Подготовка ZnO наностержней / Графен / ZnO наностержней эпитаксиальных двойной гетероструктуры для пьезоэлектрических Nanogenerator с помощью Нагрев гидротермальных

Резюме

Один шаг Способ изготовления для получения автономный эпитаксиального двойной гетероструктуры представлена. Такой подход мог бы добиться охвата ZnO с более высокой плотностью, чем в эпитаксиальных гетероструктур одной, что приводит к пьезоэлектрической nanogenerator с электрическими характеристиками увеличился вывода.

Аннотация

Ну-выровненные ZnO наноструктуры интенсивно изучались в течение последнего десятилетия для замечательных физических свойств и огромных приложений. Здесь мы опишем технику изготовления один шаг в синтез автономных ZnO наностержней / графен / ZnO наностержней двойной гетероструктуры. Получение двойной гетероструктуры выполняется с использованием термическим осаждением химических паров (CVD) и подогрева техники гидротермической. Кроме того, морфологические свойства были охарактеризованы с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Полезность стоящая двойной гетероструктуры демонстрируют изготовления пьезоэлектрического nanogenerator. Электрическое выход улучшается до 200% по сравнению с одной гетероструктуры за счет связи эффекта пьезоэлектричества между массивами ZnO наностержней на верхней и нижней части графена. Этот уникальный двойной гетероструктуры имеют огромный потенциал для применения электрического и оптоУстройства, где высокая плотность количество и удельную площадь поверхности наностержню необходимы, такие как датчик давления, иммуно-биосенсора и сенсибилизированных красителем солнечных элементах.

Введение

В последнее время портативные и носимые электронные устройства стали важным элементом для комфортной жизни в связи с развитием нанотехнологий, в результате чего огромные требования для источника питания в диапазоне мкВт на милливатт. Значительные подходы к источнику питания портативных носимых устройств и были достигнуты возобновляемых источников энергии, в том числе солнечной энергии, тепловой ^{1,2 3,4} и механической источника ^5,6. Пьезоэлектрический nanogenerator интенсивно изучались в качестве одного из возможных кандидатов на уборочной энергии устройства из сред, таких как шелест листа ^{7, 8} звуковую волну и движение человеческого бытия ^9. Основной принцип, лежащий в nanogenerator это соединение между пьезоэлектрическим потенциалом и диэлектрического материала в качестве барьера. Пьезоэлектрический потенциал, создаваемый в деформированном материале вызывает переходный ток, который течет через внешний CIRCПИФ, который уравновешивает потенциал на поверхности раздела между пьезоэлектрическими и диэлектрического материала. Производительность nanogenerator можно было бы улучшить с помощью наноструктуры пьезоэлектрического материала из-за отказоустойчивости при отказоустойчивости при высоких нагрузках и отзывчивость к крошечной деформации ^10.

Одномерная наноструктуры оксида цинка является перспективным компонентом для пьезоэлектрических материалов в nanogenerator из-за его привлекательных свойств, например, высокая пьезоэлектричество (26,7 пм / В) ^11, оптической прозрачностью ^{12 и} поверхностным синтез с помощью химических процессов ^13. Подход гидротермального выращивания хорошо выровненный ZnO наностержней получает большое внимание из-за низкой стоимости, экологически синтеза и потенциала для легкого масштабирования вверх. Кроме того, предварительный нагрев техника гидротермальных легко управляема в экспериментальных условиях, в результате чего во многих видах новых наноструктур, таких, как nanoleaves ^14,nanoflowers ^{15 и} нанотрубок ^16. Новые наноструктуры позволяют благоприятное воздействие на выполнение электрических и оптоэлектронного устройства, где высокая удельная поверхность материала требует.

В этом протоколе мы опишем экспериментальные процедуры для синтеза более новой наноструктуры (т.е., отдельно стоящая двойной гетероструктуры). Рост ZnO наностержню на границе между графена и полиэтилентерефталата (ПЭТ) подложки приводит к самостоятельной Подъемная наностержней ZnO / графена одного гетероструктуры, получая автономный двойной гетероструктуры. Кроме того, представляется возможным применение этого уникального наноструктуры для электронных устройств и оптоэлектронного свидетельствует изготовления пьезоэлектрического nanogenerator. Корпусная двойной гетероструктурой обеспечивает не только высокую удельную площадь поверхности, но и высокую плотность числа наностержню в данной области. Этот уникальный наноструктуры имеет огромное мощнымМВЛ для применения электрических и опто устройств, таких как датчик давления, иммуно-биосенсора и сенсибилизированных красителем солнечных элементах.

протокол

1. химическое осаждение (CVD) Рост однослойных Графен

Примечание: графен используется в данном исследовании, выращивали на меди (Cu) фольга с использованием химического осаждения из паровой термической газовой фазы (CVD) Метод (фиг.1А). Рост однородна по площадью 2 см х 10 см для данной системы.

1. Промыть Cu фольгу (2 см х 10 см) с умеренным потоком ацетон, изопропиловый спирт (ИПС) и дистиллированной воды, соответственно.
2. Поместите очищенный Cu фольгу в 2 в кварцевой трубке. (Фиг.1В), а затем очистить камеру с вакуумом (примерно 1 мТорр) в течение 10 мин с помощью роторный насос.
3. Настройка температуры цифровом печи и нарастить печи для 995 ° С, в то время как поддержание желаемых скоростей потока (100 SCCM для аргона и 50 SCCM для водорода) (рис 1в).
4. Введем 20 SCCM метана (CH ₄₎ в течение 10 мин, чтобы расти однослойных графена. Поддерживать 80 SCсм аргона и 20 SCCM пропускной водорода процесс.
5. Дайте печи остыть до комнатной температуры в течение 5 мин с расходом, указанным в шаге 1.4. Очистите камеру снова аргоном в 100 кубических сантиметров в минуту.

2. Подготовка графеновых / полиэтилентерефталата (ПЭТ) субстрата

1. Поместите графена вырос Cu фольгу (1,5 см х 2 см) на стекло, и исправить края от коммерческой ленты (рис 2А).
2. Спин покрытие слой поли (метилметакрилата) (ПММА) в 500 оборотов в минуту в течение 5 секунд, а затем 3000 оборотов в минуту в течение 30 сек (Figure2B). Затем испечь ПММА с покрытием из фольги Cu подложки при 60 ° С в течение 2 мин, чтобы удалить остатки растворителя.
3. Нарезать ПММА, покрытый фольгой Cu в меньшем штуку 1 см х 1,5, используя лезвие бритвы.
4. Погрузитесь ПММА, покрытый фольгой Cu Ni в травильного резервуара (более 500 мл) путем размещения фольги лицо Cu вниз в течение 30 мин. Это оставляет плавающей ПММА слой графена на травильного раствора / ( Рисунок 2C). Кусок ПММА с покрытием фольгой Cu достаточно для эксперимента вперед.
5. Совок ПММА / слой графена на предметное стекло, а затем погрузиться ПММА / слой графена в DI водохранилища. Повторите дважды. Наконец, совок ПММА / слой графена на ПЭТ подложку, (рис 2D), а затем выпекать подложки при 105 ° С в течение 2 мин, чтобы удалить воду остатка.
6. Удалить слой ПММА путем погружения в теплой ацетоне (60 ° C) в течение 10 мин.

3. Синтез наностержней ZnO / Графен / ZnO наностержней эпитаксиальных двойной гетероструктуры

1. Начнем с нагреванием раствора предшественника с 40 мМ нитрата цинка гексагидрата, 40 мМ гексаметилентетрамин (HMT) и 9 мМ полиэтиленимин (ПЭИ) в деионизированной воде в течение 60 мин при 95 ° С в конвекционной печи (фиг.3А). А именно, процесс предварительного нагрева.
2. В то время как процесс нагрева, полностью покрыть решение с 5 мМ ацетата цинка в этаноле на подложку и спина пальто слой зинС ацетата на графен / ПЭТ подложку при 500 оборотов в минуту в течение 5 секунд, а затем 2000 оборотов в минуту в течение 60 секунд (фиг.3В и фиг.3С) .Затем, печь субстрата при 200 ° С в течение 30 мин. Повторите дважды. Толщина слоя составляет примерно 30 нм.
3. Опустить семян покрытием графена / ПЭТ подложки в предварительно нагретую раствора путем размещения подложки лицо вниз при 95 ° С (рис 3D). Определить время нагрева для требуемого наноструктуры, то есть один гетероструктуры (т <12 ч, рис 3E) и дважды гетероструктуры (т> 12 ч, рис 3F).
4. Осторожно распыления этанола на подложке и высушить при комнатной температуре в течение 1 часа.
   Примечание: Для сканирующей электронной микроскопии (SEM), кости образца в меньший кусок 5 мм х 5 мм с помощью лезвия бритвы и смонтировать образца на SEM этапе.

4. Изготовление пьезоэлектрических Nanogenerator

Примечание: пьезоэлектрический Nanogenerator в этом исследовании имеет три электрода (верхняя, средняя, ​​нижняя). Использование оксида индия и олова (ITO), покрытых ПЭТ в качестве нижнего электрода (фиг.4А).

1. Спин пальто слой полидиметилсилоксана (PDMS) при 500 оборотах в минуту в течение 5 сек, а затем 6000 оборотов в минуту в течение 60 секунд, чтобы сформировать изолирующий слой между ITO и ZnO наностержню (рис 4В). Толщина слоя составляет примерно 3 мкм.
2. Полностью вылечить подложки при 80 ° С в течение 2 ч в конвекционной печи.
3. Передача графена PDMS покрытием ITO / ПЭТ подложки с помощью метода в разделе 2 (фиг.4С).
4. Синтезировать двойной гетероструктуры на подложке с использованием способа в разделе 3 (рис 4D).
5. Спин покрытие слой PDMS в 500 оборотов в минуту в течение 5 секунд, а затем 5000 оборотов в минуту в течение 60 сек, чтобы улучшить надежность и долговечность наностержню ZnO, а затем полностью вылечить это при 80 ° С в течение 2 ч (рис 4E). Толщина слояпримерно 8 мкм.
6. Обложка подложки с ITO ПЭТ-покрытием в качестве верхнего электрода (рис 4F).

Настройка 5. Электрические характеристики Измерение

Примечание: Мы создали на заказ оборудования для электрических характеристик производительности, используя линейный двигатель, коммерческий масштаб и осциллограф. Сборка рамы для поддержки вертикально линейный двигатель и поместите промышленном масштабе под линейным двигателем, как показано на фиг.5А. Шкала должна быть чувствительной к малым весом (0.02 кг - 20 кг).

1. Поместите nanogenerator по шкале, а затем подключить электроды nanogenerator для зондирования зонды осциллографа (рис 5а и 5б).
2. Установите начальные и конечные позиции и скорости линейного двигателя в то время как внимательно следит за вес в масштабе.
   Совет: Настройте исходное положение, где nanogenerator слегка контакт с измement установки. Скорость линейного двигателя определяет скорость деформации.
3. Начало линейного двигателя и контролировать сигнал напряжения с течением времени. Сохранить в зависимости от времени сигнала напряжения в флэш-памяти. Штамм ставка: 100 мм / сек и приложенная нагрузка: 50 Н.

Результаты

Сканирование электронной микроскопии (СЭМ) изображения, показанные на рисунке 6 настоящее время морфологии гидротермально выращенных ZnO наностержней. Методика предварительного нагрева гидротермальной может привести к двум различным наноструктур ...

Обсуждение

Пожалуйста, обратите внимание, что высокое качество (> 99,8%, отожженной) из Cu фольги следует рассматривать в качестве субстрата для успешного роста однослойного графена. В противном случае, один слой графена не равномерно выросла за фольгой Cu, что приводит к значительно уменьшить прово?...

Материалы

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