Karbon Nanotube Dizilerin Islatma Özellikleri Tuning Tedaviler Tavlama Kuru Oksidasyon ve Vakum

Özet

Bu makale KVH'tan dikey hizalanmış karbon nanotüp diziler imal etmek ve akabinde tavlama veya kuru oksidasyon işlemi vakum onları teşhir ederek ıslatma özelliklerini ayarlamak için basit bir yöntem açıklanır.

Özet

Bu makalede, biz geri dönülebilir dikey hizalanmış karbon nanotüp (CNT) diziler ıslatma özelliklerini ayarlamak için basit bir yöntem tarif. Burada, CNT dizileri gibi tanımlanmıştır yoğun yönelik dik standart termal kimyasal buhar biriktirme (CVD) tekniği ile bir gelişme sürecinin bir sonucu olarak büyüme alt tabaka çok-karbon nanotüp paketlenir. ^1,2 Bu CNT diziler daha sonra vakum maruz kalır onları daha hidrofobik yapmak veya bunları daha hidrofilik hale getirmek oksidasyon işlemi kurumasını tedavi tavlama. Hidrofilik CNT diziler tedavi tavlama vakum bunları teşhir ederek hidrofobik açılabilir ise hidrofobik CNT diziler, oksidasyon işlemi kurumasını bunları teşhir ederek hidrofilik açılabilir. Hem tedavilerin bir kombinasyonu kullanarak, CNT dizileri art arda nedenle hidrofilik ve hidrofobik. ² arasında geçiş yapılabilir, böyle bir kombinasyon, birçok endüstriyel ve tüketici uygulamalarında çok yüksek potansiyelini göstermektedirilaç dağıtım sistemi ve yüksek güç yoğunluğu süperkapasitörlerin. ^3-5 dahil

CNT dizilerin ıslanabilirlik değiştirmek için anahtar oksijen tutunanlar yüzeyine konsantrasyonu kontrol etmektir. Temelde oksijen tutunanlar herhangi bir oksidasyon tedavi CNT diziler açarak tanıttı olabilir. Burada oksijenli fonksiyonel grupları ile CNT yüzeyine fonksiyonalize gibi oksijen plazma ve UV / ozon gibi kuru oksidasyon tedaviler, kullanın. Bunlar oksijenli fonksiyonel grup hidrofilik CNT oluşturma, form CNT ve su moleküllerinin yüzey arasındaki hidrojen bağı sağlar. Onlara hidrofobik açmak için, adsorplanan oksijen CNT yüzeyden alınmalıdır. Burada oksijen desorpsiyon sürecini başlattığı vakum tavlama işlemi kullanır. Oksijen tutunanlar son derece düşük yüzey konsantrasyon ile CNT dizileri süperhidrofobik davranışlar sergiler.

Giriş

Ayarlanabilir ıslatıcı özelliklere sahip sentetik malzeme giriş kendi kendini temizleme yüzeyleri ve hidrodinamik çekilmesine indirgeme cihazları dahil olmak üzere birçok uygulamada mümkün kılmıştır. ^6,7 çoğunluğunun çalışmalar başarılı bir malzemenin ıslanma özelliklerini ayarlamak için olduğunu göstermektedir, onun bir değişiklik ile mümkün olması, yüzey kimyası ve topografik yüzey pürüzlülüğü. ^8-11 birçok diğer kullanılabilir sentetik malzemeler arasında, nanoyapılı malzemelerin kendi içsel çoklu ölçekli yüzey pürüzlülüğü ve yüzeyler nedeniyle dikkatini en çekmiştir kolaylıkla yaygın yöntemlerden fonksiyonlandırıldıktan edilebilir. Bu nanoyapılı malzemelerin çeşitli örnekler ZnO, ^12,13 SiO _2, ^12,14 İTO, ¹² ve karbon nanotüpler (CNT) içerir. Biz geri dönülebilir CNT ıslatma özelliklerini ayarlamak için yeteneği kendi erdem olduğuna inanıyorum ^15-17 beri onlar gelecekteki uygulamalar için en ümit verici malzemelerden biri olarak kabul edilirFONKSİYONLARIN.

CNT oksidasyon işlemi sırasında ortaya oksijenli fonksiyonel gruplar, bunların yüzeyleri functionalizing ile hidrofilik döndürülebilir. Bugüne kadar, CNT oksijen tutunanlar tanıtmak için en yaygın yöntem, nitrik asit ve hidrojen peroksit gibi kuvvetli asitler ve oksitleyici ajanların kullanımını içeren, iyi bilinen ıslak oksidasyon teknikleridir. ^18-20 Bu ıslak oksidasyon teknikleri zordur Çünkü güvenlik ve çevre konularında endüstriyel düzeyde ve oksidasyon süreci tamamlamak için zaman önemli miktarda kadar ölçeklendirilebilir. Buna ek olarak, bir kritik nokta kurutma yöntemi kurutma işlemi sırasında mikroskobik yapı ve CNT dizi, genel uyum tahrip edebilmektedir kılcal basıncı ile var olan etkisini en aza indirmek için Hesaplanan gerekebilir. Örneğin UV / ozon ve oksijen plazma tedavileri gibi Kuru oksidasyon tedaviler, yukarıdakilere oranla daha güvenli, daha hızlı ve daha kontrollü oksidasyon süreci sunuyoruzIslak oksidasyon tedaviler.

CNT yüzeylerinden elde edilen ekli oksijenli fonksiyonel grupların çıkarılması ile hidrofobik yapılabilmektedir. Bugüne kadar, karmaşık süreçleri daima yüksek hidrofobik CNT dizileri üreten katılmaktadırlar. Tipik olarak, bu diziler bu gibi PTFE, ZnO, ve fluoroalkylsilane, ^15,21,22 ya da fluor ya da bu gibi CF4 ve CH ₄ gibi hidrokarbon plazma muamele ile pasifize edilmesi gibi non-ıslatma kimyasallar ile kaplanmış olması gerekir. Rağmen, ^16,23 Yukarıda sözü edilen tedaviler endüstriyel seviyeye kadar ölçeklendirilebilir çok zor değil, onlar geri dönüşümlü değildir. CNT bu tedaviler maruz sonra, artık yaygın oksidasyon yöntemleri ile hidrofilik hale getirilebilir.

Burada sunulan yöntemler CNT diziler ıslanabilirlik kuru oksidasyon ve vakum tavlama tedaviler (Şekil 1) bir kombinasyonu ile sade bir dille ve rahatlıkla ayarlanabilir olduğunu göstermektedir. Oksijen birBu tedaviler ile indüklenen dsorption ve desorpsiyon işlemleri nedeniyle tahribatsız doğa ve diğer kirliliklerin yokluğu oldukça geri dönüşlüdür. Bu nedenle, bu tedaviler CNT dizileri art arda, hidrofilik ve hidrofobik arasında geçiş sağlar. Ayrıca, bu tedavi çok, pratik, ekonomik ve bunlar herhangi bir ticari vakumlu fırın ve UV / ozon ya da oksijen plazma temizleyici kullanarak yapılabilir beri kolayca ölçeklenebilir.

Burada kullanılan dikey hizalanmış CNT diziler standart termal kimyasal buhar biriktirme (CVD) tekniği ile yetiştirilen unutmayın. Bu diziler genellikle yükseltilmiş sıcaklıkta habercisi gazlarının karbon içeren bir akış altında bir kuvars tüp fırında katalizör kaplı silikon gofret yüzeylerde yetiştirilmektedir. Dizilerin uzunluğu ortalama büyüme zamanı değiştirerek bir milimetre uzunluğunda birkaç mikrometre değiştirilebilir.

Protokol

1. Karbon nanotüp (CNT) Dizi Büyüme

1. En az bir tarafı polisajlı bir silikon gofret hazırlayın. Spesifik bir boyut üzerinde gereksinimi, kristal yönü, katkılama tipi, direnç, ve oksit tabakası kalınlığı vardır. Bu tipik olarak 3 inç, 381 um kalınlığında ve 5-10 Ωcm bir özdirenç, çapı, fosfor ile takviye edilmiş bir <100> n-tip silikon gofret kullanır. Genellikle bu silikon gofret 300 nm kalınlığında termal oksit tabakası vardır.
2. Hazırlanan silikon gofret bir oksit tabakası yoksa, gofret cilalı tarafındaki 300 nm kalınlığında bir oksit katmanı ekleyin. Bu oksit tabakası termal yetiştirilen veya tercihen e-beam buharlaştırıcı kullanılarak, fiziksel buhar biriktirme (PVD) tarafından tevdi edilebilir.
3. 10 nm bir ortalama kalınlık gofret cilalı tarafındaki bir alüminyum oksit (Al ₂ O ₃₎ tampon tabaka yatırın. 0.5 ve ortalama bir birikim hızında e-beam buharlaştırıcı kullanılarak DepositionAring ;/ saniye tercih edilir. % 99.99 veya daha yüksek saflıkta alüminyum oksit granül kullanın.
4. 1 nm ortalama kalınlık gofret cilalı tarafındaki bir demir (Fe) katalizör tabakası yatırın. Bu tampon tabakasının tekdüzelik son derece önemli olduğu için, 0.3 A / saniye ya da daha az olan bir ortalama tortu oranı E-ışın buharlaştırıcı kullanılarak depolanması tercih edilir. % 99,95 veya daha yüksek saflıkta demir pelet kullanın.
5. Tercihen 1x1 cm örnekleri içine, birden fazla küçük cips içine katalizör kaplı silikon gofret Kes ve zar.
6. 1 inç çapında kuvars tüp fırın (Şekil 2) içine birkaç katalizör kaplı silikon yongaları yerleştirin.
7. 750 için fırın sıcaklığı 600 ° C'ye arttırın Torr arasında bir basınçta 400 sccm argon (Ar) gaz sabit bir akış altında.
8. 750 ° C sıcaklık artışı ulaşıldığında t tutarak, 200 sccm argon gazı ve 285 sccm hidrojen _(H2) gaz karışımı ile akan bir ön işleme başlamakO 600 mmHg 'de sabit basınç. 5 dakika boyunca ön işlemi çalıştırın.
9. Ön muamele işlemi tamamlandıktan sonra 600 mmHg 'de basınç sabit tutarken, 210 sccm hidrojen gazı ve 490 sccm etilen (C ₂ H ₄₎ gaz karışımı ile akan büyüme süreci başlar. 750 büyüme sıcaklığı sabit tutarak bir saat kadar büyüme sürecinin çalıştırın ° C. CNT dizilerinin uzunluğu büyüme süresi ile tespit edilir. Mm'lik bir ortalama uzunluk ile CNT diziler bir saat boyunca bu artan ile elde edilebilir. ²
10. 600 Torr arasında bir basınçta 400 sccm argon gaz sabit bir akış altında tekrar oda sıcaklığına kadar fırının sıcaklığına getirin. Fırın sıcaklığı oda sıcaklığına ulaştıktan sonra numuneler kaldırır.
11. Büyüme kalitesi, uzunluğu, çapı ve elektron mikroskobu ile, yoğunluğu ambalaj dahil toplam büyüme özellikleri, karakterize eder.

2. Oksijen AdsorUV / Ozon Tedavi İndüklenen ption

1. 185 nm ve 254 nm dalga boyunda UV radyasyon üreten bir yüksek yoğunluklu cıva buharlı lamba altında CNT dizinin birkaç örnek yerleştirin. Lamba 20 cm - 5 Bu örnekler, bir mesafeye yerleştirilmesi gerekmektedir. Ticari bir UV / ozon temizleyici bir alternatif olabilir (Şekil 3) olarak da kullanılabilir.
2. Standart oda sıcaklığı ve basıncı altında hava UV radyasyonuna bu diziler Açığa. Toplam maruz kalma süresi, fiziksel özellikleri, UV radyasyon güç ve elde edilmek istiyor ıslatımlılığının derecesine bağlıdır. Bir yaklaşım olarak, tamamen süperhidrofobik gelen superhydrophilic için 15 mikron boyunda CNT dizisine geçmek için 100 mW / cm ² UV radyasyonunun yaklaşık 30 dakika sürer.
3. Temas açısı gonyometre kullanılarak su için UV / ozon tedavi CNT diziler statik temas açısı ölçün. Bu ölçümü gerçekleştirmek için Protokol bölüm 5 dahilinde tarif edilmektedir.
4. CNT diziler anot için yeniden maruzUV / Ozon tedavisi onu yuvarlak yeterince hidrofilik değilse.
5. X-ışınları fotoelektron spektroskopisi ile UV / ozon tedavi CNT dizinin yüzey kimyası karakterize eder.

3. Oksijen Plazma Tedavi Oksijen Adsorpsiyon İsteyerek

1. Bir oksijen plazma temizleyici / temizleyici / yakıcısı (Şekil 4) odasında CNT dizinin birkaç örnek yerleştirin. Uzak oksijen plazma temizleyici / temizleyici / yakıcısı nedeniyle izotropik doğanın doğrudan bir daha tercih edilir.
2. Oksijen akış hızı 150 sccm ve oda basıncı 500 mTorr için ayarlayın. RF gücü 50 Watt olarak ayarlayın.
3. Birkaç dakika için oksijen plazma bu diziler Açığa. Toplam maruz kalma süresi bunların fiziksel özellikleri ve elde edilmesini isteyen ıslanabilirliğinin derecesine bağlıdır. Bakım oksijen plazma tamamen CO ve CO ₂ molekülleri halinde CNT oksitleyici çok yetenekli olduğu için alınmalıdır. Bir yaklaşım olarak, en az 30 mil almalıdırTamamen süperhidrofobik gelen superhydrophilic için bir milimetre boyunda CNT dizisine geçmek için n.
4. Temas açısı gonyometre kullanılarak su CNT'nin diziler tedavi oksijen plazma statik temas açısı ölçün. Bu ölçümü gerçekleştirmek için Protokol bölüm 5 dahilinde tarif edilmektedir.
5. Onlar yeterince hidrofilik değilse oksijen plazma işlemi başka bir tura CNT diziler yeniden açığa.
6. X-ışınları fotoelektron spektroskopisi ile CNT dizi tedavi oksijen plazma yüzey kimyası karakterize eder.

4. Vakumlu Tav Tedavi İndüklenen Oksijen Desorpsiyon

1. Bir vakumlu fırın (Şekil 5) bölmesi içinde CNT dizinin çeşitli örnekleri yerleştirin.
2. En az 2.5 Torr için oda basıncı azaltın.
3. ° C veya daha yüksek 250 odasının sıcaklığı artırın.
4. Birkaç saat süreyle vakum tavlama işlemi için bu diziler Açığa. Toplam maruz kalma süresi fiziksel özellikleri ve bağlıdırelde edilebilir istediği ıslatılabilirlik derecesi. Bir yaklaşım olarak, tamamen superhydrophilic gelen süperhidrofobik için bir milimetre boyunda CNT dizi dönüştürmek için süperhidrofobik ve fazla 24 saat için superhydrophilic bir 15 mikron boyunda CNT dizisine geçmek için en az 3 saat sürer.
5. Temas açısı gonyometre kullanılarak su CNT'nin diziler tavlanmış vakum statik temas açısı ölçün. Bu ölçümü gerçekleştirmek için Protokol bölüm 5 dahilinde tarif edilmektedir.
6. Onlar yeterince hidrofobik değilse tedavi tavlama vakum başka yuvarlak diziler yeniden açığa.
7. X-ışınları fotoelektron spektroskopisi ile CNT dizi tavlanmış vakum yüzey kimyası karakterize eder.

5. Özellikler Karakterizasyonu Islatma

1. Temas açısı gonyometre hazırlayın. Deiyonize su ile mikroenjektör montaj doldurun. Bu şırınganın 22 gauge bir düz uçlu düz iğne veya küçük bir iğne ile donatılmış olmalıdır. Aydınlatıcıyı açın.
2. Temas açısı gonyometre örnek tablo CNT dizinin bir örneği yerleştirin. Bu örnek bir yöne doğru hareket ettirildiğinde olmadığından emin olun.
3. Yakın örnek microneedles montaj getirin ve yavaşça CNT dizinin üst yüzeyi üzerinde 5 ul su damlacığı dağıtmak.
4. Bu CNT dizinin üst yüzeyi üzerinde kalan gelmiş bir kere su damlasının bir görüntü yakalama. Denge sağlandıktan görüntüyü almadan önce elde edilmiştir emin olun.
5. Ramé-hart ya LBADSA tarafından böyle DROPimage gibi özel bir yazılım ile çekilen görüntüyü işleyerek temas açısı hesaplayın. ^24.

Sonuçlar

20 nm, - 8 - 16 duvarlar ve 40-100 nm sırasıyla CVD yöntemi, tipik bir çapı, duvar sayısı ve yaklaşık 12 arası nanotüp aralığı sık donatılı dikey hizalanmış çok duvarlı CNT diziler sonuçları yukarıda anlatılan. Dizilerin ortalama uzunluğu sırasıyla 5 dk 1 saat için büyüme zamanı değiştirerek (Şekil 6b) milimetre uzunluğunda uzun birkaç mikrometre (Şekil 6a) arasında değişmekteydi edilebilir. Genellikle dikey hizalama büyük uzunluk ölçeği iyi...

Tartışmalar

Bu CNT dizisi ve UV radyasyon gücünün uzunluğuna bağlı olarak, birkaç saate kadar bir standart oda sıcaklığında ve basınç altında hava içinde yapılabilir çünkü UV / en uygun oksidasyon teknik olarak ozon tedavisi düşünün. 185 nm ve 254 nm yüksek yoğunluklu cıva buharlı lamba tarafından üretilen UV radyasyonu, UV radyasyonu ile havadan eşzamanlı dönüştürülen ozon, onların yüzey okside izin CNT dış duvarında moleküler bağları koparır. ^26,27 oksidasyon süreci CNT yü...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Lindberg Blue M Mini-Mite tube furnace	Thermo Scientific	TF55030A	1" tube furnace for CNT array growth
Electronic mass flow controllers	MKS	PFC-50 πMFC	Max flow rate of 1000 sccm
Electronic pressure controller	MKS	PC-90 πPC	Max pressure of 1000 Torr
1" quartz tube	MTI Corp.	>EQ-QZTube-25GE-610	1" D x 24" L
Hydrogen gas	Airgas	HY UHP200	CNT array growth precursor gas, 99.999% purity
Ethylene gas	Matheson	G2250101	CNT array growth precursor gas, 99.999% purity
Argon gas	Airgas	AR UHP200	CNT array growth precursor gas, 99.999% purity
Silicon wafer	El-Cat	2449	With 300 nm polished thermal oxide layer
Iron pellets	Kurt J Lesker	EVMFE35EXEA	99.95% purity
Aluminum oxide pellets	Kurt J Lesker	EVMALO-1220B	99.99% purity
E-beam evaporator	CHA Industries	CHA Mark 40	For buffer and catalyst layer deposition
UV/ozone cleaner	BioForce Nanosciences	ProCleaner Plus	For oxidizing CNT array
Oxygen plasma cleaner	PVA TePla	M4L	For oxidizing CNT array
Vacuum oven	VWR	97027-664	For deoxidizing CNT array
SEM	Zeiss	1550 VP	For CNT array growth characterization
XPS	Surface Science	M-Probe	For surface chemistry characterization
Contact angle goniometer	ramé-hart	Model 190	For wetting properties characterization