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सूखी ऑक्सीकरण और वैक्यूम कार्बन नैनोट्यूब arrays के गीला गुण ट्यूनिंग के लिए उपचार एनीलिंग

Published: April 15, 2013 doi: 10.3791/50378
Automatic Translation
1, 1
1Graduate Aeronautical Laboratories, California Institute of Technology

Summary

यह लेख के लिए करने के लिए सीवीडी द्वारा खड़ी गठबंधन की कार्बन नैनोट्यूब arrays को बनाना के लिए और करने के लिए बाद में उन्हें को उजागर के करने के लिए अपने annealing पर हैं या शुष्क और ऑक्सीकरण उपचार के निर्वात ही है, साथ ही द्वारा उनके wetting गुण धुन कर के लिए एक सरल के लिए विधि का वर्णन करता है.

Abstract

इस अनुच्छेद में, हम एक सरल विधि का वर्णन reversibly खड़ी गठबंधन कार्बन नैनोट्यूब (CNT) arrays के गीला गुण धुन. यहाँ, CNT arrays के रूप में परिभाषित कर रहे हैं बहु दीवारों कार्बन नैनोट्यूब घनी उन्मुख सीधा पैक एक विकास प्रक्रिया का एक परिणाम के रूप में विकास सब्सट्रेट करने के लिए मानक थर्मल रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) तकनीक द्वारा 1,2 ये CNT arrays रहे हैं तो निर्वात को उजागर annealing उपचार के लिए उन्हें और अधिक hydrophobic बनाने के लिए या ऑक्सीकरण उपचार शुष्क करने के लिए उन्हें और अधिक हाइड्रोफिलिक प्रस्तुत करना. hydrophobic CNT arrays उन्हें उजागर ऑक्सीकरण उपचार शुष्क द्वारा हाइड्रोफिलिक दिया जा सकता है, जबकि हाइड्रोफिलिक CNT arrays उन्हें उजागर करने के लिए उपचार annealing के निर्वात द्वारा hydrophobic दिया जा सकता है. दोनों के उपचार का एक संयोजन का उपयोग करना, CNT arrays हाइड्रोफिलिक और hydrophobic इसलिए 2 के बीच बार - बार बंद किया जा सकता है, इस तरह के संयोजन कई औद्योगिक और उपभोक्ता अनुप्रयोगों में एक बहुत ही उच्च क्षमता दिखाने के लिए,दवा वितरण प्रणाली और उच्च शक्ति घनत्व supercapacitors. 3-5 सहित

CNT arrays के wettability भिन्न कुंजी के लिए ऑक्सीजन adsorbates की सतह एकाग्रता को नियंत्रित करने के लिए है. मूल रूप से ऑक्सीजन adsorbates किसी भी ऑक्सीकरण उपचार के लिए CNT arrays को उजागर करके पेश किया जा सकता है. यहाँ हम ऑक्सीजन प्लाज्मा और यूवी / ओजोन जैसे शुष्क ऑक्सीकरण उपचार, oxygenated कार्य समूहों के साथ CNT की सतह functionalize का उपयोग करें. ये oxygenated कार्य समूहों CNT और पानी के अणुओं के रूप में सतह के बीच हाइड्रोजन बांड की अनुमति, हाइड्रोफिलिक CNT प्रतिपादन. उन्हें hydrophobic बारी, adsorbed ऑक्सीजन CNT की सतह से हटाया जाना चाहिए. यहाँ हम वैक्यूम annealing ऑक्सीजन desorption प्रक्रिया प्रेरित उपचार रोजगार. बेहद कम ऑक्सीजन adsorbates की सतह एकाग्रता के साथ CNT arrays superhydrophobic व्यवहार दिखा रहे हैं.

Introduction

tunable गीला गुणों के साथ सिंथेटिक सामग्री की शुरूआत स्वयं सफाई सतहों और hydrodynamic खींचें कमी उपकरणों सहित कई अनुप्रयोगों 6,7 कई रिपोर्ट के अध्ययनों से पता चलता है कि सफलतापूर्वक एक सामग्री के गीला गुण धुन करने के लिए सक्षम है, एक करने के लिए अपने भिन्न करने में सक्षम होना चाहिए रसायन शास्त्र की सतह और स्थलाकृतिक सतह खुरदरापन 8-11 कई अन्य उपलब्ध सिंथेटिक सामग्री के अलावा, सामग्री nanostructured अपने निहित बहु स्केल सतह खुरदरापन और उनके सतहों के कारण ध्यान आकर्षित किया है आम तरीकों द्वारा आसानी से functionalized जा सकता है. इन nanostructured सामग्री के कई उदाहरण ZnO, 12,13 SiO 2, इतो 12,14, 12 और कार्बन नैनोट्यूब (CNT) शामिल 15-17 हम मानते हैं कि reversibly CNT की गीला गुण धुन की क्षमता अपने स्वयं के पुण्य है. वे के बाद से एक भविष्य आवेदन के लिए सबसे होनहार सामग्री के रूप में माना जाता हैमाहौल.

CNT oxygenated कार्य समूहों, एक ऑक्सीकरण उपचार के दौरान शुरू के साथ उनके सतहों functionalizing हाइड्रोफिलिक दिया जा सकता है. तिथि करने के लिए, सबसे आम विधि CNT ऑक्सीजन adsorbates परिचय प्रसिद्ध गीला ऑक्सीकरण तकनीक है, नाइट्रिक एसिड और हाइड्रोजन पेरोक्साइड के रूप में मजबूत और एसिड ऑक्सीकरण एजेंट के उपयोग से जुड़े 18-20 ये गीला ऑक्सीकरण तकनीक के लिए मुश्किल हैं. सुरक्षा और पर्यावरण के मुद्दों की वजह से औद्योगिक स्तर और समय की काफी राशि ऑक्सीकरण प्रक्रिया को पूरा करने के लिए करने के लिए पहुंचा. इसके अलावा, एक महत्वपूर्ण बिंदु सुखाने विधि केशिका बलों है कि सूक्ष्म और सुखाने की प्रक्रिया के दौरान CNT सरणी के समग्र संरेखण संरचना को नष्ट कर सकते हैं के प्रभाव को कम करने के लिए नियोजित किया जा आवश्यकता हो सकती है. यूवी / ओजोन और ऑक्सीजन प्लाज्मा उपचार के रूप में सूखी ऑक्सीकरण उपचार, aforementioned की तुलना में एक सुरक्षित, तेज, और अधिक नियंत्रित ऑक्सीकरण प्रक्रिया की पेशकशगीला ऑक्सीकरण उपचार.

CNT उनके सतहों से संलग्न oxygenated कार्य समूहों को हटाने के द्वारा hydrophobic बनाया जा सकता है. इस प्रकार अब तक, जटिल प्रक्रियाओं हमेशा बेहद hydrophobic CNT arrays उत्पादन में शामिल कर रहे हैं. आमतौर पर, इन arrays गैर गीला ऐसे PTFE, ZnO, और fluoroalkylsilane, 15,21,22 या अधातु तत्त्व या हाइड्रोकार्बन ऐसे CF4 और CH 4 के रूप में प्लाज्मा उपचार, शांत के रूप में रसायन, के साथ लेपित किया 16,23 हालांकि. abovementioned उपचार भी औद्योगिक स्तर के लिए बढ़ाया जा मुश्किल नहीं कर रहे हैं, वे प्रतिवर्ती नहीं हैं. एक बार CNT इन उपचार के लिए उजागर कर रहे हैं, वे अब नहीं आम ऑक्सीकरण तरीकों का उपयोग कर हाइड्रोफिलिक कर सकते हैं गाया जा सकता है.

यहां प्रस्तुत तरीकों कि CNT arrays के wettability शुष्क ऑक्सीकरण और वैक्यूम annealing उपचार (1 चित्रा) का एक संयोजन के माध्यम से straightforwardly है और आसानी से tuned किया जा सकता है. एक ऑक्सीजनdsorption और desorption इन उपचार द्वारा प्रेरित प्रक्रियाओं उनके स्वभाव गैर विनाशकारी और अन्य अशुद्धियों के अभाव की वजह से अत्यधिक पलटवाँ हैं. इसलिए, इन उपचार CNT arrays बार बार हाइड्रोफिलिक और hydrophobic के बीच स्विच की अनुमति देते हैं. इसके अलावा, इन उपचार बहुत व्यावहारिक, किफायती, और आसानी से बढ़ाया जा सकता है क्योंकि वे किसी भी व्यावसायिक वैक्यूम ओवन और यूवी / ओजोन या ऑक्सीजन प्लाज्मा क्लीनर का उपयोग किया जा सकता है.

ध्यान दें कि खड़ी गठबंधन CNT यहां इस्तेमाल किया arrays मानक थर्मल रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) तकनीक से बड़े हो रहे हैं. इन arrays आम तौर पर एक ऊंचा तापमान पर अग्रदूत gasses कार्बन युक्त एक प्रवाह के तहत एक क्वार्ट्ज ट्यूब भट्ठी में उत्प्रेरक लेपित सिलिकॉन वफ़र substrates पर हो रहे हैं. arrays के औसत लंबाई कुछ micrometers से विकास समय बदलकर एक मिलीमीटर लंबे समय के लिए अलग किया जा सकता है.

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Protocol

1. कार्बन नैनोट्यूब (CNT) ऐरे ग्रोथ

  1. एक पॉलिश पक्ष के साथ कम से कम एक सिलिकॉन वफ़र तैयार. वहाँ आकार पर कोई विशिष्ट आवश्यकता, क्रिस्टलीय अभिविन्यास, डोपिंग प्रकार, प्रतिरोधकता और ऑक्साइड परत मोटाई है. हम आम तौर पर 3 इंच, 381 सुक्ष्ममापी की एक मोटाई, और 5-10 Ωcm की एक प्रतिरोधकता के एक व्यास के साथ एक <> 100 n-प्रकार सिलिकॉन वफ़र फॉस्फोरस के साथ doped, का उपयोग करें. आमतौर पर यह सिलिकॉन वफ़र 300 एनएम की मोटाई के साथ एक थर्मल ऑक्साइड परत है.
  2. यदि तैयार सिलिकॉन वफ़र एक ऑक्साइड परत नहीं है, वफ़र की पॉलिश पक्ष पर 300 एनएम की मोटाई के साथ एक ऑक्साइड परत जोड़ें. इस परत ऑक्साइड thermally उगाया जा सकता है या शारीरिक वाष्प जमाव (PVD) द्वारा जमा, अधिमानतः ई बीम बाष्पीकरण का उपयोग कर.
  3. 10 एनएम के एक औसत मोटाई के साथ एक एल्यूमीनियम ऑक्साइड (अल 2 3 हे) वफ़र पॉलिश तरफ बफर परत जमा. 0.5 & एक औसत दर पर बयान का उपयोग कर ई - किरण बाष्पीकरण बयानAring; सेकंड पसंद है. 99.99% या अधिक की शुद्धता के साथ एल्यूमीनियम ऑक्साइड छर्रों का प्रयोग करें.
  4. एक लौह (Fe) वफ़र पॉलिश पक्ष पर 1 एनएम के एक औसत मोटाई के साथ उत्प्रेरक परत जमा. इस बफर परत की एकरूपता के बाद से अत्यंत महत्वपूर्ण है, ई - किरण बाष्पीकरण का उपयोग कर 0.3 ए / सेकंड या उससे कम के एक औसत दर पर बयान बयान पसंद है. 99.95% या अधिक की शुद्धता के साथ लोहे के छर्रों का प्रयोग करें.
  5. काटें और कई छोटे चिप्स में उत्प्रेरक लेपित सिलिकॉन वफ़र पासा 1x1 सेमी नमूने में, अधिमानतः.
  6. एक 1 इंच व्यास क्वार्ट्ज ट्यूब भट्ठी (2 चित्रा) में कई उत्प्रेरक लेपित सिलिकॉन चिप लोड.
  7. 750 भट्ठी के तापमान बढ़ाएँ ° C 600 Torr की एक दबाव में एक 400 SCCM argon गैस (Ar) के निरंतर प्रवाह के तहत.
  8. एक बार 750 का विकास डिग्री सेल्सियस तक पहुँच जाता है, 200 SCCM argon गैस और 285 SCCM (2 एच) हाइड्रोजन गैस के एक मिश्रण बह pretreatment प्रक्रिया शुरू करने के लिए है, जबकि टी रखनेवह 600 Torr पर लगातार दबाव. 5 मिनट के लिए pretreatment प्रक्रिया चलाएँ.
  9. Pretreatment प्रक्रिया पूरा हो गया है, 210 SCCM हाइड्रोजन गैस और 490 SCCM (सी 2 4 एच) ethylene गैस का एक मिश्रण बह द्वारा विकास की प्रक्रिया शुरू करने के लिए, जबकि 600 Torr पर दबाव स्थिर रखने. अप करने के लिए एक घंटे के लिए विकास की प्रक्रिया को चलाने के लिए, जबकि 750 पर विकास तापमान को स्थिर रखने डिग्री सेल्सियस CNT arrays की लंबाई विकास समय से निर्धारित होता है. एक मिलीमीटर के एक औसत लंबाई के साथ CNT arrays उन्हें एक घंटे के लिए बढ़ रहा है के द्वारा प्राप्त किया जा सकता है 2.
  10. भट्ठी के तापमान 600 Torr की एक दबाव में एक 400 SCCM argon गैस के निरंतर प्रवाह के तहत कमरे के तापमान को वापस लाओ. नमूने अनलोड एक बार भट्ठी के तापमान कमरे के तापमान तक पहुँचता है.
  11. विकास की गुणवत्ता, लंबाई, व्यास, और घनत्व इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी द्वारा, पैकिंग सहित समग्र विकास विशेषताओं, विशेषताएँ.

2. ऑक्सीजन adsorयूवी / उपचार ओजोन द्वारा प्रेरित ption

  1. एक उच्च तीव्रता पारा वाष्प दीपक कि 185 एनएम और 254 एनएम के तरंग दैर्ध्य में यूवी विकिरण उत्पन्न के तहत CNT सरणी के कई नमूने रखें. दीपक से 20 सेमी - इन नमूनों 5 की दूरी पर रखा जाना चाहिए. एक वाणिज्यिक क्लीनर यूवी / ओजोन एक वैकल्पिक (चित्रा 3) के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है.
  2. पराबैंगनी विकिरण के इन arrays मानक कमरे के तापमान और दबाव पर हवा में बेनकाब. कुल जोखिम समय उनके भौतिक गुणों, पराबैंगनी विकिरण के शक्ति, और wettability की डिग्री है कि करने के लिए प्राप्त होना चाहता है पर निर्भर करता है. एक सन्निकटन के रूप में, यह 100 मेगावाट / 2 सेमी पराबैंगनी विकिरण के बारे में 30 मिनट लगते हैं के लिए पूरी तरह से एक 15 मीटर लंबा CNT सरणी superhydrophobic से superhydrophilic स्विच.
  3. यूवी / ओजोन पानी के लिए इलाज CNT arrays संपर्क कोण गोनियोमीटर का उपयोग कर के स्थिर संपर्क कोण उपाय. इस माप करने के लिए प्रोटोकॉल खंड 5 में वर्णित है.
  4. CNT arrays anot के लिए पुनः बेनकाबयूवी / उपचार ओजोन के की में उसे की दौर अगर वे पर्याप्त हाइड्रोफिलिक नहीं कर रहे हैं.
  5. एक्स - रे के Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी के द्वारा यूवी / ओजोन का इलाज किया CNT सरणी के की सतह के रसायन शास्त्र से की विशेषताएँ.

3. आक्सीजन प्लाज्मा उपचार के द्वारा Oxygen सोखना Induced

  1. एक से ऑक्सीजन प्लाज्मा क्लीनर / / asher नक़्क़ाश (4 चित्रा) के चैम्बर में सरणी के CNT कई नमूनों की प्लेस. एक दूरदराज के ऑक्सीजन प्लाज्मा क्लीनर / / asher और नक़्क़ाश के अपनी isotropic प्रकृति की वजह से से प्रत्यक्ष एक के की तुलना में बेहतर है.
  2. ऑक्सीजन का प्रवाह दर 150 SCCM और चैम्बर दबाव 500 mTorr करने के लिए करने के लिए सेट करें. 50 वत्स के लिए आरएफ शक्ति की सेट करें.
  3. आप इन arrays के को ऑक्सीजन प्लाज्मा के करने के लिए कई मिनट के लिए बेनकाब. कुल जोखिम समय उनके भौतिक गुणों और wettability की डिग्री है है कि के करने के लिए हासिल किया जा चाहता है है के पर निर्भर करता है है. देखभाल करने के लिए क्योंकि ऑक्सीजन प्लाज्मा के बहुत में पूरी तरह से CNT सीओ और CO 2 अणुओं में ऑक्सीकरण के की में सक्षम है ले जाया जा गया है है. एक सन्निकटन के के के रूप में, यह कम से कम 30 मील ले जाना चाहिएके करने के लिए पूरी तरह से superhydrophobic से superhydrophilic करने के लिए एक १ मिलीमीटर लंबा CNT सरणी स्विच के लिए n.
  4. ऑक्सीजन पानी की संपर्क कोण फलक - कोणमापी का उपयोग करते हुए के के के लिए CNT arrays के का इलाज किया प्लाज्मा के के की स्थैतिक संपर्क कोण को मापें. इस माप करने के लिए प्रोटोकॉल खंड 5 में वर्णित है.
  5. ऑक्सीजन प्लाज्मा उपचार के दूसरे दौर के करने के लिए CNT arrays के Re-बेनकाब अगर वे पर्याप्त हाइड्रोफिलिक नहीं कर रहे हैं.
  6. ऑक्सीजन CNT एक्स - रे के Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी के द्वारा सरणी का इलाज किया किया प्लाज्मा के की सतह रसायन शास्त्र को विशेषताएँ करें.

4. . आक्सीजन Desorption की वैक्यूम एनीलिंग उपचार के द्वारा Induced

  1. एक निर्वात पहले से गरम ओवन (5 चित्रा) के की में चैम्बर के में सरणी के CNT कई नमूनों की प्लेस.
  2. चैम्बर कम से कम 2.5 Torr करने के लिए दबाव में कमी करें.
  3. 250 ° C अधिक है या के करने के लिए चैम्बर के का तापमान बढ़ाएँ करते हैं.
  4. इन arrays के को बेनकाब के करने के लिए में कई घंटे के के लिए annealing उपचार के निर्वात करने के लिए. कुल जोखिम समय उनके भौतिक गुणों और के पर निर्भर करता है हैwettability है है कि के करने के लिए हासिल किया जा चाहता है है की डिग्री. एक सन्निकटन के के के रूप में, यह कम से कम 3 घंटा लेता है करने के लिए पूरी तरह से superhydrophilic से superhydrophobic और अधिक से अधिक 24 घंटा के करने के लिए एक 15 सुक्ष्ममापी लंबा CNT सरणी के करने के लिए superhydrophilic के से में superhydrophobic करने के लिए एक १ मिलीमीटर लंबा CNT सरणी में परिवर्तित के लिए स्विच.
  5. में संपर्क कोण फलक - कोणमापी का उपयोग करते हुए पानी के लिए निर्वात CNT arrays के annealed की स्थैतिक संपर्क कोण का को मापें. इस माप करने के लिए प्रोटोकॉल खंड 5 में वर्णित है.
  6. को उपचार annealing है अगर वे पर्याप्त hydrophobic नहीं कर रहे हैं निर्वात के दूसरे दौर की के लिए arrays के का Re करें-बेनकाब.
  7. CNT एक्स - रे के Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी के द्वारा सरणी का annealed किया निर्वात के सतह के रसायन शास्त्र को विशेषताएँ करें.

5. गुण कैरेक्टराइजेशन गीला करना या किया जाना

  1. एक संपर्क कोण फलक - कोणमापी तैयार करें. विआयनीकृत जल के के के साथ microsyringe विधानसभा भरें. इस सिरिंज के करने के लिए एक 22 गेज फ्लैट-इत्तला दे दी सीधे: सुई से या एक छोटे सुई के साथ सुसज्जित किया जा गया है है है. प्रकाशक के पर मुड़ें. संपर्क कोण फलक - कोणमापी नमूना तालिका के पर सरणी के CNT एक नमूना प्लेस. यकीन है कि इस नमूना +१ दिशा की ओर नहीं झुका हुआ है बनाओ.
  2. Microneedles विधानसभा नमूना के करने के लिए करीब के लिए और धीरे धीरे लाओ एक 5 सरणी के CNT शीर्ष सतह के पर μl पानी छोटी बूंद के बग़ैर.
  3. छोटी बूंद पानी के एक तस्वीर पर कब्जा है है एक बार यह सरणी के CNT शीर्ष सतह के पर आराम करने के लिए आ गया है है. सुनिश्चित करें कि एक संतुलन हालत छवि को लेने से पहले हासिल किया गया है बनाओ.
  4. में टहनी-hart या LBADSA के द्वारा में एक ऐसे DROPimage के रूप में में एक समर्पित सॉफ्टवेयर के साथ पर कब्जा कर लिया छवि प्रसंस्करण है के द्वारा में संपर्क कोण के की गणना 24.

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Representative Results

एनएम 20, 8 - - 16 दीवारों, और 40 - 100 एनएम क्रमशः सीवीडी विधि घनी पैक खड़ी गठबंधन बहु - घिरी है की दीवार की एक ठेठ व्यास संख्या है,, और के बारे में 12 के अंतर - नैनोट्यूब अंतरालन के साथ CNT arrays के में परिणामों के ऊपर में वर्णित है. arrays के औसत लंबाई एक कुछ लंबे समय से micrometers (6a चित्रा) के से से 5 मिनट से 1 घंटा करने के लिए विकास समय क्रमशः बदल रहा है के द्वारा एक मिलीमीटर लंबे समय (चित्रा 6b) करने के लिए विविध किया जा कर सकते हैं. आम तौर पर अनुलंब संरेखण बड़ा लंबाई पैमाने के पर अच्छा है और कुछ की entanglements को है छोटे लंबाई पैमाने में उपस्थित 1 है.

किया जा रहा है / यूवी ओजोन या ऑक्सीजन उपचार में प्लाज्मा करने के लिए अवगत कराया के के बाद, CNT arrays के हाइड्रोफिलिक बन जाते हैं और वे पानी के द्वारा गीला किया जा सकता है है. इन उपचार के लिए एक लंबे समय तक जोखिम CNT superhydrophilic arrays के है, उनके अत्यंत कम कम से कम 30 ° के की स्थैतिक संपर्क कोण के द्वारा संकेत दिया है बदल जाता है. के बाद से इन superhydrophilic CNT arrays के wat के के के द्वारा में किया जा बहुत आसानी से से गीला कर सकते हैंएर, वे उनके मूल काले रंग दिखाने के लिए जब भी वे पूरी तरह से किया जा रहा कर रहे हैं पानी में डूबे हुए (7 चित्रा).

करने के लिए उपचार annealing वैक्यूम करने के लिए करने के लिए उजागर किया जा रहा है के के बाद, CNT arrays के hydrophobic बन जाते हैं और वे आसानी से पानी के द्वारा नहीं से गीला किया जा कर सकते हैं है. इस इलाज के लिए एक लंबे समय तक जोखिम CNT arrays के superhydrophobic, उनके अत्यंत उच्च 150 से अधिक ° के की स्थैतिक संपर्क कोण के द्वारा में संकेत दिया बदल जाता है. के बाद से इन superhydrophobic CNT arrays के के पानी के बहुत दृढ़ता से से घृणा उत्पन्न करना हैं, वे चिंतनशील प्रकट जब भी वे पूरी तरह से किया जा रहा कर रहे हैं में उनके सतहों पर में पतली हवा फिल्मों (7 चित्रा) की उपस्थिति करने के लिए वजह से पानी के में में जलमग्न.

एक साधारण ऑक्सीकरण-समय-स्वतंत्र संबंध ऑक्सीजन-करने के लिए-कार्बन उनके स्थैतिक संपर्क कोण करने के लिए CNT arrays के के परमाणु अनुपात (अनुपात / हे सी) के के एक भूखंड के के से मनाया किया जा कर सकते हैं. अनुपात / हे सी, सरणी के CNT ऑक्सीकरण के डिग्री करने के लिए मेल खाती है है, हे 1s और सी 1s चोटियों प्राप्त के से की गणना की किया जा सकता है है है हैएक्स - रे के द्वारा Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी है (XPS). अनुपात / हे सी के के रूप में सरणी बढ़ जाती है की स्थैतिक संपर्क कोण के साथ है, जहां / हे सी superhydrophilic CNT arrays के के के अनुपात 15% की तुलना में उच्च और है superhydrophobic CNT arrays के में की कि 8% (चित्रा 8a) की तुलना में कम है है किया घट जाती है. सूचना है है कि superhydrophobic CNT arrays के के के अनुपात / हे सी शून्य है, नहीं है, सुझाव है है है है कि ऑक्सीजन की एक छोटी राशि के को आसानी से उपचार annealing निर्वात के द्वारा नहीं हटाया जा कर सकते हैं.

उच्च संकल्प XPS के स्पेक्ट्रा के 283-293 eV की बंधन ऊर्जा के पर बचाता है deconvolution +४ अलग चोटियों १ प्राथमिक सपा 2 सीसी 1 s (~~ 284.9 eV) बांड और है तीन माध्यमिक चोटियों की उपस्थिति के साथ जुड़े की उपस्थिति के साथ जुड़े चोटी के साथ, से पता चलता है हैं हाइड्रॉक्सिल (~~ २८५.४ eV) सी-OH, कार्बोनिल C = हे (~~ 287.4 eV), और (~~ २८९.७ eV) carboxyl-COOH कार्यात्मक समूहों. CNT arrays के के रूप में 20,25 एक सूखी ऑक्सीकरण उपचार के से गुजरना है, वे और अधिक हाइड्रोफिलिक बन जाते हैं, और सी-OH, सी = हे और के के साथ जुड़े गए सभी चोटियों-COOH के समूह को और अधिक स्पष्ट योग्य (चित्रा 8b) बन जाते हैं. एक लंबे समय तक जोखिम समय के के से कम में, सी = हे समूहों में से एक सतह एकाग्रता को से थोड़ा कम हो जाती है है, जबकि सी-OH और-COOH समूहों के की कि के करने के लिए को बढ़ाने के (चित्रा 8c) के लिए जारी है है. दूसरे हाथ पर, सी-OH, सी = हे और-COOH समूहों के की राशि निर्वात उपचार (चित्रा 8d) annealing करने के बाद घट जाती है है. इन चोटियों के अस्तित्व यह से पता चलता है कि इलाज करने annealing निर्वात पूरी तरह से CNT arrays के के से ऑक्सीजन adsorbates नहीं दूर नहीं करता है, भले ही इन arrays के के करने के लिए superhydrophobic हो पाया कर रहे हैं है है.

चित्रा 1
चित्रा 1. CNT arrays के के की Wetting गुण में / यूवी ओजोन या ऑक्सीजन प्लाज्मा के उपचार और वैक्यूम annealing उपचार के का एक संयोजन के माध्यम से में विविध किया जा सकता है है आक्सीजन सोखना. के दौरान होता है यूवी / ओजोन या ऑक्सीजन प्लाज्मा उपचार है जबकि ऑक्सीजन desorption निर्वात annealing उपचार के के दौरान होता है है है है. CNT arrays के किया जा रहा है / यूवी ओजोन या ऑक्सीजन प्लाज्मा उपचार और और अधिक किया जा रहा के करने के लिए उपचार annealing वैक्यूम करने के लिए उजागर करने के बाद hydrophobic करने के लिए उजागर करने के बाद और अधिक हाइड्रोफिलिक हो जाते हैं समूह क्लिक करें यहाँ है . अधिक जानकारी के लिए करने के लिए बड़ा आंकड़ा को देखने के. .

चित्रा 2
चित्रा 2. एक 1 इंच व्यास क्वार्ट्ज ट्यूब भट्ठी, CNT सरणी विकास के लिए में डिजिटल बड़े पैमाने पर प्रवाह और दबाव नियंत्रकों के के साथ सुसज्जित है,.

चित्रा 3
चित्रा 3. एक वाणिज्यिक क्लीनर यूवी / ओजोन करने के लिए CNT उन्हें oxygenated कार्यात्मक समूहों के साथ में functionalizing के द्वारा इसे हाइड्रोफिलिक arrays रेंडर करने करने के लिए प्रयोग किया जाता है.

सामग्री "के लिए: रखने के-together.within-पेज =" "हमेशा> चित्रा 4
4 के बाहर चित्रा. एक वाणिज्यिक ऑक्सीजन प्लाज्मा क्लीनर के करने के लिए CNT उन्हें oxygenated कार्यात्मक समूहों के साथ में functionalizing के द्वारा इसे हाइड्रोफिलिक arrays को रेंडर करने के लिए करने के लिए प्रयोग किया जाता.

चित्रा 5
चित्रा 5. एक वाणिज्यिक निर्वात पहले से गरम ओवन सरणी पर CNT ऑक्सीजन desorption की प्रक्रिया शुरू करने इतना है कि वे और अधिक hydrophobic बन जाते हैं करने के लिए प्रयोग किया जाता है.

चित्रा 6
6 के बाहर चित्रा. 15 (एक) सुक्ष्ममापी और 985 सुक्ष्ममापी (ख) के के एक औसत लंबाई के के साथ में सरणी के CNT छवियों को कम बढ़ाई SEM.

7 चित्रा
Figur7 Facebook Twitter ई. विपरीत wetting पूरी तरह से पानी में डूबे हुए गुणों के साथ दो CNT arrays के की एक छवि. अत्यधिक हाइड्रोफिलिक / यूवी ओजोन का इलाज किया हैं CNT का सरणी (§) अपनी मूल काले रंग यह से पता चलता है, जबकि superhydrophobic निर्वात annealed हैं CNT का सरणी (‡) एक के की उपस्थिति के करने के लिए वजह से चिंतनशील प्रकट होता है में इसकी सतह के पर में पतली हवा फिल्म.

चित्रा 8
8 चित्रा. कार्बन पानी के के लिए स्थैतिक संपर्क कोण का एक लिए छायांकित खाने क्षेत्र के साथ, समारोह के रूप में CNT arrays के के की परमाणु अनुपात (अनुपात / हे सी) के करने के लिए ऑक्सीजन के के एक भूखंड superhydrophobic शासन (एक) इंगित करता है. अनुपात / हे सी है हे 1s और सी 1s चोटियों XPS के के द्वारा प्राप्त से परिकलित किया जाता है कर सकते हैं. एक mildly से हाइड्रोफिलिक CNT सरणी के की सी 1s चोटी (ख), एक अत्यधिक हाइड्रोफिलिक CNT सरणी (ग) के के के उच्च संकल्प के XPS के स्पेक्ट्रा के की बचाता है deconvolution (घ).

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Discussion

तो हम / यूवी सबसे सुविधाजनक ऑक्सीकरण तकनीक के रूप में ओजोन के इलाज के में पर विचार करें क्योंकि यह एक मानक के कमरे और अप करने के लिए तापमान और दबाव के पर में हवा में प्रदर्शन किया किया जा सकता है में कई घंटे तक CNT सरणी और यूवी विकिरण की शक्ति के लंबाई के पर में निर्भर करता है, है. यूवी विकिरण, एक उच्च 185 एनएम और 254 एनएम के पर तीव्रता पारा वाष्प दीपक के द्वारा उत्पन्न है, CNT की बाहरी दीवार के ओजोन, हवा से एक साथ यूवी विकिरण के द्वारा परिवर्तित है, को उनके सतह को oxidize के करने के लिए अनुमति देता है कर के पर आणविक बांड के 26,27 ऑक्सीकरण प्रक्रिया टूट जाता है है. CNT सतहों एक बार बंद हो जाता है को पूरी तरह से, functionalized कर रहे हैं है के को रोकने CNT के करने के लिए पूरी तरह से से CO और CO 2 अणुओं में के में में ऑक्सीकरण हो जाता है किया जा.

इसके विपरीत के में, ऑक्सीजन प्लाज्मा के उपचार के करने के लिए एक विशेष चैम्बर के में में एक कम दबाव और एक निरंतर ऑक्सीजन का प्रवाह की दर के पर निष्पादित किया जा गया है है. आमतौर पर, ऑक्सीजन प्लाज्मा दूर से आरएफ शक्ति का 50 वत्स के के तहत पर जनरेट किया गया है और 150 SCCM की एक निरंतर प्रवाह की दर और एक चैम्बर pressur पर दिया हैकई मिनट के लिए 500 mTorr के की Facebook Twitter ई. है हालांकि ऑक्सीजन प्लाज्मा के इलाज के एक बहुत तेजी से ऑक्सीकरण प्रक्रिया की अनुमति देता है है, इस का देखभाल करने के लिए क्योंकि यह के बहुत में पूरी तरह से CNT सीओ और CO 2 अणुओं में ऑक्सीकरण के की में सक्षम है ले जाया जा है. .

/ यूवी ओजोन और ऑक्सीजन प्लाज्मा उपचार को सफलतापूर्वक से किया गया है करने के लिए oxygenated कार्यात्मक समूहों के साथ CNT की सतह functionalize करने के लिए नियोजित 26-31 हालांकि, इन प्रकाशित विधियों में की कोई भी पहले से किया गया है CNT arrays के पर प्रदर्शन किया.. हालांकि ऑक्सीकरण विधि इस के साथ साथ वर्णित इन प्रकाशित विधियों के के लिए इसी तरह की है है, यह CNT, CNT पाउडर को नहीं से arrays के के के लिए में ऑप्टिमाइज़ किया गया है. इस वर्तमान पद्धति कम यूवी दीपक विकिरण शक्ति और प्लाज्मा जनरेटर शक्ति करने के लिए ऑक्सीजन सोखना दर कम रखने का इस्तेमाल करता. इस तरह के कम ऑक्सीजन सोखना दर करने के लिए सुनिश्चित करें के लिए है कि functionalization प्रक्रिया CNT सरणी नमूना भर में में समान रूप से नुकसान पहुँचाए बिना उन्हें होता है करने के लिए आवश्यक है. इसलिए, CNT arrays के लिए ऑक्सीकरण समय और लंबे समय तक आम तौर पर है वेंएक है कि CNT पाउडर के के लिए.

वैक्यूम annealing उपचार के करने के लिए लिए किसी भी कठोर को कम करने एजेंट के का उपयोग कर के के के बिना ऑक्सीजन के desorption प्रक्रिया को प्रेरित करने के लिए कार्यरत है. वैक्यूम के annealing में उपचार 2.5 के बारे में Torr के के के एक हल्के निर्वात के पर में प्रदर्शन किया और के के बारे में में 250 की एक उदारवादी तापमान के ° सी के कई घंटे के लिए करने के करने के लिए CNT arrays के को deoxidize करने के लिए पर्याप्त होना करने के लिए पाया जाता है की गई.

यूवी / ओजोन और ऑक्सीजन प्लाज्मा इलाज किया CNT arrays के के की सतह hydrophilicity के करने के लिए मानक कमरे के तापमान पर हवा के में अधिक से अधिक 2 महीनों के लिए स्थिर हो की करने के लिए पाया जाता है. दूसरे हाथ पर, निर्वात annealed CNT arrays के के की सतह hydrophobicity के के करने के लिए मानक कमरे के तापमान पर हवा के में केवल 3 हफ्तों के लिए स्थिर हो की करने के लिए पाया जाता है. के ये निर्वात annealed CNT arrays के को धीरे धीरे, इस से उनके hydrophobicity को खोने के की कर रहे हैं है के जब तक में वे mildly हाइड्रोफिलिक हो जाते हैं. हालांकि, superhydrophobic CNT निर्वात annealing उपचार के द्वारा उत्पादित arrays के लिए अधिक से अधिक 2 महीनों के के भंडारण के के लिए superhydrophobic मानक के कमरे temperat के के पर हवा में रहने की करने के लिए पाए जाते हैंure.

यहाँ हम पता चला है है है कि CNT arrays के की wettability सूखी ऑक्सीकरण और वैक्यूम उपचार annealing के की एक संयोजन के के के माध्यम से tuned किया जा कर सकते हैं है है है है. हालांकि, इन उपचार के है १ मुख्य सीमा है हैं. दोनों सूखी ऑक्सीकरण और वैक्यूम उपचार annealing कम गुणवत्ता CNT arrays के पर खराब प्रदर्शन करते हैं. सामान्य में, कम गुणवत्ता CNT arrays के को धातु contaminants है या अनाकार से कार्बन कोटिंग्स के की एक उच्च राशि के साथ वाले के रूप में के रूप में परिभाषित किया कर रहे हैं. धातु contaminants पर परतों ऑक्साइड आगे की ऑक्सीजन सोखना किया किया बाधित है, लेकिन ऑक्सीकरण प्रक्रिया प्रतिपादन करना करना इस करने के लिए CNT उनके संरचना को unfeasible को नुकसान पहुँचाए बिना functionalize. इसके अलावा, इन परतों ऑक्साइड स्वाभाविक से और के हाइड्रोफिलिक रहे हैं और केवल एक को कम करने को एजेंट के करने के लिए एक जोखिम के द्वारा में में उपचार annealing निर्वात के द्वारा हटा दिया किया जा सकता है नहीं है, है. इसी तरह, अनाकार कार्बन कोटिंग्स के पर बांड को झूलने करने की कमी के कारण उन्हें स्वाभाविक रूप से हाइड्रोफिलिक बनाता है, ऐसी है कि वे सिर्फ निर्वात उपचार annealing के द्वारा hydrophobic बदल नहीं किया जा सकता है है. इसलिए, इन कम गुणवत्ता CNT arrays के की गिरफ्तारीअत्यंत करने के लिए निर्वात उपचार annealing करने के द्वारा hydrophobic बदल गया किया जा करने के लिए मुश्किल Facebook Twitter ई.

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Disclosures

सभी लेखकों का की घोषणा है है कि हम हितों की कोई विवाद नहीं है.

Acknowledgments

इस काम के Charyk फाउंडेशन और अनुदान 9900600 संख्या के के तहत फ्लेचर जोन्स फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था. लेखकों को कृतज्ञता के कैलिफोर्निया प्रौद्योगिकी संस्थान में nanofabrication उपकरणों की उपयोग के लिए Kavli नेनौसाइंस संस्थान स्वीकार करते हैं हैं, XPS के उपयोग के लिए प्रौद्योगिकी के क्षेत्र के कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ में आण्विक सामग्री Beckman संस्थान के रिसर्च सेंटर और कोण फलक - कोणमापी से संपर्क करें, और की डिवीजन SEM के उपयोग के लिए भूवैज्ञानिक और ग्रहों के कैलिफोर्निया प्रौद्योगिकी संस्थान ऑफ साइंसेज के भी.

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

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Aria, A. I., Gharib, M. Dry… More

Aria, A. I., Gharib, M. Dry Oxidation and Vacuum Annealing Treatments for Tuning the Wetting Properties of Carbon Nanotube Arrays. J. Vis. Exp. (74), e50378, doi:10.3791/50378 (2013).

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