임의 기판에 수직으로 정렬 작은 분자 유기 나노 와이어의 초 밀도 배열
Summary
우리는 수직으로 정렬 작은 분자 유기 나노 와이어의 초고 밀도 배열을 제조하기위한 간단한 방법을보고합니다. 이 방법은 저렴 임의의 기판에 성장 할 수있는 복잡한 heterostructured 하이브리드 나노 와이어 형상의 합성 수 있습니다. 이러한 구조는 유기 전자 공학, 광전자 공학, 화학 감지, 태양 전지 및 스핀 트로닉스의 잠재적 인 응용 프로그램이 있습니다.
Abstract
최근 몇 년 사이에 π-공액 유기 반도체는 대 면적, 저비용 디스플레이, 태양 전지, 인쇄 및 유연한 전자 및 유기 스핀 밸브 등 다양한 응용 프로그램의 수가 활성 물질로 떠오르고있다. 유기물 (a)는 저가의 저온 처리 및 전자 광학 및 스핀 수송 특성 (b) 분자 설계 할 수 있습니다. 이러한 기능은 유기물 실리콘 지배 전자 제품 시장에서 틈새 시장을 개척하기 위해 설정 한 주류 무기 반도체를 위해 쉽게 사용할 수 없습니다. 유기 기반 장치의 첫 번째 세대는 물리적 기상 증착 또는 솔루션 처리에 의해 성장 박막 형상에 초점을 맞추고있다. 그러나, 유기 나노 구조는 위에서 언급 한 응용 프로그램의 성능을 향상하는 데 사용할 수 있으며 상당한 노력이 유기 나노 제조하는 방법을 탐구에 투자되었다는 것을 깨달았다되었습니다.
t는 "> 유기 나노 구조의 특히 흥미로운 클래스가 세로 방향으로 유기 나노 와이어, 나노로드 또는 나노 튜브가 잘 조직화, 고밀도 어레이로 구성되는 하나입니다. 이러한 구조는 매우 다재다능하고 다양한 애플리케이션에 이상적 형태 구조입니다 화학 센서, 분할 쌍극자 nanoantennas, 반경 heterostructured "코어 – 쉘 (core-shell)"나노 와이어 태양 광 장치 및 크로스 포인트 구조를 가진 메모리 장치.와 같은 구조는 일반적으로 템플릿 감독 방식에 의해 실현된다. 과거에는이 메소드가있다 금속 및 무기 반도체 나노 와이어 어레이를 성장하는 데 사용됩니다. 최근에 π-공액 고분자 나노 와이어는 나노 다공성 템플릿 내에서 성장하고있다. 그러나 이러한 접근 방식은 기술적으로 중요한 π-공액 작은 분자량 유기물의 성장 나노 와이어에 한정된 성공이 있었다 트리스 – 8-히드 록시 알루미늄 (인 Alq 3), 루 브린 (rubrene) 및 메타일반적으로 유기 디스플레이, 태양 전지, 박막 트랜지스터 및 스핀 트로닉스 등 다양한 분야에 사용됩니다 anofullerenes.최근에 우리는 새로운 "원심 분리를 이용한"접근 방식을 채택하여 위에서 언급 한 문제를 해결 할 수있게되었습니다. 이 방법은 따라서 수직으로 정렬 나노 와이어 배열의 패턴 할 수있는 유기 물질의 스펙트럼을 넓혀. 인 Alq 3 루 브린 (rubrene)과 methanofullerenes의 기술적 중요성으로 인해, 우리의 방법은 이러한 재료의 나노 구조는 앞서 언급 한 유기 소자의 성능에 미치는 영향을 탐구하는 데 사용할 수 있습니다. 이 문서의 목적은 위에서 언급 한 프로토콜의 기술적 인 세부 사항을 설명하는 것입니다, 중요한 단계, 제한 할 수 수정, 문제를 논의하기 위해,이 프로세스가 임의의 기판 그리고 마지막에 작은 분자 유기 나노 와이어의 성장을 확장 할 수 방법을 보여줍니다 – 촬영하고 미래의 어플리케이션.
Introduction
템플릿을 이용한 방법은 일반적으로 1-3 세로 방향으로 나노 와이어 어레이의 제작에 사용됩니다. 이 방법은 주로 각종 전자 및 광학 응용 프로그램의 바람직한 축 방향으로 4-6 또는 방사형으로 7 heterostructured 나노 와이어 격자, 복잡한 나노 와이어 형상의 간단한 제작을 할 수 있습니다. 또한이 높은 처리량과 다양성을 가진 저가의 상향식 (bottom-up) nanosynthesis 방법입니다. 그 결과로, 템플릿 감독 방법은 2,3 세계적으로 연구자들 사이 엄청난 인기를 얻고있다.
"템플릿 감독 방법"의 기본 아이디어는 다음과 같습니다. 첫 번째 템플릿은 세로 방향의 원통형 나노 기공의 배열을 포함하는 제조된다. 구멍이 채워질 때까지 다음, 원하는 재료는 나노 기공 내에 입금됩니다. 결과적으로 원하는 재료는 기공 형태를 채택하고 T 내에서 호스팅 나노 와이어 어레이를 형성emplate. 마지막으로, 대상 응용 프로그램에 따라, 호스트 템플리트를 제거 할 수 있습니다. 그러나 이것은 또한 수직 순서를 파괴한다. 형상과 최종 나노 구조의 크기가 기공 형태와 따라서 호스트 템플리트의 합성을 모방하여 제작 과정의 중요한 부분이다.
나노 다공성 템플릿의 다양한 종류의 문헌 8에서보고되었다. 가장 일반적으로 사용되는 템플릿 () 폴리머 트랙 에칭 막, (B) 블록 공중 합체 및 (C) 양극 산화 알루미늄 (AAO) 템플릿 (가) 있습니다. 고분자 트랙 에칭 세포막을 만들려면 폴리머 포일 완전히 포일을 관통하고 대량 박 9에서 잠재 이온 트랙을 남기지 고 에너지 이온을 조사하고 있습니다. 트랙은 다음 선택적으로 폴리머 포일 9에서 나노 채널을 만들 새겨 져 있습니다. 나노 채널이 더 적합한 에칭 단계에서 확대 할 수 있습니다. 이 방법으로 중요한 문제 일의 비 균일하다전자 나노 채널, 위치 제어의 부족, 채널 간 비 균일 상대 거리, 낮은 밀도 (단위 면적당 채널 수 ~ 10 8 / ㎠), 그리고 가난 다공성 구조 1 주문. 블록 공중 합체 방법이 유사한 원통형 나노 다공성 템플릿은 먼저 모공 8에서 원하는 재료의 성장에 따라 만들어집니다.
과거에는, 메소드 (a)와 (b) 위에서 언급은 폴리머 나노 와이어는 8 조작하는 데 사용되었습니다. 그러나, 이러한 방법은 후 처리 단계에서 선택적 에칭의 가능성 부재로 인해 임의의 유기 물질의 나노 와이어를 합성에 적합하지 않을 수 있습니다. 사후 처리는 일반적으로 위에서 언급 한 템플릿에 대한 유기 용제를 필요로 호스트 템플리트의 제거를 포함한다. 이러한 용매는 유기 나노 와이어의 구조와 물리적 특성에 해로운 영향을 미칠 수 있습니다. 그러나 이러한 템플릿은 이상적인 호로 작동코발트 10, 니켈, 구리, 고분자 호스트를 제거하는 식각 공정에 영향을받지 금속 다층 11 일 같은 무기 나노 와이어 STS. 위에서 언급 한 방법에 대한 또 다른 잠재적 인 문제는 높은 온도에서 호스트 매트릭스의 가난한 열적 안정성이다. 어닐링 높은 온도는 종종 호스트 행렬의 좋은 열 안정성의 필요성을 나타내는 유기 나노 와이어의 결정을 개선하기 위해 필요합니다.
알루미늄의 제어 전기 산화 (또한 알루미늄의 "양극"라고도 함) 잘 알려진 산업 공정이며 일반적으로 자동차, 조리, 항공 우주 및 부식 12에서 알루미늄 표면을 보호하기 위해 다른 산업에 사용됩니다. 산화 알루미늄 (또는 "양극 알루미나")의 본질은 양극에 사용되는 전해질의 pH에 따라 크게 달라진다. 부식 저항 응용 프로그램의 경우, 양극은 일반적으로 WEA와 함께 수행됩니다소형, 비 다공성, "장벽 유형"알루미나 영화 만들기 12 K 지방산 (산도 ~ 5-7). 전해질 (산도 <4) 강한 산성 경우, 산화로 인해 H + 이온으로 산화 지방 용해를 "다공성"가됩니다. 산화를 통해 지역의 전기장은 사전 패터닝하기 전에 양극에 따라서 로컬 H의 + 이온의 농도와 표면을 결정하는 최종 다공성 구조를 통해 몇 가지 컨트롤을 제공합니다. 모공 작은 직경 (~ 10-200 NM) 따라서 이러한 나노 다공성 양극 알루미나 필름은 다양한 재료 2,3의 나노 와이어를 합성 최근 몇 년 동안 널리 사용되어와, 원통형이다.
나노 다공성 양극 알루미나 템플릿은 전해질과 양극 전압의 산도와 같은 양극 매개 변수의 현명한 선택을 통해 더 나은 열 안정성, 높은 기공 밀도, 장거리 기공 순서 및 기공 직경의 우수한 조정 기능, 길이, 간 기공 분리 기공 밀도를 제공합니다나이 2,3. 이러한 이유 때문에 우리는 유기 나노 와이어 성장을위한 호스트 행렬 AAO 템플릿을 선택합니다. 또한, 알루미나 등의 무기 산화물 따라서 알루미나 표면의 13 유기 용액 (낮은 표면 에너지)의 확산 유니폼을 촉진, 높은 표면 에너지를 가지고. 또한, 우리의 목표는 직접 전도성 및 / 또는 투명 기판에서 이러한 나노 와이어 어레이를 성장하는 것입니다. 그 결과로, 기공은 우리가 아래에 설명과 같은 추가 고려 사항이 필요 하단 말에 종료됩니다. 얇은 템플릿 가난한 기계적 안정성으로 인해 관통 기공 템플릿 원하는 기판에 연속 전송에서 나노 와이어의 성장은 종종 가난한 인터페이스 품질로 인해 바람직이며,이 방법은 짧은 길이의 나노 와이어 (얇은 템플릿)에도 가능하지 않습니다 .
π-공액 유기 물질은 크게 두 가지 범주로 분류 될 수있다 : (a) 긴 사슬 복합 폴리머 및 (b) 작은 분자량 유기의 emiconductors. 많은 그룹은 과거에 AAO 템플릿의 원통형 나노 세공 내 긴 사슬 고분자 나노 와이어의 합성을보고있다. 이 주제에 대한 종합적인 검토가 심판 8,14의 요금으로 이용 가능합니다. 그러나 AAO에서 상업적으로 중요한 작은 분자 유기 나노 와이어의 합성 (예 : 루 브린 (rubrene), 트리스 – 8 – 히드 록시 알루미늄 (인 Alq 3)와 PCBM 등) 매우 드문 경우입니다. AAO 템플릿의 나노 세공 내에서 루 브린 (rubrene)과 인 Alq 3의 물리 기상 증착 여러 그룹 4,15-17에 의해보고되었다. 그러나 유기물의 얇은 층만이 (~ 30 nm의) 기공 내에 입금 (~ 50 nm의 직경)와 장기간 퇴적 기공 입구에게 4,16,17을 차단하는 경향이있다 할 수 있습니다. 기공 직경 15 (~ 200 nm의) 충분히 큰 경우 전체 기공 충전이 방법으로 달성 될 수있다. 따라서 하위 100 nm의 범위의 기공 직경 적용하는 다른 방법을 찾는 것이 중요합니다.
템플릿 젖음 "방법 8,14"> 다른 작은 분자 유기에 사용 된 또 다른 방법은 소위 "입니다. 그러나 대부분의 보고서에서 측면 열린 모공과 큰 직경 모두 두꺼운 상용 템플릿 (~ 50 μm의) (~ 200 nm의) 사용되어왔다. 이러한 방법은 한면에 나노 와이어를 생산하지되기 전에, 아마도 모공 내의 용액의 침투를 방지 기공 내에 갇힌 공기 주머니의 존재로 인해 언급 한 바와 같이 모공을 마감했다. 우리는이 이전에 이러한 문제를 극복하고 원하는 기판에 임의의 크기를 가진 작은 분자 유기 나노 와이어 어레이의 성장을 할 수있는 새로운 방법을 보도했다. 무엇을 다음에, 우리는 세부적인 프로토콜 잠재적 한계와 미래의 수정을 설명합니다.Protocol
Representative Results
Discussion
나노 와이어 성장을위한 물리적 사진
그것은 완전히 유기 나노 와이어의 성장 방법을 이해하는 것이 먼저 중요합니다. 일단 우리는 그들이 성장하고 우리는 엔지니어 나노 구조, 장치 및 재료에이 증착 방법을 사용하여 모공에 자신을 형성하는 방법을 정확하게 알고있다. 과거에는 고분자 나노 와이어는 원심 분리기의 도움없이 템플릿 습윤 절차를 사용하여 제작되었지만, 유…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 재정적 NSERC, CSEE, nanoBridge 및 TRLabs에 의해 지원되었다.
Materials
| Reagents | |||
| Toluene | Fisher Scientific | T324-4 | |
| 68% Nitric Acid | Fisher Scientific | A200-212 | |
| 85% Phosphoric Acid | Fisher Scientific | A242-4 | |
| 10% Chromic Acid | RICCA Chemical Company | 2077-32 | |
| 10% Oxalic Acid | Alfa Aesar | FW.90.04 | |
| Chloroform | Fisher Scientific | C607-4 | |
| Aluminum Sheets | Alfa Aesar | 7429-90-5 | |
| PCBM | Nano-C | Nano-CPCBM-BF | |
| Alq3 | Sigma Aldrich | 444561-5G | |
| Rubrene | Sigma Aldrich | 551112-1G | |
| Equipment | |||
| FlexAL Atomic Layer Deposition (ALD) | Oxford Instruments | For deposition of TiO2 | |
| PVD Sputter System | Kurt J. Lesker | For deposition of Au & Al | |
| Flat Cell | Princeton Applied Research | K0235 | For anodization of Al |
| Centrifuge | HERMLE Labnet | Z206 A | For deposition of organic nanowires |
Referenzen
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