Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Keyfi Yüzeyler üzerinde Dikey dizilmiş Küçük-moleküler Organik Nanoteller bir ultra yüksek Yoğunluk Dizi

doi: 10.3791/50706 Published: June 18, 2013

Summary

Biz dikey olarak sipariş küçük moleküler organik nanotellerin bir ultra yüksek yoğunluklu dizi imalatı için basit bir yöntem rapor. Bu yöntem ucuz keyfi yüzeylerde yetiştirilebilir karmaşık heterostructured hibrid nanotel geometri, sentezi sağlar. Bu yapılar organik elektronik, optoelektronik, kimyasal algılama, fotovoltaik ve spintronics potansiyel uygulamalar var.

Abstract

Son yıllarda π-konjuge organik yarı iletkenler geniş alan, düşük maliyetli görüntüler, fotovoltaik, yazdırılabilir ve esnek elektronik ve organik dönüş vanaları dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar bir dizi aktif madde olarak ortaya çıkmıştır. Organik (a) düşük maliyetli, düşük sıcaklık işleme ve, elektronik optik ve spin ulaşım özellikleri (b) moleküler düzey tasarım sağlar. Bu özellikler organik silikon-egemen elektronik pazarında kendine yer edinmeyi sağlamıştır ana inorganik yarı iletkenler, için hazır değildir. Organik tabanlı cihazlar ilk nesil fiziksel buhar biriktirme ya da çözüm işleme büyümüştür ince film geometrileri, odaklanmıştır. Ancak, organik nano yukarıda belirtilen uygulamaların performansını artırmak için kullanılabilir ve önemli çaba organik nano üretim yöntemleri keşfetmek yatırım olduğunu gerçekleştirilmiştir.

t "> organik Nano bir özellikle ilginç sınıf dikey organik nanoteller, nanorods veya nanotüpler iyi disiplinli, yüksek yoğunluklu dizi organize edildiği biridir. Bu tür yapılar çok yönlü ve böyle çeşitli uygulamalar için idealdir morfolojik mimarilerdir kimyasal sensörler, split-dipol nano antenler, radyal heterostructured "çekirdek-kabuk" nanotellerin ile fotovoltaik aygıtlar ve bir çapraz nokta geometrisi ile bellek cihazları. olarak böyle mimarisi genel bir şablon yönelik yaklaşımla gerçekleştirilir. Geçmişte bu yöntem olmuştur metal ve inorganik yarı iletken nanotel diziler büyümek için kullanılır. Daha yakın π-konjuge polimer nanoteller nano şablonları içinde büyüdü edilmiştir. Ancak bu yaklaşımlar gibi teknolojik önemli π-konjuge küçük molekül ağırlıklı organik artan nanoteller, sınırlı bir başarı oldu tris- 8-hidroksikuinolin alüminyum (ALQ 3), rubrene ve Methyaygın organik görüntüler, fotovoltaik, ince film transistörler ve spintronics dahil olmak üzere çeşitli alanlarda kullanılmaktadır anofullerenes,.

Yakın zamanda yeni bir "santrifüj-destekli" yaklaşımı kullanılarak yukarıda bahsedilen sorunu gidermek mümkün olmuştur. Dolayısıyla bu yöntem, dikey olarak sıralanmıştır tellerin dizide desenli olabilir organik maddelerin spektrumunu genişletmektedir. ALQ 3, rubrene ve methanofullerenes ve teknolojik önemi nedeniyle, bizim yöntem bu malzemelerin nanoyapılandırma konusu organik cihazların performansını nasıl etkilediğini keşfetmek için kullanılabilir. Bu makalenin amacı, yukarıda belirtilen protokolün teknik ayrıntıları tanımlamak için, kritik adımlar, sınırlamalar, olası değişiklikler, sorun tartışmak, bu süreç keyfi yüzeylerde ve son olarak küçük molekül organik nanoteller büyümeye uzatılabilir nasıl göstermek -çekim ve gelecekteki uygulamalar.

Introduction

Şablon destekli yöntem yaygın 1-3 dikey nanotel diziler üretim için kullanılır. Bu yöntem, genellikle çeşitli elektronik ve optik uygulamalarında arzu edilebilecek bir eksenel veya radyal olarak 4-6 7 heterostructured tellerin superorgü gibi kompleks tellerin geometrilerin basit bir imalat sağlar. Buna ek olarak, bu yüksek üretim ve çok yönlü bir düşük maliyetli, aşağıdan yukarı doğru nanosynthesis yöntemdir. Sonuç olarak, şablon yönelik yöntemleri 2,3 dünya çapında araştırmacılar arasında büyük popülerlik kazanmıştır.

"Şablonu-yönettiği yöntemi" temel fikri aşağıdaki gibidir. Önce bir şablon dikey silindirik nanopores bir dizi içeren, imal edilir. Gözenekler doldurulur kadar sonra, arzu edilen materyali proseste nano-gözeneklerin içinde yatırılır. Sonuç olarak arzu edilen materyali gözenek morfolojisi kabul eder ve T içinde barındırılan bir dizi oluşturan tellerinemplate. Son olarak, hedef uygulamaya bağlı olarak, ana şablon kaldırılabilir. Ancak, bu da dikey bir düzende yok eder. Geometrisi ve son nanoyapıların boyutları gözenek morfolojisi ve dolayısıyla ana şablon sentezi taklit üretim sürecinin önemli bir parçasıdır.

Nano şablon çeşitli literatürde 8'de rapor edilmiştir. En yaygın olarak kullanılan şablonlar (a) polimer parça kazınmış membranlar, (b) blok kopolimerleri ve (c) anodik alüminyum oksit (AAO) şablonları içerir. Polimer parça kazınmış membranlar oluşturmak için bir polimer folyo tamamen folyo nüfuz eder ve dökme folyo 9 içinde gizli iyon parça bırakmak yüksek enerjili iyonlar ile ışınlanır. Parçalar daha sonra seçici polimer folyo 9 içinde nano boyutlu kanalları oluşturmak için kazınmış. Nano boyutlu kanallar daha uygun bir dağlama adım genişletilebilir. Bu yöntemle önemli sorunlar inci olmayan muntazame nanochannels, yer kontrol eksikliği, kanallar arasında homojen olmayan göreceli mesafe, düşük yoğunluklu (birim alan başına kanal sayısı ~ 10 8 / cm 2), ve kötü gözenekli yapısı 1 emretti. Blok kopolimerin yöntemde benzer bir silindirik şablon nano ilk gözenek 8 dahilinde istenilen malzeme büyüme takip oluşturulur.

Geçmişte, yöntem (a) ve (b) Yukarıda belirtilen polimer nanotellerin 8 imal etmek için kullanılmıştır. Ancak, bu yöntemler sonrası işleme adımları sırasında seçici aşındırma potansiyel olmaması nedeniyle rasgele bir organik materyal tellerden sentezlenmesi için uygun olmayabilir. Post-işlem tipik olarak yukarıda bahsedilen şablonları için organik çözücüler gerektirecektir ana şablon çıkarılması, içerir. Bu tür çözücüler, organik nanotellerinin yapısal ve fiziksel özellikleri üzerinde zararlı bir etkiye sahip olabilir. Ancak, bu şablonlar ideal bir ho olarak çalışmak10, kobalt, nikel, bakır ve polimer ana kaldırır aşındırma işleminde kısıtlanmaz metalik çok katmanlı 11 gibi inorganik nanotellerin için STS. Yukarıda bahsedilen yöntemler için bir diğer potansiyel sorun daha yüksek sıcaklıklarda ev sahibi matriks en kötü termal stabilitesi olan. Tavlama Yüksek sıcaklık genellikle ev sahibi matriks arasında iyi bir termal stabilitesi gerekliliğini gösteren organik nanokablolar kristalinite geliştirmek için gereklidir.

Alüminyum Kontrollü elektrokimyasal oksidasyon (aynı zamanda alüminyum "anotlama" olarak da bilinir) iyi bilinen bir endüstriyel proses ve yaygın otomobil, tencere, havacılık ve korozyona 12 alüminyum yüzey korumak için diğer sektörlerde kullanılmaktadır. Oksitlenmiş alüminyum (ya da "anodik alümina") doğası anotlama için kullanılan elektrolit pH'ına kritik bağlıdır. Korozyon direnci uygulamalar için, genellikle wea anodizasyon ile gerçekleştirilirkompakt, gözeneksiz, "bariyer tipi" alümina filmi 12 oluşturmak k asit (pH ~ 5-7),. Elektrolit (pH <4) güçlü asidik olan, ancak, oksit nedeniyle H + iyonları ile oksitin lokal çözülmesi için "gözenekli" olur. Oksit genelinde yerel elektrik alan ön desenlendirme önce anotlama dolayısıyla yerel H + iyonları konsantrasyonu ve yüzey belirleyen son gözenekli yapısı üzerinde bir miktar kontrol sunuyor. Gözenekler küçük çaplı (~ 10-200 nm) ve bu nedenle bu tür nano anodik alümina filmler çeşitli malzemelerin 2,3 nanotellerin sentezlemek için son yıllarda yaygın olarak kullanılmaktadır, silindirik vardır.

Nanogözenekli anodik alümina şablonları gibi elektrolit ve anotlama volt pH olarak anotlama parametrelerin akıllıca bir seçim ile iyi termal stabilite, yüksek gözenek yoğunluğu, uzun menzilli gözenek sırası ve gözenek çapı mükemmel tunability, uzunluk, arası gözenek ayırma ve gözenek yoğunluğu sunuyoryaş 2,3. Bu nedenlerden dolayı biz organik nanotel büyümesi için ana matris olarak AAO şablonları seçin. Bundan başka, örneğin, alüminyum oksit gibi inorganik oksitler ve böylece, alüminyum oksit yüzeyi 13 organik çözelti (düşük yüzey enerjisi) uygulanması tip kolaylaştırıcı, yüksek yüzey enerjisine sahiptir. Buna ek olarak, amacımız doğrudan iletken ve / veya şeffaf yüzey bu nanotel diziler büyümektir. Sonuç olarak, gözenek Aşağıda açıklanan ek dikkate ihtiyacı alt ucunda kapalıdır. Ince şablonları zayıf mekanik stabilite nedeniyle aracılığıyla-gözenek şablon ve istenilen yüzeye sonraki transfer içinde nanotellerin Büyüme genellikle kötü arayüzü kalitesi nedeniyle istenmeyen ve bu yöntem kısa uzunlukta nanoteller (ya da ince şablonları) için bile mümkün değildir .

π-konjuge organik maddeler olarak iki ana kategoriye ayrılabilir: (a) uzun zincirli bir eşlenik polimerler ve (b), küçük molekül ağırlıklı organik temizle emiconductors. Birçok grup geçmişte bir AAO şablonun silindirik proseste nano-gözeneklerin içinde uzun zincirli bir polimer nanotellerinin sentezi bildirilmiştir. Bu konuda kapsamlı bir inceleme refs 8,14 mevcuttur. Ancak, AAO ticari olarak önemli küçük moleküler organik nanotellerin sentezi (örneğin rubrene, tris-8-hidroksikinolin alüminyum (ALQ 3), ve PCBM gibi) son derece nadirdir. AAO şablon nanopores içinde rubrene ve ALQ 3 fiziksel buhar biriktirme çeşitli gruplar 4,15-17 tarafından bildirilmiştir. Bununla birlikte, organik madde sadece ince bir tabaka (~ 30 mil) gözenekleri içinde biriken (~ 50 nm çapında) ve uzun süreli kaplama gözenek giriş 4,16,17 engelleme eğilimi olabilir. Gözenek çapı 15 (~ 200 nm) yeterince büyük ise, tam bir boşluk doldurma bu yöntemde elde edilebilir. Bu nedenle, alt 100 nm aralığında gözenek çapları için geçerli olan alternatif bir yöntem bulmak için önemlidir.

Şablon ıslatma "yöntemi 8,14"> diğer bazı küçük moleküllü organik için kullanılan diğer bir yaklaşım, bir sözde "sağlanır. Bununla birlikte, çoğu raporlarda tarafı açık gözenekler ve büyük çaplı hem de kalın ticari bir şablon (~ 50 mm) (~ 200 nm) olarak kullanılmaktadır. Bu yöntem, bir-yan tellerden üretmedi önce, muhtemelen gözenekleri içinde çözelti infiltrasyonu önler gözenekleri içinde sıkışmış hava cepleri varlığı nedeniyle belirtildiği gibi kapalı gözenekli. Biz Daha önce bu zorlukları üstesinden gelir ve istenilen yüzeye keyfi boyutları ile küçük molekül organik nanotel diziler büyüme sağlayan yeni bir yöntem rapor. ne şu, biz ayrıntılı bir protokol, potansiyel sınırlamalar ve gelecek değişiklikler anlatacağız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Yukarıda zikredildiği gibi, AAO bazlı imalat işleminde iki anahtar adım (a) isteğe üzerindeki boş AAO şablonunun sentezini (özellikle iletken ve / veya saydam) alt katman (Şekil 1 'de şematik) ve küçük (b) büyüme vardır AAO şablonun nanopores içinde moleküler organik nanotellerin (Şekil 2). Bu bölümde bu süreçlerin ayrıntılı bir açıklamasını.

1. İletken Alüminyum Yüzeyler üzerinde Anodik Alüminyum Oksit (AAO) Şablonlar Büyüme

  1. İlk parlatma alüminyum folyo ile nano alümina şablonları oluşturabilir ve daha sonra (veya elektrokimyasal oksidasyon) onları eloksal. Kalınlığı 250 mikron ile yüksek saflıkta cilasız alüminyum küçük (~ 2 x 2 cm 2) sayfa (99,997%) keserek başlayın.
  2. Elektro yerine, basit bir kimyasal parlatma işlemi 18 kullanılır. Daldırın nitrik-2 x 2 cm 2 yaprak küçük bir sayı80 fosforik asit etchant ° 5 dakika bir ocak C.

Not: alüminyum levhalar ön tedavi etmek için kullanılan nitrik-fosforik asit solüsyonu, 15 parça% 68 nitrik asit ve 85 parça% 85 fosforik asittir. Olarak alınmış alüminyum yüzey pürüzlülüğü birkaç mikron, yüzeyde düzgün olmayan bir elektrik alanı oluşturur ve sıralı bir dizi gözenek oluşumunu önler sırasını olduğu için bir parlatma adımı öncesinde anodizasyona gereklidir. Literatürde, elektro bu amaç için yaygın olarak kullanılan 2,3 olmuştur. Ancak, kimyasal parlatma da benzer (ya da daha iyisi) pürüzsüzlük 18 ile cilalı yüzeyler verir ucuz ve kolay bir alternatif vardır.

  1. Aşındırma sonra, 20 dakika boyunca 1 M sodyum hidroksit içinde folyolar nötralize eder. Bu "kimyasal cilalı" folyo şimdi anodize olmaya hazırız.
  2. Düz hücrelere en parlak alüminyum kağıt yükleyin ve 3% oxal ile 15 dakika için onları anotlamak40 V DC besleme de ik asit.

Not: folyo numuneler için, iki aşamalı bir proses anodizasyon 2,3,19 sipariş gözenek geliştirmek için yapılmaktadır. Bu ilk adım, anodizasyon ikinci adım sırasında gözenek büyümesi için başlama yerleri olarak hareket alüminyum / alüminyum oksit arayüzü, önceki Al yüzey ve nano ölçekli gamzeler üzerinde gözenekli bir oksit tabakası oluşturacaktır.

  1. Düz hücreden kaldırarak kromik-fosforik asit etch örnek. 60 sıcak bir plaka üzerinde etchant bir beher örnek bırakın ° C ~ için ilk oksit tabakası kaldırmak için 30 dakika.
  2. Tüm diğer parametrelerin sabit tutarken, 2.5 dakika boyunca anodizasyon işlemi (adım 1.4) tekrarlayın. Adım (1.4) anodize aynı bölgede tekrar elektrolit maruz kalacağı şekilde, yassı hücre, folyo yeniden düzenlemek için deneyin.

Not: son anotlama adım zaman nihai kalınlığını belirleroksit tabakası ve buna uygun olarak değiştirilebilir. 2.5 dk süresi. ~ 500 nm arasında bir film kalınlığı (gözenek boyutu) karşılık gelmektedir. İkinci aşamanın sonunda, iyi düzenlenmiş bir nano-gözeneklere dizi anodik alüminyum tabaka oluşturulur. Anotlama ve gravür döngüsü daha gözenek sipariş geliştirmek için tekrar edilebilir.

  1. Nanopores altındaki bariyer tabakasının ince ve nano-gözeneklere çapı genişletmek için 40 dakika boyunca oda sıcaklığında% 5 fosforik asit daldırmak şablonu. Bu adımdan sonra son nanopore çapı ~ 60-70 nm.

2. Şeffaf yüzeyler üzerinde AAO Şablonları Büyüme (Cam)

  1. TiO2 (20 nm, atom katman birikimi), Au (7 nm, püskürtme), Al (1 mikron, püskürtme): sıralı temizlenmiş cam slaytlar aşağıdaki katmanlı sistemi Depozito.

Not: Au tabakası anotlama için gerekli bir elektrot, gibi davranır ve şeffaflık 20 bozulmaz </> Sup. TiO2 Au ve cam yüzey arasında şeffaf bir yapışma tabakası gibi davranır.

  1. Bir iletken gümüş epoksi kullanarak, anodize olduğu alüminyum ince filmin yüzeyine bir folyo elektrot takın. Akım dağılımı arttırırken bu güç kaynağından örnek için uygun bir bağlantı ile sonuçlanır.

Not: Daha önce belirtildiği teknikleri parlatma, cam yüzey üzerinde biriken çok az alüminyum olmadığı için alüminyum yüzey düzleştirmek için uygun değildir. Bunun yerine, bu protokol başka anotlama / gravür adım dahil etmek anodizasyon işlemi değiştirir.

  1. Düz hücre için örnek yükleyin ve 30 V DC ön az 3% oksalik asit kullanılarak 4 dakika alüminyum ince film anotlamak.
  2. Düz hücreden örnek çıkarmadan, sıcak etchant i dökerek 1 saat 60 DI su ve kromik-fosforik asit aşındırma şablon ° C ile hücre yıkayınHücreye n.

Not: dağlayıcı bölgesinin sıcaklığı hemen hücre için dökülmüştür sonra azalmaya başlayacaktır. Bu nedenle, bu gravür kalış süresi okside filmin engel olmak için, folyo numuneler için 30 dakika ile 1 saat için artırılır.

  1. Yine hücre yıkayın ve birinci ile aynı koşullar altında bir kez daha anotlamak; 30 V DC besleme az% 3 oksalik asit kullanılarak, 4 dakika süreyle.
  2. Adım (2.4) tekrarlayın. Düz hücreden örnek çıkarmadan, hücreye sıcak etchant dökerek 1 saat 60 DI su ve kromik-fosforik asit aşındırma şablon ° C ile hücre yıkayın.
  3. Son kez hücre yıkayın ve 30 V DC 3% oksalik asit kullanılarak üçüncü (ve son) anodizasyon adım gerçekleştirin. Durdurmak için zaman belirlemek için sistemin geçerli izleyin.

Not: son sırasında izlenecek mevcut ihtiyaçlarınıodization. Ilk birkaç saniye sonra, mevcut yaklaşık 1-2 mA stabilize. Bu tek tip anotlama gerçekleşiyor gösterir. Anotlama işlemi kalan alüminyum tüketilen sonra, elektrolit solüsyonu (% 3 oksalik asit) akımı anotlama (Şekil 3) keskin bir artışa neden olur temel altın tabaka ile temas gelecek. Bu noktada, anodizasyon durdurulur. Zaman 4 dakika işareti etrafında kabaca olmalıdır. Tek tip bariyer tabakası çözüm ve metal yüzey ayıran çünkü mevcut bu artış folyo örnekleri (Şekil 3) görülmez.

  1. 40 dakika boyunca oda sıcaklığında% 5 fosforik asit içinde şablon daldırarak folyo örnek protokole benzer bir gözenek genişletme adımı yerine getirir.

Not:. Bu gözenekleri genişletmek ancak anodizasyon işlemi bariyer katmanı yemiş bu yana ince soldan hiçbiri yoktur FiGüre 4 cam yüzey / 20 nm bir bariyer tabakasının olmaması ile TiO 2/7 nm Au / 500 nm gözenekli Al 2 O 3 katmanlı yapısını gösterir ve net bir şekilde Au ince film altında yatan maruz gözenekleri. Şekil 5a ve 5b boş AAO gösterir sırasıyla folyo ve cam yüzeylerde şablonları.

3. AAO Şablon Gözenekler içinde Küçük Moleküler Organik Nanoteller bir Destekli Büyüme Santrifüj

  1. Uygun bir çözücü içinde, küçük molekül ağırlıklı organik doymuş bir solüsyonu hazırlayın.

Not: Aşağıdaki organik moleküller ve çözücüler kullanılmıştır: aseton, toluen, kloroform ve PCBM ALQ bölgesindeki 3'te rubrene. Buradan sonra PCBM, ilgi konusu moleküle olarak adlandırılır.

  1. Anodize alan test tüpünün üst karşı karşıya olduğu bir santrifüj test tüpünün alt için şablonlar yerleştirin. Tüp büyük e olmalıdıriçindeki örneğin uyacak şekilde nough.

Not: folyo örnekler için, bu folyo desteklemek ve aşağıda tarif edildiği gibi santrifüj sırasında bükülmesini önlemek için, aynı boyda bir gofret kullanmak yararlı olan Şekil 2, örnek santrifüj içinde nasıl monte edildiğini şematik bir açıklama..

  1. Şablonu tamamen sular altında olduğu gibi yeterli PCBM çözüm ile test tüpü doldurmak için bir pipet kullanın.
  2. Santrifüj tüp yükleyin ve 6.000 rpm'de 5 dakika çalıştırın.

Not: Numunelerin bir açıyla test tüpü içinde monte edildi, test tüpü anodize yüzey santrifüj merkezi (Şekil 2) dönük olacak şekilde monte edilmiş olduğundan emin olun.

  1. Santrifüj durduktan sonra, test tüpleri boşaltma ve tüplerden PCBM çözüm dökün.
  2. Test tüplerinden şablonları kaldırmak, veya lkuruması için ~ 1 dakika için alttan saçak onları.
  3. Tekrar 5-10 santrifüj çalışır toplam yapılmıştır o kadar 3,2-3,6 adımları.

Not: bu çözücü içinde küçük molekül düşük çözünürlüğü olduğu durumlarda, daha fazla santrifüj çalışır nanopores yatırma daha fazla malzeme yardımcı olacaktır.

  1. Test tüpünün alt numune çıkarılmaktadır ve yavaşça şablon yüzeyi üzerinde kalan herhangi bir malzeme kaldırılması, şablonun yüzeyini temizlemek için toluen (ya da ilgili çözücü) batırılmış bir pamuk bezi kullanın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Gibi (Şekil 5 ve 6) aşağıda gösterilen rakamlar ile kanıtlandığı gibi, bu santrifüj destekli açılan döküm yöntemi sürekli tellerden üretir. AAO şablonun gözenekler içine fabrikasyon nanokablolar, dikey kaplı altları ile bir diğerinden, uyumlu düzgün ve elektriksel olarak izole edilir. Nanotellerinin çapı şablon gözenek çapına bağlı olarak belirlenmektedir. Onlar başarılı sonra belirtilen birçok cihazlarda bu yapıların potansiyel uygulama neden farklı yüzeylerde, üzerinde imal edilebilir.

PSS veya fotovoltaik hücre uygulamaları için PCBM: Bu sonuçlar, yüksek boy oranı özellikleri olduğu için, bu birikimi yöntemi aynı zamanda PEDOT ile kaplama dokulu yüzeyler olarak çözünür malzemelerin diğer damla döküm / kaplama yöntemleri için genişletilebilir nedenle standları.

Şekil 2, santrifüj BEF şematikcevheri ve santrifüj sırasında, santrifüj tüpü içinde neler olduğunu görselleştirmek için yardımcı olur. Santrifüj altında, çözelti bir yakın dik açı ile alt tabaka karşı zorlanır. Bu gözenekler içinde zorlayarak, çözüm üzerinde "etkili yerçekimi" artırır. Bu işlemin sonucu, bu tellerden (Şekil 6) oluşturacak şekilde küçük moleküllü organik malzeme ile boş gözeneklerin doldurulmasında (Şekil 4 ve 5) 'dir.

Bunlara ek olarak Şekil 6, gözenekler içine malzeme aslında PCBM tellerden olduğunu doğrulamak için, dolu şablonları Raman spektroskopisi gerçekleştirilmiştir. Çalışmalar Raman PCBM ince filmlerin spektrumu ve PCBM nanoteller ve nanotüpler üzerinde, bildiğimiz kadarıyla, mevcut değil sınırlıdır. Molekülleri stru çok benzer Ancak, bizim deneyler yanı fulleren (C 60) bu gibi mevcut sınırlı literatür sonuçlarına Raman verileri karşılaştırabilirsinizliteratürden karşılaştırılabilir titreşim modları cture ve göstermektedir. Biz, 1.430, 1.463 zirveleri, gözlemlemek ve sırasıyla T 1u (4), bir gr (2), ve H g (8) şekli için uygun 1.577 cm-1 (Şekil 7). Bu 1.429, 1.470 ve 1.575 bozulmamış C60 21 ve 1.429 için -1 cm, 1.465 ve aynı ilgili modları 22 için saf PCBM için -1 1.573 cm literatür değerleri ile iyi bir uyum. Bu, orada geometri nanotel nedeniyle Raman zirveleri önemli bir değişim ve biz aslında bizim gözenekler içinde mevcut PCBM nanotellerin var olduğu gerçeğini desteklediğini göstermektedir.

Şekil 1
Şekil 1. Organik nanotel sentezi şematik açıklaması Adımlar (a) -. (E) iyi düzenin üretim için çok aşamalı anotlama ve gravür temsil ed nanopores. Aşama (f) organik tellerin büyüme gösterir.

Şekil 2,
Şekil 2. Organik nanotel büyüme için test tüpünde boş şablon santrifüj ve yükleme şematik.

Şekil 3,
Şekil 3,. , Zamanın bir fonksiyonu olarak mevcut anodizasyon. Cam alt tabaka, tüm alüminyum tüketilen akımı yükselir ve elektrolit anodizasyon Nihai adım için temel Au tabakası ile temas halinde gelir.

"Fo: src =" / "src =" / files/ftp_upload/50706/50706fig4.jpg "/ files/ftp_upload/50706/50706fig4highres.jpg>
Şekil 4. Önce Ag nanotel birikimi katmanlı yapısı FESEM (500 nm gözenekli Al 2 O 3/7 nm Au / 20 nm ti0 2 / cam yüzey).

Şekil 5,
Şekil 5,. (A) Al folyo yetiştirilen boş şablon FESEM görüntüleri, (b) cam. Parçalar kesit görünümü göstermek ve ana görüntüleri üst görünüm göstermektedir. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

ighres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50706/50706fig6.jpg "/>
6 Şekil. Dolu şablon FESEM görüntüleri. (A) Ana görüntü AAO matris maruz PCBM nanotüp ipuçları gösterir. PCBM nanotüpler altındaki kapalı. Ilave AAO gözenekler içinde yetiştirilen PCBM nanotüpler kesit görünümünü göstermektedir. (B) AAO şablon gözenekleri çıkıntılı ALQ 3 nanotellerin (okla gösterilen) kesit görüntü Çapraz. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

Şekil 7
Şekil 7. Al 2 O 3 şablon ankastre PCBM nanotellerinin Raman Spektrum.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Nanotel Büyüme için fiziksel Resim

Tamamen organik nanoteller büyüme yöntemi anlamak için ilk önemlidir. Bir kere biz onlar büyümeye ve mühendis Nano, cihaz ve malzeme için bu birikimi yöntemi kullanabilirsiniz gözenekleri kendilerini formu tam olarak biliyorum. Geçmişte, polimer tellerden bir santrifüj yardımı olmadan şablon ıslatma işlemi kullanılarak imal edilmiştir, ancak bu tür organik küçük moleküller gibi bazı malzemeler için, bu etkisiz olduğu bulduk. Çözeltisi ve şablon hem de nano-gözeneklere sıkışmış hava cebi arasındaki yüzey kimyası nedeniyle, çözelti serbestçe gözenek giremez. Çözeltisi santrifüj merkezkaç kuvvetinin etkisi altında olduğu zaman, bu özü örnek daha önce karşılaşan çekim kuvvetine eklenmesi bulunmaktadır. Organik çözelti, belli gözenek işgal hava daha yoğundur, çünkü i altında gözenek alt zorlanırmerkezkaç kuvveti ncreased. Çözelti doğal olarak gözenekleri girmesini tutma kuvvetlerinin üstesinden sonra santrifüj durdurulur sonra bile, bu gözenek var olmaya devam edecektir. Numune, daha sonra santrifüj çıkarıldı ve kurumaya bırakılır. Organik çözücüler nispeten hızlı buharlaşması nedeniyle, kurutma işlemi sadece oda sıcaklığında yaklaşık bir dakika sürer. Gözenek açıklığına yakın gözenek Eriyik önce buharlaşması ve gözenek altındaki çözelti buharlaştırıldı ve gözenek kalan tüm organik küçük moleküller olduğu kadar düşük ve daha düşük ilerleme olacaktır. Çözüm buharlaşır ve çıkar olarak gözenek açma, çözücü bu hacim içinde çözülmüş küçük moleküller en yakın gözenek gözenek duvarlarına itti olsun ve Van der Waals kuvvetleri altında kalırlar. Çözücü, sürekli ve içi boş nan oluşturma, sürekli gözenek ve tüm uzunluğu boyunca gözenek duvarları malzeme yatırma gözenek uzunluğu boyunca aşağı buharlaşmaya devamgözenek iç otube. Bu işlem, gözenek alt ulaştığında, küçük moleküller bir aşırı miktarda, alt kat, gözenek duvarları gibi gözenek altındaki bariyer tabakası olacaktır. Olacak Bu nanotüp malzemeye uygun elektrik kontağı gerek cihazlara çok yararlı olabilir gözenek altındaki nanotüp için bir "milli" son yaratacak. Tekrarlanan santrifüj yerine içi boş nanotüpler katı nanoteller neden olacaktır.

Kritik parametreler

Birikimi sürecinde dikkate alınması gereken bir önemli parametre santrifüj RPM olduğunu. RPM çok düşük ise, merkezkaç kuvveti organik çözelti ile sıkışmış hava cepleri değiştirmek için yeterince güçlü değildir. En santrifüj kurulumları için, maksimum devir ayarı kullanılacak gerekir. Folyo yüzey örnekleri yeterince güçlü bir destek (gofret, cam ya da diğer yüzey) ile desteklenmektedir sürece, yapılan herhangi bir hasar olmalıdırHatta bir koni şekilli santrifüj tüpleri içinde şablonu.

Tercih edilen çözücü içinde küçük molekül konsantrasyonu, aynı zamanda bu süreçte önemli bir faktördür. Daha fazla çözünür bir malzeme çözücü içinde, daha fazla malzemenin gözenek yatırılır. Bir çok uygulama için, araştırmacılar, gözenek malzeme miktarını maksimize etmek için çözücü içinde malzemenin bir doymuş çözeltisi kullanmak gerekir. Bununla birlikte, bir teorik solüsyonu işleyerek nanotüp ve duvar kalınlığı kontrol etmek mümkün olmalıdır. Daha düşük bir konsantrasyonu, ince tüp duvarı içinde ve bir tüp oluşturmak için sonuç mevcut molekül sayısını sınırlar.

Santrifüj çalışma süresi veya uzunluk biz kontrol edebilirsiniz başka bir parametredir. Bu parametre oluşan nihai yapısını etkiler. Çalışma süresi tüm gözenekler (çözücü ve şablon kombi farklı kurulumları için farklı olabilir çözümü ile dolu olan sağlayacak kadar uzun olması gerekiruluslar). Bizim özel kurulum için, 5 dakika çalışma sürelerini yeterli olacaktır bulduk. Çözücüler düşük çözünürlüğe sahip çözümler için, birikimi işlemi birkaç kez tekrar edebilirsiniz. Daha santrifüj biz, gözenek orada yatırılması gereken daha fazla malzeme yerine çalışır. Çalışır sayısının artırılması gözenekleri mevduat daha fazla malzeme yardım ve düşük konsantrasyonda çözümleri nanotüp oluşumu şansını artırabilir.

Alüminyum folyo üzerinde Anodizasyon geniş ölçüde araştırılmış ve iyi bilinen bir süreç 2,3 değil. Hiçbir şey camına anotlama temelde yeni olsa da, daha az folyo anotlama daha gelişmiş ve daha fazla zorluklar içeriyor olduğunu. Tamamen alüminyum anodize edilmiş ve asit elektrot (Şekil 3) ile temas halinde söz konusu olduğunda ince bir altın elektrod nedeniyle, yüksek akım yoğunluğu neden olabilir. Bu gözenek birleştirme önlemek ve folyo anodizasyon göre daha düşük bir düzeyde gerilim tutmak için önemlidirAşırı ısınma / alümina şablon yakılması.

Potansiyel Faydalar ve Engeller

Ana faydaları bu tekniği organik küçük molekül birikimi diğer formları üzerine düşük maliyetli, basit ve herhangi bir karmaşık deney düzeneği gerektirmez vardır etti. Bu teknik için gerekli olan ekipman, nispeten pahalı olmayan ve kolayca kullanılabilir en Nanofabrikasyona tesislerinde kompleks vakum odası, pompa ve PVD teknikleri organik maddelerin buharlaştırılması için gereken güç kaynakları ile karşılaştırıldığında bir santrifüj vardır. Pota veya kaynak tüm PVD tip depolama teknikleri gereklidir birikimi yerini, için görüş doğrudan bir hat var olmadığı son derece yüksek boy oranı özellikleri ve özellikleri yatırılır için Bu teknik aynı zamanda sağlar. Organik elektronik cihazlar daha fazla işbirliği olmak gibi daha yaygın olacak olan da başka bir çözüm işleme teknikleri ile uyumludurmmercially uygulanabilir.

Bu kullanıcıların kolayca yüksek boy oranı özelliklerine organik moleküllerin yatırmak sağlayan yeni bir biriktirme yöntemi iken, bazı dezavantajları var. Bu tekniği kullanarak, çözelti içinde işlenebilir molekülleri ile sınırlıdır. Malzeme bir çözücü içinde çözünmesi yeteneğine sahip değildir, biz gözenek içinde aktarmak için bir taşıyıcı olmaz. Bu bir şablon üretim tekniği olduğu için Ayrıca, biz şablon üretmek için karşılaştıkları sınırlamalar aynı zamanda içlerinde büyüyebilir yapılar sınırlayacaktır. Bu teknik, gözenek içindeki tellerin uzunluğunu kontrol veya şablon yetiştirilir sonra tel herhangi başka bir parametre değişir yeteneğine sahip değildir. Şablon oluştuktan sonra, gözenek ve tüm uzunluğu nanotüp uzunluğu belirleyecek bölgesi yatırılır. Nihai gözenek çapı nanotüp çapı belirleyecektir. Ancak, neyse ki AAO şablonu büyüme sürecine ağır araştırmalar olduğuTed 2,3 ve nanopore geometri üzerinde büyük denetim dallı ve modüle çapı gözeneklerin 23 yaratma olasılığı da dahil olmak üzere, mevcuttur. Bu nedenle, bu muhtemelen çok ciddi bir sınırlama değildir.

Gelecekteki, Değişiklikler ve Potansiyel Uygulamaları

Bu karakterize ve araştırılması gereken birçok özelliklere sahip yeni bir birikimi tekniktir. Bu tekniğin yetenekleri ve sınırlamaları belirlemek için yapılacak bir sürü iş var hâlâ. Bu noktaya kadar, sadece sabit açılı bir santrifüj tevdi edilmesi için kullanılmıştır. Santrifüj Bu tür uygun bir açı meydan okumadan sonraki tabaka montajı kolaylaştırır. Bu sorunu aşmak için bir yolu düz tabanlı test tüpleri ile bir değişken açılı santrifüj kullanmaktır. Santrifüj hızı alır olarak, test tüpleri tutma santrifüj kollarına merkezkaç kuvveti test düz taban dik kalacak şekilde dışarı salıncaktüpü. Bu çözüm her gözenek uzunluğuna paralel olarak uzanan ve bir bileşen kuvvet, şablonun yan çözüm itecektir olacak sağlayacaktır. Daha fazla çalışma aynı zamanda nihai yapısını etkileyen sürecin kritik adımlar manipüle nasıl daha iyi anlamak için yapılması gereken. Kristal üzerine tavlama etkisi de daha iyi ortaya çıkan nanotüpler fiziksel özelliklerini anlamak için incelenmelidir.

Gelecekte, bu çok yönlü biriktirme yöntemi, bellek cihazları 24,25, organik fotovoltaik 26-31, plazmonik 32, kimyasal sensörler 33,34, OLED 35 ve organik nanotel FET 36,37 gibi çok çeşitli alanlarda uygulama bulabilirsiniz. Şu anda grupta araştırılmaktadır iki yapıları eksenel ve radyal heterostructured organik nanotel cihazlardır. Biz zaten e eksenel heterostructured metal-organik melez nanotel yapılar fabrikasyon vargözenek altındaki metal tellerin lectrodepositing ve organik 5,6 ile kalan kısmı doldurma. Koaksiyel organik nanoteller imalatı üzerinde çalışmaları devam şu anda ve bu yapıların yüksek verimli organik fotovoltaik aygıtlar 31,38-40 için umut verici adaylardır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar hiçbir rakip mali çıkarlarının olmadığını beyan ederim.

Acknowledgments

Bu çalışma mali NSERC, CSEE, nanoBridge ve TRLabs tarafından desteklenmiştir.

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).
Keyfi Yüzeyler üzerinde Dikey dizilmiş Küçük-moleküler Organik Nanoteller bir ultra yüksek Yoğunluk Dizi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

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