Tør Oxidation og Vacuum Annealing Behandlinger for Tuning befugtningen egenskaber af kulstof nanorør arrays

Summary

Denne artikel beskriver en enkel metode til at fremstille lodret kulstof nanorør arrays med CVD og efterfølgende tune deres befugtningsegenskaber ved at udsætte dem for støvsuge udglødning eller tør oxidation behandling.

Abstract

I denne artikel beskriver vi en enkel metode til reversibelt tune befugtningsegenskaber ved lodret kulstof nanorør (CNT) arrays. Her er CNT arrays defineret som tætpakket flervæggede kulstof-nanorør orienteret vinkelret på dyrkningsmediet som et resultat af en vækstproces ved standard termisk kemisk dampudfældning (CVD) teknik. ^1,2 Disse CNT arrays udsættes derefter for vakuum annealing behandling for at gøre dem mere hydrofobe, eller for at tørre oxidationsbehandling for at gøre dem mere hydrofile. De hydrofobe CNT arrays kan drejes hydrofil ved at udsætte dem tørre oxidationsbehandling, medens de hydrofile CNT arrays kan drejes hydrofobe ved at udsætte dem for vakuum annealing behandling. Ved hjælp af en kombination af begge behandlinger, kan CNT arrays gentagne gange skiftes mellem hydrofile og hydrofobe. ² Derfor, efter at kombinationen viser et meget stort potentiale i mange industri-og forbrugerprodukter,herunder drug delivery system og høj effekttæthed supercapacitors. ^3-5

Nøglen til at differentiere befugteligheden af ​​CNT arrays er at kontrollere overfladekoncentration af oxygen adsorbater. Grundlæggende oxygen adsorbater kan indføres ved at eksponere CNT arrays til en oxidationsbehandling. Her bruger vi tør oxidation behandlinger, såsom oxygenplasma og UV / ozon, at funktionalisere overfladen af ​​CNT med oxygenerede funktionelle grupper. Disse oxygenerede funktionelle grupper tillader hydrogenbinding mellem overfladen af ​​CNT og vandmolekyler i form, hvilket gør CNT hydrofile. At gøre dem hydrofobe, skal adsorberet oxygen fjernes fra overfladen af ​​CNT. Her beskæftiger vi vakuum annealing behandling for at inducere oxygen desorptionsproces. CNT arrays med ekstremt lav overfladekoncentration af oxygen Absorbater udviser en superhydrophobic adfærd.

Introduction

Indførelsen af syntetiske materialer med afstemmelige befugtningsegenskaber har muliggjort mange anvendelser inklusive selvrensende overflader og hydrodynamiske modstandsreduktion enheder. ^6,7 Mange rapporterede undersøgelser viser, at med succes tune befugtningsegenskaber af et materiale, man være i stand til at variere sin overflade kemi og topografisk overfladeruhed. ^8-11 Blandt mange andre tilgængelige syntetiske materialer, har nanostrukturerede materialer tiltrukket mest opmærksomhed på grund af deres iboende multi-skaleret overfladeruhed og deres overflader kan let funktionaliseret ved almindelige metoder. Adskillige eksempler på disse nanostrukturerede materialer indbefatter ZnO, ^12,13 _SiO2, ^12,14 ITO, ¹² og kulstof-nanorør (CNT). ^15-17 Vi mener, at evnen til reversibelt at tune befugtningsegenskaber af CNT har sin egen kraft, idet de betragtes som et af de mest lovende materialer til fremtidig anvendelsetioner.

CNT kan drejes hydrofile ved funktionalisere deres overflader med oxygenerede funktionelle grupper, der blev indført under en oxidation behandling. Til dato er den mest almindelige metode til at indføre ilt adsorbater til CNT de kendte våde oxidationsteknikker, der indebærer brug af stærke syrer og oxidationsmidler, såsom salpetersyre og hydrogenperoxid. ^18-20 Disse våde oxidationsteknikker er vanskelige at skaleres op til industrielt niveau på grund af sikkerheds-og miljøspørgsmål og betydelig mængde tid til at fuldføre oxidation processen. Desuden kan et kritisk punkt tørring fremgangsmåde skal anvendes til at minimere virkningen af ​​kapillarkræfter, som kan ødelægge den mikroskopiske struktur og samlet justering af CNT arrayet under tørreprocessen. Tørre oxidation behandlinger, såsom UV / ozon og oxygen plasma behandlinger, tilbyde en sikrere, hurtigere og mere kontrolleret oxidation proces i forhold til ovennævntevådoxidation behandlinger.

CNT kan gøres hydrofobe ved at fjerne de vedføjede dige funktionelle grupper fra deres overflader. Hidtil er komplicerede processer altid involveret i produktion stærkt hydrofobe CNT arrays. Typisk har disse arrays skal overtrækkes med ikke-befugtende kemikalier, såsom PTFE, ZnO, og fluoroalkylsilane, ^15,21,22 eller pacificeret med fluor eller carbonhydrid plasmabehandling, såsom CF4 og _CH4. ^16,23 Skønt ovennævnte behandlinger er ikke alt for svært at blive skaleret op til industrielt niveau, er de ikke fortrydes. Når CNT udsættes for disse behandlinger, kan de ikke længere gøres hydrofilt ved at anvende almindelige oxidationsmetoder.

Fremgangsmåderne præsenteret heri viser, at befugteligheden af CNT arrays kan indstilles ligefrem og bekvemt via en kombination af tør oxidation og vakuum annealing behandlinger (figur 1). Oxygendsorption og desorption processer fremkaldt af disse behandlinger er meget reversible på grund af deres ikke-destruktiv karakter og fraværet af andre urenheder. Derfor er disse behandlinger giver CNT arrays kan gentagne gange skiftes mellem hydrofil og hydrofob. Desuden er disse behandlinger er meget praktisk, økonomisk og let kan skaleres op, idet de kan udføres under anvendelse af kommercielt vakuumovn og UV / ozon eller oxygen plasma renere.

Bemærk, at de vertikalt afstemt CNT arrays, der anvendes her dyrkes ved standard termisk kemisk dampudfældning (CVD) teknik. Disse arrays dyrkes typisk på katalysator overtrukne silicium wafer substrater i et kvartsrør ovn under en strøm af carbonholdigt precursor gasser ved en forhøjet temperatur. Den gennemsnitlige længde af arrays kan varieres fra nogle få mikrometer til en mm lange ved at ændre væksten tid.

Protocol

1. Kulstof nanorør (CNT) Array Vækst Der fremstilles en siliciumskive med mindst en poleret side. Der er ikke noget specifikt krav om størrelsen, krystallinske orientering, doping type, resistivitet, og oxidlag tykkelse. Vi anvender typisk en <100> n-type silicium wafer doteret med phosphor, med en diameter på 3 inch, en tykkelse på 381 um, og en resistivitet på 5-10 Qcm. Normalt denne siliciumwafer har en termisk oxidlag med en tykkelse på 300 nm. Hvis den fremstillede siliciumskive ik…

Representative Results

CVD-metoden beskrevet ovenfor resulterer i tæt pakkede vertikalt flugtende multi-walled CNT arrays med en typisk diameter, antallet af væggen, og inter-nanorør afstand på omkring 12 – 20 nm, 8-16 vægge, og fra 40 til 100 nm hhv. Den gennemsnitlige længde af arrays kan varieres fra nogle få mikrometer lange (fig. 6a) til en millimeter lang (fig. 6b) ved at ændre væksten tid fra 5 min til 1 time hhv. Typisk den lodrette justering er god til større længdeskala og nogle forviklin…

Discussion

Vi anser UV / ozon behandling som den mest bekvemme oxidation teknik, fordi den kan udføres i luft ved en standard stuetemperatur og tryk i op til flere timer, afhængigt af længden af ​​CNT arrayet og kraften af ​​UV-strålingen. UV-stråling, frembringes af en høj intensitet kviksølvdamplampe ved 185 nm og 254 nm, bryder de molekylære bindinger på den ydre væg af CNT tillade ozon, omdannes samtidigt fra luft ved UV-stråling, til at oxidere overfladen. ^26,27 oxidationsprocessen standses, 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