Summary
Duran epitaksiyel çift heteroyapı elde etmek için Bir adım fabrikasyon yöntemi sunulmaktadır. Bu yaklaşım, artmış bir çıkış elektrik performansı ile piezoelektrik nanogenerator yol epitaksiyel tek heteroyapıların göre daha yüksek bir sayı yoğunluğuna sahip ZnO kapsama elde edebiliriz.
Abstract
İyi hizalanmış ZnO nano yoğun dikkat çekici fiziksel özellikleri ve çok büyük uygulamalar için son on yıl içinde çalışmalar yapılmıştır. Burada, ZnO nanorod / grafen / ZnO nanorod iki heteroyapı bağlantısız sentez tek aşamalı bir imalat tekniği açıklar. Çift heteroyapıların hazırlanması ısı kimyasal buhar çöktürme (CVD) ile ve hidrotermal tekniği ön ısıtma ile gerçekleştirilir. Buna ek olarak, morfolojik özellikleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edilmiştir. Çift heteroyapı müstakil faydası piezoelektrik nanogenerator imalatı ile gösterilmiştir. Elektrik çıkış üst ve grafin altındaki ZnO nanoçubuklar dizileri arasındaki piezoelektrik birleştirme etkisi nedeniyle, tek bir heteroyapıların kıyasla% 200'e kadar artar. Bu benzersiz çift heteroyapı elektrik ve optoelectrical uygulamaları için muazzam bir potansiyele sahipbu basınç sensörü, immüno-biyosensör ve boya hassas güneş pilleri, yüksek sayıyla yoğunlukta ve nanorod spesifik yüzey alanı gerekli cihazlar.
Introduction
Son zamanlarda, taşınabilir ve giyilebilir elektronik cihazlar milliwatt için mikrowatt aralığında bir güç kaynağı için muazzam talepler sonuçları nanoteknoloji geliştirme, sayesinde rahat bir yaşam için vazgeçilmez bir unsur haline gelmiştir. Taşınabilir ve giyilebilir cihazlar güç kaynağı için önemli yaklaşımlar 3,4 termal güneş enerjisi 1,2, ve mekanik kaynağın 5,6 olmak üzere, yenilenebilir enerji ile elde edilmiştir. Piezoelektrik nanogenerator yoğun yaprak 7, ses dalgası 8 ve insan 9 olma hareketini hışırtı gibi ortamlarda, enerji hasat cihazı için muhtemel bir aday olarak ele alınmıştır. Nanogenerator altında yatan temel prensip bir engel olarak piezoelektrik potansiyeli ve dielektrik malzeme arasındaki bağlantı olduğunu. Gergin malzeme üretilen piezoelektrik potansiyel dış circ akar geçici akım indüklerpiezoelektrik ve dielektrik malzeme arasındaki ara yüzeyde bir potansiyel dengeleyen uit. Nanogenerator performansı nedeniyle küçük deformasyon 10 yüksek stres ve yanıt altında sağlamlık altında sağlamlığına piezoelektrik malzemenin nano yapısını kullanarak geliştirilmiş olacaktır.
Tek boyutlu çinko oksit nano nedeniyle, örneğin çekici özellikleri ile nanogenerator piezoelektrik malzemeler için umut verici bir bileşenidir, yüksek piezoelektrik (26.7 pm / V) 11, optik saydamlık 12 ve kimyasal işlem 13 ile uyduruk sentezi. Iyi hizalanmış ZnO nanorod yetiştirmek için Hidrotermal yaklaşımı nedeniyle kolay ölçeklendirme kadar düşük maliyetle, çevre dostu sentez ve potansiyeli büyük bir ilgi toplamaktadır. Ayrıca, ön ısıtma hidrotermal teknik, nanoleaves 14 gibi yeni nano birçok türde ile sonuçlanan, deneysel koşullarda kolayca kontrol edilebilir,15 nanoflowers ve 16 nano tüplerin. Yeni bir nano malzemenin yüksek spesifik yüzey alanı talep her yerde Elektrik ve optoelectric cihazların performansı üzerinde yararlı bir etkiye olanak tanır.
Bu protokol, biz (çift heteroyapı bağlantısız, yani) daha yeni nano sentezi için deneysel prosedürler açıklanmaktadır. Grafin ve polietilen tereftalat (PET) alt-tabaka arasındaki ara yüzeyde ZnO nanorod büyüme duran iki heteroyapı verecek şekilde kendiliğinden yükselen ZnO nanorod / grafin tek heteroyapıların yol açar. Ayrıca, elektronik ve optoelectric cihazlar için bu eşsiz nano ve uygun bir uygulama, bir piezoelektrik nanogenerator imal ile gösterilmektedir. Müstakil iki heteroyapı yüksek bir spesifik yüzey alanı, aynı zamanda, belirli bir alanda nanorod yüksek bir sayı yoğunluğu, sadece içerir. Bu eşsiz nano güçlü büyük bir yer alırBöyle basınç sensörü, bağışıklık biyosensör ve boya duyarlı güneş hücreleri gibi elektrikli ve optoelectrical cihazlar, uygulamalar için ial.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) Büyüme Tek Katmanlı Grafen arasında
Not: Bu çalışmada kullanılan grafen bakır yetiştirildiği (Cu) folyo termal kimyasal buhar biriktirme (CVD) tekniği (Şekil 1A) kullanarak. Büyüme bu sistem için 2 cm x 10 cm'lik bir alan içinde aynıdır.
- Sırasıyla aseton hafif akımı, izopropil alkol (IPA) ve damıtılmış su ile Cu folyo (2 cm x 10 cm) yıkayın.
- Bir 2. Kuvars tüp (Şekil 1B) temizlenmiş Cu folyo yerleştirin ve daha sonra döner pompa kullanılarak 10 dakika boyunca vakum altında (yaklaşık olarak 1 mTorr) odasını temizleyin.
- Dijitalize fırının sıcaklığı yapılandırmak ve istenen akış hızının (Argon 100 sccm ve hidrojen için 50 sccm) (Şekil 1C) muhafaza ederken, 995 ° C'ye kadar rampa fırını.
- Tek katmanlı grafen büyümeye 10 dakika boyunca metan (CH 4) 20 SCCM tanıtın. 80 sc koruyunArgon cm ve hidrojen hacmi 20 sccm süreci.
- Fırın adımında 1.4 belirtilen akış oranları ile 5 dakika içinde oda sıcaklığına soğumasını bekleyin. 100 sccm'lik de Argon ile tekrar odasına temizleyin.
Grafen / polietilen tereftalat (PET) Substrat 2. Hazırlık
- Cam slayt grafen yetiştirilen Cu folyo (1.5 cm x 2 cm) koyun ve ticari bant (Şekil 2A) tarafından kenarları düzeltmek.
- Spin kat poli (metil metakrilat) bir tabakası 5 saniye için 500 rpm'de (PMMA) ve daha sonra 30 saniye (Figure2B) için 3000 rpm. Daha sonra, çözücü kalıntılarını temizlemek için 2 dakika süreyle 60 ° C 'de PMMA kaplı bakır folyo alt tabaka fırında.
- Daha küçük bir parça jilet kullanarak 1 cm x 1.5 içine PMMA kaplı bakır folyo zar.
- 30 dakika boyunca Cu folyo yüzü aşağı bakacak şekilde yerleştirerek Ni dağlayıcıları rezervuar (fazla 500 ml) içine PMMA kaplı bakır folyo daldırın. Bu dağlayıcıları çözüm üzerinde yüzen PMMA / grafen tabakası (yaprak
- Scoop PMMA / grafen slayt camına kadar katman, ve sonra DI su deposu içine PMMA / grafen tabakası batırmayın. İki kez tekrarlayın. Son olarak, PMMA / grafin PET maddesi (Şekil 2B) üzerinde tabaka kepçe ve daha sonra su kalıntılarını çıkarmak için 2 dakika süreyle 105 ° C de alt tabakayı fırında.
- 10 dakika boyunca, sıcak aseton (60 ° C) daldırılarak PMMA tabakayı çıkarın.
ZnO Nanorod / Grafen / ZnO Nanorod Epitaksiyel çift heteroyapı 3. sentezi
- 40 mM çinko nitrat heksahidrat ile ön-madde, çözelti ısıtılırken ile başlayın, 40 mM heksametilentetramin (HMT) ve konveksiyon fırınında 95 ° C'de (Şekil 3A), 60 dakika boyunca DI su içinde 9 mM polietilenimin (PEI). Başka bir deyişle, işlem önceden ısıtma olmasıdır.
- Süreci ön ısıtma sırasında, tam tabaka ve spin ceket etanol içinde 5 mM çinko asetat ile çözüme zin bir katmanı kapsarc 5 saniye için 500 rpm'de grafin / PET maddesi uzerinde asetat ve daha sonra 60 saniye (Şekil 3B ve Şekil 3C) .sonra için 2000 rpm, 30 dakika boyunca 200 ° C 'de fırında alt tabaka. İki kez tekrarlayın. Tabakanın kalınlığı yaklaşık 30 nm'dir.
- 95 ° C (Şekil 3D) substrat yüzü aşağı bakacak şekilde yerleştirerek ısıtılmış çözelti haline tohum kaplı grafen / PET substrat daldırın. İstenilen nano ısıtma süresini belirler; yani tek heteroyapı (t <12 saat, Şekil 3E) ve çift heteroyapı (t> 12 saat, Şekil 3F).
- Dikkatle madde üzerinde etanol sprey ve 1 saat boyunca oda sıcaklığında kurutun.
Not: taramalı elektron mikroskobu (SEM) için, jilet kullanarak küçük parça halinde 5 mm x 5 mm örneği zar ve SEM sahnede örneği monte edin.
Piezoelektrik Nanogenerator 4. Fabrikasyon
Not: Piezoelektrik Nanogenerator Bu çalışmada üç elektrotlar (üst, orta, alt) sahiptir. Alt elektrot (Şekil 4A) ve PET kaplanmış indiyum kalay oksit (İTO) kullanın.
- Spin kat polidimetilsiloksan tabaka 5 saniye boyunca 500 rpm'de (PDMS) ve daha sonra 6000 rpm'de 60 sn İTO ve ZnO nanorod (Şekil 4B) arasındaki yalıtım tabakasının oluşturulması için. Kalınlığı yaklaşık 3 mm.
- Tam konveksiyon fırınında 2 saat süre ile 80 ° C 'de alt tabakayı tedavi.
- Bölüm 2 (Şekil 4C) yöntemini kullanarak İTO / PET tabaka kaplanmış PDMS grafen aktarın.
- Kısım 3 (Şekil 4D) yöntemi kullanılarak alt-tabaka üzerinde, çift heteroyapı sentezleme.
- Spin kat 5 saniye için 500 rpm'de PDMS tabakası ve daha sonra 5000 rpm'de 60 sn ZnO nanorod sağlamlık ve dayanıklılık geliştirmek ve sonra tam olarak 2 saat süre ile 80 ° C'de (Şekil 4E) de bunun tedavisi için. Tabakasının kalınlığıyaklaşık 8 mm.
- Üst elektrot (Şekil 4F) olarak İTO kaplı PET ile alt tabaka kaplayın.
5. Elektrik Performans Ölçümü Kurulumu
Not: lineer motor, ticari ölçek ve osiloskop kullanarak elektrik performans karakterizasyonu için ısmarlama ekipmanı kurmak. Dikey lineer motorun desteklemek için bir çerçeve inşa etmek ve Şekil 5A'da gösterildiği gibi, lineer motorun altına, ticari ölçek yerleştirin. Ölçek küçük ağırlık (- 20 kg 0.02 kg) karşı duyarlı olmalıdır.
- Osiloskop probu (Şekil 5A ve 5B), algılama için nanogenerator elektrotları bağlanın bir ölçekte nanogenerator yerleştirin ve.
- Dikkatle ölçekte ağırlık izlerken lineer motor ilk ve son pozisyonları ve hızını ayarlayın.
İpucu: nanogenerator hafifçe MEASUR ile temas başlangıç konumunu yapılandırmaement kurulum. Lineer motor hızı gerilme hızını belirler. - Doğrusal Motoru çalıştırın ve zaman gerilim sinyalini izleyin. Flaş bellekteki zamana bağlı bir gerilim sinyali kaydedin. Gerginlik hızı: 100 mm / sn ve uygulanan yük: 50 N.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Taramalı elektron mikroskobu (SEM) hidrotermal yetiştirilen ZnO nanoçubuklar Morfolojileri Şekil 6 mevcut gösterilen görüntüler. Ön ısıtma hidrotermal tekniği büyüme süresine bağlı olarak, iki farklı nanoyapılarda neden olabilir. Şekil 6A, 5 saat büyüme sırasında grafin / PET maddesi uzerinde ZnO nanorod tipik bir görüntüsünü gösterir. Bunun aksine, Şekil 6B'de gösterilen görüntü 12 saat büyüme sırasında ZnO nanorod büyümesi başarıyla grafin üstüne değil, aynı zamanda grafin altındaki sadece devam olduğunu gösterir. Hem ZnO nanoçubuklar dikey sırasıyla 2.49 ve 0.70 mikron ortalama uzunlukları ile, grafen tabakası hizalanır. Büyüme süresi 24 saat kadar artar Şekil 6C'de gösterildiği gibi, ek olarak, grafin altındaki ZnO nanorod uzunluğu yaklaşık 2 kat artar. Alt o üzerinde ZnO nanorod büyümef grafen böylece bağlantısız çift heteroyapı (Şekil 6D) oluşturan ZnO nanorod / grafen yapının kendine yükselmesi büyük ölçekli (> 30 mikron) ve sonuçları üzerinde gerçekleştirilir.
Şekil 7A, iki bağlantısız heteroyapıların ve üst ve alt elektrot olarak, iki İTO kaplı PET alt tabakalar oluşan piezoelektrik nanogenerator, bir fotoğrafını göstermektedir. Elektrik çıkış kutup değiştirme ölçümü (Şekil 7B ve 7C) ile teyit edilir nanogenerator yerine ölçüm sistemi, kaynaklanmaktadır. Üst ve grafen altındaki ZnO nanorod diziler gelen çıkış gerilimleri 49 N (Şekil 7E ve 7F) periyodik sıkıştırmak yayım yüklerini uygulayarak, sırasıyla 0.5 V ve 0.3 V kadar gözlenir. Bundan başka, ZnO nanorod iki dizileri geliştirilmiş outpu üretmekt gerilimi sırasıyla 0.9 V ve 70 nA ortalama değerleri, mevcut. COMSOL paketi tarafından gerçekleştirilen simülasyon sonucu üst ve alt grafen üzerine ZnO nanorod polaritesi deneyleri ve simülasyon (Şekil 7D) elde edilen sonuçlar arasındaki ters ve iyi bir anlaşma olduğunu ortaya koymaktadır.
Tek katmanlı grafen Şekil 1. Büyüme. (A) Termik KVH için deney düzeneği bir görüntü. (B) büyüme fırın ve tek kat grafen için (C) Büyüme aşamasında Cu folyo yerleştirme. Bu rakamın daha büyük bir versiyonu için lütfen buraya tıklayın.
RakamBalıkçılık yöntemini kullanarak grafen transferi 2. Süreç akış. Bu rakamın daha büyük bir versiyonu için lütfen buraya tıklayın.
Duran çift heteroyapıların için Şekil 3. Sentez süreci. Bu rakamın daha büyük bir versiyonu için lütfen buraya tıklayın.
Şekil piezoelektrik nanogenerator için fabrikasyon süreci 4. şematik. Bu rakamın daha büyük bir versiyonu için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5. Elektrik ölçüm kurulumu. (A) Ev yapımı ölçüm sistemi şematik ve (B) ölçüm sisteminin bir fotoğraf. Bu rakamın daha büyük bir versiyonu için lütfen buraya tıklayın.
Hidrotermal yetiştirilen ZnO nanorod Şekil 6. SEM görüntüleri. (A) büyüme 5 saat sonra tek heteroyapı. Büyüme ve çift heteroyapı Solo (D) 12 saat (B) ve 24 saat (C) sonra çift heteroyapı. Thi daha büyük bir versiyonu için lütfen buraya tıklayıns rakam.
Şekil 7. piezoelektrik nanogenerator için Temsilcisi sonuçları. (A) Fabrikasyon nanogenerator bir fotoğraf. Ileri (B) çıkış gerilimleri ve ters (C) bağlantıları. Eksenel baskı altında bir ZnO nanorod boyunca piezoelektrik potansiyeli (D) COMSOL simülasyonu. Nanorod boyutları L = 600 nm ve 60 nm = ve dış kuvvet 80 NN olduğunu. Çıkış gerilimleri (E) ve nanogenerator akımları (F). Bu rakamın daha büyük bir versiyonu için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Tek katmanlı grafen başarı için bir alt-tabaka olarak kabul edilmelidir, yüksek kaliteli (>% 99.8, tavlanmış) Cu folyo lütfen unutmayın. Aksi takdirde, tek katmanlı grafen muntazam dramatik grafen iletkenliği azalmaya yol açan, Cu folyo içinde büyüdü değildir. Yüksek sıcaklıkta bir 1 saat tavlama Cu folyo herhangi kirleticilerin Cu folyo Kristallik iyileşme yanı sıra kaldırılmasını yardımcı olacaktır.
ZnO nanorod büyüme hidrotermal ön ısıtılması için koşullarına bağlıdır, bu nedenle, optimal konsantrasyon, sıcaklık ve büyüme zamanı dikkatle ayarlanmış olması gerekir. Çinko nitrat heksahidrat ve HMT konsantrasyonu ZnO nanorod çapını belirler, katkı PEI sadece ZnO nanorod boy oranında bir artış sağladığı, aynı zamanda uzun süre 17,18 sürekli ZnO büyüme yardımcı olmaz.
Tipik duran tek SEM görüntüleri veÇift heteroyapı Şekil 6'da gösterilmiştir. Bu şekillerde görülebileceği gibi, grafin altındaki ZnO nanoçubuklar dizisi büyüme 12 saat sonra büyümeye başlar, ve bunların uzunluğu doğrusal 0.71 'ten 1,56 um artar. Bundan başka, Grafende üstünde ZnO nanoçubuklar uzunluğu doğrusal 12 saat önce, geliştirmek ve daha sonra aşağı doğru büyümüş ZnO nanorod yetişmesinden sonra, yaklaşık 2 um ile yıkanmıştır. Bu sonuç ZnO nanorod büyüme 12 saat önce rutin hidrotermal şeklini itaat olduğunu gösterir, ancak çift heteroyapı nedeniyle çürümüş tohum tabakası ve grafen 19 boşluk defekt 12 saat sonra büyümeye başlar. Biz sadece çift heteroyapı imal etmek tipik hidrotermal tekniğinin büyüme süresi düzenlenmiş olduğundan, burada önerilen metodoloji gibi TiO2 Adada 2 ve Fe 3 O 4 gibi diğer hidrotermal yetiştirilen metal oksitler, için kullanılabilir.
Elektrik içinÖlçümler, bu elektrik sinyali fabrikasyon nanogenerator gelen olup olmadığını incelemek gerekir. Nanogenerator ve ölçüm kurulumu arasındaki Triboelectricity elektriksel gürültüye yol açar ve piezoelektrik performansın doğru gözlem keser. Bu dikkatle nanogenerator hafifçe ölçüm kurulum ile temas başlangıç pozisyonu yapılandırarak önlenir.
Özetle, bu el yazması bir ZnO nanorod / grafen / ZnO nanorod epitaksiyel çift heteroyapı imal edilmesi için basit protokoller ayrıntıları. Çift heteroyapı oluşturmak için çok yönlü bir yaklaşım ZnO nanorod sayısı yoğunluğunu değil, aynı zamanda belirli bir bölgede çift heteroyapıların spesifik yüzey alanına sadece geliştirmek olabilir. Bu yaklaşım, böylece hassas elektronik ve optoelektronik app sayısı gibi fonksiyonel malzemeler hizmet verebilir uzamsal düzenlenmiş yapılara eşsiz nanomalzemeleri inşa etmek için iki ardışık büyüme tekniklerini kullanırBöyle touchpad elektroniği, akıllı eldiven, implante cihazların ve biyosensör olarak Dokümanında.
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.
- 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).
