Summary
Método de fabricação de uma etapa para a obtenção autônoma heterostructure dupla epitaxial é apresentado. Esta abordagem poderia atingir a cobertura de ZnO com uma densidade em número maior do que a do heterostrutura única epitaxial, levando a uma nanogenerator piezoeléctrico com um desempenho eléctrico aumento da produção.
Abstract
Nanoestruturas de ZnO bem alinhadas têm sido intensamente estudada nos últimos dez anos para notáveis propriedades físicas e enormes aplicações. Aqui, descrevemos uma técnica de fabricação de uma etapa para síntese autônomo ZnO nanorod / grafeno / ZnO nanorod dupla heterostructure. A preparação da dupla heterostrutura é realizada utilizando deposição de vapor químico térmica (CVD) e o pré-aquecimento técnica hidrotermal. Além disso, as propriedades morfológicas foram caracterizados usando microscopia electrónica de varrimento (MEV). O utilitário de autônomo dupla heterostructure é demonstrado por fabricar a nanogenerator piezoelétrico. A potência eléctrica é melhorada até 200% em comparação com a de um único heterostrutura, devido ao efeito de engate da piezeletrecidade entre as matrizes de ZnO nanorods na parte superior e na parte inferior de grafeno. Este heterostructure dobro original tem um tremendo potencial para aplicações de elétrica e optoelectricaldispositivos em que o número de alta densidade e área superficial específica de nanorod são necessários, tais como o sensor de pressão, imuno-biossensor e células solares sensibilizadas por corante.
Introduction
Recentemente, os dispositivos electrónicos portáteis e portáteis tornou-se um elemento essencial para uma vida confortável devido ao desenvolvimento da nanotecnologia, o que resulta em as enormes exigências de uma fonte de energia na gama de microwatts de miliwatts. Abordagens consideráveis para a fonte de dispositivos portáteis e portáteis de energia foram alcançados pela energia renovável, incluindo energia solar 1,2, 3,4 e fonte térmica mecânica 5,6. Nanogenerator piezoelétrico foram intensamente estudados como um dos possíveis candidatos para o dispositivo de captação de energia a partir de ambientes, como o farfalhar da folha 7, 8 onda sonora e movimento de ser humano 9. O princípio fundamental subjacente ao nanogenerator é o acoplamento entre o material dielétrico e potencial piezoelétrico como uma barreira. O potencial piezoelétrico gerada em material de tensas induz a corrente transitória que flui através do circ externouit, que equilibra o potencial na interface entre piezoeléctrico e material dieléctrico. O desempenho do nanogenerator seria melhorada através da utilização de nanoestrutura de material piezoelétrico, devido à robustez sob robustez sob alta tensão e capacidade de resposta à pequena deformação 10.
Unidimensional nanoestrutura de óxido de zinco é um componente promissor para materiais piezoeléctricos em nanogenerator devido às suas propriedades atractivas, por exemplo, a sua elevada piezoelectricidade (26,7 pm / V) 11, transparência óptica 12, e síntese fácil através da utilização de processos químicos 13. Abordagem hidrotermal para o crescimento da nanorod ZnO bem alinhados recebe uma grande atenção devido ao baixo custo, a síntese do meio ambiente e potencial para facilitar o aumento de escala. Além disso, a técnica de pré-aquecimento hidrotérmico é facilmente controlável, em condição experimental, resultando em muitos tipos de novas nanoestruturas, tais como nanoleaves 14,nanoflowers 15 e 16 de nanotubos. As novas nanoestruturas permitir um efeito benéfico sobre o desempenho dos dispositivos eléctricos e optoeléctricos onde quer que a elevada área superficial específica do material é exigido.
Neste protocolo, descrevemos os procedimentos experimentais para a síntese de mais romance nanoestrutura (ou seja, independente duplo heterostructure). O crescimento de ZnO nanorod na interface entre grafeno e polietileno tereftalato (PET) substrato leva à nanorod o ZnO / heterostructure único grafeno auto-elevatórias, produzindo o dobro heterostructure autônomo. Além disso, a aplicação viável deste nanoestrutura exclusivo para dispositivos eletrônicos e optoeléctricos é demonstrada pela fabricação de um nanogenerator piezoelétrico. Heterostrutura dupla autoportante proporciona não só uma área superficial específica elevada, mas também uma elevada densidade de número de nanorod numa determinada área. Este nanoestrutura único tem um tremendo potenteIAL para aplicações de dispositivos elétricos e opto-eléctrico, tais como sensor de pressão, imuno-biosensor e células solares tingir-sensibilizadas.
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Protocol
1. Chemical Vapor Deposition (CVD) Crescimento de camada única de grafeno
Nota: O grafeno utilizada neste estudo foi cultivada em cobre (Cu) da folha utilizando a deposição química de vapor (CVD) técnica (Figura 1A). O crescimento é uniforme sobre uma área de 2 cm x 10 cm para este sistema.
- Lava-se a folha de Cu (2 cm x 10 cm) com um fluxo suave de acetona, álcool isopropílico (IPA) e água destilada, respectivamente.
- Coloque a folha de Cu limpos em um tubo de quartzo (Figura 1B) em 2., E depois purgar a câmara com vácuo (aproximadamente 1 mTorr) durante 10 minutos usando a bomba rotativa.
- Configurar a temperatura do forno digitalizadas e rampa até o forno a 995 ° C, mantendo as taxas desejadas de fluxo (100 SCCM para argônio e 50 SCCM para o hidrogênio) (Figura 1C).
- Introduzir os 20 sccm de metano (CH4) durante 10 min a crescer a única grafeno em camadas. Manter a 80 sccm de Argon e 20 sccm de taxa de transferência de hidrogênio do processo.
- Permitir que o forno arrefecer até à temperatura ambiente dentro de 5 minutos com os caudais especificados no passo 1.4. Purgar a câmara novamente com argônio a 100 sccm.
2. Preparação de grafeno / Polietileno Tereftalato (PET) Substrato
- Coloque a grafeno crescido folha de Cu (1,5 cm x 2 cm) sobre a lâmina de vidro, e fixar as extremidades de fita comercial (Figura 2A).
- Revestimento da rotação de uma camada de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) a 500 rpm durante 5 segundos e, em seguida, 3.000 rpm durante 30 seg (Figure2B). Em seguida, coze o substrato de folha de PMMA-Cu revestido a 60 ° C durante 2 minutos para remover o resíduo de solvente.
- Cortar a folha de Cu PMMA revestido em menor pedaço de 1 cm x 1,5 utilizando lâmina de barbear.
- Mergulhe PMMA folha revestido em Cu Ni reservatório etchant (mais de 500 ml), colocando a folha de rosto para baixo para Cu 30 min. Isso deixa o PMMA / camada de grafeno que flutua na solução etchant (
- Colher PMMA / grafeno camada em lâmina de vidro, e, em seguida, mergulhe PMMA camada / grafeno em reservatório de água DI. Repita duas vezes. Finalmente, colher de PMMA / grafeno camada em PET substrato (Figura 2D), e depois cozer o substrato a 105 ° C durante 2 minutos para remover o resíduo de água.
- Remover a camada de PMMA, por imersão em acetona quente (60 ° C) durante 10 min.
3. Síntese de ZnO nanorod / Grafeno / ZnO nanorod Epitaxial Duplo heterostructure
- Comece com o aquecimento da solução precursora com 40 mM de nitrato de zinco hexa-hidratado, 40 mM de hexametilenotetramina (HMT) e 9 mM, polietilenimina (PEI) em água desionizada durante 60 min a 95 ° C no forno de convecção (Figura 3A). Nomeadamente, o processo de pré-aquecimento.
- Enquanto processo de pré-aquecimento, cobrir integralmente a solução com 5 mM acetato de zinco em etanol no brasão substrato e rotação de uma camada de zinc etilo sobre o substrato grafeno / PET a 500 rpm durante 5 segundos e, em seguida, 2.000 rpm durante 60 segundos (Figura 3B e Figura 3C) .Em seguida, cozer o substrato a 200 ° C durante 30 min. Repita duas vezes. A espessura da camada é cerca de 30 nm.
- Imergir o substrato grafeno / PET revestido de semente numa solução pré-aquecido pela colocação do rosto substrato para baixo a 95 ° C (Figura 3D). Determinar o tempo de aquecimento para a nanoestrutura desejado, isto é, único heterostructure (t <12 h, Figura 3E) e heterostructure duplo (t> 12 h, Figura 3F).
- Pulverizá-la sobre o substrato de etanol e secá-lo a temperatura ambiente durante 1 h.
Nota: Para a microscopia eletrônica de varredura (MEV), dados da amostra na parte menor 5 milímetros x 5 mm, utilizando lâmina de barbear e montar a amostra no palco SEM.
4. Fabricação de Piezoelectric nanogenerator
Nota: nanog Piezoelectricenerator neste estudo tem os três eletrodos (alto, médio, baixo). Utilizar o óxido de índio e estanho (ITO) PET revestido como o eléctrodo de fundo (Figura 4A).
- Rotação revestimento uma camada de polidimetilsiloxano (PDMS) a 500 rpm durante 5 segundos e, em seguida, 6.000 rpm durante 60 segundos para formar a camada de isolamento entre ITO e ZnO nanorod (Figura 4B). A espessura da camada é de cerca de 3 micrómetros.
- Totalmente curar o substrato a 80 ° C durante 2 horas num forno de convecção.
- Transferir o grafeno para PDMS substrato revestido de ITO / PET usando o método descrito no ponto 2 (Figura 4C).
- Sintetizar a heterostrutura duas vezes sobre o substrato, utilizando o método descrito no ponto 3 (Figura 4D).
- Rotação revestimento uma camada de PDMS a 500 rpm durante 5 segundos e, em seguida, 5.000 rpm durante 60 segundos para aumentar a robustez e a durabilidade da nanorod ZnO, e, em seguida, curar completamente a 80 ° C durante 2 horas (Figura 4E). A espessura da camadaé de aproximadamente 8 mM.
- Cobrir o substrato com ITO revestido PET como o topo do eléctrodo (Figura 4F).
Setup Medição 5. Desempenho Elétrico
Nota: Montamos equipamento feito sob medida para a caracterização desempenho elétrico usando motor linear, escala comercial e osciloscópio. Para construir a estrutura de suporte vertical do motor linear e colocar a escala comercial sob o motor linear como mostrado na Figura 5A. A escala deve ser sensível ao pequeno peso (0,02 kg - 20 kg).
- Coloque o nanogenerator em uma escala, e em seguida, conecte os eletrodos de nanogenerator a detecção de sondas osciloscópio (Figura 5A e 5B).
- Configure as posições iniciais e finais e velocidade de motor linear enquanto monitora cuidadosamente o peso na balança.
Dica: Configure a posição inicial onde nanogenerator é ligeiramente contactado com MEASURconfiguração ement. Velocidade do motor linear determina a taxa de deformação. - Inicie o motor linear e monitorizar o sinal de tensão com o tempo. Salve o sinal de tensão dependente do tempo na memória flash. Taxa de deformação: 100 mm / sec e carga aplicada: 50 N.
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Representative Results
A microscopia eletrônica de varredura (SEM) imagens mostradas na Figura 6 apresentam a morfologia de nanobastões de ZnO hidrotermal cultivadas. A técnica hidrotérmica de pré-aquecimento pode resultar em dois nanoestruturas diferentes, dependendo do tempo de crescimento. A figura 6A mostra uma imagem típica de ZnO nanorod em grafeno substrato / PET no tempo de crescimento de 5 h. Em contraste, a imagem mostrada na Figura 6B indica que o crescimento de ZnO nanorod no tempo de crescimento de 12 h é precedido êxito não só no topo mas também de grafeno na parte inferior do grafeno. Ambos os nanorods ZnO são alinhados verticalmente à camada de grafeno, com comprimentos médios de 2,49 e 0,70 uM, respectivamente. Além disso, o comprimento de ZnO nanorod na parte inferior do grafeno é aumentada aproximadamente 2 vezes o tempo de crescimento aumenta até 24 horas, como mostrado na Figura 6C. O crescimento de ZnO nanorod no fundo of grafeno é realizada ao longo de um grande escala (> 30 mm) e resulta na elevação da auto-ZnO nanorod / grafeno construção, formando assim autônomo heterostructure dupla (Figura 6D).
A Figura 7A mostra uma fotografia do nanogenerator piezoelétrico, que composto pelo heterostructure duplo independente e dois substratos PET ITO-revestidos como o eletrodo superior e inferior. A saída elétrica é originado a partir da nanogenerator ao invés de sistema de medição, o que é confirmado por medição de comutação de polaridade (Figura 7B e 7C). As voltagens das matrizes de ZnO nanorod na parte superior e na parte inferior da saída grafeno são observados até 0,5 V e 0,3 V, respectivamente, pela aplicação das cargas de libertação periódicas compressa de 49 N (Figura 7E e 7F). Além disso, as matrizes de ambas as ZnO nanorod produzir o Outpu reforçadat tensão e corrente com valores médios de 0,9 V e 70 nA, respectivamente. O resultado da simulação realizada por pacote COMSOL revela que a polaridade de ZnO nanorod sobre o grafeno superior e inferior são inversa e uma boa concordância entre os resultados obtidos a partir de experimentos e simulação (Figura 7D).
Figura 1. Crescimento de grafeno única camada. (A) Uma imagem de instalação experimental para CVD térmica. (B) colocação folha de Cu em forno de crescimento e (C) etapa de crescimento para o grafeno única camada. Por favor clique aqui para uma versão maior desta figura.
Figura2. Fluxo do processo de transferência de grafeno usando método de pesca. Por favor clique aqui para uma versão maior desta figura.
Figura 3. Processo de síntese para a heterostructure dupla independente. Por favor clique aqui para uma versão maior desta figura.
Figura 4. Representação esquemática do processo de fabricação para nanogenerator piezoelétrico. Por favor clique aqui para uma versão maior desta figura.
Figura 5. configuração de medição elétrica (A) Home-made sistema. Medição esquemática e (B) Uma fotografia do sistema de medição. Por favor clique aqui para uma versão maior desta figura.
Figura 6. MEV de hidrotérmico crescido nanorod ZnO. (A) heterostructure único após 5 horas de crescimento. Heterostructure Duplo após 12 hr (B) e 24 horas (C) de crescimento e (D) Independente duplo heterostructure. Por favor clique aqui para uma versão maior do this figura.
Figura 7. Os resultados representativos para nanogenerator piezoelétrico. (A) Uma fotografia de nanogenerator fabricada. As tensões de saída em frente (B) e inverter as conexões (C). (D) Simulação COMSOL do potencial piezoelétrico ao longo de uma nanorod ZnO sob tensão axial. As dimensões da nanorod são L = 600 nm e A = 60 nm e força externa é de 80 nN. As tensões de saída (E) e correntes (F) de nanogenerator. Por favor clique aqui para uma versão maior desta figura.
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Discussion
Por favor note que a alta qualidade (> 99,8%, recozido) de folha de Cu deve ser considerada como um substrato para o crescimento de sucesso de grafeno camada única. Caso contrário, a única camada de grafeno não é uniformemente crescido ao longo da folha de Cu, levando a diminuir drasticamente na condutividade do grafeno. Um recozimento de 1 hora a alta temperatura iria ajudar a melhoria da cristalinidade de folha de Cu, bem como a remoção de quaisquer contaminantes provenientes da folha de Cu.
O crescimento de ZnO nanorod depende das condições de pré-aquecimento hidrotérmico, consequentemente, a concentração óptima, temperatura e tempo para o crescimento tem de ser cuidadosamente calibrada. A concentração de hexahidrato nitrato de zinco e HMT determina o diâmetro de ZnO nanorod, o aditivo PEI não só fornecer a melhoria no rácio de ZnO nanorod aspecto, mas também ajudar o crescimento ZnO contínuo por muito tempo 17,18.
As imagens SEM de típico único e independenteheterostrutura duplo são apresentados na Figura 6. Tal como pode ser visto a partir destas figuras, a matriz de ZnO nanorods na parte inferior do grafeno começa a crescer após 12 h de crescimento, e o seu comprimento aumentar linearmente a partir de 0,71 a 1,56? m. Além disso, o comprimento de ZnO nanorods no topo da grafeno é aumentar linearmente antes das 12 horas, e depois saturou-se a cerca de 2 uM, após o crescimento de baixo-crescido nanorod ZnO. Este resultado indica que o crescimento nanorod ZnO obedece à maneira de hidrotermal rotina antes de 12 horas, mas a dupla heterostructure começam a crescer depois de 12 horas devido à camada de sementes decomposto eo defeito vaga de grafeno 19. Uma vez que apenas regulado o tempo de crescimento da técnica típica para fabricar hidrotérmica dupla heterostrutura, a metodologia aqui proposto pode ser utilizado para outros óxidos metálicos hidrotermicamente cultivadas, tais como o TiO 2, SnO 2 e Fe 3 O 4.
Para elétricamedições, é necessário verificar se ou não o sinal eléctrico vindo do nanogenerator fabricado. Triboelectricity entre nanogenerator e configuração de medição leva ao ruído eléctrico, e interrompe a observação precisa do desempenho piezoelétrico. Isto é evitado pela configuração cuidadosamente a posição inicial, onde nanogenerator é ligeiramente em contacto com a configuração de medição.
Em resumo, este manuscrito detalha os protocolos fáceis de fabricar um ZnO nanorod / grafeno / ZnO nanorod epitaxial heterostructure dupla. A abordagem versátil para a construção de dupla heterostrutura poderia aumentar não só o número de densidade de ZnO nanorod mas também a área de superfície específica de dupla heterostrutura numa dada região. Esta abordagem utiliza, portanto, duas técnicas de crescimento consecutivos para construir precisamente nanomateriais exclusivos em estruturas espacialmente dispostos que podem servir como materiais funcionais para o número de app eletrônicos e optoeletrônicoscações como a electrónica do touchpad, luvas inteligentes, dispositivos implantáveis e biossensores.
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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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