Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Сверхвысокой плотности массивов вертикально ориентированных малых органических молекулярных нанопроволок по произвольным подложках

Published: June 18, 2013 doi: 10.3791/50706
Automatic Translation
1, 1
1Electrical and Computer Engineering, University of Alberta

Summary

Мы сообщаем простой способ изготовления массив сверхвысокой плотности вертикально расположенных малых органических молекулярных нанопроводов. Этот метод позволяет для синтеза сложных геометрий heterostructured гибридный нанопроводов, который можно недорого, выращенных на произвольный субстратов. Эти структуры имеют потенциал применения в органической электронике, оптоэлектронике, химического зондирования, солнечной энергетике и спинтроники.

Introduction

Шаблона помощью метода обычно используется для изготовления вертикально ориентированные массивы нанопроводов 1-3. Этот метод позволяет простым изготовление сложных геометрий нанопроволоки, таких как аксиально 4-6 или радиально 7 heterostructured сверхрешетки нанопроводов, которые часто желательно в различных электронных и оптических применений. Кроме того, это недорогой, снизу вверх nanosynthesis методом с высокой пропускной способностью и универсальностью. В результате шаблон-направленного методы приобрели огромную популярность среди исследователей по всему миру 2,3.

Основная идея «Шаблон-направленный метод" заключается в следующем. Первый шаблон изготовлен, которое содержит множество вертикально ориентированных цилиндрических нанопор. Затем нужный материал осаждается внутри нанопор пор, пока не будут заполнены. В результате желаемого материала принимает морфологией пор и образует нанопроволоки массив размещенный в тemplate. Наконец, в зависимости от целевого приложения, принимающего шаблона могут быть удалены. Однако, это также уничтожает вертикальном порядке. Геометрия и размеры конечного наноструктур имитировать морфологией пор и, следовательно, синтез хозяина шаблона является важной частью процесса изготовления.

Различные типы нанопористых шаблоны были сообщены в литературе 8. Наиболее часто используемые шаблоны включают в себя (а) полимера трековых мембран, (б) и блок-сополимеры (C) анодного оксида алюминия (АОА) шаблонов. Чтобы создать дорожку полимер травления мембраны полимерную пленку облучают высокоэнергетических ионов, которое полностью проникать в пленку и оставить скрытые треки иона в объеме пленки 9. Дорожки затем выборочно травления для создания наноразмерных каналов в полимерную пленку 9. Наноразмерные каналы могут быть дополнительно расширены на подходящей стадии травления. Основные проблемы с этим методом являются неравномерность йэлектронной наноканалах, отсутствие контроля расположения, неоднородный относительное расстояние между каналами, низкой плотности (число каналов на единицу площади ~ 10 8 / см 2), и плохо упорядоченного пористого каркаса 1. В методе блок-сополимер аналогичной цилиндрический нанопористых шаблон сначала создается, а затем рост желаемого материала в поры 8.

В прошлом методы (а) и (б), упомянутые выше, были использованы для изготовления полимер нанопроводов 8. Однако эти методы не могут быть пригодны для синтеза нанопроволок любого произвольного органического материала из-за возможного отсутствии селективного травления в течение шагов постобработки. Последующая обработка обычно включает удаление принимающего шаблона, который для вышеупомянутых шаблоны требуют органических растворителей. Такие растворители могут оказывать вредное воздействие на структурные и физические свойства органических нанопроводов. Тем не менее, эти шаблоны работают как идеальные хопетли для неорганических нанопроводов, такие как кобальт 10, никель, медь и металлических многослойных структур 11, которые остаются неизменными в процесс травления, который удаляет полимер хоста. Другой потенциальный вызов для вышеупомянутых методов является плохой термической стабильности матрицах при более высоких температурах. Высокотемпературный отжиг часто требуется для улучшения кристалличности органические нанопроводов, который указывает на необходимость хорошую термическую стабильность принимающей матрицы.

Контролируемые электрохимического окисления алюминия (также известный как "анодирования" алюминия) является хорошо известным промышленным процессом и обычно используется в автомобильной, посуда, аэрокосмической и других отраслей промышленности для защиты алюминиевой поверхности от коррозии 12. Природа окисленного алюминия (или "анодного оксида алюминия»), сильно зависит от рН электролита используется для анодирования. Для коррозионной стойкости приложений, анодирования обычно выполняется с ЗААК кислоты (рН ~ 5-7), которые создают компактные, непористый, "барьерного типа" Фильм алюминия 12. Однако, если электролит сильно кислой (рН <4), оксид становится "пористый" из-за местных растворению оксида Н +-ионов. Локальное электрическое поле по всему оксид определяет локальную концентрацию ионов H + и, следовательно, поверхность предварительно структурирование до анодирования предлагает некоторые контроль над конечным пористую структуру. Поры цилиндрические, с малым диаметром (~ 10-200 нм) и, следовательно, такие нанопористых анодных пленок оксида алюминия широко используются в последние годы для синтеза нанопроволок из различных материалов 2,3.

Нанопористых анодных шаблоны алюминия обеспечивают лучшую термическую стабильность, высокую плотность пор, дальний пор порядка, и отличную управляемость диаметра пор, длину между порами разделения и плотность пор через разумный выбор анодирования параметров, таких как рН электролита и анодирования вольтвозраста 2,3. Из-за этих причин, мы выбираем AAO шаблоны в качестве принимающей матрица для органического роста нанопроводов. Кроме того, неорганические оксиды, такие как оксид алюминия имеют высокую поверхностную энергию, что облегчает равномерное распределение органического раствора (низкой поверхностной энергией) на поверхности оксида алюминия 13. Кроме того, нашей целью является вырастить эти массивы нанопроводов непосредственно на проводящую и / или прозрачной подложке. В результате поры закрыт на нижнем конце, который нуждается в дополнительных рассмотрения в качестве описываются ниже. Рост нанопроволок в сквозные поры шаблона и последующей передачи в нужный подложка часто нежелательно из-за плохого качества интерфейса и этот метод не является возможным даже на короткое расстояние нанопроводов (или тонкий шаблонов) из-за плохой механической прочности тонкой шаблоны .

π-конъюгированных органических материалов можно подразделить на две категории: (а) длинной цепи сопряженных полимеров и (б) небольшой молекулярной массой органических сек emiconductors. Многие группы исследователей сообщили синтез длинных нанопроволок полимерных цепей внутри цилиндрического нанопоры шаблон AAO в прошлом. Всеобъемлющий обзор на эту тему имеется в работах 8,14. Тем не менее, синтез нанопроводов коммерчески важных низкомолекулярных органических (например, рубрен, трис-8-оксихинолина алюминия (Alq 3) и PCBM) в AAO крайне редко. Физическое осаждение из паровой рубрена и Alq 3 в нанопор шаблона AAO сообщалось несколькими группами 4,15-17. Тем не менее, только тонкий слой (~ 30 нм) органики может быть нанесен в порах (~ 50 нм в диаметре) и длительного осаждения имеет тенденцию блокировать поры вход 4,16,17. Полное заполнение пор может быть достигнуто в этот метод, если диаметр пор достаточно велика (~ 200 нм) 15. Таким образом, важно, чтобы найти альтернативный метод, который применим для диаметров пор в суб 100 нм.

"> Другой подход, который был использован для некоторых других малых молекулярных органических представляет собой так называемый" шаблон смачивание "методом 8,14. Однако в большинстве отчетов плотной коммерческой шаблоны (~ 50 мкм) с обеих сторон открытые поры большого диаметра (~ 200 нм) были использованы. Такой способ не дало нанопровода в одной стороны закрыто поры как упоминалось выше, предположительно, из-за присутствия в ловушке воздушных карманов внутри пор, что предотвращает проникновение раствора в порах. Мы Ранее сообщалось, что новый метод позволяет преодолеть эти проблемы и позволяет рост малых молекулярных органических массивов нанопроводов с произвольными размерами по любой желаемой подложки. В дальнейшем мы будем описывать подробный протокол, потенциальные ограничения и будущих модификаций.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Как упоминалось выше, две основные этапы AAO основе процесса изготовления являются: (а) синтез пустой шаблон AAO на произвольный (в первую очередь проводящим и / или прозрачной) субстратов (схематическое описание на фиг.1), и (б) рост малых молекулярных органических нанопровода в нанопоры шаблон AAO (рис. 2). В этом разделе мы предоставляем подробное описание этих процессов.

1. Рост анодного оксида алюминия (АОА) Шаблоны на проводящих поверхностях Алюминиевые

  1. Создать нанопористые алюминия шаблоны первую алюминиевую фольгу, а затем полировка анодирования (или электрохимическим окислением) им. Начните с вырезания небольшого (~ 2 х 2 см 2) листов высокой чистоты нешлифованный алюминия (99,997%) толщиной 250 мкм.
  2. Вместо электрополировки, простой процесс химической полировки 18 используется. Погружение небольшое количество 2 х 2 см 2 листа в азотнойфосфорной кислоты травителя при 80 ° C на плите в течение 5 мин.

Примечание: азотно-фосфорной кислоты раствор, используемый для предварительной обработки листового алюминия составляет 15 частей 68%-ной азотной кислоты и 85 частей 85%-ной фосфорной кислоты. Полировки этап необходим перед анодированием, потому что шероховатость поверхности как приобретенные алюминия порядка нескольких микрон, что создает неоднородное электрическое поле на поверхности и предотвращает образование пор упорядоченный массив. В литературе электрополировки широко используется для этой цели 2,3. Тем не менее, химической полировки является дешевой и простой альтернативой, которая также дает полированных поверхностей с сопоставимым (или лучше) гладкостью 18.

  1. После травления нейтрализации фольга в 1 М гидроксида натрия в течение 20 мин. Эти "химически полированная" фольга теперь готовы быть анодированным.
  2. Загрузите полированных алюминиевых листов и плоских клеток и анодирование их в течение 15 мин с 3% оксальIC кислоты при 40 В постоянного тока смещения.

Примечание: для образцов фольги двухступенчатый анодирования процесс выполняется для улучшения пор заказа 2,3,19. Этот первый шаг создаст пористый слой оксида на поверхности Al и нано-впадины на алюминий / оксид алюминия интерфейс, который выступает в качестве сайтов инициации для роста пор в течение второго этапа анодирования.

  1. Etch образца в хромовых-фосфорная кислота, удалив его из квартиры клетку. Погрузить образец в химический стакан из травителя на горячей плите при 60 ° С в течение ~ 30 мин для удаления начальной оксидного слоя.
  2. Повторите процесс анодирования (шаг 1,4) в течение 2,5 мин, сохраняя при этом все остальные параметры без изменений. Попытка выровнять фольги в плоский элемент таким образом, что той же самой области анодированного на шаге (1.4) снова будет подвергаться воздействию электролита.

Примечание: Время на конечной стадии анодирования определяет толщину конечногооксидного слоя и может быть изменена соответствующим образом. Продолжительность 2,5 мин. соответствует толщине пленки (пор длины) ~ 500 нм. В конце второго этапа хорошо упорядоченной нанопор массив создается в анодном слое оксида алюминия. Анодирования и травления цикл может быть повторен для дальнейшего улучшения пор упорядочения.

  1. Погружение шаблона в 5%-ной фосфорной кислоты при комнатной температуре в течение 40 мин к тонкому барьерный слой в нижней части нанопор и расширить нанопор диаметра. Конечный диаметр нанопор после этого шага составляет ~ 60-70 нм.

2. Рост Шаблоны AAO на прозрачных подложках (стекло)

  1. Депозит следующие многослойная система последовательно на очищенных предметные стекла: TiO 2 (20 нм, осаждения атомных слоев), Au (7 нм, распыления), Al (1 мкм, напыление).

Примечание: Au слой действует как электрод, необходимый для анодирования и не ухудшает прозрачность 20 </ Вир>. TiO 2 действует как прозрачный слой адгезии между Au и стеклянной подложке.

  1. Приложить фольги электрода к поверхности тонкой пленки из алюминия быть анодированный с использованием проводящего эпоксидной серебра. Это приведет соответствующее соединение от источника к образцу при одновременном повышении распределения тока.

Примечание: так как существует очень мало алюминия осаждаются на стеклянной подложке, полировка методы упоминалось ранее не являются жизнеспособными, чтобы сгладить поверхность алюминия. Вместо этого Протоколом вносятся изменения в процедуру анодирования подключить еще один анодирования / офорт шаг.

  1. Загрузить образец и плоские клетки и анодирование алюминия тонкой пленкой в ​​течение 4 мин, используя 3% щавелевой кислоты при 30 В постоянного тока смещения.
  2. Без удаления образец из плоской клетке, промыть клетки с деионизированной воды и травления шаблон в хромовую-фосфорной кислоты при 60 ° С в течение 1 часа при заливке горячей травителя ян в камеру.

Примечание: температура травильного немедленно начнет уменьшаться после его заливают в ячейку. Таким образом, длительность травления увеличивается до 1 часа 30 мин для образцов фольги, чтобы обеспечить все окисленные пленка удаляется.

  1. Промойте клетки снова и анодирование второй раз при тех же условиях, что и первый, за 4 мин, с использованием 3%-ной щавелевой кислоты при 30 В постоянного тока смещения.
  2. Повторите шаг (2.4). Без удаления образец из плоской клетке, промыть клетки с деионизированной воды и травления шаблон в хромовую-фосфорной кислоты при 60 ° С в течение 1 часа при заливке горячей травителя в в клетке.
  3. Промойте Cell Out в последний раз и выполняет третий (и последний) шаг анодирования, используя 3% щавелевой кислоты при 30 В постоянного тока. Мониторинг текущей системы, чтобы определить, когда остановиться.

Примечание: В настоящее время необходимо контролировать в течение последнегоodization. После первых нескольких секунд, текущее стабилизируется на уровне около 1-2 мА. Это указывает на единый анодирования происходит. Как только процесс анодирования потреблял оставшееся алюминия, раствор электролита (3% щавелевой кислоты) придет в контакт с нижележащим слоем золота, что приведет к резкому увеличению анодирования тока (рис. 3). На этом этапе анодирования остановлен. Время должно быть примерно около 4 мин марки. Это повышение тока не наблюдается в фольге образцов (рис. 3), так как однородный слой барьер отделяет раствором и металлической подложке.

  1. Выполнение пор шагом расширения, аналогичный протокол фольги образце путем погружения шаблона в 5%-ной фосфорной кислоты при комнатной температуре в течение 40 мин.

Примечание:. Это расширит поры, но так как процесс анодирования съела через барьерного слоя нет ни одного оставленного редеть Fiрисунке 4 показывает слоистую структуру из стеклянной подложки / 20 нм TiO 2/7 нм Au / 500 нм пористый Al 2 O 3 при отсутствии барьерный слой и поры ясно воздействию, лежащие в основе Au тонкой пленки. 5a и 5b Рисунок показывает пустой AAO шаблоны на фольгу и стеклянные подложки соответственно.

3. Центрифуга помощи роста малого молекулярных органических нанопроволок в порах Шаблон AAO

  1. Подготовка насыщенный раствор низкомолекулярных органических в подходящем растворителе.

Примечание: Следующие органических молекул и растворители были использованы: рубрене в ацетоне, Alq 3 в хлороформе и PCBM в толуоле. С этого PCBM называют интерес молекулы.

  1. Загрузите шаблоны на дно центрифужной пробирке тест таким образом, что анодированного область обращена в верхней части пробирки. Трубка должна быть большой электроннойnough, чтобы соответствовать образцу внутри.

Примечание: для образцов фольги, было бы полезно использовать пластины такого же размера для поддержки фольги и предотвратить изгиб во время центрифугирования, как описано ниже фиг.2 показано схематическое описание того, как образец устанавливают в центрифугу..

  1. С помощью пипетки, чтобы заполнить пробирку с достаточно решение PCBM такой, что шаблон полностью погружен в воду.
  2. Загрузите пробирки в центрифугу и работают в течение 5 мин при 6000 оборотах в минуту.

Примечание: Если образцы были установлены в пробирку под углом, обеспечивают пробирку установлен таким образом, что анодированной поверхности направлен к центру центрифуги (рис. 2).

  1. После того, центрифуга остановилась, разгрузить пробирки и вылейте PCBM раствора из труб.
  2. Удалите шаблоны из пробирки, или Lкарниза их в нижней части, в течение ~ 1 мин до высыхания.
  3. Повторите шаги 3.2-3.6 таким образом, чтобы в общей сложности 5-10 трасс центрифуги были выполнены.

Примечание: В случаях, когда имеется низкая растворимость малых молекул в растворителе, больше работает центрифуги поможет депозит больше материала в нанопор.

  1. Удаление образца со дна пробирки и использовать тампон, смоченный в толуоле (или соответствующий растворитель), чтобы аккуратно очистить поверхность шаблона, удаляя материал, оставшийся на поверхности шаблона.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Как свидетельствуют цифры, приведенные ниже (рисунки 5 и 6), это центрифуга полуавтоматическим методом литья падение производит непрерывную нанопроводов. Нанопроводов, изготовленный внутри пор шаблон AAO, которые выровнены по вертикали, равномерное и электрически изолированы друг от друга с крышкой основания. Диаметр нанопроводов определяется диаметром пор в шаблоне. Они могут быть успешно изготовлены на различные сплавы, которые приводят к возможности применения этих структур во многих устройствах, изложенные позже.

Потому что эти результаты находятся в такой высокой пропорции функций, само собой разумеется, этот метод осаждения также может быть распространена и на другие падение литье / Методы нанесения растворимых материалов, таких как покрытие текстурированных подложках с PEDOT: PSS или PCBM для фотоэлектрических приложений клетки.

Фиг.2 схематически центрифуги БЭФруды и во время центрифугирования, помогает визуализировать то, что происходит внутри центрифуги трубки. Под центрифугированием, раствор прижимают к подложке при угле около перпендикулярны. Это увеличивает "эффективное тяжести" на решение, заставляя ее в порах. Результатом этого процесса является заполнение пустых поры (рис. 4 и 5) с органическими малые молекулы материала, так что они образуют нанопроводов (рис. 6).

Для дальнейшей проверки, что материал внутри пор фиг.6 в нанопроводов факт PCBM, спектроскопии комбинационного рассеяния заполнен шаблоны была выполнена. Исследования ограничены на спектре комбинационного рассеяния PCBM тонких пленок и не существует, насколько нам известно, на PCBM нанопроволок и нанотрубок. Тем не менее, мы можем сравнить комбинационного данные нашего эксперимента к ограниченным результатам литература доступна, а также, что фуллерен (C 60), как молекулы очень похожи по STRUcture и показать сопоставимые колебательных мод от литературы. Отметим, пики при 1430, 1463 и 1577 см -1 (рис. 7), которые соответствуют T 1u (4), г (2) и Н г (8) режимах соответственно. Это хорошо сочетается с литературой значения 1429, 1470 и 1575 см -1 для нетронутых C60 21 и 1429, 1465 и 1573 см -1 для нетронутых PCBM за тот же соответствующих режимов 22. Это показывает, что не существует значительный сдвиг в комбинационного пиков, обусловленных нанопроволоки геометрии и поддерживает то, что мы на самом деле имеют PCBM нанопроводов существующие в нашей поры.

Рисунок 1
Рисунок 1. Схематическое описание органического синтеза нанопроволок Стадии (а) -. (Е) представляет многоступенчатый анодирования и травления для изготовления и порядка Эд нанопор. Шаг (F) представляет органический рост нанопроволоки.

Рисунок 2
Рисунок 2. Схема центрифуге и загрузку пустой шаблон в пробирке для органического роста нанопроводов.

Рисунок 3
Рисунок 3. Анодирование тока как функции времени. Для заключительный этап анодирования на стеклянной подложке, ток возрастает, когда весь алюминий потребляется и электролит вступает в контакт с нижележащим слоем золота.

"FO: SRC =" / files/ftp_upload/50706/50706fig4highres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/50706/50706fig4.jpg "/>
Рисунок 4. FESEM слоистой структуры (500 нм пористый Al 2 O 3/7 нм Au / Ti 0 20 нм 2 / стеклянную подложку) перед осаждением серебра нанопроводов.

Рисунок 5
Рисунок 5. FESEM образы пустого шаблона, выращенных на (а) алюминиевой фольгой, (б) стекла. Вставках показаны поперечное сечение и основные изображения показывают вид сверху. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .

ighres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/50706/50706fig6.jpg "/>
Рисунок 6. FESEM изображения заполненный шаблон. (А) основные изображение показывает PCBM советы нанотрубки выступают из матрицы AAO. PCBM нанотрубок закрыты внизу. На вставке показан поперечный разрез PCBM нанотрубки, выращенные в порах AAO. (Б) Поперечное сечение изображение Alq 3 нанопроводов (показано стрелкой), выступающие из пор шаблон AAO. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .

Рисунок 7
Рисунок 7. Спектр комбинационного PCBM нанопроводов вложено в Al 2 O 3 шаблона.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Физической картины роста нанопроволоки

Это первый важный, чтобы полностью понять метод роста органического нанопроводов. Как только мы точно знаем, как они растут и формируют себя в порах мы можем использовать этот метод осаждения инженер наноструктур, приборов и материалов. В прошлом полимер нанопроводов были изготовлены с использованием процедуры шаблон смачивания без помощи центрифуги, но для некоторых материалов, таких как органические небольшие молекулы, мы обнаружили, что это неэффективно. В связи с химией поверхности между раствором и матрицы, а также воздушный карман в ловушке нанопор, решение не может свободно входить в поры. Когда раствор находится под воздействием центробежной силы центрифуги, он, по существу, добавляя к гравитационной силой образец уже испытывают. Так как органический раствор, очевидно, более плотным, чем воздух, занимающей поровое он вынужден пор нижней части под яncreased центробежной силы. После того, как раствор преодоления сил удерживая его от естественно входе в поры, она будет продолжать занимать пор даже после центрифуги. Образец затем выгружали из центрифуги и оставили сушиться. Поскольку органические растворители испаряются относительно быстро, процесс сушки занимает около минуты при комнатной температуре. Решение в пору ближайший к открытию пор будет испаряться первой и прогрессировать все ниже и ниже, пока раствор в нижней пор не испарится и все, что осталось в поры малых молекул органических. Так как раствор испаряется и выходит из пор ближайшей к отверстие поры, небольшие молекулы, которые растворяют в том объеме растворителя быть выдвинутыми на стенках пор и остается там под сил Ван-дер-Ваальса. Растворитель продолжает испаряться по всей длине пор постоянно нанесение материала на стенках пор по всей длине поры, создающий непрерывный и полый нанotube внутри поры. Как только этот процесс достигает пор дно, будет небольшим избытком небольшие молекулы, которые будет покрывать стенки пор в нижней части, а также барьерный слой на пор дно. Это создаст "крышками" конец нанотрубки дну поры, которые могут быть очень полезны для устройств нуждающихся надлежащего электрического контакта нанотрубки материала. Повторное центрифугирование приведет к твердой нанопроводов вместо полых трубок.

Критические параметры

Одним из наиболее важных параметра, который должен быть рассмотрен в процессе осаждения является оборотов центрифуги. Если скорость вращения слишком низкая, центробежные силы не будет достаточно сильным, чтобы заменить воздушных карманов в органическом растворе. В большинстве установок центрифуги, максимальное значение оборотов должны иметь возможность использовать. Пока образцы подложку поддерживаются с достаточно сильными подложку (пластину, стекло или другой субстрат), не должно быть никакого ущерба, нанесенногоШаблон даже в конической пробирке.

Концентрация малых молекул в выбранном растворителе, также является важным фактором в процессе. Более растворимы материал в своем растворителя, тем больше материал будет храниться в пору. Для большинства приложений, исследователи должны использовать насыщенного раствора материала в растворителе чтобы максимизировать количество материала в поры. Однако, теоретически должна быть способна контролировать толщину стенки нанотрубки, манипулируя концентрации раствора. Более низкая концентрация будет ограничивать число молекул доступны с образованием трубки и приводит к более тонкой стенке трубы.

Время выполнения или длину центрифугирования еще один параметр, мы можем контролировать. Этот параметр влияет на конечную структуру, которая сформирована. Время работы должно быть достаточно долго, чтобы убедиться, что все поры были заполнены раствором, который может быть разным для разных установок (растворитель и шаблонов CombiНаций). Для нашего конкретной установки, мы обнаружили, что перспективе раза в течение 5 мин будет достаточным. Для решений, имеют низкую растворимость в растворителях, мы можем повторить осаждение процедуру несколько раз. Чем больше центрифуг работает мы проводим, тем больше материала должна будет храниться в пору. Увеличение количества трасс может помочь депозит больше материала в поры и увеличить шансы формирования нанотрубок в низкой концентрации растворов.

Анодирование на алюминиевой фольги была изучена широко и представляет собой хорошо известный процесс 2,3. В то время анодирования на стекле в ничего принципиально нового, он менее развит, чем фольга анодирования и включает в себя более сложные задачи. В связи с тонким золотым электродом, высокой плотности тока могут возникнуть, когда алюминий полностью анодированный и кислота вступает в контакт с электродом (фиг.3). Важно, чтобы поддерживать напряжение на более низком уровне, чем фольга анодирования, чтобы избежать поры слияния иперегрева / горения оксида алюминия шаблона.

Потенциальные преимущества и недостатки

Основные преимущества этого метода по сравнению с другими формами органических отложений небольшой молекулы, что это недорогой, простой и не требует никаких сложных экспериментальной установки. Единственное оборудование, необходимое для этого метода является центрифуги, которая является относительно недорогим и легко доступны в большинстве средства наноматериалов при сравнении с комплексом вакуумных камер, насосов и источников питания необходимо для испарения органических веществ по методам PVD. Эта техника также позволяет получение высоких функций формата, будет храниться в и особенности там, где нет прямой видимости от материала тигля или источника к месту осаждения, которая необходима во всех техниках типа PVD осаждения. Он также совместим с другими методами обработки решения, которое будет становиться все более и более распространенным, как органические электронные устройства становятся все более тесноеmmercially жизнеспособным.

В то время как это является новым методом осаждения, который позволяет пользователям легко внести органические молекулы и функции высокой пропорции, у него есть некоторые недостатки. Используя эту технику, мы ограничены молекулы, которые могут быть обработаны в растворе. Если материал не имеет способности растворяться в некоторых растворителях, у нас не будет носителем передать его в систему, чтобы поры. Кроме того, поскольку это техника изготовления шаблона, мы сталкиваемся с ограничениями для изготовления шаблона будет также ограничивать структур мы можем выращивать внутри них. Этот метод не обладает способностью контролировать нанопроволоки длины внутри поры или изменять любым другим параметром проволоки после того, как шаблон выросли. После того, как шаблон сформирован, по всей длине поры будут депонированы в, который будет определять длины нанотрубки. Конечный диаметр пор будет определять диаметр нанотрубки. Однако, к счастью роста AAO шаблона процесса сильно исследованияTed 2,3 и огромный контроль над нанопор геометрии имеется, включая возможность создания разветвленной и модулированный диаметром пор 23. Таким образом, это по-видимому не очень серьезное ограничение.

Будущие направления, модификации и Потенциальное применение

Это новый метод осаждения с большим количеством функций, которые должны быть охарактеризованы и исследовали. Существует еще много работы, чтобы сделать, чтобы определить возможности и ограничения этого метода. До сих пор только фиксированное центрифуги угол был использован для осаждения. Этот тип центрифуги делает установку подложки под правильным углом вызов. Один из способов обхода этой проблемы заключается в использовании переменной центрифуги угол с плоскими дно пробирки. Как центрифуга набирает скорость, руки, которые держат центрифуги пробирки будет качаться так, что центробежная сила будет оставаться перпендикулярной к плоской нижней части тестатрубки. Это будет гарантировать, что решение будет всегда направлен параллельно длине поры и что никакие компоненты силы не будет толкать решение в сторону матрицы. Дальнейшие работы также должно быть сделано, чтобы лучше понять, как манипулирование критические этапы процесса влияет на конечную структуру. Влияние отжига на кристалличности также должны быть рассмотрены, чтобы лучше понять физические свойства полученных нанотрубок.

В дальнейшем это универсальный метод осаждения может найти применение в различных областях, таких как память устройства 24,25, органические фотоэлектрические 26-31, плазмоника 32, химические сенсоры 33,34, 35 светодиодов и органические полевые транзисторы 36,37 нанопроволоки. Две структуры, которые в настоящее время изучаются в нашей группе в осевом и радиальном heterostructured органических устройств нанопроволоки. Мы уже изготовлены аксиально heterostructured металл-органических гибридных структур нанопроводов по электроннойlectrodepositing металла нанопровода в нижней части пор и заполнение оставшейся части с органическими 5,6. Работы по изготовлению коаксиального органических нанопроводов в настоящее время продолжается, и такие структуры являются перспективными кандидатами на высокоэффективные органические фотоэлектрические устройства 31,38-40.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Acknowledgments

Эта работа выполнена при финансовой поддержке NSERC, УВЭЭ, Nanobridge и TRLabs.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Martin, C. R. Nanomaterials: a membrane-based synthetic approach. Science. , (1994).
  2. Pramanik, S., Kanchibotla, B., Sarkar, S., Tepper, G., Bandyopadhyay, S. Electrochemical Self-Assembly of Nanostructures: Fabrication and Device Applications. Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology. 13, 273-332 (2011).
  3. Kanchibotla, B., Pramanik, S., Bandyopadhyay, S. Self-assembly of nanostructures using nanoporous alumina template. Nano and Molecular Electronics Handbook. Chapter 9, (2007).
  4. Pramanik, S., Stefanita, C. -G., et al. Observation of extremely long spin relaxation times in an organic nanowire spin valve. Nat. Nano. 2 (4), 216-219 (2007).
  5. Alam, K. M., Bodepudi, S. C., Starko-Bowes, R., Pramanik, S. Suppression of spin relaxation in rubrene nanowire spin valves. Applied Physics Letters. 101 (19), 192403 (2012).
  6. Alam, K. M., Singh, A. P., Starko-Bowes, R., Bodepudi, S. C., Pramanik, S. Template-Assisted Synthesis of π-Conjugated Molecular Organic Nanowires in the Sub-100 nm Regime and Device Implications. Advanced Functional Materials. 22 (15), 3298-3306 (2012).
  7. Zhang, D., Luo, L., Liao, Q., Wang, H., Fu, H., Yao, J. Polypyrrole/ZnS Core/Shell Coaxial Nanowires Prepared by Anodic Aluminum Oxide Template Methods. The Journal of Physical Chemistry C. 115 (5), 2360-2365 (2011).
  8. Kim, F. S., Ren, G., Jenekhe, S. A. One-Dimensional Nanostructures of π-Conjugated Molecular Systems: Assembly, Properties, and Applications from Photovoltaics, Sensors, and Nanophotonics to Nanoelectronics. Chem. Mater. 23 (3), 682-732 (2010).
  9. Brock, T. D. Membrane filtration: a user's guide and reference manual. , Science Tech. (1983).
  10. Valizadeh, S., George, J., Leisner, P., Hultman, L. Electrochemical deposition of Co nanowire arrays; quantitative consideration of concentration profiles. Electrochimica Acta. 47 (6), 865-874 (2001).
  11. Nasirpouri, F., Southern, P., Ghorbani, M., Iraji zad, A., Schwarzacher, W. GMR in multilayered nanowires electrodeposited in track-etched polyester and polycarbonate membranes. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 308 (1), 35-39 (2007).
  12. Diggle, J. W., Downie, T. C., Goulding, C. W. Anodic oxide films on aluminum. Chemical Reviews. 69 (3), 365-405 (1969).
  13. Steinhart, M., Wehrspohn, R. B., Gösele, U., Wendorff, J. H. Nanotubes by Template Wetting: A Modular Assembly System. Angewandte Chemie International Edition. 43 (11), 1334-1344 (2004).
  14. Al-Kaysi, R. O., Ghaddar, T. H., Guirado, G. Fabrication of One-Dimensional Organic Nanostructures Using Anodic Aluminum Oxide Templates. Journal of Nanomaterials. 2009, 1-14 (2009).
  15. Lee, J. W., Kim, K., et al. Light-Emitting Rubrene Nanowire Arrays: A Comparison with Rubrene Single Crystals. Advanced Functional Materials. 19 (5), 704-710 (2009).
  16. Pramanik, S., Bandyopadhyay, S., Garre, K., Cahay, M. Normal and inverse spin-valve effect in organic semiconductor nanowires and the background monotonic magnetoresistance. Physical Review B. 74 (23), 235329 (2006).
  17. Alam, K. M., Pramanik, S. High-field magnetoresistance in nanowire organic spin valves. Physical Review B. 83 (24), 245206 (2011).
  18. Alam, K. M., Singh, A. P., Bodepudi, S. C., Pramanik, S. Fabrication of hexagonally ordered nanopores in anodic alumina: An alternative pretreatment. Surface Science. 605 (3-4), 441-449 (2011).
  19. Masuda, H., Hasegwa, F., Ono, S. Self-Ordering of Cell Arrangement of Anodic Porous Alumina Formed in Sulfuric Acid Solution. Journal of The Electrochemical Society. 144 (5), L127-L130 (1997).
  20. Stec, H. M., Williams, R. J., Jones, T. S., Hatton, R. A. Ultrathin Transparent Au Electrodes for Organic Photovoltaics Fabricated Using a Mixed Mono-Molecular Nucleation Layer. Advanced Functional Materials. 21 (9), 1709-1716 (2011).
  21. Schettino, V., Pagliai, M., Ciabini, L., Cardini, G. The Vibrational Spectrum of Fullerene C60. J. Phys. Chem. A. 105, 11192-11196 (2001).
  22. Lee, Y., Lee, S., Kim, K., Lee, J., Han, K., Kim, J., Joo, J. Single nanoparticle of organic p-type and n-type hybrid materials: nanoscale phase separation and photovoltaic effect. J. Mater. Chem. 22, 2485-2490 (2012).
  23. Bodepudi, S. C., Bachman, D., Pramanik, S. Fabrication of Highly Ordered Cylindrical Nanopores with Modulated Diameter Using Anodic Alumina. 2011 International Conference on Nanoscience, Technology and Societal Implications (NSTSI), , 1-4 (2011).
  24. Vlad, A., Melinte, S., Mátéfi-Tempfli, M., Piraux, L., Mátéfi-Tempfli, S. Vertical Nanowire Architectures: Statistical Processing of Porous Templates Towards Discrete Nanochannel Integration. Small. 6 (18), 1974-1980 (2010).
  25. Jo, S. H., Kim, K. -H., Lu, W. High-Density Crossbar Arrays Based on a Si Memristive System. Nano Letters. 9 (2), 870-874 (2009).
  26. Haberkorn, N., Gutmann, J. S., Theato, P. Template-Assisted Fabrication of Free-Standing Nanorod Arrays of a Hole-Conducting Cross-Linked Triphenylamine Derivative: Toward Ordered Bulk-Heterojunction Solar Cells. ACS Nano. 3 (6), 1415-1422 (2009).
  27. Aryal, M., Buyukserin, F., et al. Imprinted large-scale high density polymer nanopillars for organic solar cells. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. 26 (6), 2562 (2008).
  28. Lee, J. H., Kim, D. W., et al. Enhanced solar-cell efficiency in bulk-heterojunction polymer systems obtained by nanoimprinting with commercially available AAO membrane filters. Small (Weinheim an Der Bergstrasse, Germany). 5 (19), 2139-2143 (2009).
  29. Allen, J. E., Black, C. T. Improved Power Conversion Efficiency in Bulk Heterojunction Organic Solar Cells with Radial Electron Contacts. ACS Nano. 5 (10), 7986-7991 (2011).
  30. Slota, J. E., He, X., Huck, W. T. S. Controlling nanoscale morphology in polymer photovoltaic devices. Nano Today. 5 (3), 231-242 (2010).
  31. Chidichimo, G., Filippelli, L. Organic Solar Cells: Problems and Perspectives. International Journal of Photoenergy. 2010, 1-11 (2010).
  32. O'Carroll, D. M., Fakonas, J. S., Callahan, D. M., Schierhorn, M., Atwater, H. A. Metal-Polymer-Metal Split-Dipole Nanoantennas. Advanced Materials. 24 (23), (2012).
  33. Zheng, J. Y., Yan, Y., et al. Hydrogen Peroxide Vapor Sensing with Organic Core/Sheath Nanowire Optical Waveguides. Advanced Materials. 24 (35), (2012).
  34. Zhang, L., Meng, F., et al. A novel ammonia sensor based on high density, small diameter polypyrrole nanowire arrays. Sensors and Actuators B: Chemical. 142 (1), 204-209 (2009).
  35. Cui, Q. H., Jiang, L., Zhang, C., Zhao, Y. S., Hu, W., Yao, J. Coaxial Organic p-n Heterojunction Nanowire Arrays: One-Step Synthesis and Photoelectric Properties. Advanced Materials. 24 (17), 2332-2336 (2012).
  36. Duvail, J. L., Long, Y., Cuenot, S., Chen, Z., Gu, C. Tuning electrical properties of conjugated polymer nanowires with the diameter. Applied Physics Letters. 90, 102114 (2007).
  37. Briseno, A. L., Mannsfeld, S. C. B., Jenekhe, S. A., Bao, Z., Xia, Y. Introducing organic nanowire transistors. Materials Today. 11 (4), 38-47 (2008).
  38. Kippelen, B., Brédas, J. -L. Organic photovoltaics. Energy & Environmental Science. 2 (3), 251-261 (2009).
  39. Günes, S., Neugebauer, H., Sariciftci, N. S. Conjugated polymer-based organic solar cells. Chemical Reviews. 107 (4), 1324-1338 (2007).
  40. Coakley, K. M., McGehee, M. D. Conjugated Polymer Photovoltaic Cells. Chem. Mater. 16 (23), 4533-4542 (2004).
Сверхвысокой плотности массивов вертикально ориентированных малых органических молекулярных нанопроволок по произвольным подложках
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Starko-Bowes, R., Pramanik, S.… 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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter