Tørr Oksidasjon og Vacuum Annealing behandlinger for tuning tisse egenskapene til karbon nanorør arrays

Summary

Denne artikkelen beskriver en enkel metode for å dikte loddrett karbon nanorør arrays av CVD og deretter stille sine befuktningsegenskaper ved å utsette dem til å støvsuge annealing eller tørr oksydasjonsbehandling.

Abstract

I denne artikkelen beskriver vi en enkel metode for å reversibelt tune befuktningsegenskaper av loddrett karbon nanorør (CNT) arrays. Her er CNT arrays definert som tettpakkede multi-vegger karbon nanorør orientert vinkelrett på vekstsubstrat som et resultat av en vekstprosessen ved standard termiske kjemiske dampavsetning (CVD) teknikk. ^1,2 Disse CNT arrays er deretter utsatt for vakuum glødebehandling for å gjøre dem mer hydrofob eller tørke oksydasjonsbehandling å gjengi dem mer hydrofil. De hydrofobe CNT arrayer kan dreies hydrofil ved å utsette dem tørke oksydasjonsbehandling, mens de hydrofile CNT arrayer kan dreies hydrofob ved å utsette dem til vakuum glødebehandling. Ved hjelp av en kombinasjon av begge behandlinger, kan CNT arrayer gjentatte ganger slått mellom hydrofil og hydrofob. ² Derfor, slik kombinasjon viser et meget stort potensial i mange industrielle og forbruker applikasjoner,inkludert levering av legemidler og høy effekt tetthet supercapacitors. ^3-5

Nøkkelen for å variere fuktbarhet av CNT arrays er å kontrollere overflaten oksygenkonsentrasjon adsorbates. Utgangspunktet oksygen adsorbates kan introduseres ved å eksponere CNT matriser til enhver oksydasjonsbehandling. Her benyttes tørr oksidasjon behandlinger, for eksempel oksygen plasma og UV / ozon, for å functionalize overflaten av CNT med oksygenerte funksjonelle grupper. Disse oksygenerte funksjonelle grupper tillater hydrogenbinding mellom overflaten på CNT og vannmolekyler å danne, gjengivelsesteknologi CNT hydrofil. Å slå dem hydrofobe, må adsorberte oksygen fjernes fra overflaten av CNT. Her har vi ansette vakuum glødebehandling å indusere oksygen desorpsjon prosess. CNT matriser med ekstremt lav overflate konsentrasjon av oksygen adsorbates viser en superhydrophobic atferd.

Introduction

Innføringen av syntetiske materialer med fleksibel fuktingsegenskaper har aktivert mange bruksområder, inkludert selvrensende overflater og hydrodynamiske friksjon enheter. ^6,7 Mange rapporterte studier viser at for å kunne stille inn fuktingsegenskaper egenskapene til et materiale, må man være i stand til å variere sin overflatekjemi og topografisk overflateruhet. ^8-11 Blant mange andre tilgjengelige syntetiske materialer, har nanostrukturerte materialer tiltrukket mesteparten av oppmerksomhet på grunn av deres iboende multi-skalert overflateruhet og deres overflater kan lett funksjonalisert ved vanlige metoder. Flere eksempler på disse nanostrukturerte materialer innbefatter ZnO, ^12,13 SiO _2, ^12,14 ITO, ¹² og karbon nanorør (CNT). ^15-17 Vi tror at evnen til reversibelt tune befuktningsegenskaper CNT har sin egen kraft, siden de anses som en av de mest lovende materialer for fremtidig bruksområdersjoner.

CNT kan dreies hydrofil ved funksjonaliseringsmiddel deres overflater med oksygenerte funksjonelle grupper, som ble introdusert under en oksydasjonsbehandling. Til dags dato, er den vanligste metoden for å innføre oksygen adsorbates til CNT de kjente våt oksidasjon teknikker, som involverer bruk av sterke syrer og oksidasjonsmidler som salpetersyre og hydrogenperoksid. ^18-20 Disse våt oksidasjon teknikkene er vanskelige å bli skalert opp til industrielt nivå på grunn av sikkerhet og miljø og betydelig mengde tid å fullføre oksidasjonsprosessen. I tillegg kan et kritisk punkt tørkemetode må anvendes for å minimere effekten av kapillære krefter som kan ødelegge den mikroskopiske struktur og generelle justering av CNT matrisen under tørkeprosessen. Tørr oksidasjon behandlinger, for eksempel UV / ozon og oksygen plasma behandlinger, tilbyr en tryggere, raskere og mer kontrollert oksidasjon prosessen i forhold til de nevntevåte oksidasjon behandlinger.

CNT kan gjøres hydrofob ved å fjerne de vedlagte oksygenerte funksjonelle grupper fra deres overflater. Så langt er kompliserte prosesser alltid involvert i å produsere svært hydrofobe CNT arrays. Vanligvis disse arrayer må belegges med ikke-fukting kjemikalier, for eksempel PTFE, ZnO, og fluoroalkylsilane, ^15,21,22 eller bli passivisert ved fluor eller hydrokarbon plasma behandling, for eksempel CF4 og CH _4. ^16,23 Selv om er ovennevnte behandlinger ikke så vanskelig å bli skalert opp til industrielt nivå, de er ikke reversibel. Når CNT blir eksponert for disse behandlinger, kan de ikke lenger skal gjengis hydrofil ved hjelp av vanlige oksidasjonsprodukter metoder.

Metodene som presenteres her viser at fuktbarhet av CNT arrayer kan være innstilt oversiktlig og enkelt via en kombinasjon av tørr oksidasjon og vakuum annealing behandlinger (figur 1). Oksygen endsorption og desorpsjon prosesser forårsaket av disse behandlingene er svært reversible på grunn av deres ikke-destruktiv natur og fraværet av andre urenheter. Dermed disse behandlinger tillate CNT matriser bli gjentatte slått mellom hydrofil og hydrofob. Videre, disse behandlingene er svært praktisk, økonomisk, og kan lett skaleres opp siden de kan utføres ved hjelp av en hvilken som helst kommersiell vakuumovn og UV / ozon eller oksygen plasmarenser.

Legg merke til at vertikalt CNT arrays brukes her er vokst av standard termisk kjemisk damp nedfall (CVD) teknikk. Disse matriser er vanligvis dyrket på katalysator belagte silisiumskive substrater i et kvartsrør ovn under en strøm av karbon inneholdende forløperforbindelser gasser ved forhøyet temperatur. Den gjennomsnittlige lengden av oppstillingene kan varieres fra noen få mikrometer til en millimeter lang ved å endre veksttid.

Protocol

1. Karbon nanorør (CNT) Array Vekst Forbered et silisiumskive med minst en polert side. Det er ikke noe krav på størrelsen, krystallinsk orientering, doping attraksjon, resistivitet, og oksyd lagtykkelse. Vi bruker vanligvis en <100> n-type silisium wafer dopet med fosfor, med en diameter på 3 tommer, en tykkelse på 381 um, og en spesifikk motstand på 5-10 Ωcm. Vanligvis dette silisiumskive har et termisk oksydlag med en tykkelse på 300 nm. Hvis den fremstilte silisiumskive ikke har et…

Representative Results

CVD metoden beskrevet ovenfor resulterer i tettpakkede vertikalt innrettede multi-vegger CNT matriser med en typisk diameter, antall vegg, og inter-nanorør avstand av ca 12-20 nm, 8-16 vegger, og 40 – 100 nm hhv. Den gjennomsnittlige lengden av oppstillingene kan varieres fra noen få mikrometer lang (Figur 6a) til en millimeter lang (Figur 6b), ved å endre veksttid fra 5 min til 1 time henholdsvis. Vanligvis den vertikale justeringen er god på større lengde skala og noen forvikling…

Discussion

Vi anser UV / ozonbehandling som den mest praktiske oksidasjon teknikken fordi den kan utføres i luft ved en standard romtemperatur og-trykk i opptil flere timer, avhengig av lengden på CNT array og kraften av UV-stråling. UV-stråling, som genereres av en høy intensitet kvikksølvdamplampen på 185 nm og 254 nm, bryter de molekylære bindinger på den ytre veggen av CNT tillater ozon, konvertert samtidig fra luften ved UV-stråling, for å oksidere deres overflate. ^26,27 oksidasjonsprosessen stopper når…

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