Droge Oxidatie-en Vacuüm Gloeien Behandelingen voor Stemmen van het Bevochtiging Eigenschappen van Carbon Nanotube Arrays

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.

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 sil…

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 he…

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 …

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