Fabrication, fortætning og Replica Molding af 3D kulstof nanorør mikrostrukturer
Summary
Vi præsenterer metoder til fremstilling af mønstrede mikrostrukturer af lodretstillede kulstof-nanorør (CNTs), og deres anvendelse som master-forme til fremstilling af polymere mikrostrukturer med organiseret nanoskala overfladestruktur. CNT skove fortættet ved kondensation af opløsningsmiddel på substratet, hvilket i betydelig grad øger deres pakningstæthed og muliggør selvstyret dannelse af 3D-former.
Abstract
Indførelsen af nye materialer og processer til microfabrication har i stor udstrækning mulighed for mange vigtige fremskridt i mikrosystemer, lab-on-a-chip-enheder, og deres ansøgninger. Der blev især muligheder for omkostningseffektiv fremstilling af polymere mikrostrukturer transformeret fremkomsten af bløde litografi og andre micromolding teknikker 1, 2, og dette førte en revolution i anvendelser af microfabrication til biomedicinsk teknik og biologi. Ikke desto mindre er det stadig en udfordring at fremstille mikrostrukturer med veldefinerede nanoskala overfladestrukturer, og at fremstille vilkårlige 3D-figurer på mikro-skalaen. Robusthed af master forme og vedligeholdelse af form integritet er især vigtigt at opnå en høj fidelity replikation af komplekse strukturer og bevare deres nanoskala overfladestruktur. Kombinationen af hierarkiske strukturer, og heterogene former, er en stor udfordring til eksisterende microfabrication metoder, der larGely stole på top-down ætsning ved hjælp af faste maske skabeloner. På den anden side, kan den bottom-up syntese af nanostrukturer, f.eks nanorør og nanotråde tilbyde nye muligheder for at microfabrication, navnlig ved at drage fordel af den kollektive selvorganisering af nanostrukturer, og lokal kontrol over deres vækst, adfærd med hensyn til mikrofabrikerede mønstre .
Vores mål er at introducere lodretstillede kulstof-nanorør (CNTs), som vi refererer til som CNT "skove", som en ny microfabrication materiale. Vi præsenterer oplysninger om en suite af beslægtede metoder for nylig udviklet af vores gruppe: fabrikation af CNT skov mikrostrukturer ved termisk CVD fra litografisk mønstrede katalysator tynde film; selvstyret elastocapillary fortætning af CNT mikrostrukturer samt kopi formning af polymer mikrostrukturer bruge CNT komposit master-forme . Især viser vores arbejde, at selv-styret kapillær fortætning ("capillary formning"), som er perforeretrmed ved kondensation af et opløsningsmiddel på substratet med CNT mikrostrukturer, signifikant forøger pakningstætheden af CNTs. Denne proces gør det muligt rettet transformation af lodrette CNT mikrostrukturer i lige, skrå og snoede former, som har kraftige mekaniske egenskaber der går ud over typiske microfabrication polymerer. Derfor kan dannelsen af nanocomposite CNT master-forme med kapillar-drevet infiltration af polymerer. Replika strukturer udviser anisotrop nanoskala struktur af de alignede CNTs, og kan have vægge med sub-mikron tykkelse og sideforhold overstiger 50:1. Integration af CNT mikrostrukturer i fabrikation giver yderligere mulighed for at udnytte de elektriske og termiske egenskaber CNTs og forskellige muligheder for kemisk og biokemisk funktionalisering 3.
Protocol
Discussion
Litografiske mønster og forberedelse af CNT katalysator substrater er ligetil og gentages, men at opnå en konsekvent CNT vækst kræver omhyggelig opmærksom på, hvordan højden og tætheden af CNT skove er påvirket af den omgivende fugtighed og tilstanden af væksten røret. Det er vores erfaring, er mønstre større end 1000 um 2 mindre følsom over for små udsving i de forarbejdningsbetingelser. Yderligere er densiteten af mønstrene stykker påvirker væksten densitet og højden 8.</…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af nanofabrikation program for National Science Foundation (CMMI-0.927.634). Davor COPIC blev støttet delvist af Rackham Merit Fellowship Program ved University of Michigan. Sameh Tawfick anerkender delvis støtte fra Rackham Predoctoral Fellowship. Michael De Volder blev støttet af den belgiske fond for videnskabelig forskning – Flandern (FWO). Microfabrication blev udført på Lurie nanofabrikation Facility (LNF), som er medlem af National Nanotechnology Infrastructure Network og elektronmikroskopi blev udført på Michigan Electron Microbeam Analysis Laboratory (EMAL).
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments |
| 4″ diameter <100> silicon wafers coated with SiO2 (300 nm) | Silicon Quest | Custom | |
| Positive photoresist | MicroChem | SPR 220-3.0 | |
| Hexamethyldisilizane (HMDS) | MicroChem | ||
| Developer | AZ Electronic Materials USA Corp. | AZ 300 MIF | |
| Sputtering system | Kurt J. Lesker | Lab 18 | Sputtering system for catalyst deposition |
| Thermo-Fisher Minimite | Fisher Scientific | TF55030A | Tube furnace for CNT growth |
| Quartz tube | Technical Glass Products | Custom | 22 mm ID × 25 mm OD 30″ length |
| Helium gas | PurityPlus | He (PrePurified 300) | |
| Hydrogen gas | PurityPlus | H2 (PrePurified 300) | UHP |
| Ethylene gas | PurityPlus | C2H4 (PrePurified 300) | UHP |
| Perforated aluminum sheet | McMaster-Carr | 9232T221 | For holding sample above densification beaker |
| UV flood lamp | Dymax | Model 2000 | |
| SU-8 2002 | MicroChem | SU-8 2002 | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Corning | Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit |
Riferimenti
- Xia, Y. N., Whitesides, G. M. Soft lithography. Annual Review of Materials Science. 28, 153-184 (1998).
- Xia, Y. Replica molding using polymeric materials: A practical step toward nanomanufacturing. Advanced Materials. 9, 147-149 (1997).
- Tasis, D., Tagmatarchis, N., Bianco, A., Prato, M. Chemistry of Carbon Nanotubes. Chemical Reviews. 106, 1105-1136 (2006).
- De Volder, M. Diverse 3D Microarchitectures Made by Capillary Forming of Carbon Nanotubes. Advanced Materials. 22, 4384-4389 (2010).
- Copic, D., Park, S. J., Tawfick, S., De Volder, M. F. L., Hart, A. J. Fabrication of high-aspect-ratio polymer microstructures and hierarchical textures using carbon nanotube composite master molds. Lab on a Chip. 11, 1831-1837 (2011).
- De Volder, M. F. L., Park, S. J., Tawfick, S. H., Vidaud, D. O., Hart, A. J. Fabrication and electrical integration of robust carbon nanotube micropillars by self-directed elastocapillary densification. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21, 045033-04 (2011).
- Zhao, Z. Bending of nanoscale filament assemblies by elastocapillary densification. Physical Review E. 82, 041605 (2010).
- De Volder, M. F. L., Vidaud, D. O., Meshot, E. R., Tawfick, S., Hart, A. J. Self-similar organization of arrays of individual carbon nanotubes and carbon nanotube micropillars. Microelectronic Engineering. 87, 1233-1238 (2010).
- Nessim, G. D. Tuning of Vertically-Aligned Carbon Nanotube Diameter and Areal Density through Catalyst Pre-Treatment. Nano Letters. 8, 3587-3593 (2008).
- Pokroy, B., Epstein, A. K., Persson-Gulda, M. C. M., Aizenberg, J. Fabrication of Bioinspired Actuated Nanostructures with Arbitrary Geometry and Stiffness. Advanced Materials. 21, 463-469 (2009).
