Ossidazione a secco e vuoto ricottura Trattamenti per accordare le proprietà di bagnabilità di matrici di nanotubi di carbonio

Summary

Questo articolo descrive un metodo semplice per fabbricare allineati verticalmente array di nanotubi di carbonio mediante CVD e per sintonizzare successivamente le loro proprietà bagnanti esponendoli a vuoto ricottura o trattamento di ossidazione a secco.

Abstract

In questo articolo, si descrive un metodo semplice per ottimizzare le proprietà di bagnabilità reversibile di nanotubi di carbonio allineati verticalmente (CNT) array. Qui, gli array CNT sono definiti come fitte multi-nanotubi di carbonio orientato perpendicolarmente al substrato di crescita come risultato di un processo di crescita per deposizione chimica di vapore termico standard (CVD). ^1,2 Questi array CNT sono quindi esposti al vuoto trattamento di ricottura per renderli più idrofobo o per asciugare trattamento di ossidazione per renderli più idrofilo. Le matrici idrofobe CNT può essere attivata idrofila esponendoli ad asciugare trattamento di ossidazione, mentre le matrici idrofile CNT può essere attivata idrofobo esponendoli a vuoto trattamento di ricottura. Utilizzando una combinazione di entrambi i trattamenti, array CNT può essere commutato tra ripetutamente idrofili e idrofobi. ² Pertanto, tale combinazione mostrano un potenziale molto elevato in molte applicazioni industriali e di consumo,compreso il sistema di consegna della droga e ad alta densità di potenza supercondensatori. ^3-5

La chiave per variare la bagnabilità delle matrici CNT è di controllare la concentrazione superficiale di adsorbati ossigeno. Fondamentalmente adsorbati ossigeno può essere introdotto esponendo le matrici CNT a qualsiasi trattamento di ossidazione. Qui usiamo trattamenti di ossidazione a secco, come il plasma di ossigeno e UV / ozono, di funzionalizzare la superficie dei CNT con gruppi funzionali ossigenati. Questi gruppi funzionali ossigenati consentire legame idrogeno tra la superficie di CNT e molecole di acqua per formare, rendendo idrofilo CNT. Per renderle idrofobe, ossigeno adsorbito deve essere rimosso dalla superficie di CNT. Qui ci avvaliamo di trattamento sotto vuoto di ricottura per indurre il processo di desorbimento di ossigeno. Array di CNT con concentrazione superficiale estremamente bassa di adsorbati ossigeno presentano un comportamento superhydrophobic.

Introduction

L'introduzione di materiali sintetici con proprietà bagnanti sintonizzabili ha permesso molte applicazioni incluse superfici autopulenti e idrodinamiche dispositivi riduzione della resistenza. ^6,7 Molti studi riportati mostrano che per sintonizzare correttamente le proprietà di bagnabilità di un materiale, uno deve essere in grado di variare la sua chimica di superficie e rugosità della superficie topografica. ^8-11 Tra i molti altri materiali disponibili sintetici, materiali nanostrutturati hanno attirato la maggior parte dell'attenzione a causa della loro intrinseca multi-scala di rugosità superficiale e la loro superficie può essere facilmente funzionalizzati con metodi comuni. Alcuni esempi di questi materiali nanostrutturati sono ZnO, ^12,13 SiO _2, ^12,14 ITO, ¹² e nanotubi di carbonio (CNT). ^15-17 Crediamo che la possibilità di regolare le proprietà di bagnabilità reversibile del CNT ha la sua propria virtù, poiché sono considerati come uno dei materiali più promettenti per future applicazionizioni.

CNT può essere attivata idrofilo mediante funzionalizzazione loro superfici con gruppi funzionali ossigenati, introdotte durante un trattamento di ossidazione. Ad oggi, il metodo più comune per introdurre adsorbati ossigeno al CNT è ben note tecniche di ossidazione ad umido, che comporta l'uso di acidi forti e ossidanti come l'acido nitrico e perossido di idrogeno. ^18-20 Queste tecniche di ossidazione ad umido sono difficili da essere scalati a livello industriale a causa della sicurezza ed ambientali e la notevole quantità di tempo per completare il processo di ossidazione. Inoltre, un punto critico metodo di essiccazione può essere necessario per minimizzare l'effetto delle forze capillari che possono distruggere la struttura microscopica e allineamento generale della matrice CNT durante il processo di essiccazione. Trattamenti di ossidazione secchi, come UV / ozono e trattamenti al plasma di ossigeno, offrono un processo di ossidazione sicuro, veloce, e più controllata rispetto alla suddettatrattamenti di ossidazione ad umido.

CNT può essere idrofobo rimuovendo le allegate gruppi funzionali ossigenati dalle loro superfici. Finora, i processi complessi sono sempre coinvolti nella produzione altamente idrofobiche array CNT. Tipicamente, queste matrici devono essere rivestiti con sostanze chimiche non bagnante, come PTFE, ZnO, e fluoroalkylsilane, ^15,21,22 o essere pacificata da fluoro o plasma trattamento degli idrocarburi, come CF4 e CH _4. ^16,23 Sebbene l' trattamenti sopra non sono troppo difficili da essere scalati a livello industriale, non sono reversibili. Una volta che il CNT sono esposti a questi trattamenti, non possono più essere resa idrofila utilizzando metodi di ossidazione comuni.

I metodi qui presentati dimostrano che la bagnabilità delle matrici CNT può essere sintonizzato semplicemente e comodamente tramite una combinazione di ossidazione a secco sotto vuoto e trattamenti di ricottura (Figura 1). Oxygen unprocessi dsorption e desorbimento indotte da questi trattamenti sono altamente reversibile a causa della loro natura non distruttiva e l'assenza di altre impurità. Quindi, questi trattamenti permettono array CNT di essere ripetutamente acceso tra idrofili e idrofobi. Inoltre, questi trattamenti sono molto pratico, economico, e può essere facilmente scalati in quanto può essere eseguita utilizzando qualsiasi forno commerciale vuoto e UV / ozono o plasma di ossigeno detergente.

Notare che le matrici ortogonali CNT usati qui sono cresciuti dallo standard termica deposizione di vapore chimico (CVD). Questi array sono tipicamente coltivate su substrati di silicio rivestite wafer catalizzatore in un tubo di quarzo forno sotto un flusso di gas contenente carbonio precursore ad una temperatura elevata. La lunghezza media delle matrici può variare da pochi micrometri ad un millimetro modificando il tempo di crescita.

Protocol

1. Nanotubi di carbonio (CNT) Array Crescita Preparare un wafer di silicio con almeno un lato lucido. Non vi è alcun requisito specifico sulla dimensione, orientamento cristallino, tipo di drogaggio, resistività e spessore dello strato di ossido. Usiamo tipicamente un <100> n-tipo wafer di silicio drogato con fosforo, con un diametro di 3 pollici, uno spessore di 381 micron, e una resistività di Qcm 5-10. Solitamente questa fetta di silicio ha uno strato di ossido termico con uno spessore di 300 nm. …

Representative Results

Il metodo CVD sopra descritto i risultati in densamente allineati verticalmente a parete multipla array CNT con un tipico diametro, numero di muro, e inter-nanotubo distanza di circa 12 – 20 nm, 8 – 16 muri, e 40 – 100 nm, rispettivamente. La lunghezza media delle matrici può variare da pochi micrometri lunghi (Figura 6a) di un millimetro (Figura 6b) modificando il tempo di crescita da 5 min a 1 h, rispettivamente. In genere l'allineamento verticale è bravo a scala di lunghezza ma…

Discussion

Consideriamo UV / ozono trattamento come la tecnica di ossidazione più conveniente perché può essere eseguita in aria ad una temperatura e pressione standard fino a diverse ore, a seconda della lunghezza della matrice CNT e la potenza della radiazione UV. Radiazioni UV, generata da una lampada ad alta intensità a vapori di mercurio a 185 nm e 254 nm, rompe i legami molecolari sulla parete esterna del CNT consentendo ozono, convertito simultaneamente da aria mediante radiazione UV, per ossidare la superficie. ^26…

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