Summary
Dit artikel beschrijft een eenvoudige methode om verticaal uitgelijnd koolstof nanobuis-arrays fabriceren door CVD en om vervolgens hun bevochtiging eigenschappen af te stemmen door ze bloot te om te uitgloeien of droge oxidatie de behandeling stofzuigen.
Abstract
In dit artikel, beschrijven we een eenvoudige methode om reversibel af te stemmen de bevochtiging eigenschappen van verticaal uitgelijnd koolstof nanobuis (CNT) arrays. Hier, worden CNT arrays gedefinieerd als dichtgepakte multi-walled carbon nanotubes georiënteerd loodrecht op het groeisubstraat als gevolg van een groeiproces door de gewone thermische chemical vapor deposition (CVD) techniek. 1,2 Deze CNT arrays worden dan blootgesteld aan vacuum gloeibehandeling om ze meer hydrofobe of om oxidatiebehandeling drogen deze beter te hydrofiele. De hydrofobe CNT arrays kan worden gedraaid hydrofiele door hen blootstellen aan oxidatiebehandeling drogen, terwijl de hydrofiele CNT arrays kan worden gedraaid hydrofoob door hen blootstellen aan stofzuigen gloeibehandeling. Gebruikmakend van een combinatie van beide behandelingen, CNT arrays kan herhaaldelijk worden geschakeld tussen hydrofiele en hydrofobe. 2 Daarom, dergelijke combinatie laten een zeer hoge potentieel in vele industriële en consumententoepassingen,inbegrip van drug delivery-systeem en een hoge vermogensdichtheid supercondensatoren. drie-vijf
De sleutel om de bevochtigbaarheid van CNT arrays variëren is het beheersen de oppervlakteconcentratie van zuurstof adsorbaten. Principe zuurstof adsorbaten kan worden ingebracht door blootstelling van de CNT arrays eventuele oxidatiebehandeling. Hier gebruiken we droge oxidatie behandelingen, zoals zuurstof plasma en UV / ozon, bij het oppervlak van CNT functionaliseren met zuurstofrijk functionele groepen. Deze zuurstofhoudende functionele groepen toestaan waterstofbrug tussen de oppervlakte van CNT en watermoleculen aan vorm, waardoor de CNT hydrofiele. Om draai ze hydrofoob, moet geadsorbeerde zuurstof te worden verwijderd van het oppervlak van CNT. Hier we dienst vacuum gloeibehandeling om zuurstof desorptie proces induceren. CNT arrays met een extreem lage oppervlakte-concentratie van zuurstof adsorbaten vertonen een superhydrophobic gedrag.
Introduction
De introductie van synthetische materialen met afstelbare wetting eigenschappen er de vele toepassingen zoals zelfreinigende oppervlakken en hydrodynamische weerstandsvermindering apparaten ingeschakeld. 6,7 Veel gerapporteerde studies blijken dat zulks succes de wetting eigenschappen van een materiaal afstemmen, een moeten kunnen om haar variëren oppervlakte-chemie en topografische ruwheid van het oppervlak. acht-elf Onder de vele andere beschikbare synthetische materialen, nano-gestructureerde materialen hebben aangetrokken de meeste van de aandacht te wijten aan hun inherente multi-geschaald ruwheid van het oppervlak en hun oppervlakken kan gemakkelijk worden gefunctionaliseerd door gemeenschappelijke methoden. Verscheidene voorbeelden van deze nanogestructureerde materialen omvatten ZnO, 12,13 SiO 2, 12,14 ITO, 12 en carbon nanotubes (CNT). 15-17 Wij geloven dat de vermogen om reversibel tunen de bevochtigingseigenschappen van CNT haar eigen deugd heeft aangezien zij worden beschouwd als een van de meest veelbelovende materialen voor toekomstige implementatieties.
CNT kan worden gedraaid hydrofiele door functionaliseren hun oppervlakken met zuurstofrijk functionele groepen, introduceerde tijdens een oxidatiebehandeling. Om date, de meest voorkomende methode om zuurstof adsorbaten voorstellen aan de CNT is de bekende natte oxydatie technieken, die de uitschrijving van sterke zuren en oxidatiemiddelen zoals salpeterzuur en waterstof peroxide. 18-20 Deze natte oxidatietechnieken zijn moeilijk te worden opgeschaald up aan de industriële niveau, omdat van veiligheid en milieubescherming kwesties en de aanzienlijke hoeveelheid van tijd om het oxidatie proces te voltooien. In Daarnaast kan een kritisch punt droogmethode altijd nodig om om het effect van capillaire krachten die de microscopische opzet en algemene uitlijning van de CNT matrix tijdens het droogproces kunnen vernietigen minimaliseren. Dry oxidatie behandelingen, zoals UV / ozon en zuurstofplasma behandelingen, Stel een veiliger, sneller, en meer gecontroleerde oxidatie proces in vergelijking met voornoemdenatte oxidatie behandelingen.
CNT kan worden gemaakt hydrofoob door het verwijderen de bijgevoegde zuurstofhoudende functionele groepen uit hun oppervlakken. Tot nu toe, worden gecompliceerde processen altijd die betrokken zijn bij met vorming van zeer hydrofobe CNT arrays. Typically, deze arrays moet gecoat met non-wetting chemicaliën, zoals PTFE, ZnO, en fluoroalkylsilane, 15,21,22 of worden gepacificeerd door fluor of koolwaterstof plasma behandeling, zoals CF4 en CH 4. 16,23 Hoewel de bovengenoemde behandelingen zijn niet al te moeilijk te worden opgeschaald naar industrieel niveau, ze zijn niet omkeerbaar. Zodra de CNT worden blootgesteld aan deze behandelingen, kunnen ze niet langer rendered hydrofiel de gebruikelijke oxidatiemethoden.
De werkwijzen hierin gepresenteerde blijkt dat de bevochtigbaarheid van CNT arrays eenvoudig opgehelderd kunnen en handig worden afgestemd via een combinatie van droge oxidatie en vacuum uitgloeien behandelingen (figuur 1). Zuurstof eendsorption en desorptie processen geïnduceerd door deze behandelingen zijn zeer omkeerbaar vanwege hun niet-destructieve aard en het ontbreken van andere onzuiverheden. Vandaar, deze behandelingen toestaan CNT arrays herhaaldelijk worden geschakeld tussen hydrofiele en hydrofobe. Verdere, deze behandelingen zijn zeer praktische, economische, en kan gemakkelijk worden opgeschaald omdat het kan worden verricht met elke commerciële stofzuiger oven en UV / ozon of zuurstof plasma cleaner.
Merk op dat de verticaal uitgelijnde CNT arrays tweedehands here gegroeid worden door het standaard thermische chemical vapor deposition (CVD) techniek. Deze arrays worden typisch geteeld op katalysator coated silicium wafer substraten in een quartz buisoven onder een stroom koolstofhoudende precursor gassen bij een verhoogde temperatuur. De gemiddelde lengte van de arrays kan worden gevarieerd van enkele micrometers naar een millimeter lange door het veranderen de groeitijd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Koolstof Nanotube (CNT) Array Groei
- Voorbereiden een silicium wafer met minstens een gepolijste kant. Er geen specifieke vereiste van de grootte, kristallijne oriëntatie, doping type, weerstand, en oxide laagdikte. We gebruiken meestal a <100> n-type silicium wafer gedoteerd met fosfor, met een diameter van 3 inch, een dikte van 381 urn en een soortelijke weerstand van 5-10 Qcm. Verzendklaar deze silicium wafer heeft een thermische oxide laag met een dikte van 300 nm.
- Indien de bereide silicium wafer heeft geen oxidelaag, voeg een oxide laag met een dikte van 300 nm op het gepolijste zijkant van de wafer. Deze oxydelaag kan thermisch worden geteeld of afgezet door physical vapor deposition (PVD), voorkeur onder toepassing e-beam verdamper.
- Deponeren een aluminium oxide (Al 2 O 3) buffer laag aan de gepolijste kant van de wafer met een gemiddelde dikte van 10 nm. Depositie met behulp van e-beam verdamper tegen een gemiddelde mate van afzetting van 0,5 Å ;/ sec heeft de voorkeur. Aluminium gebruiken oxide pellets met zuiverheid van 99,99% of hoger.
- Stort een ijzer (Fe) katalysatorlaag op het gepolijste zijkant van de wafer met een gemiddelde dikte van 1 nm. Aangezien de uniformiteit van deze buffer laag is uiterst kritisch, wordt depositie behulp e-beam verdamper tegen een gemiddelde depositiesnelheid van 0,3 Å / sec of minder voorkeur. Gebruik iron pellets met zuiverheid van 99,95% of hoger.
- Snijd en de katalysator gecoate silicium wafer braad erop op in meerdere kleinere chips, bij voorkeur in 1x1 cm monsters.
- Plaats enkele katalysator coated silicium chips in een 1 inch diameter quartz buisoven (figuur 2).
- Verhoog de temperatuur van de oven tot 750 ° C onder een constante stroom van 400 sccm argon (Ar) gas bij een druk van 600 Torr.
- Zodra de groeitemperatuur van 750 ° C is bereikt, begin je de voorbehandelingsproces door stromende een mengsel van 200 sccm argon gas en 285 sccm waterstof (H 2) gas, terwijl thij druk constant bij 600 Torr. Voer de voorbehandelingsproces gedurende 5 min.
- Zodra het voorbehandelingsproces is voltooid, beginnen het groeiproces door stromen van een mengsel van 210 sccm waterstofgas en 490 sccm etheen (C 2 H 4) gas, terwijl de druk constant bij 600 Torr. Voer de groeiproces voor maximaal een uur terwijl de groeitemperatuur constant bij 750 ° C. De lengte van de CNT arrays wordt bepaald door de groeitijd. CNT arrays met een gemiddelde lengte van een millimeter kan worden bereikt door verbouwen ervan gedurende een uur. 2
- Breng de temperatuur van de oven back tot kamertemperatuur onder een constante stroom van 400 sccm argon gas bij een druk van 600 Torr. Unload de monsters zodra de temperatuur van de oven bereikt kamertemperatuur.
- Karakteriseren de totale groei kenmerken, inclusief groei kwaliteit, lengte, diameter, en verpakken dichtheid, door elektronenmicroscopie.
2. Zuurstof Adsorptie geïnduceerd door UV / Ozon Behandeling
- Plaats verscheidene steekproeven van CNT matrix onder een hoge intensiteit kwikdamp lamp dat UV straling genereert bij een golflengte van 185 nm en 254 nm. Deze monsters moet worden geplaatst op een afstand van 5 - 20 cm vanaf dit lamp. A commerciële UV / ozonreiniger kan worden gebruikt als een alternatief (Figuur 3).
- Bloot deze arrays om UV straling in lucht bij standard room temperatuur en druk. De totale belichtingstijd afhangt van hun fysische eigenschappen, de kracht van UV straling, en de mate van bevochtigbaarheid die wil worden bereikt. Bij benadering, het duurt ongeveer 30 min van UV-bestraling bij 100 mW / cm 2 tot en met een 15 um tall CNT-array volledig over te schakelen van superhydrophobic tot superhydrophilic.
- Meet de statische contacthoek hoek van de UV / ozon behandeld CNT-arrays voor water met behulp van contact hoek goniometer. Protocol bij uitvoering van deze meting wordt beschreven in paragraaf 5.
- Re-bloot te leggen de CNT arrays om te Anothaar ronde van UV / ozonbehandeling als ze niet hydrofiel genoeg.
- Karakteriseren de oppervlaktechemie van de UV / ozone behandeld CNT array door x-ray fotoelektron spectroscopie.
3. Oxygen Adsorptie Induced by Oxygen Plasma Treatment
- Plaats een aantal monsters van CNT array in de kamer van een zuurstof plasma reiniger / asher / etser (Figuur 4). Een remote zuurstof-plasma-reiniger / asher / etser is te verkiezen dan de directe een omdat van haar isotrope de natuur.
- Stel de zuurstof debiet tot en met 150 sccm en de kamerdruk tot 500 mTorr. Stel de RF bevoegdheid to 50 Watts.
- Bloot deze arrays om zuurstof plasma gedurende enkele minuten. De totale belichtingstijd hangt af van hun fysische eigenschappen en de mate van bevochtigbaarheid die wil worden bereikt. Zorg worden genomen omdat zuurstofplasma is zeer kan dan eenvoudig de oxideren de CNT in CO en CO 2 moleculen. Bij benadering, gebeurt dit in minder dan 30 min om een one millimeter tall CNT-array volledig over te schakelen van superhydrophobic tot superhydrophilic.
- Meet de statische contact hoek van de zuurstofplasma behandeld CNT arrays voor water gebruik contact angle goniometer. Protocol bij uitvoering van deze meting wordt beschreven in paragraaf 5.
- Opnieuw blootstellen de CNT arrays naar een andere ronde van zuurstofplasma behandeling indien ze niet hydrofiel genoeg.
- Karakteriseren de oppervlaktechemie van de zuurstofplasma behandeld CNT array door x-ray fotoelektron spectroscopie.
4. Oxygen Desorptie geïnduceerd door Vacuum Gloeien Treatment
- Plaats een aantal monsters van CNT array in de kamer van een vacuüm oven (Figuur 5).
- Verminder de kamerdruk om te ten minste 2,5 Torr.
- Verhoog de kamer temperatuur tot 250 ° C of hoger.
- Expose deze arrays om te uitgloeien behandeling voor de enkele uren stofzuigen. De totale belichtingstijd hangt af van hun fysische eigenschappen en demate van bevochtigbaarheid die wil worden bereikt. Bij benadering, duurt het minstens 3 hr naar een 15 urn tall CNT-array volledig over te schakelen van superhydrophilic tot superhydrophobic en nog veel meer dan 24 hr naar een een millimeter tall CNT-array om te zetten van superhydrophilic tot superhydrophobic.
- Meet de statische contacthoek van het vacuüm gegloeid CNT-arrays voor water met behulp van contact hoek goniometer. Protocol bij uitvoering van deze meting wordt beschreven in paragraaf 5.
- Opnieuw blootstellen de arrays naar een andere ronde van vacuum gloeibehandeling als ze niet hydrofoob genoeg.
- Karakteriseren de oppervlaktechemie van de vacuum gehybridiseerd CNT array door x-ray fotoelektron spectroscopie.
5. Bevochtiging Properties Karakterisering
- Bereid een contacthoek goniometer. Vul de micro-injectiespuit assemblage met gedeïoniseerd water. Deze injectiespuit heeft te worden uitgerust met een 22 gauge platte-tipped rechte naald of een kleinere naald. Schakel de illuminator. Plaats een steekproef van CNT array op de contacthoek goniometer monster tafel. Zorg ervoor dat dit monster wordt niet gekanteld in de richting van een richting.
- Brengen de micronaalden assembly dichter bij de sample en langzaam afzien a 5 pl water druppeltje op bovenvlak van de CNT array.
- Een foto vastleggen van de waterdruppel zodra het tot stilstand is gekomen op het bovenoppervlak van de CNT array. Zorg ervoor dat het uit evenwicht komen is bereikt voordat het nemen van de afbeelding.
- Bereken de contacthoek door het verwerken van het opgenomen beeld met een toegewijde software zoals DROPimage door Rame-hart-of LBADSA. 24
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De CVD werkwijze hierboven beschreven resulteert in dichtbevolkte verticaal gealigneerd multi-walled CNT arrays met een typisch diameter, aantal muur, en inter-nanobuis spacing van ongeveer 12 - 20 nm, 8 - 16 muren, en 40 - 100 nm respectievelijk. De gemiddelde lengte van de arrays kan worden gevarieerd van enkele micrometers lange (Figuur 6a) om een millimeter lange (figuur 6b) doordat zij de growth tijd van 5 min naar 1 hr respectievelijk. Typisch de verticale uitlijning is goed in het grotere lengte schaal en een aantal verstrikkingen te presenteren op kleinere lengte-schaal. 1
Na blootstelling aan UV / ozon of zuurstof plasmabehandeling, de CNT arrays geworden hydrofiel en ze kunnen worden bevochtigd door water. A langdurige blootstelling aan deze behandelingen draait de CNT arrays superhydrophilic, aangegeven door hun extreem lage statische contacthoek van minder dan 30 °. Aangezien deze superhydrophilic CNT arrays kunnen zeer eenvoudig worden bevochtigd door wateh, tonen ze hun oorspronkelijke zwarte kleur wanneer ze maar worden volledig ondergedompeld in water (Figuur 7).
Na blootstelling aan stofzuigen gloeibehandeling, de CNT arrays geworden hydrofobe en ze kunnen niet gemakkelijk worden bevochtigd door water. A langdurige blootstelling aan deze behandeling draait de CNT arrays superhydrophobic, aangegeven door hun extreem hoge statische contacthoek van meer dan 150 °. Aangezien deze superhydrophobic CNT arrays afstoten water zeer sterk, ze verschijnen reflecterende wanneer ze worden volledig ondergedompeld in water door de aanwezigheid van dunne air films op hun oppervlakken (Figuur 7).
A eenvoudige oxidatie-time-onafhankelijke verhouding kan worden waargenomen vanaf een plot van zuurstof-koolstofbindingen atoomverhouding (O / C ratio) van de CNT arrays om hun statische contacthoek. De O / C ratio, correspondeert met de mate van oxidatie van de CNT array, kan worden berekend uit de O 1s en C 1s verkregen piekenby x-ray fotoelektronspectroscopie (XPS). De O / C ratio afneemt naarmate de statische contact hoek van de array neemt toe, waar de O / C verhouding van superhydrophilic CNT arrays is hoger dan 15% en dat van superhydrophobic CNT arrays lager is dan 8% (figuur 8a). Ziet dat de O / C verhouding van superhydrophobic CNT arrays niet nul is, suggereert dat een kleine hoeveelheid zuurstof niet kan gemakkelijk worden verwijderd door vacuum gloeibehandeling.
Deconvolutie van de hoge resolutie XPS spectra op de bindingsenergie van 283-293 eV toont vier onderscheiden pieken, met een primaire piek geassocieerd met de aanwezigheid van sp 2 CC 1 s bonds (~ 284,9 eV) en drie secundaire pieken geassocieerd met de aanwezigheid van hydroxyl C-OH (~ 285,4 eV), carbonyl C = O (~ 287,4 eV), en carboxyl-COOH (~ 289,7 eV) functionele groepen. 20,25 Zoals de CNT arrays ondergaan een droge oxidatiebehandeling, ze meer hydrofiel, en alle pieken geassocieerd met C-OH, C = O en-COOH groepen uitgesprokener geworden (figuur 8b). Op een langere belichtingstijd, de oppervlakteconcentratie van C = O groepen daalt licht door terwijl dat van C-OH and-COOH groepen blijft toenemen (figuur 8c). Anderzijds, het bedrag van C-OH, C = O and-COOH groepen afneemt na de vacuum gloeibehandeling (Figuur 8d). Het bestaan van deze pieken suggereert dat de vacuum gloeibehandeling niet volledig zuurstof adsorbaten verwijderen uit de CNT arrays, hoewel deze arrays blijken te zijn superhydrophobic.
Figuur 1. Bevochtigingseigenschappen van CNT arrays kan worden gevarieerd via een combinatie van UV / ozon of zuurstofplasma behandeling en vacuum gloeibehandeling. Oxygen adsorptie optreedt tijdens de UV / ozon of zuurstofplasma behandeling terwijl zuurstof desorptie optreedt tijdens vacuum gloeibehandeling. CNT arrays geworden more hydrofiel na blootstelling aan UV / ozon of zuurstof plasma behandeling en more hydrofobe na blootstelling aan stofzuigen gloeibehandeling. Klik hier om groter bedrag bekijken .
Figuur 2. A 1 inch diameter kwarts buisoven, uitgerust met digitale mass flow en-druk controllers, voor het CNT-array groei.
Figuur 3. Een commerciële UV / ozonreiniger gebruikt worden om CNT arrays hydrofiele door functionaliseren hen met zuurstofhoudende functionele groepen te renderen.
Figuur 4. Een commerciële zuurstofplasma cleaner gebruikt om CNT arrays hydrofiele by functionaliseren hen met zuurstofhoudende functionele groepen render.
Figuur 5. A commerciële stofzuiger oven gebruikt voor het introduceren zuurstof desorptie proces op de CNT matrix zodat zij more hydrofoob.
Figuur 6. Laag vergroting SEM afbeelingen van CNT array met een gemiddelde lengte van 15 pm (a) en 985 urn (b).
Figure 7. Een beeld van twee CNT arrays met tegengestelde wetting eigenschappen volledig ondergedompeld in water. De zeer hydrofiele UV / ozone behandeld CNT array (§) toont zijn oorspronkelijke zwarte kleur terwijl de superhydrophobic vacuum uitgegloeid CNT array (‡) lijkt reflecterende door de aanwezigheid van een thin air film op het oppervlak.
Figuur 8. A plot zuurstof: koolstof atoomverhouding (O / C ratio) van CNT arrays als functie van statische contacthoek voor water, schaduwrijke regio geeft de superhydrophobic regime (a). De O / C ratio kan wordt berekend uit de O 1s en C 1s verkregen pieken by XPS. Deconvolutie van hoge resolutie XPS spectra van de C 1s piek van een mild hydrofiele CNT array (b), een zeer hydrofiele CNT array (c) (d).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Beschouwen we UV / ozonbehandeling als de meest handige oxidatietechniek omdat het kan worden uitgevoerd in lucht bij een standaard kamer temperatuur en druk voor tot enkele uur, afhankelijk de lengte van de CNT array en de macht van de UV straling. UV straling, gegenereerd door een hoge intensiteit kwikdamp lamp bij 185 nm en 254 nm, breekt de moleculaire obligaties op de buitenwand van CNT toestaan ozon, gelijktijdig omgezet uit lucht door UV straling, hun oppervlak oxideren. 26,27 Het oxidatieproces stops zodra de CNT oppervlakken volledig gefunctionaliseerde, voorkomen de CNT volledig worden geoxideerd in CO en CO 2 moleculen.
In contrast, zuurstofplasma behandeling moet worden uitgevoerd in een speciale kamer bij een verlaagde druk en een constant zuurstof stroomsnelheid. Typically, wordt zuurstof plasma afstand gegenereerd onder 50 Watts van RF macht en geleverd van een constante debiet van 150 SCCM en een kamer pressure van 500 mTorr gedurende enkele minuten. Hoewel zuurstofplasma behandeling kunt u veel sneller oxidatieproces, care moet worden genomen omdat het erg kan dan eenvoudig de oxideren de CNT in CO en CO 2 moleculen. .
UV / ozon en zuurstofplasma behandelingen zijn succesvol toegepast bij het oppervlak van CNT functionaliseren met zuurstofrijk functionele groepen. 26-31 echter geen van deze gepubliceerde methoden eerder zijn uitgevoerd op CNT arrays. Hoewel de oxidatiewerkwijze hierin beschreven is vergelijkbaar met deze gepubliceerde methoden, wordt geoptimaliseerd voor CNT arrays, niet CNT poeders. Deze huidige methode maakt gebruik van lage UV-lamp bestraling macht en de plasma generator macht om te houden de zuurstof adsorptie tarief laag is. Dergelijke lage zuurstof-adsorptie tarief is van essentieel belang om ervoor te zorgen dat het functionalisering-proces gelijkmatig treedt op de overkant van de CNT-array monster zonder deze te beschadigen ze te. Derhalve, de oxidatie tijd voor CNT arrays is typisch langer theen dat voor CNT poeders.
Vacuum gloeibehandeling standplaats naar zuurstof desorptie proces induceren zonder gebruik geen bijtende reductiemiddelen. Vacuum uitgloeien behandeling uitgevoerd bij een mild vacuum van ongeveer 2,5 Torr en een gematigde temperatuur van ongeveer 250 ° C gedurende verscheidene uren blijkt te zijn volstaan om CNT arrays deoxidize.
Het oppervlak hydrofilie van UV / ozon en zuurstofplasma behandeld CNT arrays blijkt stabiel te zijn in lucht bij standaard kamertemperatuur voor meer dan 2 maanden. Anderzijds, wordt het oppervlak hydrofobiciteit van vacuum annealed CNT arrays vonden stabiel te zijn in lucht bij standaard kamertemperatuur slechts 3 weken. Deze vacuüm gegloeide CNT arrays worden geleidelijk aan het verliezen van hun hydrofobiciteit totdat ze geworden mild hydrofiel. Echter, worden de superhydrophobic CNT arrays verkregen door vacu gloeibehandeling gevonden om superhydrophobic blijven meer dan 2 maanden opslag in lucht bij standard room temperature.
Hier we hebben aangetoond dat de bevochtigbaarheid van CNT arrays kan worden afgestemd via een combinatie van droge oxidatie en vacuum uitgloeien behandelingen. Echter deze behandelingen gesproken een hoofdprovider beperking. Zowel de droog oxidatie-en vacuüm-annealing behandelingen uit te voeren slecht op lage kwaliteit CNT arrays. In algemeen worden lage kwaliteit CNT arrays gedefinieerd als enen met een hoog hoeveelheid metaal verontreinigingen of amorf carbon coatings. De oxydelagen on de metaalverontreinigingen remmen verdere zuurstof adsorptie, waardoor het oxidatieproces CNT functionaliseren zonder beschadiging hun structuur onhaalbaar. In Bovendien zijn deze oxide lagen inherent hydrofiel en kunnen alleen worden verwijderd door een blootstelling aan een reductiemiddel, niet door vacuum gloeibehandeling. Evenzo, gebrek aan bungelende obligaties on amorf koolstof coatings maakt ze nature hydrofiel, zodat ze niet kunnen worden hydrofoob gedraaid gewoon door vacuum gloeibehandeling. Daarom zijn deze lage kwaliteit CNT arrays are uiterst moeilijk te worden gedraaid hydrofobe door vacuüm gloeibehandeling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Alle auteurs verklaren dat we geen sprake is van belangen hebben.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door The Charyk Foundation en The Fletcher Jones Foundation onder subsidie nummer 9900600. De auteurs dankbaar het Kavli Nanoscience Institute te erkennen aan het California Institute of Technology voor het gebruik van de nanofabricage instrumenten, de Moleculaire Materialen Research Center van het Beckman Institute aan het California Institute of Technology voor het gebruik van de XPS en neem contact op hoek goniometer, en de Division of Geologische en Planetaire Wetenschappen van de California Institute of Technology voor het gebruik van SEM.
Materials
| 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 |
References
- Sansom, E., Rinderknecht, D., Gharib, M. Controlled partial embedding of carbon nanotubes within flexible transparent layers. Nanotechnology. 19, 035302 (2008).
- Aria, A. I., Gharib, M. Reversible Tuning of the Wettability of Carbon Nanotube Arrays: The Effect of Ultraviolet/Ozone and Vacuum Pyrolysis Treatments. Langmuir. 27, 9005-9011 (2011).
- Lee, S. W., et al. High-power lithium batteries from functionalized carbon-nanotube electrodes. Nat. Nano. 5, 531-537 (2010).
- Aria, A. I., Gharib, M. Effect of Dry Oxidation on the Performance of Carbon Nanotube Arrays Electrochemical Capacitors. MRS Proceedings. 1407, (2012).
- Bianco, A., Kostarelos, K., Prato, M. Applications of carbon nanotubes in drug delivery. Current Opinion in Chemical Biology. 9, 674-679 (2005).
- Scardino, A. J., Zhang, H., Cookson, D. J., Lamb, R. N., Nys, R. d
- Rothstein, J.
- Emsley, J.
- Bhushan, B., Jung, Y., Koch, K. Micro- nano- and hierarchical structures for superhydrophobicity, self-cleaning and low adhesion. Philosophical Transactions - Royal Society. Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 367, 1631-1672 (2009).
- Krupenkin, T., Taylor, J., Schneider, T., Yang, S. From rolling ball to complete wetting: The dynamic tuning of liquids on nanostructured surfaces. Langmuir. 20, 3824-3827 (2004).
- Sun, T., et al. Control over the Wettability of an Aligned Carbon Nanotube Film. Journal of the American Chemical Society. 125, 14996-14997 (2003).
- Ebert, D., Bhushan, B. Transparent, Superhydrophobic, and Wear-Resistant Coatings on Glass and Polymer Substrates Using SiO2, ZnO, and ITO Nanoparticles. Langmuir. 28, 11391-11399 (2012).
- Feng, X., et al. Reversible Super-hydrophobicity to Super-hydrophilicity Transition of Aligned ZnO Nanorod Films. Journal of the American Chemical Society. 126, 62-63 (2003).
- Xu, L., Karunakaran, R. G., Guo, J., Yang, S. Transparent, Superhydrophobic Surfaces from One-Step Spin Coating of Hydrophobic Nanoparticles. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4, 1118 (2012).
- Lau, K., et al.
- Hong, Y., Uhm, H. Superhydrophobicity of a material made from multiwalled carbon nanotubes. Applied Physics Letters. 88, 244101 (2006).
- Lee, C. H., Johnson, N., Drelich, J., Yap, Y. K. The performance of superhydrophobic and superoleophilic carbon nanotube meshes in water-oil filtration. Carbon. 49, 669-676 (2011).
- Hummers, W. S., Offeman, R. E.
- Park, S., Ruoff, R. Chemical methods for the production of graphenes. Nature Nanotechnology. 4, 217-224 (2009).
- Peng, Y., Liu, H. Effects of Oxidation by Hydrogen Peroxide on the Structures of Multiwalled Carbon Nanotubes. Industrial & Engineering Chemistry Research. 45, 6483-6488 (2006).
- Huang, L., et al. Stable superhydrophobic surface via carbon nanotubes coated with a ZnO thin film. The Journal of Physical Chemistry. B. 109, 7746-7748 (2005).
- Feng, L., et al. Super-Hydrophobic Surfaces: From Natural to Artificial. Advanced Materials. 14, 1857-1860 (2002).
- Cho, S., Hong, Y., Uhm, H. Hydrophobic coating of carbon nanotubes by CH4 glow plasma at low pressure, and their resulting wettability. Journal of Materials Chemistry. 17, 232-237 (2007).
- Stalder, A., Kulik, G., Sage, D., Barbieri, L., Hoffmann, P. A snake-based approach to accurate determination of both contact points and contact angles. Colloids and Surfaces. A, Physicochemical and Engineering Aspects. , 286-2892 (2006).
- Naseh, M. V., et al. Fast and clean functionalization of carbon nanotubes by dielectric barrier discharge plasma in air compared to acid treatment. Carbon. 48, 1369-1379 (2010).
- Mawhinney, D. Infrared spectral evidence for the etching of carbon nanotubes: Ozone oxidation at 298 K. Journal of the American Chemical Society. 122, 2383-2384 (2000).
- Sham, M., Kim, J. Surface functionalities of multi-wall carbon nanotubes after UV/Ozone and TETA treatments. Carbon. 44, 768-777 (2006).
- Banerjee, S., Wong, S. Rational sidewall functionalization and purification of single-walled carbon nanotubes by solution-phase ozonolysis. The Journal of Physical Chemistry. B. 106, 12144-12151 (2002).
- Xu, T., Yang, J., Liu, J., Fu, Q. Surface modification of multi-walled carbon nanotubes by O2 plasma. Applied Surface Science. 253, 8945-8951 (2007).
- Felten, A., Bittencourt, C., Pireaux, J. J., Van Lier, G., Charlier, J. C. Radio-frequency plasma functionalization of carbon nanotubes surface O2, NH3, and CF4 treatments. Journal of Applied Physics. 98, 074308 (2005).
- Chen, C., Liang, B., Ogino, A., Wang, X., Nagatsu, M. Oxygen Functionalization of Multiwall Carbon Nanotubes by Microwave-Excited Surface-Wave Plasma Treatment. The Journal of Physical Chemistry C. 113, 7659-7665 (2009).
