Summary
Ett-trinns fremstillingsmetode for å oppnå frittstående epitaksiale dobbelt hetrostruktur er presentert. Denne tilnærmingen kan oppnå ZnO dekning med et høyere antall tetthet enn den epitaksiale enkelt hetrostruktur, fører til en piezoelektrisk nanogenerator med økt elektrisk utgangsytelse.
Abstract
Godt justert ZnO nanostrukturer har blitt nøye studert det siste tiåret for bemerkelsesverdige fysiske egenskaper og enorme applikasjoner. Her beskriver vi en ett-trinns fabrikasjon teknikken til syntesefrittstående ZnO nanorod / graphene / ZnO nanorod dobbel hetrostruktur. Fremstillingen av dobbelt hetrostruktur er utført ved hjelp av termisk kjemisk dampavsetning (CVD) og forvarming hydrotermal teknikk. I tillegg ble de morfologiske egenskaper karakteriseres ved hjelp av scanning elektronmikroskopi (SEM). Nytten av frittstående dobbel hetrostruktur er demonstrert av fabrikere den piezoelektriske nanogenerator. Den elektriske utgang blir forbedret til 200% sammenlignet med en enkelt hetrostruktur på grunn av koplingen effekten av piezoelectricity mellom matriser av ZnO nanorods på toppen og bunnen av graphene. Denne unike doble hetrostruktur har et enormt potensial for anvendelser av elektrisk og optoelectricalinnretninger hvor det høye antall tetthet og spesifikk overflate på nanorod er nødvendig, slik som trykksensor, immuno-biosensor og dye-sensibiliserte solceller.
Introduction
Nylig ble den bærbare og anvendelig elektronikksystemer et vesentlig element for et behagelig liv på grunn av nanoteknologi utvikling, noe som resulterer i at store krav til en strømkilde i størrelsesorden av mikrowatt til milliwatt. Betydelige tilnærminger for strømkilden av bærbare og bærbare enheter har blitt oppnådd ved fornybar energi, inkludert solenergi 1,2, termisk 3,4 og mekanisk kilde 5,6. Piezoelektrisk nanogenerator har blitt nøye studert som en av mulig kandidat for energihøsting enheten fra miljøer som rasler bladet 7, lydbølge 8 og bevegelse av menneske 9. Den primære prinsipp som ligger til grunn nanogenerator er koplingen mellom det piezo-elektriske potensial og dielektrisk materiale som en barriere. Den piezoelektriske potensialet generert på anstrengt materiale induserer forbigående strøm som renner gjennom ekstern circuit, som balanserer potensialet ved grenseflaten mellom piezoelektriske og dielektrisk materiale. Ytelsen til nanogenerator ville bli bedre ved hjelp av nanostrukturen av piezoelektrisk materiale på grunn av robusthet i henhold robusthet under høyt stress og reaksjonsevne til liten deformasjon 10.
En-dimensjonal sinkoksyd nanostrukturen er en lovende komponent for piezoelektriske materialer i nanogenerator på grunn av sin attraktive egenskaper, for eksempel, den høye piezoelectricity (26,7 pm / V) 11, optisk gjennomsiktighet 12, og lettvint syntese ved å bruke kjemisk prosess 13. Hydrotermale tilnærming for dyrking brønnen justert ZnO nanorod får stor oppmerksomhet på grunn av lave kostnader, miljøvennlige syntese og potensialet for enkel skalering opp. Videre er forvarming hydrotermale teknikken lett kan kontrolleres i eksperimentell tilstand, noe som resulterer i mange typer nye nanostrukturer slik som nanoleaves 14,nanoflowers 15 og nanorør 16. De nye nanostrukturer muliggjøre en fordelaktig effekt på ytelsen av de elektriske og den opto-elektriske apparater hvor det høye spesifikke overflateareal av materialet kreves.
I denne protokollen beskriver vi de eksperimentelle fremgangsmåter for syntese av flere nye nanostrukturen (dvs., frittstående dobbelt hetrostruktur). Veksten av ZnO nanorod ved grenseflaten mellom graphene og polyetylentereftalat (PET) substrat fører til den selvløftende ZnO nanorod / graphene enkelt hetrostruktur, hvilket ga den frittstående dobbelt hetrostruktur. Videre er det mulig anvendelse av denne unike nanostrukturen for elektroniske og optoelektroniske innretninger vist ved å fremstille en piezoelektrisk nanogenerator. Frittstående dobbel hetrostruktur gir ikke bare en høy spesifikk overflate, men også et høyt antall tetthet av nanorod i et gitt område. Denne unike nanostrukturen har en enorm potentIAL for anvendelser av elektriske og optoelectrical enheter, for eksempel trykkføler, immuno-biosensor og dye-sensibiliserte solceller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. kjemisk dampavsetning (CVD) Vekst av Single lagdelte Graphene
Merk: graphene brukt i denne studien ble dyrket på kobber (Cu) folie ved hjelp av termisk kjemisk dampavsetning (CVD) teknikk (figur 1A). Veksten er ensartet over et område på 2 cm x 10 cm for dette systemet.
- Vask Cu-folie (2 cm x 10 cm) med mild strøm av aceton, isopropyl-alkohol (IPA) og destillert vann, respektivt.
- Plasser renset Cu-folie i en 2 in. Kvartsrør (figur 1B), og deretter rense kammeret med vakuum (ca. 1 mTorr) i 10 minutter ved hjelp av rotasjonspumpe.
- Konfigurere temperaturen i ovnen og digitalisert rampe opp i ovnen til 995 ° C, og samtidig opprettholde de ønskede strømningsrater (100 SCCM for Argon og 50 SCCM for hydrogen) (figur 1C).
- Introdusere de 20 SCCM av metan (CH 4) for 10 min å vokse enkeltlags graphene. Opprettholde 80 fmcm av argon og 20 sccm av hydrogen gjennomstrømning prosessen.
- Tillat ovnen for å avkjøles til romtemperatur i løpet av 5 min med strømningshastigheter som er angitt i trinn 1,4. Rense kammeret igjen med Argon 100 SCCM.
2. Utarbeidelse av Graphene / polyetylentereftalat (PET) Substrat
- Plasser graphene vokst Cu folie (1,5 cm x 2 cm) på glass slide, og fikse kantene av kommersiell tape (Figur 2A).
- Spin belegge et lag av poly (metylmetakrylat) (PMMA) ved 500 opm i 5 sekunder og deretter 3000 opm i 30 sek (Figure2B). Deretter bake PMMA-belagte Cu-folie-substrat ved 60 ° C i 2 min for å fjerne løsningsmidlet rester.
- Terninger PMMA belagt Cu folie i mindre stykke 1 cm x 1.5 bruker barberblad.
- Dyppe PMMA belagte Cu-folie Ni etsemiddel i reservoaret (mer enn 500 ml) ved å plassere Cu-folie med forsiden ned i 30 min. Dette gjør at flytende PMMA / graphene lag på etchant løsning (
- Scoop PMMA / graphene lag opp på lysbildet glass, og deretter fordype PMMA / graphene lag i DI vannreservoar. Gjenta to ganger. Til slutt, scoop PMMA / graphene lag opp på PET-substrat (figur 2D), og deretter bake substratet ved 105 ° C i 2 min for å fjerne vann rester.
- Fjern det PMMA sjiktet ved dypping i varm aceton (60 ° C) i 10 minutter.
3. Syntese av ZnO Nanorod / Graphene / ZnO Nanorod Epitaxial Double hetrostruktur
- Begynn med oppvarming av forløperen oppløsningen med 40 mM sinknitrat-heksahydrat, 40 mM heksametylentetramin (HMT) og 9 mM polyetylenimin (PEI) i deionisert vann i 60 minutter ved 95 ° C i konveksjonsovn (figur 3A). Nemlig forvarming prosess.
- Mens forvarming prosess, dekker fullt ut av oppløsningen med 5 mM sinkacetat i etanol på substratet og spinn belegge et lag av zinc acetat på graphene / PET-substrat ved 500 opm i 5 sekunder og deretter 2000 opm i 60 sek (figur 3B og figur 3C) .Deretter, bake substratet ved 200 ° C i 30 min. Gjenta to ganger. Tykkelsen av laget er omtrent 30 nm.
- Fordype frøet belagt graphene / PET underlaget i forvarmet løsning ved å plassere underlaget ansiktet ned ved 95 ° C (figur 3D). Bestem oppvarmingstiden for ønsket nanostrukturen, dvs. enkelt hetrostruktur (t <12 timer, figur 3E) og dobbel hetrostruktur (t> 12 timer, Figur 3F).
- Spraye forsiktig etanol på substratet, og tørke den ved romtemperatur i 1 time.
Merk: For scanning elektronmikroskopi (SEM), terninger prøven i mindre stykke 5 mm x 5 mm ved hjelp av barberblad og montere prøven på SEM scenen.
4. Fabrikasjon av Piezoelektriske Nanogenerator
Merk: Piezoelektriske Nanogenerator i denne studien har de tre elektroder (topp, midten, nederst). Bruk indiumtinnoksid (ITO) belagt PET som bunnelektroden (figur 4A).
- Spin belegge et lag av polydimetylsiloksan (PDMS) ved 500 opm i 5 sekunder og deretter 6000 rpm i 60 sekunder for å danne det isolerende lag mellom ITO og ZnO nanorod (figur 4B). Tykkelsen av laget er omtrent 3 um.
- Fullt herde på substratet ved 80 ° C i 2 timer i varmluftsovn.
- Overfør graphene til PDMS belagte ITO / PET-substrat ved anvendelse av metoden i del 2 (figur 4C).
- Syntetisere dobbelt hetrostruktur på underlaget ved hjelp av metoden i avsnitt 3 (figur 4D).
- Spin belegge et lag av PDMS ved 500 opm i 5 sekunder og deretter 5000 rpm i 60 sekunder for å forbedre robustheten og holdbarheten av ZnO nanorod, og deretter herde den ved 80 ° C i 2 timer (figur 4E). Tykkelsen av lageter omtrent 8 mikrometer.
- Dekk til underlaget med ITO-belagt PET som den øverste elektroden (Figur 4F).
5. Elektrisk Ytelse Setup Measurement
Merk: Vi setter opp skreddersydd utstyr for elektrisk ytelse karakterisering ved hjelp av lineær motor, kommersiell skala og oscilloskop. Bygge opp rammen for vertikalt støtte av lineærmotoren, og plasser i kommersiell skala under lineærmotoren som er vist i figur 5A. Vekten skal være følsom for små vekt (0,02 kg - 20 kg).
- Plasser nanogenerator på en skala, og deretter koble elektrodene nanogenerator til sensing sonder av oscilloskop (Figur 5A og 5B).
- Sett opp de innledende og avsluttende posisjoner og hastighet av lineære motoren mens nøye overvåking vekten i skalaen.
Tips: Konfigurer utgangsposisjonen hvor nanogenerator er litt kontaktet med Måltement oppsett. Hastigheten på lineær motor bestemmer tøyningshastighet. - Start lineærmotoren og overvåker spenningssignalet over tid. Redd tidsavhengig spenningssignal i flash-minnet. Strain rate: 100 mm / sek og anvendt belastning: 50 N.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Scanning elektronmikroskopi (SEM) bildene som vises i Figur 6 til stede de morfologi av hydrothermally vokst ZnO nanorods. Den forvarming hydrotermisk teknikken kan resultere i to forskjellige nanostrukturer avhengig av veksttid. Figur 6A viser et typisk bilde av ZnO nanorod på graphene / PET-substrat ved veksttid på 5 timer. I motsetning til dette, viser bildet som vises i figur 6B at veksten av ZnO nanorod ved veksttid på 12 timer er vellykket satte ikke bare på toppen av graphene, men også på undersiden av graphene. Begge ZnO nanorods er vertikalt justert til graphene lag, med gjennomsnittlig lengde på 2,49 og 0,70 mikrometer, henholdsvis. I tillegg er lengden av ZnO nanorod på bunnen av graphene økt ca. 2 ganger så veksten tid øker opp til 24 timer, som vist i Figur 6C. Veksten av ZnO nanorod på bunnen of graphene blir utført over en stor skala (> 30 um) og resulterer i selv heving av ZnO nanorod / graphene konstruksjon, for derved å danne frittstående dobbelt hetrostruktur (figur 6D).
Figur 7A viser et fotografi av det piezoelektriske nanogenerator, som består av den frittstående dobbelt hetrostruktur og to ITO-belagte PET-substrater som toppen og bunnen elektrode. Den elektriske produksjonen er stammer fra nanogenerator stedet for målesystem, noe som bekreftes av polaritet-bytte måling (figur 7B og 7C). Utgangsspenningene fra de sammensetninger av ZnO nanorod på toppen og bunnen av graphene er observert opp til 0,5 V og 0,3 V, henholdsvis, ved å anvende periodiske komprimere frigivelse masse 49 N (figur 7E og 7F). Videre er begge rekker av ZnO nanorod produsere det forbedrede output spenning og strøm med gjennomsnittsverdier på 0,9 V og 70 nA, henholdsvis. Simuleringen Resultatet utført av COMSOL pakke avslører at polariteten ZnO nanorod på toppen og bunnen graphene er omvendt og god overensstemmelse mellom resultatene fra eksperimenter og simuleringer (Figur 7D).
Figur 1. Vekst av ett lag graphene. (A) Et bilde av eksperimentelt oppsett for termisk CVD. (B) Cu folie plassering i vekst ovn og (C) Vekst steg for enkelt lag graphene. Klikk her for en større versjon av dette tallet.
Figur2. Prosess flyt av graphene overføring ved hjelp av fiskemetoden. Klikk her for en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Syntese prosess for frittstående dobbel hetrostruktur. Klikk her for en større versjon av dette tallet.
Figur 4. Skjematisk av fabrikasjon prosessen for piezoelektriske nanogenerator. Klikk her for en større versjon av dette tallet.
Figur 5. Elektrisk oppsett måling. (A) Hjemmelaget målesystem skjematisk og (B) Et fotografi av målesystemet. Klikk her for en større versjon av dette tallet.
Figur 6. SEM bilder av hydrothermally vokst ZnO nanorod. (A) Enkelt hetrostruktur etter fem timer med vekst. Double hetrostruktur etter 12 timer (B) og 24 timer (C) av vekst og (D) Frittstående dobbel hetrostruktur. Klikk her for en større versjon av this figur.
Figur 7. Representative resultater for piezoelektriske nanogenerator. (A) En fotografi av fabrikkerte nanogenerator. Utgangsspenninger i forover (B) og revers (C) tilkoblinger. (D) COMSOL simulering av piezoelektrisk potensial langs en ZnO nanorod henhold aksial belastning. Dimensjonene av nanorod er L = 600 nm, og a = 60 nm og ytre kraft er 80 nN. Utgangsspenninger (E) og strøm (F) av nanogenerator. Klikk her for en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Legg merke til at den høye kvalitet (> 99,8%, annealed) av Cu-folie bør betraktes som et substrat for vellykket vekst av enkeltlags graphene. Ellers er det ett lag graphene ikke jevnt vokst over Cu folie, fører til dramatisk reduksjon i ledningsevne av graphene. En 1 time gløding ved høy temperatur ville bidra til forbedring av Cu-folie krystallinitet, så vel som fjerning av eventuelle forurensninger fra Cu-folie.
Veksten av ZnO nanorod avhenger av forholdene for forvarming hydrotermale følgelig den optimale konsentrasjon, temperatur og tid for vekst må nøye skal kalibreres. Konsentrasjonen av sinknitrat-heksahydrat og HMT bestemmer diameteren av ZnO nanorod, vil additivet PEI ikke bare gi forbedring i sideforholdet til ZnO nanorod men også bidra til kontinuerlig ZnO vekst i lang tid 17,18.
SEM bilder av typiske frittstående enkelt ogdobbel hetrostruktur er vist i figur 6. Som det kan ses fra disse figurene, begynner rekken av ZnO nanorods på bunnen av graphene å stige etter 12 timers vekst, og deres lengde lineært øke fra 0,71 til 1,56 um. Videre er lengden av ZnO nanorods på toppen av graphene øke lineært før 12 timer, og deretter mettet omtrent 2 mikrometer etter veksten av nedad dyrket ZnO nanorod. Dette resultatet indikerer at ZnO nanorod veksten adlyder den måte som er rutinemessig før hydrotermisk 12 timer, men den doble hetrostruktur begynner å vokse etter 12 timer på grunn av spaltning frø sjiktet og stilling av defekten graphene 19. Siden vi bare reguleres veksten tiden typisk hydrotermisk teknikk for å fremstille dobbelt hetrostruktur kan metodikken slått her anvendes for andre hydrotermisk dyrket metalloksider, slik som TiO2, SnO 2 og Fe 3 O 4.
For elektriskmålinger, er det nødvendig å undersøke hvorvidt det elektriske signal kommer fra den fabrikkerte nanogenerator. Triboelectricity mellom nanogenerator og oppsett måling fører til elektrisk støy, og avbryter nøyaktig observasjon av piezoelektrisk ytelse. Dette unngås ved omhyggelig å konfigurere den opprinnelige stilling hvor nanogenerator er litt i kontakt med oppsett måling.
Oppsummert detaljer dette manuskriptet de lettvinte protokoller for å fabrikkere en ZnO nanorod / graphene / ZnO nanorod epitaxial dobbel hetrostruktur. Den allsidige metode for å konstruere dobbelt hetrostruktur kunne forbedre ikke bare antall tettheten av ZnO nanorod men også det spesifikke overflateareal av dobbelt hetrostruktur i et gitt område. Denne tilnærmingen benytter dermed to påfølgende vekst teknikker til nettopp konstruere unike nanomaterialer i romlig arrangert strukturer som kan tjene som funksjonelle materialer for antall elektroniske og optoelektroniske applications som touchpad elektronikk, smarte hansker, implanterbare enheter og biosensorer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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
- Lee, S., Lee, Y., Park, J., Choi, D. Stitchable organic photovoltaic cells with textile electrodes. Nano Energy. 9, 88-93 (2014).
- Pan, S., et al. Wearable solar cells by stacking textile electrodes. Angew. Chem.-Int. Edit. 53, 6110-6114 (2014).
- Yang, Y., et al. Pyroelectric nanogenerators for harvesting thermoelectric energy. Nano Lett. 12, 2833-2838 (2012).
- Lee, J. H., et al. Highly stretchable piezoelectric-pyroelectric hybrid nanogenerator. Adv. Mater. 26, 765-769 (2014).
- Zhong, J., et al. Finger typing driven triboelectric nanogenerator and its use for instantaneously lighting up LEDs. Nano Energy. 2, 491-497 (2013).
- Tang, W., Han, C. B., Zhang, C., Wang, Z. L. Cover-sheet-based nanogenerator for charging mobile electronics using low-frequency body motion/vibration. Nano Energy. 9, 121-127 (2014).
- Li, S., Yuan, J., Lipson, H. Ambient wind energy harvesting using cross-flow fluttering. J. Appl. Phys. 109, 026104 (2011).
- Cha, S. N., et al. Sound-driven piezoelectric nanowire-based nanogenerators. Adv. Mater. 22, 4726-4730 (2010).
- Bai, P., et al. Integrated multilayered triboelectric nanogenerator for harvesting biomechanical energy from human motions. ACS Nano. 7, 3713-3719 (2013).
- Xu, S., Wang, Z. L. One-dimensional ZnO nanostructures: Solution growth and functional properties. Nano Res. 4, 1013-1098 (2011).
- Zhao, M. -H., Wang, Z. -L., Mao, S. X. Piezoelectric characterization of individual zinc oxide nanobelt probed by piezoresponse force microscope. Nano Lett. 4, 587-590 (2004).
- Nam, G. -H., Baek, S. -H., Cho, C. -H., Park, I. -K. A flexible and transparent graphene/ZnO nanorod hybrid structure fabricated by exfoliating a graphite substrate. Nanoscale. 6, 11653-11658 (2014).
- Zou, X., Fan, H., Tian, Y., Yan, S. Facile hydrothermal synthesis of large scale ZnO nanorod arrays and their growth mechanism. Mater. Lett. 107, 269-272 (2013).
- Qiu, J., et al. Single-crystalline twinned ZnO nanoleaf structure via a facile hydrothermal process. J. Nanosci. Nanotechnol. 11, 2175-2184 (2011).
- Qiu, J., et al. Synthesis and characterization of flower-like bundles of ZnO nanosheets by a surfactant-free hydrothermal process. J. Nanomater. 2014, 281461 (2014).
- Sun, Y., Riley, D. J., Ashfold, M. N. R. Mechanism of ZnO nanotube growth by hydrothermal methods on ZnO Film-coated Si substrates. J. Phys. Chem. B. 110, 15186-15192 (2006).
- Qiu, J., et al. The growth mechanism and optical properties of ultralong ZnO nanorod arrays with a high aspect ratio by a preheating hydrothermal method. Nanotechnology. 20, 155603 (2009).
- Qiu, J., et al. Solution-derived 40 µm vertically aligned ZnO nanowire arrays as photoelectrodes in dye-sensitized solar cells. Nanotechnology. 21, 195602 (2010).
- Shin, D. -M., et al. Freestanding ZnO nanorod/graphene/ZnO nanorod epitaxial double heterostructure for improved piezoelectric nanogenerators. Nano Energy. 12, 268-277 (2015).
