Summary
자립 택셜 더블 헤테로 구조를 얻기위한 한 단계 제조 방법이 제공된다. 이 방법은 증가 된 성능과 출력 전기 압전 나노 발전기로 이어지는 단일 헤테로 에피보다 높은 수밀도 ZnO에 커버리지를 달성 할 수 있었다.
Abstract
잘 정렬 된 ZnO 나노 구조를 집중적으로 뛰어난 물리적 특성과 엄청난 응용 프로그램에 대한 지난 10 년 동안 연구되어왔다. 여기서는 된 ZnO 나노 막대 / 그라 / 산화 아연 나노 막대 이종 이중 자립 합성 한 단계 제조 기술을 설명한다. 더블 헤테로 구조의 제조는 열 화학적 기상 증착 (CVD)을 사용하여 기술 및 열수를 예열함으로써 수행된다. 또한, 형태 학적 특성은 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용하는 것을 특징으로 하였다. 이중 헤테로 자립의 유틸리티는 압전 나노 발전기 제조에 의해 입증된다. 전기 출력은 상단과 하단에 그래 핀의 ZnO 나노 막대 어레이 사이 압전성의 커플 링 효과로 인해 단일 헤테로 구조에 비해 200 %까지 향상된다. 이 독특한 이중 헤테로 구조는 전기 및 광전기의 애플리케이션을위한 엄청난 잠재력을 가지고이러한 압력 센서, 바이오 센서 및 면역 염료 감응 태양 전지와 같은 많은 수의 나노로드의 밀도와 비 표면적이 필요한 장치.
Introduction
최근 휴대용 전자 기기 및 착용 형 장치는 밀리 와트 마이크로 와트 범위의 전력 원에 대한 엄청난 수요 결과 나노 기술 개발에 힘 입어 쾌적한 생활을위한 필수적인 요소가되었다. 휴대용 장치 및 착용 형 전원 상당한 접근법 3,4- 태양열 에너지 1,2-, 5,6- 및 기계적 소스 포함한 재생 에너지에 의해 달성되었다. 압전 나노 발전기는 집중적 같은 잎 (7), 음파 (8)과 인간의 9 인의 이동을 쳐다 봅니다 같은 환경에서 에너지 수확 장치에 대한 가능한 후보 중 하나로 연구되고있다. 나노 발전기를 기초 기본 원리는 압전 장벽 전위와 유전체 사이의 결합이다. 스트레인 된 재료에서 발생하는 압전 전위는 외부 CIRC 흐르는 과도 전류를 유도압전체와 유전체 사이의 계면에서의 전위의 균형 UIT. 나노 발전기의 성능에 의한 변형이 작은 열 응력이 높은 견고성과 응답하에 아래 견고성으로 압전 재료의 나노 구조물을 이용하여 개선 될 것이다.
일차원 산화 아연 나노 구조물 인해 예 매력적인 특성에 나노 발전기의 압전 재료에 대한 유망한 성분이고, 높은 압전성 (26.7 PM / V) (11), 광 투명도 (12) 및 화학 공정 (13)을 사용하여 용이 한 합성. 잘 정렬 된 ZnO 나노 막대를 성장 열수 방식으로 인해 쉽게 스케일링까지 낮은 비용, 환경 친화적 인 합성과 가능성에 큰 관심을 받는다. 또한, 예열 열수 nanoleaves 기술은 나노 구조물 (14)의 신규 한 많은 종류의 결과, 실험 조건에서 쉽게 제어 가능한,15 nanoflowers 16 나노 튜브. 새로운 나노 물질의 높은 비 표면적이 요구되는 곳과 광 · 전기 기기의 성능에 대한 유리한 효과를 가능하게한다.
이 프로토콜에서는, 우리는 (이중 헤테로 자립, 즉) 더 새로운 나노 구조의 합성 실험 절차에 대해 설명합니다. 그래 핀, 폴리에틸렌 테레 프탈레이트 (PET) 기판 사이의 계면에서의 ZnO 나노로드의 성장은 독립형 이중 헤테로 구조를 산출, 잭업의 ZnO 나노 막대 / 그래 핀 단일 헤테로 구조로 연결됩니다. 또한, 전자 및 광 · 전기 장치에 대한이 독특한 나노 구조의 가능한 응용 프로그램은 압전 나노 발전기 제조에 의해 입증된다. 자립 더블 헤테로 구조는 높은 비 표면적 아니라 주어진 영역에서 나노로드의 높이 수밀도까지도 제공한다. 이 독특한 나노 구조는 강력한 엄청난이이러한 압력 센서, 바이오 센서 및 면역 염료 감응 태양 전지와 같은 전기 및 광전기 장치의 애플리케이션에 IAL.
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Protocol
1. 화학 기상 증착 (CVD) 성장 단층 그래 핀의
참고 : 본 연구에 사용 된 그래 핀은 구리 상에 성장시켰다 (Cu)로 호 열 화학 기상 증착 (CVD) 기술 (도 1A)를 사용. 성장은이 시스템에 대해 2cm의 X의 10 cm의 영역에 걸쳐 균일하다.
- 각각 아세톤 온화한 흐름, 이소 프로필 알콜 (IPA) 및 증류수로 구리 호일 (2cm X 10cm)을 세척한다.
- 2인치 석영 관 (그림 1B)에서 청소 구리 호일을 놓은 다음 로터리 펌프를 사용하여 10 분 동안 진공 (약 1 mTorr로)와 실을 제거.
- 디지털화 노의 온도를 설정하고, 원하는 유속 (100 sccm의 아르곤 및 수소 50 SCCM) (도 1C)을 유지하면서, 995 ℃로 가열 램프 업.
- 단일 층 그래 핀 성장을 10 분 동안 메탄 (CH 4)의 20 SCCM을 소개합니다. 80 SC 유지아르곤과 수소 cm 처리량의 20 sccm의 프로세스.
- 로이 단계 1.4에 지정된 유량 5 분 이내에 실온으로 냉각시킵니다. 100 SCCM에서 아르곤 다시 실을 제거.
그래 핀 / 폴리에틸렌 테레 프탈레이트 (PET) 기판의 제조 2
- 유리 슬라이드에 그래 핀 성장 구리 호일 (1.5 cm X 2cm)를 배치하고 상업 테이프 (그림 2A)로 가장자리를 고정합니다.
- 스핀 코팅 된 폴리 (메틸 메타 크릴 레이트)의 층 5 초 동안 500rpm에서 (PMMA), 그리고, 30 초 (Figure2B) 3,000 RPM. 이어서, 잔류 용매를 제거하기 위해 2 분 동안 60 ° C에서 PMMA 코팅 된 구리 호일 기판을 굽는다.
- 작은 조각 면도날을 사용하여 1cm X 1.5로 PMMA 코팅 구리 포일을 주사위입니다.
- 30 분 동안 구리 호일 얼굴을 아래로 배치하여 니켈 에칭 저장 (500 개 이상의 ㎖)에 PMMA 코팅 구리 포일을 담가. 이 에칭 용액에 부유 PMMA / 그래 핀 층 (잎
- 특종 PMMA / 그래 핀은 슬라이드 글라스에 최대 층, 다음의 DI 물이 저수지에 PMMA / 그래 핀 층을 담그지. 두 번 반복합니다. 마지막으로, PMMA / 그래 핀이 PET 기재 (도 2D)에 업층 특하고 잔류 물을 제거하기 위해 2 분 동안 105 ℃에서 기판을 굽는다.
- 10 분 동안 따뜻한 아세톤 (60 ° C)를 침지하여 PMMA 층을 제거합니다.
의 ZnO 나노 막대 / 그래 핀 / ZnO의 나노로드 에피 택셜 더블 헤테로 3. 합성
- 40 mM의 질산 아연 수화물과 전구체 용액을 가열 시작과 40mm 헥사 메틸렌 테트라 민 (HMT) 및 대류 오븐에서 95 ° C (도 3A)에서 60 분 동안 탈 이온수 9 밀리미터 폴리에틸렌 이민 (PEI). 즉, 공정의 예열.
- 예열 과정 동안, 완전히 기판에 스핀 코트 에탄올 5mm의 아연 아세테이트로 용액을 ZIN의 층을 덮C의 5 초 동안 500rpm에서 그래 핀 / PET 기판상의 아세트산은 60 초 (도 3b 및도 3c) 그 때는 2,000 rpm으로 30 분 동안 200 ℃에서 기판을 굽는다. 두 번 반복합니다. 층의 두께는 약 30 ㎚이다.
- 95 ° C (그림 3D)에서 기판의 얼굴을 아래로 배치하여 예열 된 용액에 종자 코팅 된 그래 핀 / PET 기판을 담근다. 원하는 나노 구조물의 가열 시간을 결정, 즉, 하나의 헤테로 구조 (T <12 시간, 그림 3E) 및 이중 헤테로 구조 (T> 12 시간, 그림 3 층).
- 조심스럽게 기판에 에탄올을 뿌려 1 시간 동안 실온에서 건조시킨다.
주 : 주 사형 전자 현미경 (SEM)의 경우, 면도날을 사용하여 작은 조각으로 5mm × 5 mm의 샘플을 주사위 SEM 스테이지 샘플 마운트.
압전 나노 발전기 4. 제작
참고 : 압전 NANOGenerator이 연구에서 세 개의 전극 (위, 중간, 아래)가 있습니다. 하부 전극 (도 4a)로서 PET 피복 산화 인듐 주석 (ITO)을 사용한다.
- 스핀 코팅 된 폴리 디메틸 실록산의 층 5 초 동안 500rpm에서 (PDMS), 그리고 6000 rpm으로 60 초 및 ITO의 ZnO 나노 막대 (도 4b) 사이에 절연 층을 형성한다. 층의 두께는 대략 3 ㎛의 것이다.
- 완전히 대류 오븐에서 2 시간, 80 ℃에서 기판을 경화.
- 제 2 절 (그림 4C)의 방법을 사용하여 ITO / PET 기판 코팅 된 PDMS에 그래 핀을 전송합니다.
- 섹션 3 (도 4d)에서 방법을 이용하여 기판 상에 더블 헤테로 구조를 합성.
- 스핀 코팅 5 초 동안 500rpm에서 PDMS 층 후 5,000 rpm으로 60 초 산화 아연 나노 막대의 견고성 및 내구성을 개선하고 완전히 2 시간 동안 80 ° C (도 4E)에 그것을 경화한다. 층의 두께약 8 μm의입니다.
- 상부 전극 (그림 4 층)으로 ITO 코팅 PET와 기판을 커버.
5. 전기 성능 측정 설정
참고 : 우리는 리니어 모터, 상업적 규모 및 오실로스코프를 사용하여 전기적 성능 특성에 대한 맞춤형 장비를 설정합니다. 수직 리니어 모터를지지하는 프레임을 구축하고도 5a에 도시 한 바와 같이 리니어 모터하에 상업적 규모를 배치했다. 규모는 작은 무게 (- 20kg 0.02 ㎏)에 민감해야한다.
- 오실로스코프의 프로브 (그림 5a 및도 5b)을 감지하는 나노 발전기의 전극을 연결 한 후 규모에 나노 발전기를 배치합니다.
- 주의 깊게 규모에 무게를 모니터링하면서 리니어 모터의 초기 및 최종 위치와 속도를 설정합니다.
팁 : 나노 발전기가 약간 지표 성과와 접촉 초기 위치 구성장담 설치. 리니어 모터의 속도는 변형률 속도를 결정합니다. - 리니어 모터를 시작하고 시간과 전압 신호를 모니터링한다. 플래시 메모리의 시간에 따른 전압 신호를 저장합니다. 스트레인 속도 : 100mm / 초 및 하중 : 50 N.
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Representative Results
주사 전자 현미경 (SEM) 수열 성장 된 ZnO 나노 막대의 모폴로지도 6에 도시 된 본 이미지. 예열 열수 기술은 성장 시간에 따라 두 개의 서로 다른 나노 구조물이 발생할 수있다.도 6A는 5 hr의 성장시 그라 / PET 기판 상에 산화 아연 나노 막대의 일반적인 이미지를 나타낸다. 대조적으로,도 6b에 도시 된 이미지는 12 시간의 시점에서 성장 된 ZnO 나노 막대의 성장이 성공적 그래 핀의 상부에뿐만 아니라 그래 핀의 바닥뿐만 아니라 진행되는 것을 나타낸다. 양쪽의 ZnO 나노 막대를 수직으로 각각 2.49 및 0.70 ㎛의 평균 길이로, 그래 핀 층에 정렬된다. 성장 시간은 24 시간까지 증가로서도 6c에 도시 된 바와 같이, 또한, 그래 핀의 하단의 ZnO 나노 막대의 길이는 약 2 배 증가된다. 아래 O에의 ZnO 나노로드의 성장F 그라 핀함으로써 자립 이중 헤테로 구조 (그림 6D)을 형성,의 ZnO 나노 막대 / 그래 핀 구조의 자기 상승에 큰 규모 (> 30 μm의) 결과를 통해 수행된다.
도 7a는 프리 스탠딩 이중 헤테로 구조 및 상부 및 하부 전극과 같은 두 개의 ITO 코팅 된 PET 기판으로 이루어지는 압전 나노 발전기의 사진을 보여준다. 전기 출력은 극성 전환 측정 (그림 7B 및 7C)에 의해 확인 된 나노 발전기가 아닌 측정 시스템에서 유래한다. 상부 및 그래 핀의 하단의 ZnO 나노로드의 배열로부터 출력 전압 (49) N (도 7E 및 7F)의주기적인 압축 해제 하중을 적용하여, 각각 0.5 V 및 0.3 V까지 관찰된다. 또한, 산화 아연 나노 막대의 두 배열은 강화 outpu를 생산T 전압과 0.9 V, 70 nA의 평균 값, 전류. COMSOL 패키지 의한 시뮬레이션 결과는 상부 및 하부에 그래 핀의 ZnO 나노 막대의 극성이 실험과 시뮬레이션 (도 7D)에서 얻은 결과와 잘 일치하고 역방향임을 보여준다.
단일 층 그래 핀의 그림 1. 성장. (A) 열 CVD를위한 실험 장치의 이미지입니다. (B) 성장로 단일 층 그래 핀에 대한 (C) 성장 단계에서 구리 호일 배치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림낚시 방법을 사용하여 그래 핀 전송 2. 프로세스 흐름. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
독립형 이중 헤테로 구조 그림 3. 합성 과정. 이 그림의 더 큰 버전 여기를 클릭하십시오.
그림 압전 나노 발전기의 제조 공정 4. 회로도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5. 전기 측정 설정. (A) 집에서 만든 측정 시스템 개략도 및 (B) 측정 시스템의 사진입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
수열 성장 된 ZnO 나노 막대의 그림 6. SEM 이미지. (A) 성장의 5 시간 후 단일 헤테로. 성장과 이중 헤테로 독립형 (D)의 12 시간 (B) 및 24 시간 (C) 후 더블 헤테로. 생의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오의 그림입니다.
그림 7. 압전 나노 발전기에 대한 대표 결과. (A) 제조 된 나노 발전기의 사진. 순방향 (B)의 출력 전압 및 역방향 (C) 연결. 축 변형에서의 ZnO 나노 막대를 따라 압전 가능성 (D) COMSOL 시뮬레이션. 나노 막대의 크기는 L = 600 nm의하며 = 60 nm이고, 외력 윈 80이다. 출력 전압 (E)과 나노 발전기의 전류 (F). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
단일 층 그래 핀의 성공적인 성장을위한 기판으로 고려되어야한다 고품질 (> 99.8 %, 어닐링) 구리 호일 있습니다. 그렇지 단층 그래 핀은 그래 핀의 균일 극적 전도도 감소로 이어지는 구리 포일 위에 성장하지 않는다. 높은 온도에서 1 시간 어닐링은 구리 호일에서 어떤 오염 물질의 구리 호일 결정의 개선뿐만 아니라 제거 도움이 될 것이다.
산화 아연 나노 막대의 성장이 수열을 예열 조건에 따라, 따라서, 최적의 농도, 온도 및 성장 시간은 신중하게 조정되어야한다. 질산 아연 수화물 및 HMT의 농도의 ZnO 나노 막대의 직경을 결정하고, 첨가제 PEI 만의 ZnO 나노로드의 애스펙트 비의 향상을 제공 할뿐만 아니라, 장시간 (17, 18)에 대해 연속 된 ZnO 성장을 도울 것이다.
일반적인 독립형 단일의 SEM 이미지와이중 헤테로 구조는도 6에 나타낸다. 이들 도면에서 알 수있는 바와 같이, 그래 핀의 하단의 ZnO 나노로드의 배열의 12 시간 성장 후 성장하기 시작하고, 그 길이는 직선 0.71에서 1.56 μm의 증가. 또한, 그래 핀의 위에 산화 아연 나노 막대의 길이는 12 시간 전에 선형으로 증가시킨 후 하방으로 성장 된 ZnO 나노 막대의 성장 후, 약 2 ㎛의 포화. 이 결과의 ZnO 나노로드의 성장은 12 시간 전에 루틴 수열의 방식을 따르는 것을 의미하지만, 이중 헤테로 구조로 인해 분해 된 시드 층 및 그라 핀 (19)의 결손을 12 시간 후 증가하기 시작한다. 우리는 단지 이중 헤테로 구조를 제조하는 일반적인 수열 법의 성장 시간을 조절하기 때문에, 여기에서 제안 된 방법은 이산화 티탄, 산화 주석 2 및 Fe 3 O 4와 같은 다른 수열 성장 금속 산화물, 사용될 수있다.
전기 용측정은, 상기 전기 신호가 제조 나노 발전기에서 온 것인지 여부를 검사 할 필요가있다. 나노 발전기 및 측정 설정 사이의 마찰 전기는 전기 노이즈로 연결, 압전 성능의 정확한 관찰을 중단. 이 신중 나노 발전기 약간 측정 셋업과 접촉 초기 위치를 설정함으로써 방지된다.
요약하면,이 원고의 ZnO 나노 막대 / 그래 핀 / 산화 아연 나노 막대 에피 택셜 이중 헤테로 구조를 제조하기위한 손쉬운 프로토콜을 자세히 설명합니다. 더블 헤테로 구조를 구성하는 방법은 다용도의 ZnO 나노 막대의 수밀도 아니라 주어진 영역에 더블 헤테로 구조의 비 표면적을 향상시킬뿐만 아니라 있었다. 이 방식은, 따라서 정밀 전자 및 광전자 응용 프로그램의 번호 등의 기능성 재료를 제공 할 수있는 공간적으로 배열 된 구조로 고유 나노을 구성하는 두 개의 연속 성장 기법을 이용하여이러한 터치 패드 전자, 스마트 장갑, 이식 장치, 바이오 센서 등의 lications.
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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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