Propriedades elétricas de nanoestruturas de superfície de polímero de dupla face

Resumo

Neste estudo, nanoestruturas de superfície de polímero de dupla face são fabricadas usando litografia de dupla nanoimpressão e técnica de deposição de metal. Realizamos medições de propriedades elétricas nessas nanoestruturas de superfície de dupla face. A tensão de circuito aberto e a corrente de curto-circuito das amostras preparadas com nanoestruturas de superfície de dupla face e eletrodo condutor são registradas usando um osciloscópio com aplicação de força externa diferente. As medições são realizadas à temperatura ambiente. Descobrimos que a intensidade da tensão de circuito aberto e da corrente de curto-circuito para as nanoestruturas de superfície de dupla face depende fortemente dos tamanhos, formas e arranjos das nanoestruturas e da força de pressão. A propriedade elétrica mais forte pode ser observada nos arranjos nanopilares de hexágono com o diâmetro de cerca de 400 nm contendo estruturas nítidas de resolução sub-50 nm na força de cerca de 40 N. Discutimos os mecanismos físicos responsáveis por esses interessantes resultados de pesquisa. Os resultados experimentais que estudamos são relevantes para as aplicações de nanoestruturas de superfície de dupla face, como um nanogerador, sensores de pressão e dispositivos nanooptoeletrônicos.

Histórico

Nanoestruturas em superfícies atraem muito interesse como uma mídia eficiente para espalhamento Raman aprimorado por superfície (SERS), ressonância de plasmon de superfície, resposta elétrica e óptica não linear e excitação plasmônica, como nanopartículas, nanograting e nanopilares, especialmente nanoestruturas de superfície de metal [1,2 , 3,4,5], que têm aplicações potenciais como dispositivos eletrônicos, magnéticos, fotônicos, optoeletrônicos e sensores [6,7,8,9,10]. Do ponto de vista da física, as propriedades físicas básicas das nanoestruturas de superfície diferem significativamente daquelas de materiais a granel com os mesmos componentes. Em particular, os efeitos de superfície podem ser observados nas nanoestruturas de superfície. Portanto, as nanoestruturas de superfície têm sido um grande foco de pesquisa em materiais de superfície que podem ser considerados um bloco de construção fundamental da nanotecnologia e dos nanodispositivos. Deve-se notar que as nanoestruturas de superfície do polímero exibiram propriedades optoeletrônicas e elétricas únicas devido ao efeito triboelétrico que é a indução eletrostática que ocorre dentro dos materiais poliméricos [11,12,13]. Estruturas em nanoescala aumentam a rugosidade da superfície e a área de fricção de contato para aumentar o efeito triboelétrico, especialmente estruturas de superfície de dupla face. O efeito triboelétrico em nanoestruturas de superfície pode causar a geração de grandes cargas elétricas, que podem obter corrente conectando eletrodos e fios. O efeito triboelétrico em nanoestruturas de superfície de polímero e fenômenos relacionados contribui muito para suas aplicações promissoras em nanogeradores, sensores de pressão e temperatura e outros dispositivos eletrônicos [14,15,16,17]. Os nanogeradores podem transferir energia mecânica em energia elétrica e os sensores de pressão ou temperatura podem transformar diferentes pressões ou temperaturas em sinais elétricos ou ópticos detectáveis.

Como o rápido desenvolvimento da nanotecnologia, agora é fácil fabricar nanoestruturas de superfície desordenadas periódicas e complexas, por exemplo, fotolitografia, litografia de nanoimpressão (NIL), automontagem e litografia de interferência [18,19,20,21,22]. Como uma nanotecnologia de replicação popular, NIL é simples, de baixo custo, alta resolução e alto rendimento, o que é ideal para a fabricação de nanoestruturas de polímero [23,24,25]. Uma grande vantagem de aplicar nanoestruturas de superfície como dispositivos eletrônicos é que a resposta elétrica das nanoestruturas de superfície pode ser ajustada e modulada por meio de parâmetros de estrutura variáveis, como diâmetro, forma e arranjo de nanoestruturas. Portanto, é importante e significativo examinar as propriedades elétricas básicas das nanoestruturas de superfície.

Neste artigo, apresentamos um estudo experimental detalhado sobre as propriedades elétricas de dois tipos de nanoestruturas de superfície de dupla face, como grades e arranjos de nanopilar. As nanoestruturas de superfície de polímero de dupla face são fabricadas usando o processo NIL duplo. Como as nanoestruturas nas duas superfícies laterais não precisam ser alinhadas, o processo de impressão é simples e de baixo custo. O eletrodo condutor para medição de sinais elétricos é preparado pela técnica de deposição de metais, como óxido de estanho e índio (ITO) ou filme de Ag. Gostaríamos de pesquisar como essas nanoestruturas de superfície podem responder à pressão externa, como suas propriedades elétricas dependem dos parâmetros da amostra e como a tensão de circuito aberto e a corrente de curto-circuito das amostras preparadas mudam.

Métodos

Amostras

Neste estudo, dois tipos de nanoestruturas de superfície a serem medidos são fabricados, como matrizes de grade e nanopilar, e as imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) são mostradas na Fig. 1. O período da grade é de cerca de 300 nm, a largura é cerca de 160 nm, e o diâmetro do nanopilar é de cerca de 300 nm.

Imagens SEM de dois tipos de nanoestruturas de superfície. Uma grade ( a ) e uma matriz de nanopilar ( b ) são mostrados

As amostras preparadas com estruturas de superfície de dupla face são fabricadas pela combinação de duas vezes NIL curável por UV, e a camada de eletrodo condutor entre as estruturas de dupla face são preparadas por eletrodeposição de filme ITO. O esquema das nanoestruturas de polímero de dupla face é representado na Fig. 2. Os materiais da estrutura de dupla face são polidimetilsiloxano (PDMS) e Kapton, que são materiais elásticos. A camada intermediária é um filme fino de ITO; assim, o dispositivo integrado é flexível. O sinal de eletricidade é gerado devido ao efeito de acoplamento da eletrificação de contato e indução eletrostática durante a operação de separação por pressão de contato, que é o princípio de medição das propriedades elétricas das nanoestruturas de superfície de dupla face.

Esquema das nanoestruturas de polímero de dupla face

Quando deformados por uma deformação de pressão mecânica de toque externo fornecida por outros materiais, cargas triboelétricas são geradas e distribuídas nas superfícies do polímero. Assim que a deformação começa a ser liberada, os materiais tocados externamente se separam com a superfície do polímero. Essas cargas triboelétricas não podem ser compensadas, levando a induzir cargas opostas no eletrodo ITO para conduzir os elétrons livres a fluir do eletrodo ITO para o circuito externo. Este processo de indução eletrostática pode fornecer um sinal de tensão / corrente de saída.

Método de medição

Para a medição das propriedades elétricas de três tipos de nanoestruturas de superfície com diferentes tamanhos, padrões e arranjos, as medições são realizadas sob a força externa dentro de 0,5 ~ 50 N fornecida à temperatura ambiente na Fig. 3. As propriedades elétricas são registradas usando o motor linear ajustável (E1100-RS-HC), dispositivo de teste de corrente e tensão (Keithley 6514), amplificador de baixo ruído (Stanford SR570) e osciloscópio (MDO 3014). A mudança de força é alcançada no motor linear ajustável, e o osciloscópio pode medir a curva de tensão e corrente. A configuração do experimento aplicando força de pressão nas superfícies das amostras é mostrada na Fig. 3.

Fotografia da configuração do experimento aplicando força externa

Resultados e discussão

As propriedades elétricas para diferentes nanoestruturas de superfície são mostradas na Fig. 4 em diferentes forças de pressão externa. A tensão de circuito aberto de saída e a corrente de curto-circuito das matrizes de grade e nanopilar são mostradas na Fig. 4. Como pode ser visto, a intensidade das propriedades elétricas em nanoestruturas de superfície depende fortemente da força de pressão. E um fenômeno semelhante pode ser encontrado para as matrizes de grade e nanopilar. A tensão de circuito aberto e as mudanças de corrente de curto-circuito com a força de pressão dentro de 10 s são medidas. Os resultados da medição indicam que as propriedades elétricas para matrizes de grade e nanopilar mostram dependência de força diferente. A tensão de circuito aberto da estrutura de grade aumenta lentamente com a força, mas a corrente de curto-circuito aumenta obviamente com a força, como mostrado nas Fig. 4a e b. Em contraste, as propriedades elétricas dos arranjos nanopilares mostram-se melhor, porque tanto a tensão de circuito aberto quanto a corrente de curto-circuito aumentam significativamente com a força de pressão durante o mesmo tempo, conforme mostrado nas Fig. 4c e d. No entanto, a tensão de circuito aberto não muda quando a força aumenta de 30,5 N para 42,6 N, embora a corrente de curto-circuito ainda esteja aumentando. Portanto, os resultados experimentais mostram que os nanopilares bidimensionais complicados têm melhor desempenho elétrico do que as estruturas de grade unidimensionais.

As propriedades elétricas para nanoestruturas de superfície. Os resultados para ralar ( a , b ) e uma matriz de nanopilar ( c , d ) são mostrados

Para analisar melhor as propriedades elétricas de matrizes de nanopilar, diferentes arranjos e formas de nanopilares são medidos, como aleatório, quadrado e hexágono, e as imagens SEM de diferentes matrizes de nanopilar são mostradas na Fig. 5. Os arranjos de nanopilares aleatórios e quadrados são esparsamente distribuídas nas Fig. 5a eb, e os diâmetros dos nanopilares circulares são cerca de 300 nm e 400 nm, respectivamente. O arranjo do hexágono e os nanopilares de forma com cerca de 400 nm de diâmetro estão compactados na Fig. 5 c. A ampliação de um segmento de nanopilares de arranjo de hexágono é mostrada na Fig. 5d. Há uma ponta afiada no topo do nanopilar e um nanogap de resolução abaixo de 50 nm entre os nanopilares, que é semelhante ao recurso de pirâmide em nanoescala.

Imagens SEM de três arranjos nanopilar. Aleatório ( a ) e disposição quadrada ( b ) nanopilares circulares, arranjo de hexágono e matrizes de nanopilar de forma ( c ) e imagem de ampliação de nanopilares hexagonais ( d ) são mostrados

As curvas de desempenho elétrico com a força para as diferentes amostras de nanopilares são mostradas na Fig. 6. As curvas preta, vermelha e azul representam os nanopilares quadrados, aleatórios e hexagonais, respectivamente. Os resultados indicam que a tensão de circuito aberto e a corrente de curto-circuito para três tipos de nanopilares aumentam rapidamente com a força de pressão. Em contraste, o arranjo do hexágono e os arranjos nanopilares da forma mostram o aumento mais forte (curva azul) e as propriedades elétricas são as melhores. Quando a força é inferior a 20 N e 25 N, a tensão de circuito aberto e a corrente de curto-circuito dos nanopilares aleatórios (curva vermelha) são mais do que as de arranjos de nanopilares de arranjo quadrado (curva preta), e a situação é de retorno à medida que a força continua aumentando. Uma das principais razões é que o arranjo hexagonal pode fornecer rugosidade superficial máxima e área de contato de fricção, que contém pontas agudas de resolução mais alta (sub-50 nm) e lacunas semelhantes às da pirâmide. Aqui, a rugosidade da superfície é diferente do parâmetro para caracterização da suavidade da superfície do wafer, que depende principalmente do tamanho do recurso. Embora o diâmetro dos nanopilares de hexágono seja semelhante a outros, as lacunas abaixo de 50 nm, bordas afiadas e cantos aumentam a rugosidade da superfície de fricção e a área de contato para aumentar a saída de energia elétrica. Descobrimos que quando a força é maior do que 35 N, as curvas de tensão de circuito aberto tornam-se suaves como mostrado na Fig. 6a, mas a corrente de curto-circuito para três tipos de nanopilares ainda está aumentando, como mostrado na Fig. 6b. Isso indica que as propriedades elétricas continuam a aumentar com a força, e o aumento se tornará suave quando a força for superior a cerca de 40 N.

As propriedades elétricas para três tipos de matrizes de nanopilar, como tensão de circuito aberto ( a ) e corrente de curto-circuito ( b )

Os resultados experimentais demonstram que a força de pressão externa de cerca de 40 N é uma força apropriada para os arranjos nanopilares de hexágono para melhorar as propriedades elétricas, porque muita força de pressão pode destruir as amostras nanoestruturadas. Este estudo pode fornecer uma base para uma investigação mais aprofundada em outras propriedades elétricas ou ópticas.

Neste artigo, as amostras com nanoestruturas de superfície de dupla face são medidas. O mecanismo de medição das propriedades elétricas das nanoestruturas de superfície indica que as nanoestruturas de superfície dupla-face apresentam melhor desempenho elétrico.

Conclusões

Neste estudo, grades de polímero de dupla face e matrizes de nanopilar foram fabricadas usando nanotecnologia de última geração. As medições de propriedades elétricas nessas nanoestruturas de superfície foram realizadas com aplicação de força externa em temperatura ambiente. Descobrimos que o sinal elétrico dessas amostras depende fortemente da força e dos arranjos e formas da estrutura. Em particular, o sinal elétrico mais forte pode ser observado nas matrizes nanopilares de hexágono com um diâmetro de cerca de 400 nm contendo estruturas nítidas de resolução sub-50 nm em comparação com outras amostras. E a força apropriada para medição de propriedades elétricas é cerca de 40 N. Esses resultados indicam que as propriedades elétricas podem conduzir nanoestruturas de superfície para as aplicações em sensores de pressão, nanogeradores e dispositivos eletrônicos. Esperamos que a interessante descoberta experimental deste estudo possa fornecer uma compreensão aprofundada das propriedades elétricas de grades e nanopilares com diferentes arranjos.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados gerados ou analisados durante este estudo estão incluídos neste artigo publicado [e seus arquivos de informações complementares].

Abreviações

ITO:: Óxido de índio estanho
NIL:: Litografia de nanoimpressão
PDMS:: Polidimetilsiloxano
SEM:: Microscopia eletrônica de varredura
SERS:: Espalhamento Raman aprimorado pela superfície

Técnicas Raman:Fundamentos e Fronteiras Um fator importante que afeta as propriedades supercapacitivas de arranjos de nanotubos de TiO2 hidrogenados:estrutura cristalina

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