3D 카본 나노튜브 Microstructures의 제조, Densification 및 복제 성형

요약

우리는 수직으로 정렬된 탄소 나노튜브 (CNTs) 및 조직 nanoscale 표면 텍스처와 폴리머 microstructures 생산을위한 마스터 금형 등 자신의 이용 패턴 microstructures의 제조를위한 방법을 제시. CNT 숲이 크게 자신의 패킹 밀도를 증가 및 3D 형상의 자기 지향성 형성을 가능하게 기판, 위에 용매의 응축에 의해 densified됩니다.

초록

microfabrication의 새로운 재료와 공정의 도입은 많은 부분에서 마이크로 시스템즈, 실험실 - 온 - 칩 장치 및 그들의 애플 리케이션에서 많은 중요한 발전을 활성화하고있다. 특히, 고분자 microstructures의 비용 효율적인 가공을위한 기능은 소프트 리소그래피 및 기타 micromolding 기법 ^{1, 2의} 도래에 의해 변형, 이것은 생물 의학 공학, 생물학에 microfabrication의 어플 리케이션에 혁명을 주도했다. 그럼에도 불구하고, 그것은 잘 정의된 nanoscale 표면 질감으로 microstructures를 조작하고, 마이크로 스케일에서 임의의 3 차원 도형을 조작하는 도전 남아있다. 마스터 금형 모양 무결성 유지의 견고성이 높은 충실도 복잡한 구조의 복제와 그 nanoscale 표면 질감을 유지를 달성하는 데 특히 중요합니다. 계층적 질감, 그리고 이질적인 형태의 조합이 기존 microfabrication 방법에 대한 깊은 도전입니다 고맙다gely 고정 마스크 템플릿을 사용하여 하향식 에칭에 의존. 한편, 이러한 나노튜브와 나노 와이어와 같은 nanostructures의 상향식 합성은 nanostructures의 집단적 자기 조직을 활용하여 특히, microfabrication에 새로운 기능을 제공할 수 있으며, microfabricated 패턴과 관련한 자신의 성장 거동의 로컬 제어 .

우리의 목표는 우리가 새로운 microfabrication 소재로 CNT "숲"으로 참조 수직으로 정렬된 탄소 나노튜브 (CNTs), 소개하는 것입니다. ; CNT의 microstructures의 자체 감독 elastocapillary densification 및 CNT 복합 마스터 금형을 이용한 폴리머의 복제본 성형 microstructures 석판 패턴 촉매 박막의 열 CVD에 의한 CNT 산림 microstructures의 제조 : 우리는 최근 우리 그룹이 개발한 관련 방법 중 제품군에 대한 자세한 내용을 제시 . 특히, 우리의 작품 perfo 즉 자기 지향성 모세관 densification (이하 "성형 모세관") 보여줍니다CNT의 microstructures와 기판에 용매의 응축에 의해 rmed 크게 CNTs의 포장 밀도를 증가시킵니다. 이 과정은 전형적인 microfabrication의 폴리머 분들을 초과 견고한 기계적 특성을 가지고 논리적으로 경사, 그리고 뒤틀린 모양으로 수직 CNT의 microstructures의 감독 변혁을 가능하게합니다. 이것에 차례 폴리머의 모세관 구동 침투하여 nanocomposite CNT 마스터 금형의 형성을 가능하게합니다. 복제 구조 정렬 CNTs의 비등 방성 nanoscale 질감을 전시하고, 서브 마이크론 두께와 50:1를 초과하는 가로 세로 비율과 벽면을 가질 수 있습니다. 제조에서 CNT의 microstructures의 통합 화학 및 생화학 작용화 ³ CNTs의 전기적 및 열적 특성, 그리고 다양한 기능을 이용할 수있는 추가 기회를 제공합니다.

프로토콜

1. 촉매 Patterning

1. 적어도 하나의 세련된 측면과 함께 3000Å​​ 두꺼운 이산화 규소 층과 함께 (100) 실리콘 웨이퍼를 취득. 또는 베어 실리콘 웨이퍼를 취득하고 웨이퍼에 3000Å​​ 이산화 규소 성장 있습니다. 아래에서 설명하는 모든 공정은 웨이퍼의 연마 쪽에서만 이루어집니다.
2. 그때 30 대 대한 3000rpm에서 4S를위한 500rpm에서 HMDS의 레이어를 Spincoat. HMDS는 웨이​​퍼와 포토 레지스트 사이에 접착력을 촉진합니다.
3. 그때 30 대 대한 3000rpm에서 4S를위한 500rpm에서 SPR-220-3 레이어를 Spincoat.
4. 90 년대를위한 115 ° C에서 열판에 웨이퍼를 굽습니다.
5. 촉매 patterning에 대해 원하는 마스크를 사용하여 구워 115에서 다시 열판에서 웨이퍼는 90 년대에 대한 ° C (게시물) 하드 연락처 mode.1.6의 셀프에 대한 405 nm의 20 MW / cm ^2의 방사로 자외선에 웨이퍼를 노출 노출 베이킹).
6. AZ-300 MIF 개발자를 사용하여 60를위한 노출된 포토 레지스트 개발.
7. 헹구기DI 워터에서 60을위한 웨이퍼.
8. 보증금 10nm 알 ₂ O ₃ e-빔 증착법이나 스퍼터링에 의해 1nm 철으로 따라갔다.
9. 약 20 개 × 20 ​​mm 또는 소규모로 수동 학자 및 휴식 웨이퍼.
10. 비커가 8min (크레스트 Ultrasonics 1100D) 용 전력은 6에 초음파 욕탕에 배치되는 동안, 아세톤의 100ml가 들어있는 1L 비커에 웨이퍼 조각을 즐기하여 리프트 - 오프 포토 레지스트의 대부분을 수행합니다.
11. 폐기 및 아세톤을 교체하고 같은 설정으로 다시 sonicate.
12. 이소프로판올 (IPA)와 비커에 웨이퍼 조각을 전송 후 2min 위해 담그다.
13. 핀셋을 사용하여 개별적으로 IPA에서 웨이퍼 조각을 제거합니다. 휴대용 노즐을 사용하여 부드러운 질소 흐름과 각 조각을 건조합니다.

2. CNT 성장

1. 베어 (또는 산화물 - 코팅) 실리콘 웨이퍼 및 수동 학자를 취득하고 치수 약 22 조각 × 75mm을 깰. 이 "배"지원 및 튜브 전기로에 촉매 코팅 웨이퍼 조각을로드하는 데 사용됩니다. 배는 짐을 싣고 내리는 동안 웨이퍼 조각을 쥐고 매우 유용하지만 성장 과정에서 역할을하지 않습니다. 원칙적으로 보트는 CNT의 성장 조건에서 화학적 및 열 안정 어떤 자료가 될 수 있습니다.
2. 리딩 에지​​에서 보트, 30mm에 촉매 코팅 웨이퍼 조각 (성장 기판)에 원하는 번호를 놓습니다.
3. 튜브로 성장 기판과 함께 보트를로드합니다. 리딩 에지​​가 스테인리스 스틸이나 석영 푸시로드를 사용하여 용광로의 열전대의 30mm 하류에 위치해있다는 등의 튜브에 보트를 밀어. 이것은 30mm 위치는 우리의 용광로에서 가장 높은 CNT의 성장 속도를 제공 "sweetspot"입니다. 그것은 사용자의 장치 및 목적 (예 : CNT의 성장 속도 또는 밀도의 극대화)에 따라 사용자의 장치에 대해이 위치를 결정하는 데 필요한 것입니다.
4. 연결마개, 튜브 실링. 케어는 보트 또는 패턴의 실리콘 조각의 위치를​​ 방해하지 않도록 촬영해야합니다. 참고 : CNT의 성장이 튜브 안쪽 위치에 매우 민감합니다.
5. 상온에서 5 분 대한 헬륨의 1000sccm와 석영 튜브를 플러시.
6. 수소와 헬륨의 100sccm의 400sccm 흐르는 동안, 10 분에서 775 ° C로 온도를 진입로 후 10 분 대한 흐름과 온도를 누르고 있습니다. 이 단계는 영화는 화학적으로 철 산화물에서 철분을 줄이기 위해, 그리고 nanoparticles에 dewet하게됩니다.
7. 에틸렌의 100sccm를 추가하고 ° C가 CNTs 성장하는 775에 난로를 유지하면서, 100sccm 및 400sccm에 헬륨 유량에 수소 유량을 변경합니다. CNTs의 높이는이 단계의 기간에 의해 제어됩니다.
8. 촉매 칩은 노 절연 약 1cm 하류에 위치한되기 전까지는 CNT의 성장을 중지하고 샘플을 냉각하기 위해 수동으로 석영 관의 하류를 끼웁니다. 에주의를 기울이시기 바랍니다15 분 동안, 이전 단계에서와 같은 흐름과 노의 세트 포인트 온도를 유지합니다.
9. 사전에 샘플을 검색하고, 난로를 끄고​​에게 5 분 동안 헬륨의 1000sccm 함께 튜브를 플러시.

3. CNT Densification

1. 6.25mm 직경의 구멍이있는 0.8mm 두께의 알루미늄 메쉬에 양면 테이프 조각을 적용합니다. 메쉬는 1L 비커의 개통보다 크고 테이프 약 메쉬를 중심으로되어 있는지 확인하십시오.
2. CNT의 microstructures가 상승세를 직면 있도록 테이프에 CNTs와 실리콘 웨이퍼 조각을 탑재합니다.
3. 1L 비커에 아세톤 100ml를 붓고 퓸 후드 내부의 뜨거운 접시에 비커를 놓습니다. 110 ° C의 표면 온도를 달성하기 위해 뜨거운 접시를 설정 아세톤은 끓는 시작할 때까지 기다리십시오. 우리는 열판에, 150의 설정이 ° C가 표면에 110 ° C를 달성하는 데 필요한 되었음합니다. 아세톤의 끓는점은 fou 훨씬 낮은 (약 56 ° C)하지만 우리는상승된 온도가 아세톤 더 빨리 끓여야 허용하고, 비커 내에 결로 방지, 비커의 측벽을 가열하는 차.
4. 마운트 예제에서는 아래쪽으로 직면되는 등 비커에 알루미늄 메쉬를 배치합니다.
5. 증기 전면에 급격한 변동이 비커의 측면을 상승 참고 증기 전선을 안정 퓸 후드가 달려있었던 수준을 조정합니다.
6. 증기 전선은 비커의 상단에 도달하면, 실리콘 기판의 표면에 겉보기 색상 변화를 관찰합니다. 무지개 같은 패턴이 나타납니다 그리고 전체 표면에 걸쳐 청소합니다. 이것은 증기가 차가운 표면과 접촉하게되면 표면에 형성하는 용매의 얇은 필름을 의미합니다.
7. 일단 충분한 용매가 예금되어 메쉬를 데리러와 용매 멀리 증발했다 입금 때까지 시료의 방향을 바꾸지 않고, 끓는 용매에서 멀리 누르고 있습니다. 시간의 금액으로 결정됩니다 empirically CNT 구조의 크기와 간격을 기준으로. 이것은 토론에 대한 해결되었습니다.
8. 비커에서 메쉬를 제거하고, 신중하게 양면 테이프에서 샘플 보지, 면도날을 사용합니다. 그것이 제거되는 동안 샘플을 깨고 쉽고로 최선의 치료는이 단계에서 촬영해야합니다.

4. CNT 마스터 몰드 제작

1. 풀 SU-8 densified CNT의 microstructures에서 2002. 30 대위한 3000rpm에서 다음, 10 초에 대한 500rpm에서 샘플을 봐.
2. 95시 후 2 분 및 ° C에서 4 분 동안 65 ° C에서 샘플을 굽습니다.
3. 20 대위한 75mW/cm ^2의 방사로 자외선에 샘플을 쉽게받을 수 있습니다.
4. 그리고 95시 2 분, ° 4 분을위한 C 65 ° C에서 다시 샘플을 굽습니다.

5. 복제 성형

1. 섬세한 구조를 복제하는 경우의 100μL (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydtoocyl의 사악한 유리와 함께 건조기에 마스터 배치12h를위한 400mTorr시) - trichlorosilane.
2. 가교제 : 10시 1분 단량체의 비율로, PDMS의 1g (Sylgard 184)의 합계를 섞습니다. 몇 micrometers의 기본 크기와 10 명 이상 이용 8시 1분의 비율의 화면 비율과 microstructures하십시오.
3. 알루미늄 호일 접시에 CNT 마스터를 삽입하고, 샘플 빠져들 때까지 그릇에 PDMS를 부어.
4. 15 분 동안 400mTorr에서 진공 및 가스를 제거하다에서 샘플을 놓습니다. 일단 거품이 (일반적으로 약 3 분 후에) PDMS에 형성하고 정기적으로 큰 거품을 터뜨릴 급속하게 압력을 증가시키기 시작한다.
5. 20 분 동안 120 ° C에서 부정을 치료. 예제는하겠다 구조가 포함된 경우, 5h 동안 85 ° C에서 경화.
6. 일단 다시 알루미늄 호일 보지, 치유와 손으로 부드러운 PDMS 부정에서 마스터를 구분합니다.
7. 섬세한 구조를 복제하는 경우에 (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydtoocyl) trichlorosilane의 100μL의 사악한 유리와 함께 건조기에 부정적인 배치12h를위한 400mTorr.
8. 10 분 동안 400mTorr에서 PDMS 부정과 가스를 제거하다에 SU-8 2002 하거라.
9. 65 (SU-8 부정 채워진) ° C를 4min 위해 다음 95에 ° C를 6h 위해 SU-8의 두꺼운 계층에서 용매를 증발한다. 샘플을 굽습니다
10. 8min 95시 4min 후 ° C ~ 65 ° C에서 다시 20 대 구워위한 75mW/cm ^2의 방사로 자외선에 샘플을 쉽게받을 수 있습니다.
11. 마지막으로 수동으로 PDMS 부정로부터 SU-8 복제를 demold.

6. 대표 결과

그들의 densified 모양과 함께 대표 등 자체 개발한 ​​CNT의 기둥 배열 (드 Volder 외에서 수정된 이미지입니다. ⁴⁾ 그림 4에 표시됩니다. 10μm 이하의 두께로하겠다 기둥은 점차적으로 더욱 densification 동안 감소합니다 진직도을 감소했습니다. 반원 기둥 Densification가 큰 영역 (그림 4c) 이상의 균일한 구부러진 기둥을 초래할을 보여줘왔다. SU-8 Infiltration는 30μm의 간격 또는 아래의 SU-8 구조물 사이에 남아있을 수의 박막과 구조에 대해, 사이 CNT의 microstructures 내부에서 발생합니다. 여러 가지 저울에 자신의 복제본으로 복제 microstructures를 비교 SEM 이미지는 (Copic 외에서 수정된 이미지입니다. ⁵⁾ 그림 6에 표시된하는 동안 복제 과정에서 중요한 단계의 사진은 그림 5에 표시됩니다. 왜곡된 구조 (드 Volder 외. ^4에서 수정된 이미지), 높은 종횡비 벽, 그리고 다시 참가자 구조를 포함한 구조 형성의 관점에서 현재의 한계는, (Copic 외에서 수정된 이미지입니다. ⁵⁾ 그림 7에 표시됩니다.

그림 1. 성장 CNT의 성장을위한 튜브 전기로 설치. () 시스템 개략도. 밀봉된 석영 튜브 내부에 실리콘 보트를 표시하는 오픈 커버 (B) 튜브 전기로 (온습 피셔 Minimite). (다) 실리콘 B성장 전후 표시된 샘플과 귀리는. 큰 그림을 보려면 여기를 누르십시오 .

그림 2. CNT의 microstructures (드 Volder 외으로부터 수정한 이미지입니다. ^6)쪽으로 용매 증기의 응축 조절을위한 비커 설정의 () 도식. (b)는 CNT 샘플 기판은 끓는 아세톤을 통해 알루미늄 메쉬에 첨부.

그림 3. 대표 복제된 미세 배열의 공정 CNT의 microstructures의 복제 성형에 대한 흐름과 이미지가 미국의 쿼터 달러 동전에 비해.

capillar 전후 그림 4. 전형 CNT의 microstructuresY 성형. 원통형 CNT 기둥 () 전에 모세관 형성, 그리고 (b) 모세관 성형 후 (이미지 드 Volder 외에서 수정했습니다. ⁶⁾ 배열의 약도와 SEM 이미지. Insets은 CNTs의 정렬 및 밀도를 보여줍니다. (다) Semicylindrical CNT 기둥은 densify 및 경사 광선 (조 외. ⁷ 수정된 이미지) 성형, 성형 모세관 동안 기울. 큰 그림을 보려면 여기를 누르십시오 .

그림 5. CNT 부정적인 금형 제작 및 복제 주조의 주요 단계. () PDMS 부정적인 금형의 주조. (b)는 부정적인 주조 Degassing. (다) 수동 부정적으로 demolding와 SU-8 복제로 캐스팅.

그림 6.의 비교 (A) CNT/SU-8 마스터 및 넓은 지역 (Copic 외으로부터 수정한 이미지입니다. ⁵⁾ 이상, 마이크로 스케일 형상과 nanoscale 질감 (즉, 측벽과 최고의 표면)의 높은 충실도 복제를 보여주는 (B) 복제 micropillar 구조. 클릭하십시오 여기에 큰 그림을 볼 수 있습니다 .

그림 7. 높은 가로 - 세로 비율 (하겠다)와 다시 참가자 CNT의 microstructures과 폴리머 복제품. () 해당 SU8-CNT 마스터 및 SU8 복제와 Densified CNT 벌집. (나) 석사 및 sloped CNT microwell의 복제 (이미지 Copic 외에서 수정했습니다. ^5). (다) 석사 및 개별 구조의 복제와 트위스트 CNT의 micropillars을 (드 Volder 외. ^4에서 수정된 이미지) Densified. 의 honeycombs는 () 400 nm의 20 μm의 높이의 벽 너비 있습니다.= "http://www.jove.com/files/ftp_upload/3980/3980fig7large.jpg"대상 = "_blank"> 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오.

토론

리소그래피 patterning 및 CNT 촉매 기판의 준비는 간단하고 반복 사용할 수 있지만 지속적인 CNT의 성장을 달성하는 것은 CNT 숲의 높이 및 밀도가 주위 습도와 성장 튜브의 상태에 의해 영향을하는 방법에주의가 필요합니다. 우리의 경험에 의하면, 1000 μm의보다 큰 무늬 ² 공정 조건의 작은 변동에 덜 민감합니다. 또한, 패턴 재생의 밀도 성장 밀도와 높이 ^8에 영향을줍니다. 성장 밀도?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
시약의 이름	회사	카탈로그 번호	댓글
그런가 2 (300 nm의)과 코팅 4 "직경 <100> 실리콘 웨이퍼	실리콘 퀘스트	사용자 정의
긍정적인 포토 레지스트	MicroChem	SPR 220-3.0
Hexamethyldisilizane (HMDS)	MicroChem
개발자	AZ 전자 소재 미국 주식	AZ 300 MIF
스퍼터링 시스템	커트 제이 Lesker	연구소 18	촉매 증착을위한 스퍼터링 시스템
열 피셔 Minimite	피셔 과학	TF55030A	CNT의 성장을위한 튜브 전기로
석영 관	기술 유리 제품	사용자 정의	22mm 아이디 × 25mm OD 30 "길이
헬륨 가스	PurityPlus	그는 (PrePurified 300)
수소 가스	PurityPlus	H 2 (PrePurified 300)	UHP
에틸렌 가스	PurityPlus	C 2 H 4 (PrePurified 300)	UHP
다공 알루미늄 시트	McMaster-카	9232T221	densification의 비커 위에 샘플을 쥐고
자외선 홍수 램프	Dymax	모델 2000
SU-8 2002	MicroChem	SU-8 2002
Polydimethylsiloxane (PDMS)	다우 코닝	Sylgard 184 실리콘 엘라스토머 키트