Summary
Один шаг Способ изготовления для получения автономный эпитаксиального двойной гетероструктуры представлена. Такой подход мог бы добиться охвата ZnO с более высокой плотностью, чем в эпитаксиальных гетероструктур одной, что приводит к пьезоэлектрической nanogenerator с электрическими характеристиками увеличился вывода.
Abstract
Ну-выровненные ZnO наноструктуры интенсивно изучались в течение последнего десятилетия для замечательных физических свойств и огромных приложений. Здесь мы опишем технику изготовления один шаг в синтез автономных ZnO наностержней / графен / ZnO наностержней двойной гетероструктуры. Получение двойной гетероструктуры выполняется с использованием термическим осаждением химических паров (CVD) и подогрева техники гидротермической. Кроме того, морфологические свойства были охарактеризованы с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Полезность стоящая двойной гетероструктуры демонстрируют изготовления пьезоэлектрического nanogenerator. Электрическое выход улучшается до 200% по сравнению с одной гетероструктуры за счет связи эффекта пьезоэлектричества между массивами ZnO наностержней на верхней и нижней части графена. Этот уникальный двойной гетероструктуры имеют огромный потенциал для применения электрического и оптоУстройства, где высокая плотность количество и удельную площадь поверхности наностержню необходимы, такие как датчик давления, иммуно-биосенсора и сенсибилизированных красителем солнечных элементах.
Introduction
В последнее время портативные и носимые электронные устройства стали важным элементом для комфортной жизни в связи с развитием нанотехнологий, в результате чего огромные требования для источника питания в диапазоне мкВт на милливатт. Значительные подходы к источнику питания портативных носимых устройств и были достигнуты возобновляемых источников энергии, в том числе солнечной энергии, тепловой 1,2 3,4 и механической источника 5,6. Пьезоэлектрический nanogenerator интенсивно изучались в качестве одного из возможных кандидатов на уборочной энергии устройства из сред, таких как шелест листа 7, 8 звуковую волну и движение человеческого бытия 9. Основной принцип, лежащий в nanogenerator это соединение между пьезоэлектрическим потенциалом и диэлектрического материала в качестве барьера. Пьезоэлектрический потенциал, создаваемый в деформированном материале вызывает переходный ток, который течет через внешний CIRCПИФ, который уравновешивает потенциал на поверхности раздела между пьезоэлектрическими и диэлектрического материала. Производительность nanogenerator можно было бы улучшить с помощью наноструктуры пьезоэлектрического материала из-за отказоустойчивости при отказоустойчивости при высоких нагрузках и отзывчивость к крошечной деформации 10.
Одномерная наноструктуры оксида цинка является перспективным компонентом для пьезоэлектрических материалов в nanogenerator из-за его привлекательных свойств, например, высокая пьезоэлектричество (26,7 пм / В) 11, оптической прозрачностью 12 и поверхностным синтез с помощью химических процессов 13. Подход гидротермального выращивания хорошо выровненный ZnO наностержней получает большое внимание из-за низкой стоимости, экологически синтеза и потенциала для легкого масштабирования вверх. Кроме того, предварительный нагрев техника гидротермальных легко управляема в экспериментальных условиях, в результате чего во многих видах новых наноструктур, таких, как nanoleaves 14,nanoflowers 15 и нанотрубок 16. Новые наноструктуры позволяют благоприятное воздействие на выполнение электрических и оптоэлектронного устройства, где высокая удельная поверхность материала требует.
В этом протоколе мы опишем экспериментальные процедуры для синтеза более новой наноструктуры (т.е., отдельно стоящая двойной гетероструктуры). Рост ZnO наностержню на границе между графена и полиэтилентерефталата (ПЭТ) подложки приводит к самостоятельной Подъемная наностержней ZnO / графена одного гетероструктуры, получая автономный двойной гетероструктуры. Кроме того, представляется возможным применение этого уникального наноструктуры для электронных устройств и оптоэлектронного свидетельствует изготовления пьезоэлектрического nanogenerator. Корпусная двойной гетероструктурой обеспечивает не только высокую удельную площадь поверхности, но и высокую плотность числа наностержню в данной области. Этот уникальный наноструктуры имеет огромное мощнымМВЛ для применения электрических и опто устройств, таких как датчик давления, иммуно-биосенсора и сенсибилизированных красителем солнечных элементах.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. химическое осаждение (CVD) Рост однослойных Графен
Примечание: графен используется в данном исследовании, выращивали на меди (Cu) фольга с использованием химического осаждения из паровой термической газовой фазы (CVD) Метод (фиг.1А). Рост однородна по площадью 2 см х 10 см для данной системы.
- Промыть Cu фольгу (2 см х 10 см) с умеренным потоком ацетон, изопропиловый спирт (ИПС) и дистиллированной воды, соответственно.
- Поместите очищенный Cu фольгу в 2 в кварцевой трубке. (Фиг.1В), а затем очистить камеру с вакуумом (примерно 1 мТорр) в течение 10 мин с помощью роторный насос.
- Настройка температуры цифровом печи и нарастить печи для 995 ° С, в то время как поддержание желаемых скоростей потока (100 SCCM для аргона и 50 SCCM для водорода) (рис 1в).
- Введем 20 SCCM метана (CH 4) в течение 10 мин, чтобы расти однослойных графена. Поддерживать 80 SCсм аргона и 20 SCCM пропускной водорода процесс.
- Дайте печи остыть до комнатной температуры в течение 5 мин с расходом, указанным в шаге 1.4. Очистите камеру снова аргоном в 100 кубических сантиметров в минуту.
2. Подготовка графеновых / полиэтилентерефталата (ПЭТ) субстрата
- Поместите графена вырос Cu фольгу (1,5 см х 2 см) на стекло, и исправить края от коммерческой ленты (рис 2А).
- Спин покрытие слой поли (метилметакрилата) (ПММА) в 500 оборотов в минуту в течение 5 секунд, а затем 3000 оборотов в минуту в течение 30 сек (Figure2B). Затем испечь ПММА с покрытием из фольги Cu подложки при 60 ° С в течение 2 мин, чтобы удалить остатки растворителя.
- Нарезать ПММА, покрытый фольгой Cu в меньшем штуку 1 см х 1,5, используя лезвие бритвы.
- Погрузитесь ПММА, покрытый фольгой Cu Ni в травильного резервуара (более 500 мл) путем размещения фольги лицо Cu вниз в течение 30 мин. Это оставляет плавающей ПММА слой графена на травильного раствора / (
- Совок ПММА / слой графена на предметное стекло, а затем погрузиться ПММА / слой графена в DI водохранилища. Повторите дважды. Наконец, совок ПММА / слой графена на ПЭТ подложку, (рис 2D), а затем выпекать подложки при 105 ° С в течение 2 мин, чтобы удалить воду остатка.
- Удалить слой ПММА путем погружения в теплой ацетоне (60 ° C) в течение 10 мин.
3. Синтез наностержней ZnO / Графен / ZnO наностержней эпитаксиальных двойной гетероструктуры
- Начнем с нагреванием раствора предшественника с 40 мМ нитрата цинка гексагидрата, 40 мМ гексаметилентетрамин (HMT) и 9 мМ полиэтиленимин (ПЭИ) в деионизированной воде в течение 60 мин при 95 ° С в конвекционной печи (фиг.3А). А именно, процесс предварительного нагрева.
- В то время как процесс нагрева, полностью покрыть решение с 5 мМ ацетата цинка в этаноле на подложку и спина пальто слой зинС ацетата на графен / ПЭТ подложку при 500 оборотов в минуту в течение 5 секунд, а затем 2000 оборотов в минуту в течение 60 секунд (фиг.3В и фиг.3С) .Затем, печь субстрата при 200 ° С в течение 30 мин. Повторите дважды. Толщина слоя составляет примерно 30 нм.
- Опустить семян покрытием графена / ПЭТ подложки в предварительно нагретую раствора путем размещения подложки лицо вниз при 95 ° С (рис 3D). Определить время нагрева для требуемого наноструктуры, то есть один гетероструктуры (т <12 ч, рис 3E) и дважды гетероструктуры (т> 12 ч, рис 3F).
- Осторожно распыления этанола на подложке и высушить при комнатной температуре в течение 1 часа.
Примечание: Для сканирующей электронной микроскопии (SEM), кости образца в меньший кусок 5 мм х 5 мм с помощью лезвия бритвы и смонтировать образца на SEM этапе.
4. Изготовление пьезоэлектрических Nanogenerator
Примечание: пьезоэлектрический Nanogenerator в этом исследовании имеет три электрода (верхняя, средняя, нижняя). Использование оксида индия и олова (ITO), покрытых ПЭТ в качестве нижнего электрода (фиг.4А).
- Спин пальто слой полидиметилсилоксана (PDMS) при 500 оборотах в минуту в течение 5 сек, а затем 6000 оборотов в минуту в течение 60 секунд, чтобы сформировать изолирующий слой между ITO и ZnO наностержню (рис 4В). Толщина слоя составляет примерно 3 мкм.
- Полностью вылечить подложки при 80 ° С в течение 2 ч в конвекционной печи.
- Передача графена PDMS покрытием ITO / ПЭТ подложки с помощью метода в разделе 2 (фиг.4С).
- Синтезировать двойной гетероструктуры на подложке с использованием способа в разделе 3 (рис 4D).
- Спин покрытие слой PDMS в 500 оборотов в минуту в течение 5 секунд, а затем 5000 оборотов в минуту в течение 60 сек, чтобы улучшить надежность и долговечность наностержню ZnO, а затем полностью вылечить это при 80 ° С в течение 2 ч (рис 4E). Толщина слояпримерно 8 мкм.
- Обложка подложки с ITO ПЭТ-покрытием в качестве верхнего электрода (рис 4F).
Настройка 5. Электрические характеристики Измерение
Примечание: Мы создали на заказ оборудования для электрических характеристик производительности, используя линейный двигатель, коммерческий масштаб и осциллограф. Сборка рамы для поддержки вертикально линейный двигатель и поместите промышленном масштабе под линейным двигателем, как показано на фиг.5А. Шкала должна быть чувствительной к малым весом (0.02 кг - 20 кг).
- Поместите nanogenerator по шкале, а затем подключить электроды nanogenerator для зондирования зонды осциллографа (рис 5а и 5б).
- Установите начальные и конечные позиции и скорости линейного двигателя в то время как внимательно следит за вес в масштабе.
Совет: Настройте исходное положение, где nanogenerator слегка контакт с измement установки. Скорость линейного двигателя определяет скорость деформации. - Начало линейного двигателя и контролировать сигнал напряжения с течением времени. Сохранить в зависимости от времени сигнала напряжения в флэш-памяти. Штамм ставка: 100 мм / сек и приложенная нагрузка: 50 Н.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Сканирование электронной микроскопии (СЭМ) изображения, показанные на рисунке 6 настоящее время морфологии гидротермально выращенных ZnO наностержней. Методика предварительного нагрева гидротермальной может привести к двум различным наноструктур в зависимости от времени роста. 6А показан типичный образ ZnO наностержню на графеновом / ПЭТ подложку, в то время роста 5 ч. В противоположность этому, изображение, показанное на фиг.6В показывает, что рост ZnO наностержню во время роста 12 ч успешно протекала не только в верхней части графена, но также в нижней части графена. Оба наностержней ZnO вертикально выравнивается по графена слоя, со средней длиной 2,49 и 0,70 мкм, соответственно. Кроме того, длина ZnO наностержню в нижней части графена увеличивается приблизительно в 2 раза, как время нарастания увеличивается до 24 часов, как показано на рисунке 6С. Рост ZnO наностержню на нижней Oе графен осуществляется на большой шкале (> 30 мкм) и приводит к самостоятельной высоте ZnO наностержней / графена конструкции, тем самым формируя Корпусная двойной гетероструктуры (рис 6D).
7А показана фотография пьезоэлектрического nanogenerator, который состоит из свободно сто двойной гетероструктуры и двух ITO покрытием ПЭТ подложки, как в верхней и нижней электрода. Электрическая выход возник из nanogenerator, а не системы измерения, что подтверждается полярности переключения измерения (рис 7В и 7С). Выходные напряжения от массивов ZnO наностержню на верхней и нижней части графена наблюдаются до 0,5 В и 0,3 В соответственно, с применением периодических компресс высвобождением нагрузки 49 N (рис 7E и 7F). Кроме того, оба массивы ZnO наностержню производить расширенную outpuт напряжение и ток со средними значениями 0,9 В и 70 нА, соответственно. Результат моделирования осуществляется COMSOL пакета показывает, что полярность ZnO наностержню на верхней и нижней графена обратной хорошее согласие между результатами, полученными из экспериментов и моделирования (Рис 7D).
Рисунок 1. Рост слоя графена одного. (А) Изображение экспериментальной установки для термического CVD. (B), размещение фольги меди в печи роста и стадии (С) роста для однослойного графена. Для большей версии этой фигуры Пожалуйста, нажмите здесь.
Фигура2. Процесс поток передачи графена с помощью метода промысла. Для большей версии этой фигуры Пожалуйста, нажмите здесь.
Рисунок 3. Процесс синтеза для автономной двойной гетероструктуры. Для большей версии этой фигуры Пожалуйста, нажмите здесь.
Рисунок 4. Схема процесса изготовления для пьезоэлектрического nanogenerator. Для большей версии этой фигуры Пожалуйста, нажмите здесь.
Рисунок 5. Электрические установки измерения. (А) Домашний система измерения схемы и (Б) фотография измерительной системы. Для большей версии этой фигуры Пожалуйста, нажмите здесь.
Рисунок 6. СЭМ-изображения гидротермально выращенных ZnO наностержню. (A) Одноместный гетероструктуры после 5 часов роста. Двойной гетероструктуры после 12 ч (Б) и 24 ч (C) роста и (D) Корпусная двойной гетероструктуры. Для увеличения версии Тхи Пожалуйста, нажмите здесьс фигурой.
Рисунок 7. Типичные результаты для пьезоэлектрического nanogenerator. (А) фотографии сфабрикованному nanogenerator. Выходные напряжения в прямом (В) и обратного (C) соединения. (D), COMSOL моделирование пьезоэлектрического потенциала вдоль наностержню ZnO под осевой деформации. Размеры наностержню являются L = 600 нм и = 60 нм и внешняя сила 80 NN. Выходные напряжения (E) и токи (F) на nanogenerator. Для большей версии этой фигуры Пожалуйста, нажмите здесь.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Пожалуйста, обратите внимание, что высокое качество (> 99,8%, отожженной) из Cu фольги следует рассматривать в качестве субстрата для успешного роста однослойного графена. В противном случае, один слой графена не равномерно выросла за фольгой Cu, что приводит к значительно уменьшить проводимости графена. А 1 ч отжига при высокой температуре поможет улучшение фольги кристалличности Cu, а также удаление любых загрязнений из фольги Cu.
Рост ZnO наностержню зависит от условий для подогрева гидротермической, следовательно, оптимальная концентрация, температура и время для роста должны тщательно калибровать. Концентрация гексагидрата нитрата цинка и ГМТ определяет диаметр ZnO наностержню добавка PEI не только обеспечивают повышение в пропорции гпо наностержню, но и помочь непрерывный рост ZnO в течение длительного времени 17,18.
СЭМ изображения типичных автономная одного идвойной гетероструктуры показано на фиг.6. Как можно видеть из этих фигур, массив ZnO наностержней на дне графена начинает расти после 12 часов роста, а их длина линейно увеличивают от 0,71 до 1,56 мкм. Кроме того, длина ZnO наностержней в верхней части графена линейно увеличивают до 12 ч, а затем насыщенным примерно 2 мкм после роста вниз выращенных ZnO наностержню. Этот результат показывает, что рост наностержней ZnO подчиняется способ обычной гидротермальной до 12 ч, но двойной гетероструктуры начинают расти после 12 часов из-за разложенного слоя семян и дефекта вакансий графена 19. Так как мы просто регулировать время роста типичной методике гидротермального изготовить двойной гетероструктуры, методологией, предложенной здесь могут быть использованы для других гидротермально выращенных окислов металлов, таких как TiO 2, SnO 2 и Fe 3 O 4.
Для электрическогоИзмерения, необходимо изучить или не приходят электрический сигнал от сфабрикованного nanogenerator. Трибоэлектричество между nanogenerator и измерительной установки приводит к электрическим помехам, и прерывает точного наблюдения пьезоэлектрического производительности. Этого можно избежать путем настройки начальное положение, где nanogenerator слегка контактирует с измерительной установки.
В целом, эта рукопись детализирует FACILE протоколы для изготовления ZnO наностержней / графен / ZnO наностержней эпитаксиального двойной гетероструктуры. Универсальный подход к построить двойной гетероструктуры могут повысить не только количество плотность ZnO наностержню но и удельную площадь поверхности двойной гетероструктуры в данном регионе. Этот подход, таким образом, использует два последовательных методов роста точно построить уникальные наноматериалы в пространственно расположенных структур, которые могут служить в качестве функциональных материалов для ряда электронных и оптико-приложениеликаций, такие как тачпада электроники, смарт-перчатки, имплантируемых устройств, биосенсоров. и
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).
