटे अणुओं के सबसे नजदीक ताकना ताकना दीवारों को धक्का दे दिया हो और वान डर वाल्स बलों के नीचे रहते हैं. विलायक एक सतत और खोखले नेन बनाने, लगातार ताकना की पूरी लंबाई के माध्यम से ताकना दीवारों पर सामग्री जमा ताकना की लंबाई नीचे लुप्त हो जाना जारी हैरोम के अंदर otube. इस प्रक्रिया ताकना नीचे पहुंचता है, छोटे अणुओं के एक मामूली अतिरिक्त, जो नीचे स्थित कोट ताकना दीवारों के साथ ही ताकना तल पर अवरोध परत होगा. हो जाएगा इस नैनोट्यूब सामग्री को समुचित बिजली के संपर्क की जरूरत के उपकरणों के लिए बहुत फायदेमंद हो सकता है कि ताकना तल पर नैनोट्यूब के लिए एक "छाया" अंत बनाएगा. दोहराया centrifugation के बजाय खोखला नैनोट्यूब की ठोस nanowires में परिणाम होगा.

क्रिटिकल मापदंडों

बयान प्रक्रिया में विचार किया जाना चाहिए कि एक महत्वपूर्ण पैरामीटर अपकेंद्रित्र का आरपीएम है. आरपीएम बहुत कम है, केन्द्रापसारक बल जैविक समाधान के साथ फंस हवा जेब को बदलने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं होगा. सबसे अपकेंद्रित्र की व्यवस्था के लिए, अधिकतम आरपीएम सेटिंग में इस्तेमाल किया जा करने में सक्षम होना चाहिए. पन्नी सब्सट्रेट नमूने एक मजबूत पर्याप्त समर्थन (वेफर, कांच या अन्य सब्सट्रेट) के साथ समर्थन कर रहे हैं के रूप में लंबे समय के रूप में, के लिए किया कोई नुकसान नहीं होना चाहिएयहां तक ​​कि शंक्वाकार आकार अपकेंद्रित्र ट्यूबों में टेम्पलेट.

चुनाव के विलायक में छोटे अणु की एकाग्रता भी इस प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण कारक है. अधिक घुलनशील एक सामग्री अपने विलायक में है, और अधिक सामग्री ताकना में जमा किया जाएगा. सबसे अनुप्रयोगों के लिए, शोधकर्ताओं ताकना में सामग्री की मात्रा को अधिकतम करने के लिए विलायक में सामग्री की एक संतृप्त समाधान का उपयोग करना चाहिए. हालांकि, एक सैद्धांतिक रूप से समाधान एकाग्रता से छेड़छाड़ नैनोट्यूब की दीवार मोटाई को नियंत्रित करने में सक्षम होना चाहिए. एक कम एकाग्रता एक पतली ट्यूब दीवार में एक ट्यूब और परिणाम के लिए फार्म उपलब्ध अणुओं की संख्या सीमित होगी.

Centrifugation के भागो समय या लंबाई हम नियंत्रित कर सकते हैं एक और पैरामीटर है. यह पैरामीटर बनाई है कि अंतिम संरचना को प्रभावित करता है. भागो समय सभी pores (विलायक और टेम्पलेट कोम्बी अलग व्यवस्था के लिए अलग हो सकता है जो समाधान के साथ भर दिया गया है यह सुनिश्चित करने के लिए काफी लंबा होना चाहिएराष्ट्र). हमारे विशेष स्थापना के लिए, हम 5 मिनट के चलाने के समय पर्याप्त होगा कि मिल गया है. विलायकों में कम विलेयता है कि समाधान के लिए, हम जमाव प्रक्रिया के लिए कई बार दोहरा सकते हैं. अधिक अपकेंद्रित्र हम, ताकना में वहाँ जमा किया जाना चाहिए और अधिक सामग्री प्रदर्शन चलाता है. रनों की संख्या बढ़ाने से pores में जमा अधिक सामग्री की मदद करने और कम एकाग्रता समाधान में नैनोट्यूब गठन की संभावना को बढ़ा सकते हैं.

एल्यूमीनियम पन्नी पर anodization बड़े पैमाने पर पता लगाया है और एक अच्छी तरह से ज्ञात प्रक्रिया 2,3 किया गया है. कुछ भी नहीं में कांच पर anodization मौलिक नए हैं, यह कम पन्नी anodization से विकसित की है और अधिक चुनौतियों को शामिल किया गया है. एल्यूमीनियम पूरी तरह से anodized है और एसिड इलेक्ट्रोड (चित्रा 3) के साथ संपर्क में आता है जब सोने की पतली इलेक्ट्रोड के कारण, एक उच्च वर्तमान घनत्व परिणाम कर सकते हैं. यह ताकना विलय से बचने के लिए और पन्नी anodization की तुलना में कम एक स्तर पर वोल्टेज रखने के लिए महत्वपूर्ण हैoverheating / एल्यूमिना टेम्पलेट से जल रहा है.

संभावित लाभ और कमियां

मुख्य लाभ यह तकनीक जैविक छोटे अणु बयान के अन्य रूपों पर यह कम लागत, सरल है और किसी भी जटिल प्रयोगात्मक स्थापना की आवश्यकता नहीं है कि कर रहे हैं. इस तकनीक के लिए आवश्यक केवल उपकरण अपेक्षाकृत सस्ती और आसानी से उपलब्ध सबसे nanofabrication सुविधाओं में जटिल निर्वात कक्षों, पंप और पीवीडी तकनीक में कार्बनिक पदार्थों के वाष्पीकरण के लिए आवश्यक ऊर्जा स्रोतों के साथ तुलना में जो है, जब एक अपकेंद्रित्र, है. क्रूसिबल या स्रोत सामग्री से सभी पीवीडी प्रकार तकनीक बयान में की जरूरत है, जो बयान के स्थान के लिए दृष्टि के एक सीधी रेखा नहीं है जहां अत्यंत उच्च पहलू अनुपात सुविधाओं में और सुविधाओं जमा करने के लिए इस तकनीक को भी अनुमति देता है. यह जैविक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के अधिक सह बनने के रूप में अधिक से अधिक सामान्य हो जाएगा, जो भी अन्य समाधान प्रसंस्करण तकनीकों के साथ संगत हैmmercially व्यवहार्य.

यह उपयोगकर्ताओं को आसानी से उच्च पहलू अनुपात सुविधाओं में कार्बनिक अणुओं जमा करने के लिए सक्षम बनाता है एक नया बयान तकनीक है, यह कुछ कमियां है. इस तकनीक का उपयोग करना, हम समाधान में कार्रवाई की जा सकती है कि अणु के लिए सीमित हैं. सामग्री कुछ विलायक में भंग करने की क्षमता नहीं है, तो हम ताकना करने के लिए इसे में स्थानांतरित करने के लिए एक वाहक नहीं होगा. यह एक टेम्पलेट निर्माण तकनीक है क्योंकि इसके अलावा, हम टेम्पलेट के उत्पादन के लिए मुठभेड़ सीमाएं भी हम उन्हें अंदर विकसित कर सकते हैं संरचनाओं सीमित कर देगा. इस तकनीक ताकना भीतर nanowire लंबाई को नियंत्रित या टेम्पलेट उगाया जाता है के बाद तार के किसी भी अन्य पैरामीटर भिन्न करने की क्षमता नहीं है. टेम्पलेट का गठन होने के बाद, ताकना की पूरी लंबाई नैनोट्यूब लंबाई का निर्धारण करेगा, जो में जमा किया जाएगा. अंतिम ताकना व्यास नैनोट्यूब व्यास का निर्धारण करेगा. हालांकि, सौभाग्य से आओ टेम्पलेट विकास प्रक्रिया भारी जांच हैटेड 2,3 और nanopore ज्यामिति पर भारी नियंत्रण शाखायुक्त और संग्राहक व्यास pores 23 बनाने की संभावना सहित, उपलब्ध है. इसलिए यह संभवतः एक बहुत गंभीर सीमा नहीं है.

भविष्य के निर्देश, संशोधन और संभावित अनुप्रयोगों

यह विशेषता है और जांच की जाने की जरूरत है कि कई सुविधाओं के साथ एक उपन्यास बयान तकनीक है. इस तकनीक की क्षमताओं और सीमाओं का निर्धारण करने के लिए करने के लिए बहुत काम अभी भी वहाँ है. इस बात के लिए, केवल एक निश्चित कोण अपकेंद्रित्र बयान के लिए इस्तेमाल किया गया है. अपकेंद्रित्र के इस प्रकार सही कोण एक चुनौती से कम सब्सट्रेट बढ़ते बनाता है. इस समस्या को नाकाम करने के लिए एक तरह से फ्लैट नीचे टेस्ट ट्यूब के साथ एक चर कोण अपकेंद्रित्र का उपयोग करने के लिए है. अपकेंद्रित्र गति को चुनता है, के रूप में टेस्ट ट्यूब पकड़ कि अपकेंद्रित्र की बाहों केन्द्रापसारक बल परीक्षण के फ्लैट नीचे करने के लिए खड़ा रहेगा कि इस तरह के बाहर स्विंग होगीट्यूब. यह समाधान हमेशा ताकना लंबाई के समानांतर निर्देशित और बल का कोई घटक टेम्पलेट के पक्ष का हल धक्का होगा कि हो जाएगा कि यह सुनिश्चित करेंगे. इसके अलावा काम भी अंतिम संरचना को प्रभावित प्रक्रिया का महत्वपूर्ण कदम जोड़ तोड़ कैसे बेहतर समझने के लिए किया जाना चाहिए. स्फटिकता पर annealing का प्रभाव भी बेहतर परिणामस्वरूप नैनोट्यूब के भौतिक गुणों को समझने के लिए जांच की जानी चाहिए.

भविष्य में, इस बहुमुखी बयान तकनीक के इस तरह के उपकरणों स्मृति 24,25, जैविक photovoltaics 26-31, plasmonics के 32, रासायनिक सेंसर 33,34, OLEDs में 35 और जैविक nanowire FETs के 36,37 के रूप में विविध क्षेत्रों में आवेदन मिल सकता है. वर्तमान में हमारे समूह में पता लगाया जा रहा है कि दो संरचनाओं अक्षीय और त्रिज्यात heterostructured जैविक nanowire उपकरणों रहे हैं. हम पहले से ही ई द्वारा अक्षीय heterostructured धातु कार्बनिक संकर nanowire संरचनाओं गढ़ेताकना के तल में धातु के nanowire lectrodepositing और ऑर्गेनिक्स 5,6 के साथ शेष हिस्से को भरने. समाक्षीय जैविक nanowires के fabricating पर काम प्रगति में है और ऐसी संरचनाओं उच्च दक्षता जैविक फोटोवोल्टिक उपकरणों 31,38-40 के लिए उम्मीदवारों का वादा कर रहे हैं.

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Disclosures

लेखकों वे कोई प्रतिस्पर्धा वित्तीय हितों की है कि घोषित.

Acknowledgments

इस काम के लिए आर्थिक रूप NSERC, CSEE, nanobridge और TRLabs द्वारा समर्थित किया गया है.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Reagents
Toluene Fisher Scientific T324-4
68% Nitric Acid Fisher Scientific A200-212
85% Phosphoric Acid Fisher Scientific A242-4
10% Chromic Acid RICCA Chemical Company 2077-32
10% Oxalic Acid Alfa Aesar FW.90.04
Chloroform Fisher Scientific C607-4
Aluminum Sheets Alfa Aesar 7429-90-5
PCBM Nano-C Nano-CPCBM-BF
Alq3 Sigma Aldrich 444561-5G
Rubrene Sigma Aldrich 551112-1G
Equipment
FlexAL Atomic Layer Deposition (ALD) Oxford Instruments For deposition of TiO2
PVD Sputter System Kurt J. Lesker For deposition of Au & Al
Flat Cell Princeton Applied Research K0235 For anodization of Al
Centrifuge HERMLE Labnet Z206 A For deposition of organic nanowires

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मनमानी Substrates पर खड़ी गठबंधन छोटे आणविक जैविक Nanowires के ultrahigh घनत्व ऐरे
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Starko-Bowes, R., Pramanik, S. Ultrahigh Density Array of Vertically Aligned Small-molecular Organic Nanowires on Arbitrary Substrates. J. Vis. Exp. (76), e50706, doi:10.3791/50706 (2013).More

Starko-Bowes, R., Pramanik, S. Ultrahigh Density Array of Vertically Aligned Small-molecular Organic Nanowires on Arbitrary Substrates. J. Vis. Exp. (76), e50706, doi:10.3791/50706 (2013).

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