الحديد نانوواير التصنيع بواسطة نانو المساميه ألومنيوم بأكسيد وتوصيفها

Summary

في هذا العمل ، ونحن وصف بروتوكول لافتعال أسلاك النانو الحديد ، بما في ذلك تشكيل غشاء الالومينا مساميه التي يتم استخدامها كقالب ، الكهربي في القوالب باستخدام محلول المنحل بالكهرباء ، والإفراج عن أسلاك النانو في الحل.

Abstract

أسلاك النانو المغناطيسية تمتلك خصائص فريدة من نوعها التي اجتذبت اهتمام مجالات مختلفه من البحوث ، بما في ذلك الفيزياء الاساسيه ، الطب الحيوي ، وتخزين البيانات. ونحن نظهر طريقه تلفيق للحديد (Fe) أسلاك النانو عن طريق ترسب الكهروكيميائية في انوديك الالومينا أكسيد (AAO) قوالب. يتم تصنيع القوالب عن طريق الطلاء بالأكسيد ألومنيوم (ال) الاقراص ، ويتم التحكم في طول المسام وقطرها عن طريق تغيير الظروف بأكسيد ألمونيوم. يتم إنشاء المسام مع متوسط قطرها حوالي 120 نانومتر باستخدام حمض الاكساليك كما المنحل بالكهرباء. باستخدام هذه الطريقة ، يتم توليفها أسلاك النانو أسطواني ، والتي يتم إصدارها عن طريق تذويب الالومينا باستخدام الانشوده الكيميائية انتقائية.

Introduction

وقد اجتذبت أسلاك النانو المغناطيسية الاسطوانيه قدرا هائلا من الاهتمام في العقد الماضي لمجموعه متنوعة من التطبيقات الواعدة. أسلاك النانو هي المواد الجديدة التي تمتلك خصائص فريدة من نوعها ، ويرجع ذلك أساسا إلى ارتفاع نسبه الجانب وشكل متباينة¹. بسبب هذه الخصائص ، وتعتبر أسلاك النانو أنظمه فريدة من نوعها والكائنات نموذج ممتاز لعدد من التطبيقات العملية: تدفق أجهزه الاستشعار²، الفصل المغناطيسي³، الحيوي مستوحاه من أجهزه الاستشعار عن بعد اللمس⁴، حصاد الطاقة ⁵, علاجات السرطان^2,6, تسليم المخدرات^7,8, والتصوير بالرنين المغناطيسي وكلاء النقيض^3,9. كما تعتبر أسلاك النانو مثاليه للتطبيقات الأخرى: المغناطيسي قوه المجهر¹⁰، العملاقة المغنطيسية¹¹، وتدور نقل عزم الدوران^12،13، وأجهزه تخزين البيانات^{14، خمسه عشر}

من أجل استغلال هذه الأسلاك النانويه لميزها الكاملة ، وهي طريقه التصنيع القابلة للاستنساخ التي تعطي نانواسلاك ذات جوده عاليه وخصائص محدده مطلوبه. وينتج طلاء ألمنيوم الذاتي التنظيم ، والمسام الاسطوانيه المرتبة للغاية مع أقطار المسام القابلة للتحكم. وبسبب هذا ، ويفضل قوالب AAO في تطبيقات تكنولوجيا النانو علي تقنيات الطباعة الحجرية باهظه الثمن. استخدام هذه الاغشيه والسقالات ، ويمكن إنشاء أسلاك النانو عن طريق التيار المباشر (DC) ، بالتناوب الحالية (AC) ، أو النبضي التيار الكهربائي DC. السيطرة علي عمليه تصنيع الغشاء وترسب أسلاك النانو ، ويمكن إنشاء مجموعه واسعه من أسلاك النانو المغناطيسي لتطبيقات معينه¹. هنا ، ونحن الإبلاغ عن تصنيع أسلاك النانو في الحديد ، بما في ذلك تشكيل غشاء الالومينا مساميه التي يتم استخدامها كقالب ، الكهربي في القوالب باستخدام محلول المنحل بالكهرباء ، والإفراج عن أسلاك النانو في الحل.

Protocol

تحذير: يرجى مراجعه جميع أوراق بيانات سلامه المواد ذات الصلة (مسدس) قبل الاستخدام. العديد من المواد الكيميائية المستخدمة في هذه الافتراءات هي سميه حاده ومسرطنه. وقد تشكل المواد النانويه مخاطر اضافيه مقارنه بنظيراتها السائبة. يرجى استخدام جميع ممارسات السلامة المناسبة عند تنفيذ رد فعل بلوره نانويه ، بما في ذلك استخدام الضوابط الهندسية (غطاء الدخان) ومعدات الحماية الشخصية (نظارات السلامة ، والقفازات ، ومعطف المختبر ، والسراويل كامله الطول ، والاحذيه المغلقة).

1. التحضير لقوالب ألمنيوم

1. تنظيف أقراص ألمنيوم
   1. اغسل الاقراص في كوب مع الماء منزوع الأيونات (DI). كرر 3 مرات.
   2. عقد القرص Al مع ملاقط ويغسل مع الأسيتون تليها ايزوبروبيل الكحول (IPA) والمياه DI.
   3. ضع الاقراص في كوب مع الأسيتون والسونار لمده 10 دقائق.
2. التلميع الكهربائي للأقراص ألومنيوم
   1. اعداد محلول التلميع الكهربائي ، 3 م حمض البيروكلوريك في الايثانول. يبرد محلول التلميع الكهربائي في الثلاجة عند درجه حرارة 4 درجات مئوية قبل الاستخدام.
   2. اغسل الاقراص التي في الكاس بالماء. كرر 3 مرات.
   3. امسك القالب الذي تم تنظيفه مع ملقط التتبيلة واغمره داخل الكاس المليء بمحلول التلميع الكهربائي مع القطب الكهربائي البلاتيني (Pt). الحفاظ علي ملقط من الحل قدر الإمكان.
   4. حرك المحلول عند 400 لفه في الدقيقة.
   5. قم بتوصيل القرص Al إلى المحطة الطرفية الموجبة و Pt إلى المحطة الطرفية السالبة لمصدر الطاقة. تطبيق الجهد من 20 V في حين يقتصر الحالي علي 2 ا.
   6. البولندية أقراص لمده 3 دقائق وغسل الاقراص مع المياه DI.

2. بأكسيد الصلب

1. اعداد الخلايا
   1. غسل أجزاء الخلية (لوحه النحاس ، PDMS/المطاط O خواتم ، الخلية ، Pt شبكه كاب) مع المياه DI.
   2. خذ الاقراص الكهربائية المصقولة من المياه دي ووضعه علي ثقوب الخلية مع O-خواتم. تحقق بعناية انه لا توجد تسربات.
2. Anodization
   1. ملء الخلية تجميعها مع حمض الاكساليك 0.3 M ووضعه علي لوحه الباردة في 4 درجه مئوية.
   2. مره واحده حمض الاكساليك بين 2-5 درجه مئوية ، وتطبيق 40 V لمده 20 دقيقه (بأكسيد خفيف). ثم ، زيادة الجهد في خطوات 0.1 V/s تصل إلى 140 V.
   3. الحفاظ علي هذا الجهد ثابت لمده 45 دقيقه. سيكون القالب بأكسيد اللون الذهبي مشرق.
   4. فتح الخلية وغسل القرص Al مع المياه DI والجافة مع النيتروجين (N₂).

3-التحضير للشهادة

1. أزاله الظهر
   1. اعداد حل النحاس مع 0.1 M من CuCl₂· 2h₂O و 6 م من HCl.
   2. وضع القالب بأكسيد في خليه (مع قطر ثقب 10 ملم) مع الجانب الخلفي التي تواجه صعودا.
   3. صب محلول النحاس والتحريك المغناطيسي في الخلية والاثاره في 300 لفه في الدقيقة.
   4. بعد حوالي 15 دقيقه ، يصبح الحل شفافا. استبدله بمحلول جديد والاثاره لمده 5 دقائق اضافيه.
   5. غسل الاقراص مع المياه DI والجافة مع N₂.
2. فتح المسام
   1. ضع العينة (الجانب الخلفي الذي يواجه صعودا) في طبق بيتري علي شريط pH.
   2. إيداع 10 بالوزن ٪ حمض الفوسفوريك لتغطيه الغشاء تماما. أضافه المزيد من حمض الفوسفوريك كل ساعة لتجنب جفاف.
   3. بعد 6.5 h ، يغسل مع المياه DI ، والجافة مع N₂.
3. اخرق الذهب
   1. جهز اله الأخرق فتح صمام الغاز الخامل وتنفيس الغرفة.
   2. الشريط القرص ال علي خشبه المسرح المرحلة مع الجانب الخلفي مواجهه.
   3. ضبط المعلمات لإيداع 200 nm وتشغيل التشكيل الجانبي.

4. ترسب أسلاك النانو

1. اعداد حل من 0.2 M من الحديد (II) كبريتات ، 0.16 M من حمض البوريك و 0.05 M من حمض L-الاسكوربيك.
2. تركيب الغشاء في الخلية (ثقب قطرها 15 مم)
3. صب الحل في الخلية وربط متر المصدر مع الاتصال السلبية تعلق علي لوحه النحاس والاتصال الإيجابي إلى شبكه البلاتين.
4. تطبيق تيار ثابت من 2.5 mA للبدء بالكهرباء. طول نانوواير يتناسب مباشره مع وقت الترسيب الكهربي.

5. أزاله غشاء وغسل أسلاك النانو

1. نقش الذهب
   1. كسر الغشاء باستخدام ملقط. حدد قطع صغيره (حوالي 1 أو 2 مم²).
   2. اعداد قطعه واحده أو أكثر من القطع الصغيرة للنقش الجاف باستخدام رد الفعل أيون النقش (RIE) المعدات. الغراء القطع إلى رقاقه وهميه باستخدام زيوت التشحيم ، والحفاظ علي وجه الذهب حتى.
   3. حفر الذهب في معدات RIE لمده 2 دقيقه باستخدام المعلمات التالية: T = 25 درجه مئوية ، P = 150 W ومعدل تدفق الارجون = 25 سم³/Min.كرر في دورات أقصر إذا كان بعض الذهب لا يزال موجودا.
2. الإفراج نانوواير
   1. اعداد الحل الكروم باستخدام 0.2 M من كرو₃ و 0.5 m من H₃PO₄.
   2. ملء أنبوب ميكروتيوب 1.5 mL مع 1 مل من محلول الكروم والقطع الصغيرة من الغشاء الذي يحتوي علي أسلاك النانو.
   3. ترك الحل العمل ل 24 ح في 40 درجه مئوية.
   4. عندما يتم الإفراج عن أسلاك النانو تماما ، لا ينبغي ان يلاحظ جزيئات سوداء مع العين المجردة.
   5. غسل أسلاك النانو عن طريق وضع ميكروتيوب في رف المغناطيسي واستبدال الحل الكروم مع 1 مل من الايثانول.
   6. كرر عمليه الغسيل 10 مرات علي الأقل.

النتائج

وبعد التلميع الكهربائي ، تعكس الاقراص الضوئية الضوء جيدا ، كما يتضح من الشكل 1. في حاله ملاحظه اي خدوش أو نقاط صغيره ، قم بتجاهل القرص. يجب ان تكون المؤامرة من التيار التطبيقية اثناء عمليه التكميم بالطلاء علي نحو سلس واتبع الخطوات الثلاث للطلي. في حاله المحلول الملوث ، والعيوب المفرطة علي سطح القرص ، واعداد غير صحيح للخلية (انظر الشكل 2) ، أو الحل يجري دافئه جدا ، فان منحنيات المؤامرة الحالية المطبقة تظهر القمم والمخالفات. يتم عرض اثنين من منحنيات الاكسده الفعلية في الشكل 3، بما في ذلك الصور من العينات. [انوايشن] يتم علي واحده جانب من ال [ال] اسطوانه (جانب علويه). بعد أزاله الظهر ال ، يجب ان يكون الغشاء مرئيا بوضوح من كلا الجانبين. ويمكن التحقق من فتح المسام باستخدام المجهر الكترون المسح الضوئي (SEM) علي الجانب السفلي. ويبين الشكل 4 عينه لم تفتح فيها المسام بالبالكامل. معدل ترسب أسلاك النانو في الحديد لاغشيه من هذا الحجم حول 300 nm/min. علي سبيل المثال ، يتم عرض الحديد النانويه من حوالي 1 μm في الشكل 5. لاحظ انه تم التقاط هذه الصورة بعد كسر الغشاء.

الشكل 1: أقراص ألمنيوم. قبل تلميع (اليسار) وبعد تلميع (الحق). العلامات الموجودة فوق القرص المصقول تنتج عن الملقط. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: خليه الاكسده. (ا) مكونات الخلية. (ب) التفاصيل الخاصة بالقرص الذي تم وضعه فوق الحلقة Pdms O. (ج) الخلية المجمعة. (د) خليه تقع علي لوحه الباردة ومع الركاب الميكانيكية. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: التطبيق الحالي مقابل الوقت اثناء الطلي بالأكسيد لنجاح (يسار) وغير ناجح (يمين). يمكن التعرف بسهوله علي الخطوات الثلاث لتكميم الطلاء. 40 مستقره V (0 – 20 دقيقه); الزيادة المستمرة تصل إلى 140 V (20 – 36:40 دقيقه) ، تظهر أولا كزيادة في التيار التطبيقي وفي وقت لاحق كتيار مستمر ؛ والثالثة ، 145 مستقره V حتى نهاية العملية. عندما يحدث بالأكسيد بشكل صحيح ، والمنحنيات علي نحو سلس مثل واحد علي اليسار. عندما تظهر منحنيات القمم أو السلوك الفوضوي (الحق) سيتم حرق العينة. في هذه الحالة ، كان قطر القرص ال 25 ملم. الرجاء النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: صوره لغشاء من الجانب السفلي SEM. تظهر هذه الصورة شكل غشاء بجانب حافته. في اي نقطه أخرى من الغشاء ، يظهر الغشاء المسام المفتوحة مثل تلك الموجودة في الصورة. إذا لم تكن المسام مفتوحة بشكل صحيح ، فان البنية السداسية التي تظهر علي حافه الصورة ستكون مرئية في اي مكان في الغشاء. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: صوره قسم الصليب SEM من أسلاك النانو الحديد داخل الغشاء. ومن الواضح انه يمكن التعرف علي نانوواير الحديد من غشاء الالومينا نظرا لكثافة الكترون اعلي. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

Discussion

وكما هو الأمر في اي إنتاج نانوماتيريال آخر ، فان الحلول والمواد عاليه الجودة مطلوبه في هذا البروتوكول. يمكن أعاده استخدام التلميع الكهربائي وحلول الإيداع الكهربائي عده مرات. ومع ذلك ، يجب استخدام محلول بأكسيد الطلاء مره واحده فقط وتكون مصنوعة حديثا. بعد أزاله الظهر ال ، الاغشيه ضعيفه للغاية ويمكن كسرها إذا لم تعالج بعناية. يجب ان لا يتم تطبيق N₂ مباشره عند تجفيف الاغشيه. جميع العمليات السابقة لطلاء بالأكسيد هي نفس القدر من الاهميه بالنسبة للترتيب الذاتي للهياكل المسام. قد تؤدي الشوائب السطحية والحفر والخدوش إلى سوء الثقوب المطلوب.

سمك غشاء الالومينا المتولدة في الخطوة 2 عاده حوالي 60 μm ، أطول بكثير من نانوواير التي نطلبها. إذا كانت هناك حاجه إلى أسلاك النانو أطول ، يمكن تكييف هذا البروتوكول لجعل الاغشيه أكثر سمكا عن طريق زيادة الوقت من طلي بالأكسيد. ويمكن استخدام هذه الثقوب كقوالب لتشكيل صفائف من أسلاك النانو الدائمة أو التي أطلقتها أزاله كيميائية لاحقه من هيكل الالومينا. وعلاوة علي ذلك ، يمكن الكهربائية المعادن المختلفة باستخدام نفس الاعداد ، بما في ذلك أسلاك النانو متعددة الأجزاء¹⁵، عن طريق تغيير الحل والتيار المطبق. سيكون معدل ترسب مختلفه لكل معدن.

الميزة الرئيسية لطريقه الطلاء بالأكسيد المقدمة هي الجودة العالية للمسام: قطر مستمر علي طول أعشار الميكرومتر ، وتوزيع القطر الصغير ، وكثافة المسام العالية. وعلاوة علي ذلك ، هذه التقنية هي فعاله واقتصاديه ، وقابله للتكرار للغاية. ويمكن ان يتم ذلك بأمان في الظروف المحيطة في المختبر العام. أسلاك النانو وعد الكثير في المستقبل أجهزه تحويل الطاقة (بما في ذلك كهروضوئي ، الحرارية ، و البيتافلطائيه¹⁶) والبيولوجية وأجهزه الاستشعار الطبية¹⁷. وجميع هذه التطبيقات تتطلب المواد واسعه النطاق وتطوير الجهاز.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acetone	Sigma Aldrich	CAS 67-64-1
Aluminium Discs 99.999%	GoodFellow	AL000957	Thickness: 0.50mm +/- 10%, Diameter 25.0mm +/- 0.5mm
Big Beaker			1000 mL
Boric acid	Sigma Aldrich	101942058	99%
Cables
Chromium (VI) oxide	fisher chemical	A98-212
Cold plate	Thermo Scientific	Accel 500 LC
Computer			Used with LabView to control the Sourcemeter
Copper (II) chloride
Copper plate			Custom made
DC Power Source	Agilent	E3646A
DI Water
Dressing Forceps	fisher scientific	12-460-164	30.5 cm length, serrated tips
Ethanol	VWR International Ltd. (US)	20823.327
Fume hood	Flores valles
Hydrochloric acid	VWR International Ltd. (US)	20255.290
Iron (II) sulfate	Merck	1.03965.1000
L-Ascorbic acid	MP biomedicals	100769
Magnetic rack	life technologies	DynaMag 2
Magnetic stirrer and hot plate	IKA	RCT basic
Mechanical stirrer	Aslong	JGB37-520
Mixer and heater	Eppendorf	ThermoMixer F1.5
Nylon cell			Custom made
Oxalic Acid	VWR International Ltd. (US)	20063.365-5L
PDMS O-ring			Custom made
Perchloric acid	VWR International Ltd. (US)	20583.327	70-72 %
Petri dish			Or any other container
pH strip			Any pH strip
Phosphoric acid	acros organics	201140010	85%wt
Platinum	Goodfellow	PT005115	Diameter 0.05mm, 99.9% purity
Platinum wire	Goodfellow	PT05120	Diameter: 0.2 mm, Purity: 99.95%
Power Supply	Rhode & Scharz	NGPX 35/10
Retort stand (x2)
Screws
Small beaker			50 mL
Source meter	Keithley	2400-C
Sputter	Quorum	Q300T D
Tape			Any temperature resistant tape
Teflon propeller
Ultrasonic cleaner