3D Karbon Nanotube mikroyapılar, Üretimi, Yoğunlaştırma ve Replica Kalıp

Özet

Biz dikey hizalanmış karbon nanotüp (CNT), ve organize nano ölçekli yüzey dokusu ile polimer mikro üretimi için ana kalıp olarak kullanımı mikro desenli imalatı için yöntemler sunuyoruz. CNT ormanları önemli ölçüde ambalaj yoğunluğu artar ve 3D şekillerin kendi kendini yöneten oluşumunu sağlayan yüzey, üzerine çözücü yoğunlaşması ile yoğunlaştırılmış edilir.

Özet

Mikroimalat için yeni malzeme ve süreçler giriş, büyük ölçüde, mikrosistemler, lab-on-a-chip cihazlar ve uygulamaları pek çok önemli gelişmeler sağlamıştır. Özellikle, polimer mikro maliyet-etkin üretim için yetenekleri yumuşak litografi ve diğer micromolding teknikleri ^{1, 2} gelişiyle tarafından dönüştürülür ve bu biyomedikal mühendisliği ve biyoloji mikroimalat uygulamalarında bir devrim yönetilmiştir. Bununla birlikte, iyi tanımlanmış nano yüzey dokuları ile mikro imal etmek ve mikro ölçekte keyfi 3D şekillerin imal etmek zor kalır. Ana kalıp ve şekil bütünlüğünün bakım Sağlamlık yüksek sadakat karmaşık yapıların çoğaltma ve nano ölçekli yüzey dokusunu koruma elde etmek için özellikle önemlidir. Hiyerarşik dokuları ve heterojen şekiller, birleşimi mevcut mikroimalat yöntemleri derin bir meydan okuma olduğunu larGely sabit maskesi şablonları kullanarak yukarıdan aşağıya etching dayanır. Öte yandan, nanotüpler ve nanoteller olarak nanoyapıların aşağıdan yukarıya sentez nanoyapıların kolektif öz-örgütlenme yararlanarak özellikle mikroimalat yeni yetenekleri sunabilir ve microfabricated desenleri ile ilgili büyüme davranışı yerel kontrolü .

Amacımız yeni bir mikroimalat malzemesi olarak, CNT "ormanlar" olarak atıfta dikey hizalanmış karbon nanotüp (CNT), tanıtmaktır. ; CNT mikro kendini yönettiği elastocapillary yoğunlaştırılması ve CNT kompozit ana kalıplar kullanılarak polimer çoğaltma kalıplama mikroyapılar lithographically desenli katalizör ince filmlerin termal CVD CNT orman mikro imalatı: Yakın zamanda grubumuz tarafından geliştirilen ilgili yöntemlerini paketinin ayrıntıları ortaya . Özellikle, bizim iş perfo olduğunu kendi kendini yöneten kılcal yoğunlaşma ("oluşturan kapiller") gösterirCNT mikro yapı ile alt tabaka üzerine bir çözücü ile yoğunlaşması ile rmed, önemli ölçüde CNTS ambalaj yoğunluğu arttırır. Bu süreç, tipik mikroimalat polimerlerin geçecek sağlam mekanik özelliklere sahip, düz eğimli, ve bükümlü şekiller içine dikey CNT mikro yönlendirilmiş dönüşümü sağlar. Bu sırayla polimerlerin kılcal odaklı infiltrasyonu ile nanokompozit CNT'nin ana kalıp oluşumunu sağlamaktadır. Çoğaltma yapıları hizalanmış CNT anizotropik nano doku gösterirler ve alt mikron kalınlık ve 50:1 aşan boy oranları ile duvarlar olabilir. Üretiminde CNT mikro entegrasyonu kimyasal ve biyokimyasal fonksiyonlandırmalar ³ CNT elektriksel ve termal özellikleri ve çeşitli yeteneklerini sömürmek için ileri bir fırsat sunuyor.

Protokol

1. Catalyst Desenlendirme

1. En azından bir kısmı ile parlatılmış, bir 3000A kalınlığında silikon dioksit tabakası ile (100) silikon kazanır. Alternatif olarak, bir çıplak silikon kazanmak ve gofret üzerine 3000A silikon dioksit uzayabilir. Aşağıda açıklanan tüm işlemler, gofret cilalı tarafında yapılır.
2. Daha sonra 30 sn için 3000rpm az, 4S için 500rpm azından HMDS tabakası Spincoat. HMDS gofret ve ışığa arasındaki yapışma teşvik etmektedir.
3. Daha sonra 30 sn için 3000rpm az, 4S için 500rpm azından SPR-220-3 tabakası Spincoat.
4. 90s için 115 ° C'de bir ocak gözünde gofret pişirin.
5. Katalizör desenlendirme için istenen maskesi kullanarak, fırında 115 yine bir ocak gözünde gofret 90s ° C (post) sert kontakt mode.1.6 içinde 6s için 405 nm'de 20 mW / cm ^{2 'lik} bir ışınım ile UV ışığına maruz gofret pozlama fırında).
6. AZ-300 MIF geliştirici kullanarak 60s için ışığa maruz geliştirin.
7. DurulamaDI su 60s için gofret.
8. Mevduat 10nm Al ₂ O ₃ e-demeti buharlaştırma veya püskürtme ile 1 nm'den Fe izledi.
9. Yaklaşık 20 adet × 20 mm veya daha küçük içine El kâtip ve mola gofret.
10. Beher 8dk (CREST ultrason 1100D) için güç 6 ultrasonik banyoda alınırken, aseton 100ml içeren bir 1L beherindeki gofret parçaları ıslatarak kaldıran fotorezist ile gerçekleştirin.
11. Atın ve aseton değiştirin ve aynı ayarlarla tekrar ses dalgalarına maruz.
12. Izopropanol (IPA) ile bir behere gofret parçaları aktarın, sonra 2dk bekletin.
13. Cımbız kullanarak tek tek IPA gelen gofret parçalarını çıkarın. Bir el meme kullanarak nazik bir azot akımı ile her parça kurulayın.

2. CNT Büyüme

1. Çıplak (ya da oksit kaplı) silikon ve elle kâtip kazanmak ve boyutları yaklaşık olarak 22 ile bir parça × 75 mm bölünürler. Bu "tekne"desteklemek ve tüp fırın içine katalizör-kaplamalı gofret parçaları yüklemek için kullanılacaktır. Tekne yükleme ve boşaltma sırasında gofret parçaları tutmak için çok yararlıdır, ancak büyüme sürecinde bir rol oynamıyor. Prensip olarak teknenin CNT büyüme şartları altında kimyasal ve termal açıdan stabil olan herhangi bir madde olabilir.
2. Öncü gelen tekne, 30mm üzerinde katalizör kaplı gofret parçaları (büyüme substrat) istenen bir sayı koyun.
3. Tüpüne büyüme yüzeyler ile tekne yükleyin. Kılavuz kenar bir paslanmaz çelik ya da kuvars itme çubuğu kullanılarak, fırının termokupl ve 30mm alt akışında konumlanmış olan bu tür bir tüpe teknenin itme. Bu 30mm konumu bizim fırının en yüksek CNT büyüme oranı verir "tatlı" dir. Bu, kullanıcının aparatı ve hedefleri (örn., CNT büyüme ya yoğunluğu maksimize) bağlı olarak, kullanıcının aygıtı, bu konumunu belirlemek için gerekli olacaktır.
4. Bağlamakkapakları, tüp sızdırmazlık. Bakım tekne veya desenli silikon parçaları pozisyonu rahatsız değil alınmalıdır. Not: CNT büyüme tüpün içindeki konumu son derece hassastır.
5. Oda sıcaklığında 5min için helyum 1000sccm ile kuvars tüp yıkayın.
6. Hidrojen ve helyumdan 100sccm of 400sccm akarken, 10dk da 775 ° C sıcaklık rampa ve sonra 10dk akışı ve sıcaklık tutun. Bu adım, filmin kimyasal olarak demir oksit demir azaltmak için, ve nanopartiküller içine dewet neden olur.
7. Etilen 100sccm ekleyerek ve ° C CNT büyümeye 775 de fırın korurken, 100sccm ve 400sccm için helyum akış hızına hidrojen debisi değiştirin. CNTS yüksekliği Bu aşamanın süresi ile kontrol edilir.
8. Katalizör yongaları fırın tecrit yaklaşık 1cm aşağı bulunmaktadır kadar CNT büyümesini durdurmak ve örnek soğutmak için, elle kuvars tüp aşağı kaydırın. Için dikkatli kullanın15 dakika için, önceki adımda aynı akışları ve fırının ayar noktası sıcaklığı korumak.
9. Önceki örnekleri alma ve fırın kapatmayı, 5dk için helyum 1000sccm ile tüp yıkayın.

3. CNT Sıklaştırma

1. 6.25mm çaplı delikler ile 0.8mm kalınlığında alüminyum mesh çift taraflı bir bant uygulayın. Mesh bir 1L behere açılması daha büyük ve bant yaklaşık örgü üzerinde ortalanmış olduğundan emin olun.
2. CNT mikro yukarı bakacak şekilde banda CNT ile silikon parçasına bağlayın.
3. Bir 1L behere 100 ml aseton dökün ve bir çeker ocak içinde sıcak bir plaka üzerinde behere koyun. 110 ° C arasında bir yüzey sıcaklığı elde etmek için sıcak plaka ayarla Aseton kaynama başlayana kadar bekleyin. Biz ısı plakası üzerine, 150 bir ayar ° C yüzeyi üzerinde 110 ° C'de elde etmek için gerekli edildi, bu not edin. Aseton kaynama noktası fou çok daha düşüktür (yaklaşık 56 ° C) ama biz biryüksek sıcaklık aseton daha çabuk kaynaması için izin ve beher içinde yoğuşma önleme, beher yanaklar ısıtılır olduğunu nd.
4. Monte örnek aşağı bakacak şekilde böyle ölçeğine alüminyum kafes yerleştirin.
5. Buharı önünde herhangi bir hızlı dalgalanmalarla beher tarafı yükselen Not ve buhar ön stabilize çeker ocak kanat seviyesini ayarlayın.
6. Buharı ön beher üst yaklaşır sonra, silikon taban yüzeyi üzerinde belirgin bir renk değişimi görüyoruz. Rainbow benzeri desenler görünür ve tüm yüzey üzerinde tarar. Bu buhar soğuk yüzey ile temas durumuna geldiği zaman bir yüzeye oluşturan bir çözücü ince bir film anlamına gelmektedir.
7. Bir kez yeterli solvent tevdi edilmiştir, örgü pick up ve çözücü uzak çekinceye tevdi edinceye kadar örnek yönünü değiştirmeden, kaynayan çözücü uzak tutun. Zaman miktarı belirlenir empirically CNT yapıların büyüklüğü ve aralıkları dayanmaktadır. Bu tartışmada daha da ele alınmaktadır.
8. Kaptan örgü çıkarın ve dikkatli bir şekilde çift taraflı bant ile örnek kalkmasına, bir traş bıçağı. Bunun çıkarılması sırasında örnek kırmak kolay olduğu gibi özenle bu aşamada alınmalıdır.

4. CNT Usta Kalıp İmalatı

1. Havuz SU-8 yoğunluğu artırılmış CNT mikro 2002. 30s için 3000rpm de daha sonra, 10s için 500rpm de örnek Spin.
2. 95 dk sonra da 2 ve 4 ° C dakika için 65 ° C 'de Örnek pişirilir.
3. 20'li için 75mW/cm ² bir ışınım ile UV ışığına maruz örnek.
4. Daha sonra 95 dakika azından 2, 4 ° C dakika için 65 ° C'de tekrar Örnek pişirilir.

5.. Replica Kalıp

1. Narin yapıları taklit ederse, bir 100μL (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydtoocyl pis bir cam ile birlikte bir desikatörde ana yerleştirin12 saat 400mTorr azından)-trichlorosilane.
2. Çapraz bağlayıcı: 10:01 monomer oranı ile, PDMS 1g (Sylgard 184) toplam karıştırılır. Birkaç mikrometre arasında bir baz boyutu ve 10 ya da daha fazla kullanımı 8:01 oranında bir boy oranı ile mikro yapı için.
3. Alüminyum folyo çanak CNT'nin ana yerleştirin ve örnek batık kadar çanak içine PDMS dökün.
4. 15 dakika boyunca 400mTorr C'de vakum ve gazdan arındırmak içinde Örnek yerleştirin. Bir kez kabarcıkları (tipik olarak yaklaşık 3 dakika sonra) PDMS oluşmaya periyodik büyük kabarcıkları patlamaya hızla basınç artmaya başlar.
5. 20 dakika süre ile 120 ° C 'de negatif tedavisi. Örnek HAR yapıları içeriyorsa, 5H için 85 ° C'da tedavisi.
6. Bir kere geri alüminyum folyo soyma, tedavi ve elle yumuşak PDMS negatif olarak ana ayırın.
7. Hassas yapılar kopyalayan ise, at (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydtoocyl)-trichlorosilane arasında 100μL pis bir cam ile birlikte bir kurutucuda, negatif yerleştirmek12 saat 400mTorr.
8. 10dk 400mTorr az PDMS olumsuz ve gazını içine SU-8 2002 dökün.
9. 65 (SU-8 negatif doldurulmuş) ° C 4dk için, daha sonra 95 ° C'de 6 saat için SU-8 ile kalın bir tabaka ile çözücünün buharlaşmasını. Örnek fırında
10. 8dk için 95 4dk sonra ° C 65 ° C'de tekrar 20s ve fırında için 75mW/cm ² bir ışınım ile UV ışığına maruz örnek.
11. Son elle PDMS olumsuzdan SU-8 çoğaltma demold.

6. Temsilcisi Sonuçlar

Bunların yoğunlaştırılmış şekiller ile birlikte temsilcisi olarak gelişen CNT ayağı dizileri (De Volder et al değiştirilmiş görüntü. ⁴⁾ Şekil 4 'de gösterilmiştir. 10μm veya daha küçük kalınlığa sahip HAR sütunlar giderek daha da yoğunlaştırılması sırasında azalır doğrusallık, azalttık. Semisirküler direklerinden Sıklaştırma geniş alanlar (Şekil 4c) üzerinden düzgün bükük ayağı neden olduğu gösterilmiştir. SU-8 infiltration 30μm arasında boşluklar ya da aşağıda SU-8 yapılar arasında kalır ince bir film ile yapılar için, ila CNT mikro yapı içinde ortaya çıkar. Çeşitli terazi üzerine yinelemelere çoğaltılmış mikroyapıları karşılaştırarak SEM görüntüleri (Copic et al değiştirilmiş görüntü. ⁵⁾ Şekil 6'da gösterildiği gibi iken replikasyon işleminde önemli aşamaları resimlerini, Şekil 5 'de gösterilmiştir. Bükümlü yapılar (De Volder ve ark. ⁴ değiştirilebilen görüntü), yüksek boy oranı duvarlar ve re-entrant yapılar da dahil olmak üzere yapının oluşumu açısından Mevcut limitler, (Copic ve ark değiştirilmiş görüntü. ⁵⁾ Şekil 7 'de gösterilmiştir.

Şekil 1. Büyüme CNT büyüme Tüp fırın kurulum. (A) Sistem şematik. Mühürlü kuvars tüp içindeki silikon tekne göstermek için açık kapağı ile (b) Tüp Fırın (Termo-Fisher Minimite). (C) Silikon bbüyüme öncesi ve sonrasında gösterilen örnekleri ile yulaf. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

Şekil 2. CNT mikro (De Volder ark değiştirilmiş görüntü. ⁶⁾ üzerine solvent buhar kontrollü yoğuşma için beher kurulum (a) Şematik. (B) CNT örnek substrat kaynar aseton üzerinde alüminyum delikli bağlı.

Şekil 3. Temsilcisi çoğaltılmış mikro dizi Süreci CNT mikro çoğaltma kalıplama için akış ve görüntü ABD doları çeyrek sikke göre.

Kapiler önce ve sonra Şekil 4'de. Örnek CNT mikroyapılarıy şekillendirme. Silindirik CNT sütunlar (a) daha önce kılcal oluşturulması, ve (b) oluşturucu kılcal sonra (görüntü De Volder et al modifiye. ⁶⁾ bir dizi şematik ve SEM görüntüler. Insets CNT uyumlaştırılması ve yoğunluk göstermektedir. (C) yan silindirik CNT ayağı sıkıştıracağını ve eğimli kirişler (Zhao ve ark. ⁷ değiştirilmiş görüntü) oluşturan, oluşturan kılcal sırasında eğilme. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

Şekil 5. CNT negatif kalıp imalat ve çoğaltma döküm Anahtar adımlar. (A) PDMS negatif bir kalıp döküm. (B) negatif bir kalıp gaz giderme. (C) Manuel negatif demolding ve SU-8 yinelemenin bir döküm.

Şekil 6. Karşılaştırılması (a) CNT/SU-8 master ve geniş bir alana (Copic ark değiştirilmiş görüntü. ⁵⁾ üzerinden, mikro ölçekli şekil ve nano ölçekli doku (yani, yanaklar ve üst yüzeyi) yüksek sadakat çoğaltma gösteren (b) çoğaltma micropillar yapılar. tıklayın Burada büyük rakam görüntülemek için .

Şekil 7. Yüksek-boy oranı (HAR) ve girintili CNT mikro ve polimer kopyaları. (A) ilgili SU8-CNT master ve SU8 yinelemeyle Preslenmiş CNT petek. (B) Yüksek Lisans ve eğimli CNT mikro çoğaltma (görüntü Copic ark güncellenmiştir. ^5). (C) master ve bireysel yapısı yinelemeyle bükülmüş CNT micropillars, (De Volder ve ark. ⁴ değiştirilmiş görüntü) yoğunlaştırılmış. In petekler (a) 400 nm ve 20 um arasındaki yükseklik duvarın genişliğe sahiptir.= "Http://www.jove.com/files/ftp_upload/3980/3980fig7large.jpg" target = "_blank"> büyük rakamı görmek için buraya tıklayın.

Tartışmalar

Litografik desenlendirme ve CNT katalizör substratların hazırlanması basit ve tekrarlanabilir, ancak tutarlı CNT büyüme elde CNT ormanların yüksekliği ve yoğunluğu ortamdaki nem ve büyüme tüpün durumu etkilenen nasıl dikkat gerektirir. Deneyimlerimize göre, 1000 mikron daha büyük desenler ² işleme koşulları küçük dalgalanmalara karşı daha az duyarlıdır. Bundan başka, kalıpları oynama yoğunluğu büyüme yoğunluğu ve yüksekliği ⁸ etkiler. Büyüme yoğunluğu ve...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Reaktif Adı	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
SiO 2 (300 nm) ile kaplı 4 "çap <100> silikon gofret	Silikon Görev	Özel
Pozitif fotorezist	MicroChem	SPR 220-3,0
Hexamethyldisilizane (HMDS)	MicroChem
Geliştirici	AZ Elektronik Malzemeler USA Corp	AZ 300 MIF
Püskürtme sistemi	Kurt J. Leşker	Lab 18	Katalizör çökelmesine Püskürtme sistemi
Thermo-Fisher Minimite	Fisher Scientific	TF55030A	CNT büyüme için tüp fırın
Quartz tüp	Teknik Cam Ürünleri	Özel	22 mm ID × 25 mm OD 30 "uzunluk
Helyum gazı	PurityPlus	O (PrePurified 300)
Hidrojen gazı	PurityPlus	H 2 (PrePurified 300)	UHP
Etilen gazı	PurityPlus	C 2 H 4 (PrePurified 300)	UHP
Delikli alüminyum levha	McMaster-Carr	9232T221	Yoğunlaştırma kabı Yukarıdaki örnek tutmak için
UV lamba sel	Dymax	Model 2000
SU-8 2002	MicroChem	SU-8 2002
Polidimetilsiloksan (PDMS)	Dow Corning	Sylgard 184 Silikon Elastomer Kiti