Изготовление, уплотнения, и реплики Формование 3D микроструктур углеродных нанотрубок

Резюме

Мы представляем методы изготовления узорные микроструктур вертикально углеродных нанотрубок (УНТ), и их использование в качестве ведущего пресс-форм для производства микроструктуры полимера с организованной наноразмерных текстуру поверхности. CNT леса уплотненным путем конденсации растворителя на подложке, что значительно увеличивает их плотность упаковки и позволяет самостоятельного формирования 3D-форм.

Аннотация

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip devices, and their applications. In particular, capabilities for cost-effective fabrication of polymer microstructures were transformed by the advent of soft lithography and other micromolding techniques ^{1, 2}, and this led a revolution in applications of microfabrication to biomedical engineering and biology. Nevertheless, it remains challenging to fabricate microstructures with well-defined nanoscale surface textures, and to fabricate arbitrary 3D shapes at the micro-scale. Robustness of master molds and maintenance of shape integrity is especially important to achieve high fidelity replication of complex structures and preserving their nanoscale surface texture. The combination of hierarchical textures, and heterogeneous shapes, is a profound challenge to existing microfabrication methods that largely rely upon top-down etching using fixed mask templates. On the other hand, the bottom-up synthesis of nanostructures such as nanotubes and nanowires can offer new capabilities to microfabrication, in particular by taking advantage of the collective self-organization of nanostructures, and local control of their growth behavior with respect to microfabricated patterns.

Our goal is to introduce vertically aligned carbon nanotubes (CNTs), which we refer to as CNT "forests", as a new microfabrication material. We present details of a suite of related methods recently developed by our group: fabrication of CNT forest microstructures by thermal CVD from lithographically patterned catalyst thin films; self-directed elastocapillary densification of CNT microstructures; and replica molding of polymer microstructures using CNT composite master molds. In particular, our work shows that self-directed capillary densification ("capillary forming"), which is performed by condensation of a solvent onto the substrate with CNT microstructures, significantly increases the packing density of CNTs. This process enables directed transformation of vertical CNT microstructures into straight, inclined, and twisted shapes, which have robust mechanical properties exceeding those of typical microfabrication polymers. This in turn enables formation of nanocomposite CNT master molds by capillary-driven infiltration of polymers. The replica structures exhibit the anisotropic nanoscale texture of the aligned CNTs, and can have walls with sub-micron thickness and aspect ratios exceeding 50:1. Integration of CNT microstructures in fabrication offers further opportunity to exploit the electrical and thermal properties of CNTs, and diverse capabilities for chemical and biochemical functionalization ³.

протокол

1. Catalyst структурирование

1. Приобретать (100) кремниевых пластин с 3000A толстым слоем диоксида кремния, по крайней мере одной полированной стороной. Кроме того, вы можете приобрести голый кремниевой пластины и расти 3000A диоксида кремния на подложке. Вся обработка описаны ниже делается на полированную сторону пластины.
2. Spincoat слой HMDS на 500rpm для 4s, то в 3000 оборотов в минуту для 30-х годов. HMDS способствует адгезии между пластин и фоторезиста.
3. Spincoat слой SPR-220-3 на 500rpm для 4s, то в 3000 оборотов в минуту для 30-х годов.
4. Выпекать пластины на плите при температуре 115 ° С в течение 90-х годов.
5. Использование маски для желаемых катализатор рисунка, подвергать пластины УФ-светом с освещенности 20 мВт / см ² при 405 нм для 6s в жесткий контакт mode.1.6) Выпекать пластины на плиту снова при 115 ° С в течение 90-х годов (после воздействия печь).
6. Разработка открытых фоторезиста для 60-х годов использование AZ-300 MIF разработчика.
7. Полосканиеподложки для 60-х годов в воду DI.
8. Депозит 10 нм Al ₂ O ₃ следует 1 нм Fe по электронной лучевого испарения или распыления.
9. Вручную писца и брейк пластин на куски примерно 20 × 20 мм или меньше.
10. Выполните отрыва от фоторезиста, впитывая пластин штук в 1 л стакан, содержащий 100 мл ацетона, в то время как в стакан помещается в ультразвуковую ванну на питание 6 8 минут (CREST Ультразвук 1100D).
11. Утилизация и заменить ацетон и разрушать ультразвуком снова с теми же настройками.
12. Передача части пластины в стакан с изопропанол (IPA), а затем замочить на 2 минуты.
13. Снимите пластину части от МПА по отдельности с помощью пинцета. Высушите каждый кусок с нежным потоком азота с помощью карманного сопла.

2. CNT роста

1. Получить голой (или оксидный) кремниевой пластины и вручную писца и разбить кусок размером примерно 22 × 75 мм. Это «лодка»будут использованы для поддержки и загрузить каталитическим покрытием части пластины в трубу печи. Лодка очень полезно для проведения части пластины при погрузке и разгрузке, а не играть роль в процессе роста. В принципе, лодка может быть любой материал, который является химически и термически стабильны в условиях роста УНТ.
2. Поместите необходимое количество катализатора покрытие пластин штук (рост субстратов) на лодке, 30 мм от передней кромки.
3. Загрузите лодка с ростом субстратов в трубку. Нажмите на лодке в трубку так, что передний край расположен 30 мм на выходе из печи термопары, с использованием нержавеющей стали или кварцевого толкателем. Это 30-мм позиция "sweetspot", которая дает самый высокий темп роста УНТ в нашей печи. Необходимо будет определить это положение аппарата пользователя, в зависимости от аппарата пользователей и цели (например, максимизация роста УНТ или плотности).
4. Соединятьсязаглушки, уплотнительные трубки. Следует проявлять осторожность, чтобы не нарушить положение лодке или узорной части кремния. Примечание: рост УНТ очень чувствителен к положению внутри трубки.
5. Флеш кварцевой трубки с 1000sccm гелия на 5 минут при комнатной температуре.
6. В то время как текущий 400sccm водорода и гелия 100sccm, увеличивать температуру до 775 ° C в 10 минут, а затем, удерживая потоки и температура в течение 10 минут. Этот шаг вызывает фильм химически уменьшить оксида железа в железо, и dewet в наночастицах.
7. Изменение скорости потока водорода в 100sccm и гелий расход на 400sccm, добавив 100sccm этилена и поддержание в печи при 775 ° C рост УНТ. Высота УНТ контролируется продолжительность этого этапа.
8. Чтобы остановить рост УНТ и охлаждения образца, вручную сдвинуть кварц вниз трубы, пока катализатор чипов расположен примерно в 1 см на выходе из печи изоляции. Будьте осторожны, чтобысохранить тот же потоков и печь набор точка температура, как и в на предыдущем шаге, течение 15 минут.
9. Промойте трубка с 1000sccm из гелий для 5мин, предварительного запросов используется для получения образцов, и поворачивая отходящих печных.

3. CNT Уплотнение

1. Применить кусок двойной-односторонней лента, чтобы 0.8mm толстый сетка алюминия с 6.25mm отверстий диаметре. Убедитесь в том, сетка является больший, чем открытие из 1L стакан и лента примерно сосредоточены на сетки.
2. Смонтируйте кусок кремниевой пластины с УНТ на ленте так что CNT микроструктур с которыми сталкиваются вверх.
3. Налейте 100мл ацетон в 1L химический стакан и поместите химический стакан на горячей плите внутри вытяжном шкафу. Установите горячий пластина для достижения температура поверхности из 110 ° C. Подождите, пока ацетон начинается кипения. Мы отмечаем, что, на нашем плитой, настройку из 150 ° C был, необходимых для достижения 110 ° C на поверхности. Точка кипения из ацетон является намного ниже, (прибл. 56 ° C), но мы Fouм, что повышение температуры позволило ацетон кипеть быстрее, и нагревают боковые стенки стакана, предотвращение конденсации в стакан.
4. Поместите алюминиевой сетки на стакан так, что установленный образец лицевой стороной вниз.
5. Обратите внимание на любые резкие колебания в передней пары поднимаются сторону стакан и регулировать уровень дыма створки капота, чтобы стабилизировать пара фронт.
6. Как только передняя пара приближается к верхней части стакана, обратите внимание на видимые изменения цвета на поверхности кремниевой подложки. Rainbow-модели, как появится и прокатиться по всей поверхности. Это означает, тонкая пленка растворителя формирования на поверхности, когда пара приходит в соприкосновение с холодной поверхностью.
7. После достаточно растворитель был сдан на хранение, забрать сеткой и без изменения ориентации образца, держите его подальше от растворитель до хранение испарения растворителя прочь. Количество времени, определяется эмпирическогочески в зависимости от размера и расстояния между структурами УНТ. Этот вопрос рассматривается далее в обсуждении.
8. Снимите сетку из стакана и аккуратно снимите пробу из двустороннего скотча, с помощью лезвия бритвы. Предельное внимание должно быть принято на этот шаг, как легко сломать образца в процессе удаления.

4. CNT Master Mold Производство

1. Бассейн SU-8 2002 года на уплотненной микроструктуры CNT. Спиновая образца при 500rpm в течение 10 секунд, затем на 3000 оборотов в минуту для 30-х годов.
2. Выпекать образца при температуре 65 ° С в течение 2 мин, а затем при температуре 95 ° С в течение 4 мин.
3. Вынести образца ультрафиолетовым светом с облученность 75mW/cm ² 20.
4. Выпекать образца снова при 65 ° С в течение 2 мин, затем при 95 ° С в течение 4 мин.

5. Реплика формовочный

1. Если репликация деликатной структуры, поставить хозяина в сушильном шкафу вместе со стаканом подлый из 100 мкл (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydtoocyl) Трихлорсилана в 400mTorr за 12ч.
2. Смешайте в общей сложности 1 г PDMS (Sylgard 184), с соотношением 10:1 мономера: поперечных связей. Для микроструктуры с базовым размером несколько микрометров и соотношением сторон 10 или более широкое использование соотношении 8:1.
3. Поместите CNT мастер блюдо алюминиевой фольгой, и залить PDMS в блюдо, пока образец погружен в воду.
4. Поместите образец в вакуумной дегазации и на 400mTorr в течение 15 мин. Когда пузырьки начинают формироваться в PDMS (как правило, через 3 минуты) периодически увеличивать давление быстро лопаются большие пузыри.
5. Лечение отрицательный при 120 ° С в течение 20 мин. Если образец содержит HAR структур, лечение при 85 ° С в течение 5 часов.
6. После отверждения, отогните алюминиевой фольги и отделить мастера из мягкой PDMS отрицательный вручную.
7. Если репликация деликатной структуры, поместите отрицательное в сушильном шкафу вместе со стаканом подлый из 100 мкл (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydtoocyl) трихлорсилана в400mTorr за 12ч.
8. Налейте СУ-8 2002 в PDMS отрицательным и дегазации на 400mTorr в течение 10 минут.
9. Выпекать образца (SU-8 заполнены отрицательной) при температуре 65 ° С в течение 4 мин, затем при 95 ° С в течение 6 часов для испарения растворителя из толстого слоя SU-8.
10. Вынести образца ультрафиолетовым светом с облученность 75mW/cm ² 20 и выпекать еще раз при температуре 65 ° С в течение 4 мин, а затем при температуре 95 ° С в течение 8 минут.
11. Последнее, вручную demold SU-8 реплики из PDMS отрицательным.

6. Представитель Результаты

Представителя, выращенных УНТ столб массивы вместе с уплотненной форме показаны на рисунке 4 (изображение изменение Де Volder соавт. ^4). HAR столбы с толщиной 10 мкм или меньше постепенно уменьшить прямолинейность, которая еще больше снижается во время уплотнения. Уплотнение полукруглой столбов было показано, что результат в форме изогнутого столбы на больших площадях (рис. 4в). SU-8 яnfiltration происходит между ними и внутри УНТ микроструктуры, для конструкций с шагом 30 мкм или менее тонким слоем SU-8 может остаться между структурами. Фотографии важных шагов в процессе репликации показано на рисунке 5, в то время как SEM, сравнивая репликации микроструктуры их реплики на различных уровнях, показаны на рисунке 6 (изменение изображения с Copic соавт. ^5). Текущие ограничения, с точки зрения формирования структуры, в том числе витой структуры (изменение изображения с De Volder соавт. ^4), высокими стенами пропорции, и реентрантны структуры показан на рисунке 7 (изображение изменение от Copic соавт. ^5).

Рисунок 1. Труб печи установки для роста роста УНТ. (А) Система схеме. (Б) трубчатой ​​печи (Thermo Fisher-Minimite), с открытой крышкой, чтобы показать кремния лодке в запечатанном кварцевой трубке. (С) кремний бовсяная с образцами, показанные до и после роста. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .

Рисунок 2. (А) Схема установки для стакана контролируемых конденсации паров растворителя на микроструктуры CNT (изображение изменение Де Volder соавт. ^6). (Б) УНТ образец прилагается к подложке алюминиевой сетки над кипящим ацетоном.

Рисунок 3. Технологическая схема для реплики формирование микроструктуры CNT, и образ представителя репликации микроструктуры массива по сравнению с США долларовая монета квартал.

Рисунок 4. Примерные микроструктуры CNT до и после капиллярову формирования. Схема и СЭМ изображения массив цилиндрических столбов CNT (а) до капиллярного формирования, и (б) после капиллярного формирования (изображение изменение Де Volder соавт. ^6). На врезках и выравнивание плотности нанотрубок. (С) полуцилиндрической столбы CNT уплотняют и наклон во время капиллярного формирования, образуя наклонные балки (изображение изменены с Чжао и др.. ^7). Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .

Рисунок 5. Основные этапы УНТ отрицательный изготовления форм и литье реплики. (А) Литье PDMS отрицательные формы. (Б) Дегазация отрицательные формы. (С) Руководство съемом отрицательной, и литье SU-8 реплики.

Рисунок 6. Сравнение (а) CNT/SU-8 мастер и (б) копия micropillar структур демонстрируя высокую точность репликации микро-масштабе форму и наноразмерных текстуры (например, боковые стенки и верхняя поверхность), на большой площади (изображение изменение от Copic соавт. ^5). Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .

Рисунок 7. Высокого удлинения (HAR) и реентрантны CNT микроструктуры и их полимерных реплик. (А) уплотненной CNT сотовый с соответствующими SU8-CNT мастера и SU8 реплики. (Б) Мастер и копия наклонной CNT микропланшетным (изображение изменение от Copic соавт. ^5). (С) прессованная витой micropillars УНТ, с хозяином и реплики отдельных структуры (изменение изображения с De Volder соавт. ^4). Соты в (а) у стены шириной 400 нм и высотой 20 мкм.= "Http://www.jove.com/files/ftp_upload/3980/3980fig7large.jpg" целевых = "_blank"> Нажмите здесь, чтобы увеличить цифру.

Обсуждение

Литографических структурирование и подготовка CNT катализатор субстратов проста и повторяемые, однако, достижение устойчивого роста УНТ требует особого внимания к тому, как высота и плотность леса CNT подвергаются воздействию влажности окружающей среды и состояния роста трубки. По наш?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Название реагента	Компания	Номер по каталогу	Комментарии
4 "диаметром <100>, кремниевые пластины покрыты SiO 2 (300 нм)	Кремний Quest	Обычай
Положительные фоторезиста	MicroChem	SPR 220-3.0
Hexamethyldisilizane (HMDS)	MicroChem
Разработчик	Я электронных материалов корпорации США	AZ 300 MIF
Распыление системы	Kurt J. Lesker	Лаборатория 18	Распыление системы осаждения катализатора
Thermo Fisher-Minimite	Fisher Scientific	TF55030A	Труба печи для роста УНТ
Кварцевые трубки	Технические продукты стекла	Обычай	22 мм ID × 25 мм, диаметр 30 "длиной
Гелий газа	PurityPlus	Он (предварительно очищенный 300)
Водород	PurityPlus	H 2 (предварительно очищенный 300)	UHP
Этилен газа	PurityPlus	C 2 H 4 (предварительно очищенный 300)	UHP
Перфорированный лист алюминия	McMaster-Carr	9232T221	Для проведения пример выше уплотнения стакана
УФ-лампы наводнение	Dymax	Модель 2000
СУ-8 2002	MicroChem	СУ-8 2002
Полидиметилсилоксан (PDMS)	Dow Corning	Sylgard 184 Силиконовый эластомер Kit