Summary
Se presenta método de fabricación de un solo paso para la obtención independiente heteroestructura doble epitaxial. Este enfoque podría lograr una cobertura ZnO con una densidad numérica más alta que la de la heteroestructura sola epitaxial, lo que lleva a un nanogenerador piezoeléctrico con un rendimiento eléctrico aumento de la producción.
Abstract
Nanoestructuras de ZnO bien alineados se han estudiado intensamente durante la última década para las propiedades físicas extraordinarias y enormes aplicaciones. A continuación, describimos una técnica de fabricación de un solo paso para la síntesis independiente ZnO nanorod / grafeno / ZnO nanorod doble heteroestructura. La preparación de la heteroestructura doble se lleva a cabo mediante el uso de deposición de vapor químico térmico (CVD) y de precalentamiento técnica hidrotermal. Además, las propiedades morfológicas se caracterizaron mediante el uso de la microscopía electrónica de barrido (SEM). La utilidad de heteroestructura doble autoportante se demuestra por la fabricación de la nanogenerador piezoeléctrico. La salida eléctrica se mejora hasta un 200% en comparación con la de una sola heteroestructura debido al efecto de acoplamiento de la piezoelectricidad entre las matrices de nanorods de ZnO en la parte superior e inferior de grafeno. Esta doble heteroestructura única tiene un enorme potencial para las aplicaciones de la electricidad y optoeléctricodispositivos en los que se necesitan la alta densidad de número y superficie específica de nanorod, como sensor de presión, inmuno-biosensor y las células solares sensibilizadas por colorante.
Introduction
Recientemente, los dispositivos electrónicos portátiles y portátiles se convirtieron en un elemento esencial para una vida confortable, debido al desarrollo de la nanotecnología, que da lugar a las enormes demandas de una fuente de energía en el rango de microvatio de milivatios. Enfoques considerables para la fuente de alimentación de los dispositivos portátiles y portátiles se han alcanzado por la energía renovable, incluyendo 1,2 energía solar, térmica 3,4 y la fuente mecánica 5,6. Nanogenerador piezoeléctrico se han estudiado intensamente como uno de los posibles candidatos para el dispositivo de captación de energía de los ambientes, como el robo de la hoja 7, onda de sonido de 8 y el movimiento del ser humano 9. El principio primario que subyace en la nanogenerador es el acoplamiento entre el material dieléctrico y potencial piezoeléctrico como una barrera. El potencial piezoeléctrico generada en el material tensa induce la corriente transitoria que fluye a través de la circ externauit, que equilibra el potencial en la interfase entre piezoeléctrico y material dieléctrico. El rendimiento de nanogenerador se podría mejorar mediante el uso de nanoestructura de material piezoeléctrico debido a la robustez bajo robustez bajo alta tensión y capacidad de respuesta a pequeña deformación 10.
Nanoestructura de óxido de zinc unidimensional es un componente prometedor para materiales piezoeléctricos en nanogenerador debido a sus propiedades atractivas, por ejemplo, su alto piezoelectricidad (26,7 pm / V) 11, transparencia óptica 12, y la síntesis fácil mediante el uso de procesos químicos 13. Enfoque hidrotérmico para el cultivo de la nanorod ZnO bien alineada recibe una gran atención debido a la baja de costos, la síntesis respetuoso del medio ambiente y el potencial para una fácil ampliación. Por otra parte, la técnica hidrotermal de precalentamiento es fácilmente controlable en condición experimental, dando como resultado en muchos tipos de nanoestructuras novedosos, tales como nanoleaves 14,nanoflores 15 y nanotubos 16. Las nuevas nanoestructuras permiten un efecto beneficioso sobre el rendimiento de los dispositivos eléctricos y optoeléctricos donde se exige la alta superficie específica de material.
En este protocolo, se describen los procedimientos experimentales para la síntesis de más novedoso nanoestructura (es decir, independiente de doble heteroestructura). El crecimiento de ZnO nanorod en la interfaz entre el grafeno y polietileno tereftalato (PET) sustrato conduce a la del nanorod ZnO / heteroestructura sola grafeno autoelevadoras, produciendo el doble heteroestructura independiente. Además, la aplicación factible de esta nanoestructura única para dispositivos electrónicos y optoeléctricos se demuestra mediante la fabricación de un nano-generador piezoeléctrico. Independientes heteroestructura doble proporciona no sólo una alta superficie específica, pero también una alta densidad de número de nanorod en un área determinada. Esta nanoestructura única tiene una tremenda potenteIAL para aplicaciones de dispositivos eléctricos y optoeléctrico, como sensor de presión, inmuno-biosensor y las células solares sensibilizadas con tinte.
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Protocol
1. deposición de vapor químico (CVD) El crecimiento de una sola capa de grafeno
Nota: El grafeno utilizado en este estudio fue cultivada en el cobre (Cu) papel de aluminio usando el térmico deposición química de vapor (CVD) técnica (Figura 1A). El crecimiento es uniforme sobre un área de 2 cm x 10 cm para este sistema.
- Lavar la lámina de Cu (2 cm x 10 cm) con un flujo suave de acetona, alcohol isopropílico (IPA) y agua destilada, respectivamente.
- Coloque la lámina de Cu limpiado en un tubo de cuarzo (Figura 1B) en 2., Y luego purgar la cámara con vacío (aproximadamente 1 mTorr) durante 10 min utilizando una bomba rotatoria.
- Configurar la temperatura del horno digitalizada y la rampa hasta el horno a 995 ° C, manteniendo al mismo tiempo las tasas deseadas de flujo (100 SCCM para argón y 50 SCCM para el hidrógeno) (Figura 1C).
- Introducir los 20 sccm de metano (CH 4) durante 10 minutos para hacer crecer el grafeno sola capa. Mantener el 80 sccm de argón y 20 sccm de hidrógeno rendimiento del proceso.
- Deje que el horno se enfríe a RT dentro de 5 min con los caudales especificados en el paso 1.4. Purgar la cámara de nuevo con argón a 100 sccm.
2. Preparación de grafeno / Polietileno Tereftalato (PET) Sustrato
- Coloque el grafeno crecido Cu lámina (1,5 cm x 2 cm) en el portaobjetos de vidrio, y fijar los bordes de la cinta comercial (Figura 2A).
- Girar capa una capa de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) a 500 rpm durante 5 segundos y, a continuación 3000 rpm durante 30 seg (Figure2B). Luego, hornear el sustrato de lámina de Cu con revestimiento de PMMA a 60 ° C durante 2 minutos para eliminar los residuos de disolventes.
- Cortar la lámina de Cu PMMA recubierta en un pedazo más pequeño de 1 cm x 1,5 utilizando hoja de afeitar.
- Sumerja PMMA recubierta de aluminio en Cu Ni depósito de reactivo de ataque (más de 500 ml) mediante la colocación de la cara de lámina de Cu abajo durante 30 minutos. Esto deja a la PMMA capa flotante / grafeno en la solución decapante (
- Capa de la cucharada de PMMA / grafeno sobre portaobjetos de vidrio, y luego sumerja PMMA / capa de grafeno en el depósito de agua DI. Repetir dos veces. Por último, cucharada capa de PMMA / grafeno sobre PET sustrato (Figura 2D), y luego hornear el sustrato a 105 ° C durante 2 minutos para eliminar los residuos de agua.
- Eliminar la capa de PMMA por inmersión en acetona caliente (60 ° C) durante 10 min.
3. Síntesis de ZnO nanorod / grafeno / ZnO nanorod epitaxialLa heteroestructura doble
- Comience con el calentamiento de la solución precursora con 40 mM de nitrato de cinc hexahidratado, hexametilentetramina 40 mM (HMT) y polietilenimina 9 mM (PEI) en agua DI durante 60 min a 95 ° C en horno de convección (Figura 3A). A saber, el proceso de precalentamiento.
- Si bien el proceso de precalentamiento, cubra completamente la solución con acetato de zinc 5 mM en etanol en el escudo sustrato y girar una capa de zinc etilo sobre el sustrato grafeno / PET a 500 rpm durante 5 segundos y, a continuación 2000 rpm durante 60 segundos (Figura 3B y la Figura 3C) .A continuación, cocer el substrato a 200 ° C durante 30 min. Repetir dos veces. El espesor de la capa es de aproximadamente 30 nm.
- Sumergir el grafeno sustrato / PET semillas recubiertos en solución precalentada mediante la colocación de la cara del sustrato hacia abajo a 95 ° C (Figura 3D). Determinar el tiempo de calentamiento para la nanoestructura deseada, es decir, de un solo heteroestructura (t <12 h, Figura 3E) y el doble heteroestructura (t> 12 h, Figura 3F).
- Rociar con cuidado etanol sobre el sustrato y se seca a temperatura ambiente durante 1 hr.
Nota: Para la microscopía electrónica de barrido (SEM), dados la muestra en un pedazo más pequeño de 5 mm x 5 mm con hoja de afeitar y montar la muestra en el escenario SEM.
4. Fabricación de piezoeléctrico nanogenerador
Nota: nanog piezoeléctricoTenG en este estudio tiene las tres electrodos (superior, medio, inferior). Utilice el óxido de indio y estaño (ITO), recubierta PET como el electrodo de fondo (Figura 4A).
- Capa de la vuelta una capa de polidimetilsiloxano (PDMS) a 500 rpm durante 5 segundos y, a continuación 6000 rpm durante 60 segundos para formar la capa aislante entre ITO y ZnO nanorod (Figura 4B). El espesor de la capa es de aproximadamente 3 m.
- Curar completamente el sustrato a 80 ° C durante 2 horas en un horno de convección.
- Transferir el grafeno para PDMS recubiertas sustrato ITO / PET mediante el método en la Sección 2 (Figura 4C).
- Sintetizar la heteroestructura doble sobre el sustrato mediante el método en la Sección 3 (Figura 4D).
- Girar capa una capa de PDMS a 500 rpm durante 5 segundos y, a continuación 5000 rpm durante 60 seg para mejorar la robustez y durabilidad de la nanorod ZnO, y luego se curan completamente a 80 ° C durante 2 horas (Figura 4E). El espesor de la capa dees de aproximadamente 8 micras.
- Cubra el sustrato con PET recubierto de ITO como electrodo superior (Figura 4F).
Configuración de la medición 5. Rendimiento Eléctrico
Nota: Hemos creado equipos hechos a medida para la caracterización rendimiento eléctrico usando motor lineal, escala comercial y el osciloscopio. Construir el bastidor para soportar verticalmente el motor lineal y colocar la escala comercial bajo el motor lineal como se muestra en la Figura 5A. La escala debe ser sensible a los pequeños de peso (0,02 kg - 20 kg).
- Coloque el nanogenerador en una escala, y luego conectar los electrodos de nanogenerador a la detección de sondas de osciloscopio (Figura 5A y 5B).
- Configure las posiciones inicial y final y la velocidad del motor lineal mientras se monitorea cuidadosamente el peso en la báscula.
Consejo: Configure la posición inicial en la que se pone en contacto nanogenerador ligeramente con measurconfiguración ement. Velocidad del motor lineal determina la velocidad de deformación. - Arranque el motor lineal y monitorear la señal de tensión con el tiempo. Guarde la señal de tensión en función del tiempo en la memoria flash. Velocidad de deformación: 100 mm / seg y la carga aplicada: 50 N.
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Representative Results
La microscopía electrónica de barrido (SEM) imágenes que se muestran en la Figura 6 presente las morfologías de nanorods ZnO hidrotérmicamente cultivadas. La técnica hidrotermal de precalentamiento puede resultar en dos nanoestructuras diferentes dependiendo de la época de crecimiento. La Figura 6A muestra una imagen típica de ZnO nanorod en grafeno sustrato / PET en el momento crecimiento de 5 hr. En contraste, la imagen mostrada en la Figura 6B indica que el crecimiento de ZnO nanorod en el momento crecimiento de 12 h se procedió con éxito no sólo en la parte superior de grafeno, sino también en la parte inferior de grafeno. Ambos nanovarillas ZnO están verticalmente alineados a la capa de grafeno, con longitudes medias de 2,49 y 0,70 micras, respectivamente. Además, la longitud de ZnO nanorod en la parte inferior de grafeno se incrementa aproximadamente 2 veces como el tiempo de crecimiento aumenta hasta 24 hr, como se muestra en la Figura 6C. El crecimiento de ZnO nanorod en la parte inferior of grafeno se lleva a cabo a través de una gran escala (> 30 micras) y los resultados de la auto-elevación de ZnO constructo nanorod / grafeno, formando de esta manera independiente heteroestructura doble (Figura 6D).
La Figura 7A muestra una fotografía de la nanogenerador piezoeléctrico, el cual compone de la heteroestructura doble de cocción y dos sustratos de PET recubiertas con ITO como el electrodo superior e inferior. La salida eléctrica se origina desde el nanogenerador en lugar de sistema de medición, que se confirma por la medición de conmutación de la polaridad (Figura 7B y 7C). Las tensiones de salida de las matrices de ZnO nanorod en la parte superior e inferior de grafeno se observan hasta 0,5 V y 0,3 V, respectivamente, mediante la aplicación de las cargas de liberación compresa periódicas de 49 N (Figura 7E y 7F). Por otra parte, las matrices tanto de ZnO nanorod producen la Outpu mejoradat tensión y corriente con valores promedio de 0,9 V y 70 nA, respectivamente. El resultado de la simulación realizada por paquete de COMSOL revela que la polaridad de ZnO nanorod en el grafeno parte superior e inferior son acuerdo inversa y buena entre los resultados obtenidos a partir de experimentos y la simulación (Figura 7D).
Figura 1. Crecimiento de grafeno sola capa. (A) Una imagen de montaje experimental para la CVD térmica. (B) Cu colocación de papel de horno en el crecimiento y (C) Etapa de Crecimiento para la sola capa de grafeno. Haga clic aquí para una versión más grande de esta figura.
Cifra2. El flujo del proceso de transferencia de grafeno mediante el uso de métodos de pesca. Haga clic aquí para una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Proceso de síntesis para la heteroestructura doble independiente. Haga clic aquí para una versión más grande de esta figura.
Figura 4. Esquema del proceso de fabricación para nanogenerador piezoeléctrico. Haga clic aquí para una versión más grande de esta figura.
Figura 5. configuración de la medición eléctrica. (A) sistema de medición hecha en casa esquemática y (B) Una fotografía del sistema de medición. Haga clic aquí para una versión más grande de esta figura.
Figura 6. imágenes SEM de hidrotermalmente crecido nanorod ZnO. (A) heteroestructura individual después de 5 horas de crecimiento. Heteroestructura doble después de 12 horas (B) y 24 horas (C) del crecimiento y (D) autoportante heteroestructura doble. Por favor haga clic aquí para una versión más grande de this figura.
Figura 7. Los resultados representativos para nanogenerador piezoeléctrico. (A) Una fotografía de nanogenerador fabricada. Las tensiones de salida en adelante (B) y revertir conexiones (C). (D) de simulación COMSOL del potencial piezoeléctrico lo largo de una nanorod ZnO bajo tensión axial. Las dimensiones de la nanorod son L = 600 nm y a = 60 nm y la fuerza externa es 80 nN. Las tensiones de salida (E) y corrientes (F) de nanogenerador. Haga clic aquí para una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Tenga en cuenta que la alta calidad (> 99,8%, recocido) de Cu lámina debe ser considerado como un sustrato para el crecimiento exitoso de una sola capa de grafeno. De lo contrario, la única capa de grafeno no se cultiva de manera uniforme sobre la lámina de cobre, lo que lleva a disminuir drásticamente en la conductividad del grafeno. Un recocido de 1 hr a alta temperatura ayudaría a la mejora de la lámina de Cu cristalinidad así como la eliminación de contaminantes de la lámina de Cu.
El crecimiento de ZnO nanorod depende de las condiciones para el precalentamiento hidrotermal, por lo tanto, la concentración óptima, temperatura y tiempo para el crecimiento tienen que ser cuidadosamente calibrada. La concentración de hexahidrato de nitrato de zinc y HMT determina el diámetro de ZnO nanorod, el aditivo PEI no sólo proporcionaría la mejora en la relación de aspecto de ZnO nanorod sino también ayudar al crecimiento ZnO continua por mucho tiempo 17,18.
Las imágenes de SEM de Típica independiente yheteroestructura doble se muestra en la Figura 6. Como puede verse a partir de estas figuras, la matriz de nanorods de ZnO en la parte inferior de grafeno comienza a crecer después de 12 h de crecimiento, y su longitud aumenta linealmente desde 0,71 a 1.56 micras. Además, la longitud de nanorods de ZnO en la parte superior de grafeno está linealmente aumentar antes de 12 h, y luego saturado de aproximadamente 2 micras después de que el crecimiento de hacia abajo crecido nanorod ZnO. Este resultado indica que el crecimiento nanorod ZnO obedece a la manera de hidrotermal rutina antes de 12 horas, pero el doble heteroestructura comienzan a crecer después de 12 horas debido a la capa de semilla descompuesto y el defecto de vacantes de grafeno 19. Como nos acaba regulados el tiempo de crecimiento de la técnica típica hidrotermal para fabricar heteroestructura doble, la metodología propuesta aquí puede ser utilizado para otros óxidos metálicos hidrotermalmente cultivadas, tales como TiO2, SnO2 y Fe 3 O 4.
Para eléctricamediciones, es necesario examinar si la señal eléctrica proviene del nanogenerador fabricado. Triboelectricidad entre nanogenerador y configuración de la medición conduce al ruido eléctrico, e interrumpe la observación precisa del rendimiento piezoeléctrico. Esto se evita mediante la configuración cuidadosamente la posición inicial en la que se pone en contacto nanogenerador ligeramente con la configuración de la medición.
En resumen, este manuscrito detalla los protocolos fáciles de fabricar un ZnO nanorod / grafeno / ZnO nanorod epitaxial doble heteroestructura. El enfoque versátil para la construcción de doble heteroestructura podría mejorar no sólo la densidad numérica de ZnO nanorod sino también la superficie específica de doble heteroestructura en una región determinada. Así, este enfoque utiliza dos técnicas de crecimiento consecutivos para construir precisamente nanomateriales únicos en estructuras dispuestas espacialmente que puede servir como materiales funcionales para el número de aplicación electrónicos y optoelectrónicospublica- como la electrónica del touchpad, guantes inteligentes, dispositivos implantables y biosensores.
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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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