Summary
Metodo di fabbricazione di uno stadio per l'ottenimento autoportante epitassiale doppio eterostruttura è presentato. Questo approccio potrebbe raggiungere una copertura ZnO con una densità numero maggiore di quella del singolo epitassiale eterostruttura, portando ad un nanogeneratore piezoelettrico con una prestazione elettrica maggiore produzione.
Abstract
Nanostrutture ZnO ben allineati sono state intensamente studiate negli ultimi dieci anni per notevoli proprietà fisiche e applicazioni enormi. Qui, descriviamo una tecnica di fabbricazione di uno stadio per sintesi freestanding ZnO nanorod / grafene / ZnO nanorod doppio eterostruttura. La preparazione del doppio eterostruttura viene eseguita utilizzando deposizione di vapore chimico termica (CVD) e preriscaldo tecnica idrotermale. Inoltre, le proprietà morfologiche sono stati caratterizzati tramite microscopia elettronica a scansione (SEM). L'utilità di freestanding doppio eterostruttura è dimostrata dalla fabbricazione del nanogeneratore piezoelettrico. L'uscita elettrica è migliorata fino al 200% rispetto a quello di un singolo eterostruttura per effetto accoppiamento della piezoelettricità tra le matrici di nanotubi ZnO sulla parte superiore e inferiore di grafene. Questo doppio eterostruttura unico ha un enorme potenziale per le applicazioni di elettriche e optoelectricaldispositivi in cui sono necessarie l'alta densità numero e superficie specifica di nanorod, come sensore di pressione, immuno-biosensore e celle solari sensibilizzate colorante.
Introduction
Recentemente, i dispositivi elettronici portatili e indossabili diventato un elemento essenziale per una comoda vita a causa dello sviluppo nanotecnologie, che si traduce in enormi richieste di una fonte di alimentazione nell'intervallo microwatt per milliwatt. Approcci considerevoli per l'alimentazione di dispositivi portatili e indossabili sono stati raggiunti dalla energia rinnovabile, compresi 1,2 energia solare, termica 3,4 e 5,6 fonte meccanica. Nanogeneratore piezoelettrica sono state intensamente studiate come uno dei possibili candidati per il dispositivo di raccolta di energia da ambienti, come ad esempio il fruscio foglia 7, onda sonora 8 e il movimento dell'essere umano 9. Il principio alla base della nanogeneratore primario è l'accoppiamento tra il materiale e potenziale dielettrico piezoelettrico come barriera. Il potenziale piezoelettrico generato nel materiale tesa induce la corrente transitoria che fluisce attraverso il circ esternauit, che bilancia il potenziale all'interfaccia tra piezoelettrico e materiale dielettrico. Le prestazioni di nanogeneratori sarebbe migliorata utilizzando nanostruttura di materiale piezoelettrico a causa di robustezza sotto robustezza sotto stress elevato e la rispondenza alle minuscolo deformazione 10.
Monodimensionale ossido di zinco nanostruttura è un componente promettente per materiali piezoelettrici in nanogeneratore grazie alle sue proprietà interessanti, ad esempio, la sua elevata piezoelettricità (26,7 pm / V) 11, trasparenza ottica 12, e la sintesi facile utilizzando processo chimico 13. Idrotermale approccio per la coltivazione del nanorod ZnO ben allineati riceve una grande attenzione a causa di basso costo, sintesi rispettoso dell'ambiente e il potenziale per una facile scalabilità in su. Inoltre, la tecnica idrotermale preriscaldamento è facilmente controllabile in condizione sperimentale, con conseguente molti tipi di nuove nanostrutture, come nanoleaves 14,nanoflowers 15 e nanotubi 16. Le nuove nanostrutture consentono un effetto benefico sulle prestazioni dei dispositivi elettrici e opto laddove l'elevata superficie specifica dei materiali sia richiesta.
In questo protocollo, si descrivono le procedure sperimentali per la sintesi di più romanzo nanostruttura (vale a dire, autoportante doppio eterostruttura). La crescita di ZnO nanorod a interfaccia tra grafene e polietilene tereftalato (PET) substrato porta alla autosollevamento il nanorod di ZnO / grafene singolo eterostruttura, ottenendo il doppio eterostruttura indipendente. Inoltre, l'applicazione di questo fattibile nanostruttura unica per dispositivi elettronici e opto-elettrico è dimostrata da fabbricare una nanogeneratore piezoelettrico. Autoportante doppia eterostruttura fornisce non solo una elevata superficie specifica, ma anche un'alta densità numero di nanorod in una data area. Questo nanostruttura unica ha un enorme potenteIAL per applicazioni di dispositivi elettrici e optoelectrical, come sensore di pressione, immuno-biosensore e celle solari a tinta sensibilizzata.
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Protocol
1. Chemical Vapor Deposition (CVD) La crescita del singolo Layered grafene
Nota: Il grafene utilizzato in questo studio è stato coltivato su lamina di rame con la deposizione di vapore chimico termica (CVD) tecnica (Figura 1A) (Cu). La crescita è uniforme su un'area di 2 cm x 10 cm per questo sistema.
- Lavare la lamina Cu (2 cm x 10 cm) con flusso delicato di acetone, alcol isopropilico (IPA) e acqua distillata, rispettivamente.
- Inserire la pellicola Cu pulita da 2 in. Tubo di quarzo (Figura 1B), e poi spurgare la camera con il vuoto (circa 1 mTorr) per 10 minuti utilizzando pompa rotativa.
- Configurare la temperatura di forno digitalizzati e rampa fino a forno 995 ° C, mantenendo i tassi desiderati flusso (100 SCCM per Argon e 50 SCCM per l'idrogeno) (Figura 1C).
- Introdurre le 20 SCCM di metano (CH 4) per 10 minuti per far crescere il grafene singolo strato. Mantenere la 80 sccm di Argon e 20 sccm di flusso dell'idrogeno processo.
- Lasciare che il forno si raffreddi per RT entro 5 minuti con le portate indicate nella fase 1.4. Spurgare la camera di nuovo con Argon a 100 sccm.
2. Preparazione di grafene / polietilene tereftalato (PET) substrato
- Posizionare il grafene cresciuto Cu lamina (1,5 cm x 2 cm) sul vetrino, e fissare i bordi di nastro commerciale (Figura 2A).
- Spin cappotto uno strato di poli (metilmetacrilato) (PMMA) a 500 rpm per 5 sec e poi 3.000 rpm per 30 sec (Figure2B). Poi, cuocere il substrato lamina Cu PMMA rivestite a 60 ° C per 2 minuti per rimuovere i residui di solvente.
- Tagliate la lamina di rame rivestito in PMMA pezzo più piccolo di 1 cm x 1,5 con lama di rasoio.
- Immergere PMMA rivestito lamina di rame in Ni serbatoio agente di attacco (più di 500 ml) mettendo giù la pellicola faccia Cu per 30 min. Questo lascia il PMMA / strato di grafene che galleggia sulla soluzione mordenzante (
- Scoop PMMA / grafene strato su vetrino, e poi immergere PMMA strato / grafene in serbatoio acqua deionizzata. Ripetere due volte. Infine, paletta PMMA / grafene strato sul substrato PET (Figura 2D), e poi cuocere il substrato a 105 ° C per 2 minuti per rimuovere residui di acqua.
- Rimuovere lo strato di PMMA per immersione in acetone caldo (60 ° C) per 10 min.
3. Sintesi di ZnO Nanorod / grafene / ZnO Nanorod epitassiale Doppia Heterostructure
- Iniziare con riscaldamento della soluzione di precursore con 40 mM nitrato di zinco esaidrato, esametilentetrammina 40 mM (HMT) e polyethylenimine 9 mM (PEI) in acqua deionizzata per 60 min a 95 ° C in forno a convezione (Figura 3A). Vale a dire, il processo di preriscaldamento.
- Mentre il processo di preriscaldamento, coprire completamente la soluzione con 5 mM acetato di zinco in etanolo sul cappotto substrato e rotazione di uno strato di zinc acetato sul substrato grafene / PET a 500 rpm per 5 sec e poi 2.000 rpm per 60 sec (Figura 3B e 3C Figura) Then, cuocere il substrato a 200 ° C per 30 min. Ripetere due volte. Lo spessore dello strato è di circa 30 nm.
- Immergere il substrato grafene / PET seme rivestito in soluzione preriscaldata posizionando il substrato faccia in giù a 95 ° C (Figura 3D). Determinare il tempo di riscaldamento per la nanostruttura desiderata, cioè singola eterostruttura (t <12 hr, Figura 3E) e doppio eterostruttura (t> 12 ore, Figura 3F).
- Spruzzare con cautela etanolo sul substrato e asciugare a temperatura ambiente per 1 ora.
Nota: Per la microscopia elettronica a scansione (SEM), dadini il campione in pezzo più piccolo 5 millimetri x 5 mm con lama di rasoio e montare il campione sul palco SEM.
4. Realizzazione di piezoelettrico nanogeneratore
Nota: Nanog piezoelettricoenerator in questo studio ha tre elettrodi (alto, medio, basso). Utilizzare l'ossido di indio-stagno (ITO) rivestito PET come elettrodo inferiore (Figura 4A).
- Cappotto Spin uno strato di polidimetilsilossano (PDMS) a 500 rpm per 5 sec e poi 6.000 rpm per 60 sec per formare lo strato isolante tra ITO e ZnO nanorod (Figura 4B). Lo spessore dello strato è di circa 3 micron.
- Curare completamente il substrato a 80 ° C per 2 ore in forno a convezione.
- Trasferire il grafene per PDMS rivestite substrato ITO / PET utilizzando il metodo nella sezione 2 (Figura 4C).
- Sintetizzare il doppio eterostruttura sul substrato utilizzando il metodo nella sezione 3 (Figura 4D).
- Spin cappotto uno strato di PDMS a 500 rpm per 5 sec e poi 5.000 rpm per 60 sec per migliorare la robustezza e la durata del nanorod ZnO, e quindi curare pienamente a 80 ° C per 2 ore (figura 4E). Lo spessore dello stratoè di circa 8 micron.
- Coprire il substrato con PET ITO rivestito come l'elettrodo superiore (Figura 4F).
5. Prestazioni elettriche di impostazione delle misure
Nota: Abbiamo istituito attrezzature su misura per la caratterizzazione delle prestazioni elettriche con motore lineare, scala commerciale e oscilloscopio. Costruire la cornice per verticalmente supporto del motore lineare e posizionare la scala commerciale sotto il motore lineare, come mostrato in Figura 5A. La scala dovrebbe essere sensibile a piccolo peso (0,02 kg - 20 kg).
- Posizionare il nanogeneratore su una scala, e quindi collegare gli elettrodi del nanogeneratore a percepire le sonde di oscilloscopio (Figura 5A e 5B).
- Impostare le posizioni iniziali e finali e la velocità di motore lineare, mentre un attento monitoraggio del peso nella scala.
Suggerimento: Configurare la posizione iniziale in cui nanogeneratore è leggermente a contatto con measurinstallazione ement. Velocità del motore lineare determina la velocità di deformazione. - Avviare il motore lineare e monitorare il segnale di tensione con il tempo. Salvare il segnale dipendente dal tempo di tensione nella memoria flash. Velocità di deformazione: 100 mm / sec e carico applicato: 50 N.
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Representative Results
La microscopia elettronica a scansione (SEM) le immagini mostrate in figura 6 presente le morfologie di nanotubi di ZnO idrotermicamente coltivate. La tecnica idrotermale preriscaldamento può comportare due nanostrutture differenti a seconda del tempo di crescita. Figura 6A mostra una tipica immagine di ZnO nanorod sul grafene substrato / PET al momento di crescita di 5 ore. Al contrario, l'immagine mostrata nella figura 6B indica che la crescita di ZnO nanorod al momento di crescita di 12 ore si procede con successo non solo sulla cima di grafene ma anche sul fondo del grafene. Entrambi i nanotubi ZnO sono allineati verticalmente allo strato grafene, con lunghezze medie di 2,49 e 0,70 micron, rispettivamente. Inoltre, la lunghezza di ZnO nanorod sul fondo di grafene aumenta di circa 2 volte il tempo di crescita aumenta fino a 24 ore, come mostrato nella Figura 6C. La crescita di ZnO nanorod sul fondo of grafene viene effettuata su larga scala (> 30 micron) e risultati in auto-elevazione di ZnO nanorod / grafene costrutto, formando così autoportante doppia eterostruttura (Figura 6D).
La figura 7A mostra una fotografia della nanogeneratore piezoelettrico, che composto del doppio eterostruttura indipendente e due substrati PET ITO rivestite come l'elettrodo superiore e inferiore. L'uscita elettrica è originata dalla nanogeneratore anziché sistema di misura, che è confermato da misurazioni di polarità di commutazione (Figura 7B e 7C). Le tensioni di uscita dalle matrici di ZnO nanorod sulla parte superiore e inferiore di grafene sono osservate fino a 0,5 V e 0,3 V rispettivamente, applicando le periodiche carichi compressa a rilascio di 49 N (Figura 7E e 7F). Inoltre, i due array di ZnO nanorod producono il maggiore output tensione e corrente con valori medi di 0,9 V e 70 nA, rispettivamente. Il risultato della simulazione eseguita dal pacchetto COMSOL rivela che la polarità di ZnO nanorod sul grafene superiore e inferiore sono accordo inversa e buona tra i risultati ottenuti da esperimenti e simulazioni (Figura 7D).
Figura 1. La crescita del singolo strato di grafene. (A) Un'immagine di setup sperimentale per CVD termico. (B) Cu collocamento lamina in fornace crescita e (C) fase di crescita per singolo strato di grafene. Cliccate qui per una versione più grande di questa figura.
Figura2. Flusso di processo di trasferimento grafene utilizzando il metodo di pesca. Cliccate qui per una versione più grande di questa figura.
Figura 3. processo di sintesi per il doppio eterostruttura indipendente. Cliccate qui per una versione più grande di questa figura.
Figura 4. Schema del processo di fabbricazione per nanogeneratore piezoelettrico. Cliccate qui per una versione più grande di questa figura.
Figura 5. sistema di misura elettrica (A) sistema di misura fatta in casa. Schematico e (B) Una fotografia del sistema di misurazione. Cliccate qui per una versione più grande di questa figura.
Figura 6. Immagini SEM di idrotermicamente cresciuto nanorod di ZnO. (A) eterostruttura single dopo 5 ore di crescita. Doppia eterostruttura dopo 12 ore (B) e 24 ore (C) di crescita e (D) autoportante doppia eterostruttura. Cliccate qui per una versione più grande di This figura.
Figura 7. Risultati rappresentativi per nanogeneratore piezoelettrico. (A) Una fotografia di nanogeneratore fabbricato. Tensioni di uscita in avanti (B) e inversa (C) connessioni. (D) simulazione COMSOL del potenziale piezoelettrico lungo un nanorod ZnO sotto sforzo assiale. Le dimensioni del nanorod sono L = 600 nm ed a = 60 nm e forza esterna è 80 nN. Tensioni di uscita (E) e correnti (F) di nanogeneratore. Cliccate qui per una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Si prega di notare che l'alta qualità (> 99.8%, ricotto) di Cu foglio dovrebbe essere considerato come substrato per la crescita di successo del singolo strato di grafene. In caso contrario, il singolo strato di grafene non è cresciuto in modo uniforme su lamina di rame, che porta a diminuire drasticamente in conducibilità di grafene. Un ricottura 1 ora a temperatura elevata contribuirebbe al miglioramento della lamina cristallinità Cu nonché la rimozione di eventuali contaminanti dalla lamina Cu.
La crescita di ZnO nanorod dipende dalle condizioni di preriscaldamento idrotermale, quindi, la concentrazione ottimale, temperatura e tempo di crescita devono essere attentamente calibrata. La concentrazione di nitrato di zinco esaidrato e HMT determina il diametro nanorod ZnO, l'additivo PEI non solo forniscono il miglioramento nel rapporto di formato di ZnO nanorod ma anche aiutare la crescita ZnO continua per lungo tempo 17,18.
Le immagini SEM di Tipica freestanding eeterostruttura doppia sono mostrati in Figura 6. Come si vede da queste figure, l'array di nanotubi ZnO sul fondo di grafene comincia a crescere dopo 12 ore di crescita, e la loro lunghezza da 0,71 aumentare linearmente a 1.56 um. Inoltre, la lunghezza di nanotubi ZnO sulla sommità di grafene è linearmente aumentare prima 12 ore, e quindi saturato circa 2 micron dopo la crescita di ribasso coltivate ZnO nanorod. Questo risultato indica che la crescita nanorod ZnO obbedisce alla maniera di idrotermale routine prima di 12 ore, ma il doppio eterostruttura iniziano a crescere dopo 12 ore a causa di strato semi decomposto e il difetto posto vacante di grafene 19. Dal momento che abbiamo appena regolati il tempo di crescita della tipica tecnica idrotermale per fabbricare doppio eterostruttura, la metodologia proposta qui può essere utilizzato per altri ossidi metallici idrotermicamente cresciuti, come TiO2, SnO 2 e Fe 3 O 4.
Per elettricamisure, è necessario esaminare se il segnale elettrico viene dal nanogeneratore fabbricato. Triboelectricity tra nanogeneratore e sistema di misura porta a disturbi elettrici, e interrompe l'osservazione accurata delle prestazioni piezoelettrico. Questo viene evitato configurando attentamente la posizione iniziale in cui nanogeneratore è leggermente a contatto con sistema di misura.
In sintesi, questo manoscritto in dettaglio i protocolli facili per fabbricare un ZnO nanorod / grafene / ZnO nanorod epitassiale doppio eterostruttura. L'approccio versatile per costruire doppio eterostruttura potrebbe migliorare non solo la densità numero di ZnO nanorod ma anche l'area specifica superficiale di doppio eterostruttura in una data regione. Questo approccio utilizza quindi due tecniche di crescita consecutivi costruire precisamente nanomateriali unici in strutture spazialmente disposte che può servire come materiali funzionali per il numero di app elettronici e optoelettronicilicazioni come l'elettronica del touchpad, guanti intelligenti, dispositivi impiantabili, e biosensori.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cu foil | Alfa Aesar | 13382 | |
| poly(methyl methacrylate) (PMMA) | Aldrich | 182230 | |
| zinc nitrate hexahydrate | Sigma-Aldrich | 228732 | |
| hexamethylenetetramine (HMT) | Sigma-Aldrich | 398160 | |
| polyethylenimine (PEI) | Sigma-Aldrich | 408719 | |
| indium tin oxide (ITO) coated PET | Aldrich | 639303 | |
| Silicone Elastomer Kit | Dow Corning | Sylgard 184 a, b | |
| Nickel Etchant Type1 | Transene Company | 41212 |
References
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