मनमानी Substrates पर खड़ी गठबंधन छोटे आणविक जैविक Nanowires के ultrahigh घनत्व ऐरे
Summary
हम खड़ी आदेश दिया छोटे आणविक जैविक nanowires के एक ultrahigh घनत्व सरणी fabricating के लिए एक सरल विधि की रिपोर्ट. इस विधि को सस्ते में मनमाना substrates पर उगाया जा सकता है, जो जटिल heterostructured संकर nanowire geometries के संश्लेषण के लिए अनुमति देता है. इन संरचनाओं कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक्स, optoelectronics, रासायनिक संवेदन, photovoltaics और spintronics में संभावित आवेदन किया है.
Abstract
In recent years π-conjugated organic semiconductors have emerged as the active material in a number of diverse applications including large-area, low-cost displays, photovoltaics, printable and flexible electronics and organic spin valves. Organics allow (a) low-cost, low-temperature processing and (b) molecular-level design of electronic, optical and spin transport characteristics. Such features are not readily available for mainstream inorganic semiconductors, which have enabled organics to carve a niche in the silicon-dominated electronics market. The first generation of organic-based devices has focused on thin film geometries, grown by physical vapor deposition or solution processing. However, it has been realized that organic nanostructures can be used to enhance performance of above-mentioned applications and significant effort has been invested in exploring methods for organic nanostructure fabrication.
A particularly interesting class of organic nanostructures is the one in which vertically oriented organic nanowires, nanorods or nanotubes are organized in a well-regimented, high-density array. Such structures are highly versatile and are ideal morphological architectures for various applications such as chemical sensors, split-dipole nanoantennas, photovoltaic devices with radially heterostructured “core-shell” nanowires, and memory devices with a cross-point geometry. Such architecture is generally realized by a template-directed approach. In the past this method has been used to grow metal and inorganic semiconductor nanowire arrays. More recently π-conjugated polymer nanowires have been grown within nanoporous templates. However, these approaches have had limited success in growing nanowires of technologically important π-conjugated small molecular weight organics, such as tris-8-hydroxyquinoline aluminum (Alq3), rubrene and methanofullerenes, which are commonly used in diverse areas including organic displays, photovoltaics, thin film transistors and spintronics.
Recently we have been able to address the above-mentioned issue by employing a novel “centrifugation-assisted” approach. This method therefore broadens the spectrum of organic materials that can be patterned in a vertically ordered nanowire array. Due to the technological importance of Alq3, rubrene and methanofullerenes, our method can be used to explore how the nanostructuring of these materials affects the performance of aforementioned organic devices. The purpose of this article is to describe the technical details of the above-mentioned protocol, demonstrate how this process can be extended to grow small-molecular organic nanowires on arbitrary substrates and finally, to discuss the critical steps, limitations, possible modifications, trouble-shooting and future applications.
Introduction
एक टेम्पलेट की मदद से विधि सामान्यतः 1-3 खड़ी उन्मुख nanowire सरणियों के निर्माण के लिए प्रयोग किया जाता है. इस विधि में इस तरह अक्सर विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल अनुप्रयोगों में वांछित हैं जो एक अक्षीय 4-6 या त्रिज्यात 7 heterostructured nanowire superlattice, के रूप में परिसर के nanowire geometries के सरल निर्माण की अनुमति देता है. इसके अलावा, इस उच्च throughput और बहुमुखी प्रतिभा के साथ एक कम लागत, नीचे अप nanosynthesis विधि है. नतीजतन, टेम्पलेट का निर्देश तरीकों 2,3 दुनिया भर के शोधकर्ताओं के बीच काफी लोकप्रियता हासिल की है.
"टेम्पलेट का निर्देशन विधि" का मूल विचार इस प्रकार है. सबसे पहले एक टेम्पलेट खड़ी उन्मुख बेलनाकार nanopores का एक सरणी शामिल हैं, जो निर्माण किया हुआ है. Pores में भर रहे हैं जब तक अगला, वांछित सामग्री nanopores के भीतर जमा है. एक परिणाम के रूप में वांछित सामग्री ताकना आकारिकी को गोद ले और टी मेजबानी के भीतर एक nanowire सरणी रूपोंemplate. अंत में, लक्ष्य आवेदन के आधार पर मेजबान टेम्पलेट हटाया जा सकता है. हालांकि, यह भी खड़ी आदेश नष्ट कर देता है. ज्यामिति और अंतिम nanostructures की आयामों ताकना आकारिकी और इसलिए मेजबान टेम्पलेट का संश्लेषण नकल निर्माण की प्रक्रिया का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है.
Nanoporous टेम्पलेट्स के विभिन्न प्रकार के साहित्य 8 में सूचित किया गया है. सबसे अधिक इस्तेमाल किया टेम्पलेट्स (एक) बहुलक ट्रैक etched झिल्ली, (ख) ब्लॉक copolymers और (ग) anodic एल्यूमीनियम ऑक्साइड (आओ) टेम्पलेट्स शामिल हैं. बहुलक ट्रैक etched झिल्ली बनाने के लिए एक बहुलक पन्नी पूरी तरह से पन्नी घुसना और थोक पन्नी 9 भीतर अव्यक्त आयन पटरियों को छोड़ जो उच्च ऊर्जा आयनों के साथ विकिरणित है. पटरियों तो चुनिंदा बहुलक पन्नी 9 भीतर nanosized चैनल बनाने के लिए etched हैं. nanosized चैनलों के आगे एक उपयुक्त नक़्क़ाशी कदम से चौड़ा किया जा सकता. इस विधि के साथ प्रमुख समस्याओं वीं की गैर एकरूपता हैंई nanochannels, स्थान के नियंत्रण की कमी है, चैनलों के बीच गैर वर्दी सापेक्ष दूरी, कम घनत्व (प्रति इकाई क्षेत्र चैनलों की संख्या ~ 10 8/2 सेमी), और खराब झरझरा संरचना 1 आदेश दिया. ब्लॉक copolymer विधि में एक समान बेलनाकार nanoporous टेम्पलेट पहले pores के 8 भीतर वांछित सामग्री के विकास, इसके बाद बनाई गई है.
अतीत में, तरीकों (क) और (ख) ऊपर उल्लेख बहुलक nanowires 8 निर्माण करने के लिए इस्तेमाल किया गया है. हालांकि, इन तरीकों के बाद प्रसंस्करण कदम के दौरान चुनिंदा नक़्क़ाशी की क्षमता के अभाव के कारण किसी भी मनमाने ढंग से कार्बनिक पदार्थ की nanowires के synthesizing के लिए उपयुक्त नहीं हो सकता. बाद के प्रसंस्करण आम तौर पर उपर्युक्त टेम्पलेट्स के लिए कार्बनिक विलायकों की आवश्यकता होगी जो मेजबान टेम्पलेट को हटाने, शामिल है. इस तरह सॉल्वैंट्स जैविक nanowires के संरचनात्मक और शारीरिक गुण पर हानिकारक प्रभाव पड़ सकता है. हालांकि, इन टेम्पलेट्स आदर्श हो के रूप में कामऐसे कोबाल्ट 10, निकल, तांबा और बहुलक मेजबान को हटा नक़्क़ाशी प्रक्रिया में अप्रभावित रहते हैं, जो धातु multilayers 11, के रूप में अकार्बनिक nanowires के लिए अनुसूचित जनजातियों. उपर्युक्त विधियों के लिए एक संभावित चुनौती उच्च तापमान पर मेजबान मैट्रिक्स के गरीब थर्मल स्थिरता है. Annealing उच्च तापमान अक्सर मेजबान मैट्रिक्स का अच्छा थर्मल स्थिरता की आवश्यकता को इंगित करता है जो कार्बनिक nanowires है, के स्फटिकता सुधार करने के लिए आवश्यक है.
एल्यूमीनियम की नियंत्रित विद्युत ऑक्सीकरण (भी एल्यूमीनियम की "anodization" के रूप में जाना जाता है) एक प्रसिद्ध औद्योगिक प्रक्रिया है और आमतौर पर ऑटोमोबाइल, बर्तन, एयरोस्पेस और जंग 12 से एल्यूमीनियम की सतह की रक्षा के लिए अन्य उद्योगों में प्रयोग किया जाता है. ऑक्सीकरण एल्यूमीनियम (या "anodic एल्यूमिना") की प्रकृति anodization लिए इस्तेमाल इलेक्ट्रोलाइट का पीएच पर गंभीर रूप से निर्भर करता है. संक्षारण प्रतिरोध के लिए आवेदन पत्र, anodization आम तौर पर wea के साथ किया जाता हैएक कॉम्पैक्ट, गैर झरझरा, "बाधा की तरह" एल्यूमिना फिल्म 12 बनाने के जो कश्मीर एसिड (पीएच ~ 5-7),. इलेक्ट्रोलाइट (पीएच <4) दृढ़ता से अम्लीय है हालांकि, अगर ऑक्साइड की वजह से एच + आयनों द्वारा ऑक्साइड के स्थानीय विघटन करने के लिए "झरझरा" हो जाता है. ऑक्साइड भर में स्थानीय बिजली क्षेत्र के पूर्व patterning के पूर्व anodization को इसलिए स्थानीय एच + आयनों की एकाग्रता और सतह निर्धारित करता है अंतिम झरझरा संरचना पर कुछ नियंत्रण प्रदान करता है. pores के छोटे व्यास (~ 10-200 एनएम) और इसलिए इस तरह के nanoporous anodic एल्यूमिना फिल्मों विभिन्न सामग्री 2,3 के nanowires के synthesizing के लिए हाल के वर्षों में बड़े पैमाने पर इस्तेमाल किया गया है, के साथ बेलनाकार हैं.
Nanoporous anodic एल्यूमिना टेम्पलेट्स ऐसे इलेक्ट्रोलाइट और anodization वोल्ट का पीएच रूप से anodization मापदंडों के विवेकपूर्ण विकल्प के माध्यम से बेहतर थर्मल स्थिरता, उच्च ताकना घनत्व, लंबी दूरी ताकना आदेश, और ताकना व्यास की उत्कृष्ट tunability, लंबाई, अंतर – ताकना जुदाई और ताकना घनत्व की पेशकशउम्र 2,3. इन कारणों की वजह से हम जैविक विकास nanowire के लिए मेजबान मैट्रिक्स के रूप में आओ टेम्पलेट्स चुनें. इसके अलावा, इस तरह के एल्यूमिना के रूप में अकार्बनिक आक्साइड इस प्रकार एल्यूमिना सतह पर 13 कार्बनिक समाधान (कम सतह ऊर्जा) का प्रसार वर्दी की सुविधा, उच्च सतह ऊर्जा है. इसके अलावा, हमारे लक्ष्य के लिए सीधे एक प्रवाहकीय और / या पारदर्शी सब्सट्रेट पर इन nanowire सरणियों विकसित करने के लिए है. नतीजतन, ताकना हम नीचे का वर्णन के रूप में अधिक विचार की जरूरत है, जो नीचे अंत में बंद कर दिया है. पतली टेम्पलेट्स के गरीब यांत्रिक स्थिरता की वजह से एक के माध्यम से ताकना टेम्पलेट और वांछित सब्सट्रेट करने के बाद के हस्तांतरण के भीतर nanowires के विकास अक्सर गरीब इंटरफेस गुणवत्ता के कारण अवांछनीय है और इस विधि से कम लंबाई nanowires के (या पतली टेम्पलेट्स) के लिए भी संभव नहीं है .
π संयुग्मित कार्बनिक पदार्थों को मोटे तौर पर दो श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: (क) लंबी श्रृंखला संयुग्मित पॉलिमर और (ख) छोटे आणविक भार कार्बनिक है emiconductors. कई समूहों अतीत में एक आओ टेम्पलेट का बेलनाकार nanopores के भीतर लंबी श्रृंखला बहुलक nanowires के संश्लेषण की सूचना दी है. इस विषय पर व्यापक समीक्षा refs के 8,14 में उपलब्ध है. हालांकि, आओ में व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण छोटे आणविक ऑर्गेनिक्स nanowires के संश्लेषण (जैसे rubrene, Tris-8-hydroxyquinoline एल्यूमीनियम (ALQ 3), और PCBM) के रूप में अत्यंत दुर्लभ है. आओ टेम्पलेट के nanopores के भीतर rubrene और ALQ 3 के भौतिक वाष्प जमाव कई समूहों 4,15-17 द्वारा सूचित किया गया है. हालांकि, ऑर्गेनिक्स का केवल एक पतली परत (~ 30 एनएम) pores के भीतर जमा (~ 50 एनएम व्यास) और लंबे समय तक बयान ताकना प्रवेश द्वार 4,16,17 ब्लॉक जाता किया जा सकता है. ताकना व्यास 15 (~ 200 एनएम) पर्याप्त बड़ी है अगर पूरी ताकना भरने इस विधि में प्राप्त किया जा सकता है. इस प्रकार उप 100 एनएम रेंज में ताकना व्यास के लिए लागू होता है कि एक वैकल्पिक तरीका खोजने के लिए यह महत्वपूर्ण है.
टेम्पलेट गीला "विधि 8,14"> कुछ अन्य छोटे आणविक ऑर्गेनिक्स के लिए इस्तेमाल किया गया है कि एक और दृष्टिकोण एक तथाकथित है ". हालांकि, ज्यादातर रिपोर्टों में पक्ष खुले pores और बड़े व्यास दोनों के साथ मोटी वाणिज्यिक टेम्पलेट्स (~ 50 माइक्रोन) (~ 200 एनएम) का इस्तेमाल किया गया है. इस तरह के विधि एक साइड में nanowires उत्पादन नहीं किया है, इससे पहले कि संभवतः pores के भीतर समाधान की घुसपैठ को रोकता है pores, जो भीतर फंस हवा जेब की उपस्थिति के कारण के रूप में उल्लेख है pores बंद हुआ. हम पहले इन चुनौतियों से पार करता है और किसी भी वांछित सब्सट्रेट पर मनमानी आयामों के साथ छोटे आणविक जैविक nanowire सरणियों के विकास की अनुमति देता है कि एक उपन्यास विधि की सूचना दी. क्या इस प्रकार में, हम विस्तृत प्रोटोकॉल, संभावित सीमाओं और भविष्य संशोधनों का वर्णन करेंगे.Protocol
Representative Results
Discussion
Nanowire विकास के लिए शारीरिक चित्र
यह पूरी तरह से जैविक nanowires के विकास पद्धति को समझने के लिए पहली महत्वपूर्ण है. एक बार जब हम वे बड़े होते हैं और हम इंजीनियर है nanostructures, उपकरणों और सामग्री के इस बयान वि?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम के लिए आर्थिक रूप NSERC, CSEE, nanobridge और TRLabs द्वारा समर्थित किया गया है.
Materials
| Reagents | |||
| Toluene | Fisher Scientific | T324-4 | |
| 68% Nitric Acid | Fisher Scientific | A200-212 | |
| 85% Phosphoric Acid | Fisher Scientific | A242-4 | |
| 10% Chromic Acid | RICCA Chemical Company | 2077-32 | |
| 10% Oxalic Acid | Alfa Aesar | FW.90.04 | |
| Chloroform | Fisher Scientific | C607-4 | |
| Aluminum Sheets | Alfa Aesar | 7429-90-5 | |
| PCBM | Nano-C | Nano-CPCBM-BF | |
| Alq3 | Sigma Aldrich | 444561-5G | |
| Rubrene | Sigma Aldrich | 551112-1G | |
| Equipment | |||
| FlexAL Atomic Layer Deposition (ALD) | Oxford Instruments | For deposition of TiO2 | |
| PVD Sputter System | Kurt J. Lesker | For deposition of Au & Al | |
| Flat Cell | Princeton Applied Research | K0235 | For anodization of Al |
| Centrifuge | HERMLE Labnet | Z206 A | For deposition of organic nanowires |
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