干式氧化及真空退火处理调整的润湿性能的碳纳米管阵列

Summary

本文介绍了一种简单的方法来制作垂直排列的碳纳米管阵列化学气相沉积，并随后调整其润湿性能，使他们暴露在真空退火或干式氧化处理。

Abstract

在这篇文章中，我们将介绍一个简单的方法来可逆调整的润湿性垂直排列的碳纳米管（CNT）阵列。在这里，被定义为碳纳米管阵列密集的多壁碳纳米管的取向垂直于所述生长衬底的生长过程的结果的标准热化学气相沉积（CVD）技术^。1,2这些碳纳米管阵列，然后暴露于真空退火处理，以使它们更疏水性或干燥氧化处理，以使它们更具亲水性。疏水性的碳纳米管阵列可以被亲水性的暴露它们干燥氧化处理，通过将它们暴露到真空退火处理，而亲水性的碳纳米管阵列可以打开疏水。使用两种治疗的组合，可以反复切换碳纳米管阵列之间的亲水性和疏水性， ^因此 ，这样的组合在许多工业和消费者应用中显示出非常高的电位，包括药物递送系统和高功率密度超级电容器^。3-5

不同的润湿性的碳纳米管阵列的关键是控制氧吸附物的表面浓度。氧吸附物基本上可以被引入通过暴露任何氧化处理的碳纳米管阵列。在这里，我们使用干式氧化的处理，如氧等离子体和UV /臭氧，与含氧的官能团的官能化的CNT的表面。这些含氧的官能团允许的表面之间的CNT与水分子形成氢键，使CNT的亲水性。要打开他们的疏水性，吸附的氧气必须从碳纳米管的表面。在这里，我们采用真空退火处理，以诱导氧脱附过程。碳纳米管阵列具有极低的表面浓度的氧吸附表现出了超疏水性的​​行为。

Introduction

具有可调的润湿性能的合成材料的引入已使许多应用，包括自清洁表面和流体动力减阻装置^。6,7许多研究报道表明成功地调谐的材料的润湿性，能够以改变其表面化学和地形的表面粗糙度^。8-11在许多其他可用的合成材料，纳米材料已吸引了最多的关注，由于其固有的多尺度的表面粗糙度和其表面可容易地由普通的方法官能化。这些纳米结构材料的几个例子，包括氧化锌的SiO _{^{2，12,13，12,14}}的^ITO，12和碳纳米管^{（CNT）。15-17}我们相信，可逆地调谐的CNT的润湿性的能力有其自己的美德，因为它们被认为是为未来的应用的最有前途的材料之一系统蒸发散。

碳纳米管可以被亲水性的官能化含氧氧化处理过程中引入的官能团，它们的表面。迄今为止，最常用的方法，引入氧吸附的CNT是公知的湿式氧化技术，涉及使用强酸和氧化剂如硝酸和过氧化氢^{​​。18-20}这些湿氧化技术是难以向上扩展到工业水平，因为安全和环境问题，和相当长的时间来完成氧化过程。此外，可能需要一个临界点干燥方法可以采用，以尽量减少毛细管力的影响，可能会破坏在干燥过程中的微观结构和总体取向的CNT阵列。干的氧化处理，如UV /臭氧和氧等离子体处理，提供一个更安全，更快，更容易控制的氧化过程，相比于上述的湿式氧化处理。

碳纳米管可以通过除去从它们的表面上的附加的含氧官能团的疏水性。到目前为止，复杂的过程总是涉及高度疏水性的碳纳米管阵列。通常情况下，都必须在这些阵列涂有非润湿性的化学物质，如PTFE，氧化锌，和氟烷基硅烷^，15,21,22或安抚被氟或烃等离子处理，如CF4和CH _^4。16,23虽然上述治疗方法是不是太困难，将其推广到工业级的，他们是不可逆的。一旦在CNT暴露这些治疗，他们可以不再被赋予亲水性，通过使用共同的氧化方法。

本文所提出的方法表明碳纳米管阵列的润湿性的影响可以被调谐直截了当地和方便地通过干氧化和真空退火处理（ 图1）的组合。氧一通过这些处理而诱导的夏文建，梁国庆和解吸过程是高度可逆的，因为他们的非破坏性的性质和其它杂质的情况下。因此，这些处理允许碳纳米管阵列要重复的亲水性和疏水性之间的切换。另外，这些处理是非常实用的，经济的，并且可以很容易地按比例放大，因为它们可以使用任何商业真空烘箱和UV /臭氧或氧等离子体清洁器执行。

请注意，垂直取向的碳纳米管阵列用在这里是由标准的热化学气相沉积（CVD）技术生长。这些阵列通常是含碳的前体在升高的温度下的气体的流动的下在石英管式炉中的催化剂涂覆的硅晶片基板上生长。阵列的平均长度，可以改变从几微米至一毫米长，通过改变生长时间。

Protocol

1。碳纳米管（CNT）阵列增长准备一个硅晶片，与至少一个抛光面。有没有具体的要求的大小，结晶取向，掺杂型，电阻率，和氧化层的厚度。我们通常使用<100> n型用磷掺杂的硅晶片，具有一个直径为3英寸，厚度为381微米，和5-10Ωcm的电阻率。一般，此硅晶片具有热氧化物层的厚度为300nm。 如果所制备的硅晶片不具有氧化物层，添加在晶片上的抛光面的厚度为300nm的氧化物层。?…

Representative Results

CVD法上述的查询结果密密麻麻垂直对齐的多壁碳纳米管阵列与一个典型的直径，数量的壁，和碳纳米管间的间距为约12 – 20纳米，8 – 16的墙壁，和40 – 100nm的分别。阵列的平均长度，可以改变从几微米长（ 图6a）到毫米长（ 图6b），通过改变生长分别从5分钟至1小时的时间。典型的垂直对齐方式是在长度规模较大，存在一些纠葛在长度规模较小。 <p class="jove_…

Discussion

我们认为，因为它可以在空气中进行，在一个标准间的温度和压力达到几个小时，取决于碳纳米管阵列的长度和功率的UV辐射的UV /臭氧处理，最方便的氧化技术。紫外线辐射，所产生的高强度的汞蒸气灯，在185 nm和254 nm，打破的分子键的外壁上的CNT，使臭氧，同时从空气转换由UV辐射，它们的表面氧化^。26,27的氧化过程停止一旦CNT表面的完全官能化，防止被完全氧化成CO和CO ₂分子?…

Materials

Material Name	Company	Catalogue Number	Comments (optional)
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