Dieletroforese de aquecimento aprimorado para filme nanotubo de carbono de parede única alinhado de densidade ultra-alta

Resumo

Neste artigo, demonstramos que a densidade de alinhamento de nanotubos de carbono de parede única individualizados (SWCNTs) pode ser bastante melhorada pelo processo de dieletroforese intensificada por aquecimento (HE-DEP). As observações por microscópio eletrônico de varredura (SEM) sugerem densidade de alinhamento ultra-alta e boa qualidade de alinhamento de SWCNTs. A densidade de alinhamento intuitivo de SWCNTs individualizados é muito maior do que os melhores resultados relatados atualmente. A razão deste processo HE-DEP é explicada pelo trabalho de simulação e atribuída ao processo de convecção intensificado por aquecimento, e a “força de convecção” induzida pelo efeito de aquecimento é avaliada de uma maneira nova.

Histórico

Nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) exibem fortes propriedades polarizadas unidimensionais (1D), como indica que o desempenho de dispositivos baseados em SWCNT pode ser muito melhorado alinhando SWCNTs na mesma direção. Entre os vários métodos de alinhamento para nanotubos de carbono (CNTs), a dieletroforese (DEP) tem se mostrado muito eficiente e com grande potencial de combinação com o processo de fabricação em larga escala de dispositivos baseados em SWCNT [1, 2]. Numerosos estudos sobre DEP foram realizados para o alinhamento ou separação de CNTs [1], e alta densidade de alinhamento foi realizada [3, 4], mas a densidade de alinhamento é insuficiente para algumas aplicações eletrônicas e fotônicas, como campo baseado em SWCNT - transistor de efeito (FET) e guias de onda ópticos, nos quais SWCNTs alinhados multicamadas e, portanto, densidade de alinhamento ultra-alta, provavelmente são necessários. De acordo com o princípio da DEP, a distribuição do campo elétrico, o volume das partículas a serem alinhadas e a permissividade complexa das partículas e dos solventes com relação à frequência do campo elétrico são comumente considerados como os principais fatores na determinação o valor e a direção da força DEP exercida sobre as partículas [5]. Alguns fatores menores, como a concentração das partículas, a natureza do substrato e o período de atuação do campo elétrico, também foram discutidos [6,7,8,9]. Porém, todos esses estudos sobre DEP enfocam um processo DEP estático, sem considerar os fatores dinâmicos induzidos pelos efeitos externos, como a convecção induzida pelo aquecimento, a fluidez das soluções e, assim por diante.

Aqui, apresentamos nosso trabalho no processo DEP dinâmico com aquecimento aprimorado (HE) para filme SWCNT alinhado de densidade ultra-alta. Achamos que os SWCNTs distantes dos sulcos DEP e além da capacidade da força DEP podem ser levados para as vizinhanças dos sulcos DEP pela convecção induzida por aquecimento intencional e, em seguida, são capturados pela força DEP, resultando em uma densidade de alinhamento muito maior de SWCNTs do que o caso sem aquecimento. O trabalho de simulação sugere que a convecção induzida por aquecimento leva os SWCNTs além de 100 μm longe das ranhuras DEP para as vizinhanças das ranhuras DEP. Assumimos que a força DEP é igual à “força de convecção” nos limites das áreas de coleta de SWCNTs nas proximidades de ranhuras DEP, com base na qual a força de convecção pode ser avaliada com a força DEP.

Métodos

Dez miligramas de pó puro de HiPCO SWCNT foram dispersos na solução de 200 mg de colato de sódio (NaCh) em 10 ml de água desionizada com a ajuda de ultra-som de 100 W. Em seguida, a mistura foi tratada por ultracentrifugação de 25 kg por 60 min para remover feixes de nanotubos. A camada superior foi extraída e diluída 100 vezes como a solução de SWCNTs isolados individualmente. Esta solução SWCNT foi obtida para o experimento de alinhamento de SWCNT individualizado.

O padrão de um chip DEP e a seção transversal esquemática de um sulco DEP com dimensões correspondentes são esquematicamente representados na Fig. 1. Para a fabricação dos chips DEP, um SiN _x de 300 nm de espessura o filme foi primeiramente cultivado diretamente no substrato de silício por deposição química de vapor intensificada por plasma (PECVD) e, em seguida, o SiN _x o filme foi coberto com um filme fotorresistente feito pelo método de spin coating. Depois de cozido, o filme fotorresistente foi exposto à luz ultravioleta usando a máscara DEP e, em seguida, foi revelado para remover o fotorresiste exposto, resultando no aparecimento de padrões DEP claros. Depois que o substrato foi limpo e cozido novamente, um filme de titânio (Ti) de 20 nm de espessura e um filme de ouro (Au) de 200 nm de espessura foram sucessivamente depositados por pulverização catódica. Finalmente, o filme fotoresiste não exposto junto com o filme de Au / Ti em sua superfície foi removido por acetona, deixando eletrodos DEP de Au / Ti retidos na área exposta. A largura e o comprimento de cada sulco DEP entre os eletrodos são 5 e 500 μm, respectivamente. A largura dos eletrodos é de 500 μm.

O padrão do chip DEP e a seção transversal esquemática do sulco DEP. Para a fabricação de chips DEP, um SiN _x de 300 nm de espessura o filme foi inicialmente cultivado diretamente no substrato de silício por deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD) e, em seguida, o SiN _x o filme foi coberto com um filme fotorresistente feito pelo método de spin coating. Depois de cozido, o filme fotorresistente foi exposto à luz ultravioleta usando a máscara DEP e, em seguida, foi revelado para remover o fotorresiste exposto, resultando no aparecimento de padrões DEP claros. Depois que o substrato foi limpo e cozido novamente, um filme de titânio (Ti) de 20 nm de espessura e um filme de ouro (Au) de 200 nm de espessura foram sucessivamente depositados por pulverização catódica. Finalmente, o filme fotoresiste não exposto junto com o filme de Au / Ti em sua superfície foi removido por acetona, deixando eletrodos DEP de Au / Ti retidos na área exposta. A largura e o comprimento de cada sulco DEP entre os eletrodos são 5 e 500 μm, respectivamente. A largura dos eletrodos é 500 μm

Os experimentos DEP foram realizados sob um potencial AC com V _pp de 20 V e frequência de 10 MHz por um período de 30 min. Duas amostras DEP foram feitas. A diferença entre eles é que durante o processo do experimento DEP, um foi mantido em temperatura ambiente (20 ° C), e o outro foi aquecido na parte inferior do chip por uma placa de aquecimento com aumento gradual de temperatura de 20 a 100 ° C, nomeados como amostras A e B, respectivamente. Para cada amostra, foram utilizados 10 μl de solução SWCNT. Finalmente, a solução em ambas as amostras secou sozinha.

Resultados e discussão

As observações SEM de ambas as amostras são mostradas na Fig. 2. Os retângulos vermelhos indicam as áreas ampliadas correspondentes. As setas de duas pontas apresentam as larguras das áreas de reunião SWCNT individualizadas. As duas setas indicam os anéis de café surgindo durante o processo de secagem da solução de nanotubo. Para a amostra B, comparando os contornos dos anéis de café e do filme SWCNT nas ranhuras DEP, podemos definitivamente decidir que o filme SWCNT foi formado devido ao recolhimento e alinhamento induzidos pela força DEP, mas não devido ao efeito do anel de café. Por comparação, podemos descobrir que a densidade de alinhamento de SWCNTs individualizados na amostra B é muito maior do que na amostra A, portanto, o aquecimento melhorou o processo DEP na amostra B. A comparação intuitiva com a densidade de alinhamento mais alta relatada atualmente nas referências [3] e [4] mostra que a densidade de alinhamento de SWCNTs na amostra B também é muito maior.

Observações SEM das amostras A e B. Os retângulos vermelhos indicar as áreas ampliadas correspondentes. As setas de duas pontas apresentar as larguras das áreas de reunião SWCNT individualizadas. As duas setas indicam os anéis de café que surgem durante o processo de secagem da solução de nanotubos. Para a amostra B, comparando os contornos dos anéis de café e do filme SWCNT nas ranhuras DEP, podemos decidir definitivamente que o filme SWCNT foi formado devido ao recolhimento e alinhamento induzidos pela força DEP, mas não devido ao efeito do anel de café. A densidade de alinhamento de SWCNTs individualizados na amostra B é muito maior do que na amostra A. As resistências medidas entre os eletrodos com SWCNTs alinhados são ~ 20 MΩ para a amostra A e ~ 50 KΩ para a amostra B

As resistências medidas entre os eletrodos com SWCNTs alinhados são cerca de 20 MΩ para a amostra A e cerca de 50 KΩ para a amostra B. Aqui, assumimos que as larguras (5 μm) das ranhuras DEP são iguais aos comprimentos dos SWCNTs individualizados alinhados em DEP ranhuras e que as resistências e diâmetros específicos de todos os SWCNTs individualizados são os mesmos, e então as resistências entre os eletrodos são principalmente determinadas pela área transversal total e, portanto, o número de SWCNTs individualizados alinhados em ranhuras DEP com um relação como segue:
$$ \ frac {R _ {\ mathrm {A}}} {R _ {\ mathrm {B}}} =\ frac {\ kern0.75em \ frac {\ rho _ {\ mathrm {SWCNT}} {L} _ {\ mathrm {SWCNT}}} {S _ {\ mathrm {A}}} \ kern0.75em} {\ frac {\ rho _ {\ mathrm {SWCNT}} {L} _ {\ mathrm {SWCNT}}} {S _ {\ mathrm {B}}}} =\ frac {S _ {\ mathrm {B}}} {S _ {\ mathrm {A}}} =\ frac {S _ {\ mathrm {único} \ \ mathrm {SWCNT}} {N } _ {\ mathrm {B}}} {S _ {\ mathrm {único} \ \ mathrm {SWCNT}} {N} _ {\ mathrm {A}}} =\ frac {N _ {\ mathrm {B}}} {N _ {\ mathrm {A}}} =\ frac {20 \ \ mathrm {M} \ Omega} {50 \ \ mathrm {K} \ Omega} =\ frac {400} {1} $$
onde R , ρ , L , S , e N são a resistência, a resistência específica, o comprimento, a área da seção transversal e o número de SWCNTs individualizados nas ranhuras DEP, respectivamente. Os subscritos A e B denotam as amostras A e B, respectivamente. Podemos ver que o número de SWCNTs individualizados alinhados em ranhuras DEP na amostra B é cerca de 400 vezes maior do que na amostra A, portanto, a densidade de alinhamento de SWCNTs foi muito melhorada pelo aquecimento.

A fim de analisar o processo HE-DEP em SWCNTs, utilizamos partículas elipsóides em forma de haste sólida para desempenhar os papéis dos SWCNTs individualizados para simular a distribuição do campo de força DEP. No trabalho de simulação, usamos a seguinte expressão de DEP force \ ({\ overset {\ rightharpoonup} {F}} _ {\ mathrm {DEP}} \) [10, 11]:
$$ \ left \ langle {\ overset {\ rightharpoonup} {F}} _ {\ mathrm {DEP}} \ right \ rangle =\ frac {\ pi abc} {3} {\ varejpsilon} _m \ mathrm {R} \ mathrm {e} \ left (\ frac {{\ tilde {\ varepsilon}} _ p - {\ tilde {\ varepsilon}} _ m} {{\ tilde {\ varepsilon}} _ m} \ right) \ nabla \ left [ {\ left | \ mathrm {Re} \ left (\ nabla \ tilde {\ phi} \ right) \ right |} ^ 2 + {\ left | \ mathrm {Im} \ left (\ nabla \ tilde {\ phi} \ right) \ right |} ^ 2 \ right] $$
Onde
$$ {\ tilde {\ varepsilon}} _ {p, m} ={\ varejpsilon} _ {p, m} - \ frac {j {\ sigma} _ {p, m}} {2 \ pi \ nu} \ kern1em \ left (j =\ sqrt {-1} \ right) $$ $$ \ tilde {\ phi} =\ phi \ left (x, y, z \ right) {e} ^ {i2 \ pi \ nu t} $$
Os significados físicos ou matemáticos de todos os operadores e dos parâmetros, bem como seus valores usados nas simulações para os casos com (100 ° C) e sem (20 ° C) aquecimento, estão listados na Tabela 1, onde os valores de ε _p e σ _{p, m} são estimados com referência à referência [12] e considerando o aumento da condutividade da solução SWCNT devido ao efeito de aquecimento e ionização de NaCh. Para simplificar a modelagem, os SWCNTs são considerados nanobastões com comprimento de 1000 nm ( a ) e raio de 1 nm ( b , c ), e essas seleções de valor são pertinentes para nossos SWCNTs HiPCO envoltos em surfactante.

A direção simulada correspondente e o contorno do valor da força DEP exercida em SWCNTs individualizados a 20 e 100 ° C são plotados na Fig. 3. Os comprimentos das setas de força DEP são proporcionais ao logaritmo do valor da força DEP. Os contornos de quase-hemiciclo mais externos com um diâmetro de cerca de 25 μm correspondem à força DEP de ~ 10 ⁻¹⁶ N. As forças máximas de DEP estão localizadas nas extremidades dos eletrodos. Comparando a direção e o contorno do valor da força DEP em ambos os casos, podemos descobrir que o aumento da temperatura de 20 para 100 ° C não leva a mudanças significativas da ordem de magnitude da força DEP. É certo que a força DEP só funciona em uma certa área pequena e fora dessa área; A força DEP diminui abruptamente, como pode ser refletido pela largura das áreas de coleta de SWCNTs apresentadas pelas setas de duas pontas na Fig. 2. Fora dessas áreas, a densidade de alinhamento de SWCNT é quase zero. Considerando a distribuição da força DEP na Fig. 3, podemos encontrar que as larguras dessas áreas refletem qualitativamente os valores da força DEP:quanto maiores são as larguras, maiores são as forças DEP.

A força DEP correspondente exercida em SWCNTs individualizados a 20 e 100 ° C, respectivamente. As setas e os quase-hemiciclos denotam a direção e o contorno do valor da força DEP, respectivamente. A unidade de comprimento é μm. Os comprimentos das setas da força DEP são proporcionais ao logaritmo do valor da força DEP. Os contornos de quase-hemiciclo mais externos com um diâmetro de cerca de 25 μm correspondem à força DEP de ~ 10 ⁻¹⁶ N. As forças máximas de DEP estão localizadas nas extremidades dos eletrodos

O movimento das partículas sob o efeito de aquecimento é um processo bastante complexo, no qual muitas forças, incluindo força gravitacional, força termoforética, força de arrasto viscosa, força termodifusiva, força de empuxo, força browniana e assim por diante, devem ser consideradas. Até o momento, ainda não há consenso sobre algumas dessas forças e é impossível atribuir quantitativamente seus respectivos pesos específicos. Para simplicidade e concisão, atribuímos a soma de todas essas forças excluindo a força DEP a uma força de convecção para que possamos diferenciar o processo DEP e o processo de convecção durante o trabalho de simulação. A seguir, demonstraremos o processo DEP aprimorado pela força de convecção (ou processo de convecção) e derivaremos o nível de força de convecção da distribuição de força DEP e a deposição ou distribuição de alinhamento de SWCNTs individualizados nas proximidades de ranhuras DEP. De acordo com a simulação resultados, o equilíbrio térmico da solução SWCNT pode ser alcançado rapidamente em 0,2 s quando a temperatura aumenta de 20 para 100 ° C. A partir da distribuição de velocidade de convecção natural na solução SWCNT aquecida a 100 ° C em dois pontos de tempo diferentes com um intervalo de 120 s, conforme mostrado na Fig. 4, podemos ver que a direção da convecção é errática e muda rapidamente, e que as demensões dos vórtices de convecção estão no nível da profundidade (100 μm) da solução SWCNT, como indica que a convecção pode trazer SWCNTs individualizados nas dimensões de 100 μm × 100 μm (2D) para as vizinhanças dos sulcos DEP. Além disso, também podemos encontrar a troca e transferência de SWCNTs individualizados entre vórtices de convecção vizinhos, o que indica que SWCNTs individualizados a mais de 100 μm de ranhuras DEP também podem ser trazidos para as vizinhanças de ranhuras DEP. Quando os SWCNTs individualizados longe dos sulcos DEP percorrem um caminho "longo" com a ajuda da convecção e chegam nas proximidades dos sulcos DEP, onde a força de convecção não pode conquistar a força positiva-DEP forte (direção da força DEP em direção ao máximo do elétrico campo), eles são capturados pela força DEP, resultando na deposição e alinhamento desses SWCNTs individualizados "remotos" nas proximidades de ranhuras DEP, como mostrado na amostra B na Fig. 2. Além disso, a convecção turbulenta induzida pela diferença de densidade em temperaturas diferentes [http://www.engineeringtoolbox.com/water-thermal-properties-d_162.html] também garantiu e aprimorou de forma muito eficiente essa precessão de transferência com uma velocidade em milímetros por segundo [https://thayer.dartmouth .edu / ~ d30345d / books / EFM / chap7.pdf]. Contrariamente, a ausência de vórtices de convecção que mudam rapidamente e de convecção turbulenta a 20 ° C revelada pelo trabalho de simulação sugere a deficiência de transferência de SWCNT entre áreas diferentes e, portanto, resulta na baixa desidade de alinhamento. Esta é uma explicação razoável para a diferença de densidade de alinhamento entre as amostras A e B na Fig. 2 e, portanto, para o processo DEP intensificado por aquecimento. Aqui, também reivindicamos veementemente a repetibilidade desse processo DEP com aquecimento aprimorado.

A distribuição de velocidade de convecção natural na solução SWCNT aquecida a 100 ° C. As setas vermelhas apontar as posições das ranhuras DEP. Em dois pontos de tempo diferentes com um intervalo de 120 s, a direção da convecção é errática e muda rapidamente, e as dimensões dos vórtices de convecção estão no nível da profundidade (100 μm) da solução SWCNT, como indica que a convecção pode trazer SWCNTs individualizados nas dimensões de 100 μm × 100 μm (2D) para as vizinhanças de ranhuras DEP

Com base nas suposições acima de que as larguras das áreas de coleta de SWCNTs refletem os valores de força DEP e que se a força de convecção não pode superar a força DEP nas proximidades de ranhuras DEP, SWCNTs individualizados serão apreendidos pela força DEP, podemos considerar essa força de convecção corresponde à força DEP nos dois limites das áreas de coleta de SWCNTs (20 ~ 30 μm como mostrado na Fig. 2), por isso é uma nova maneira de avaliar a força de convecção. No caso de aquecimento (100 ° C), a força DEP simulada em torno desses dois limites está no nível de 10 ⁻¹⁶ N (Fig. 3) e, portanto, a força de convecção não deve estar longe deste valor.

Notamos também que a força DEP a 100 ° C é mais fraca do que a 20 ° C (Fig. 3); no entanto, quase não há mudança nas larguras das áreas de coleta de SWCNT (Fig. 2). Atribuímos a razão para a diferença da força de arrasto viscosa da água em ambas as temperaturas (http://www.engineeringtoolbox.com/absolute-dynamic-viscosity-water-d_575.html). Dentre todos os elementos de força de convecção mencionados acima, a força de arrasto viscosa desempenha o papel mais importante na competição com a força DEP, e apresenta uma relação decrescente com o aumento da temperatura (http://www.engineeringtoolbox.com/absolute-dynamic-viscosity- water-d_575.html). Consequentemente, a menor força de arrasto viscosa da água a 100 ° C requer correspondentemente menor força DEP, que coincidentemente atende ao requisito.

Outro fator responsável pelo aumento da densidade de alinhamento de SWCNT individualizado pode ser o aumento gradual da concentração de SWCNT induzido pela evaporação do solvente (água), mas de acordo com os resultados de alinhamento de SWCNTs na amostra A, este fator parece não desempenhar um papel importante . De acordo com a análise acima, a diferença significativa única entre as amostras A e B é se a convecção intensa induzida por aquecimento está presente ou não, por isso é convincente atribuir a razão da densidade de alinhamento SWCNT muito mais alta na amostra B ao aquecimento induziu intenso processo de convecção e, portanto, é forçoso dizer que o aquecimento pode melhorar o processo DEP.

Conclusões

Em resumo, aumentamos muito a densidade de alinhamento de SWCNTs individualizados por DEP intensificado por aquecimento, em que a convecção intensa induzida por aquecimento desempenha um papel crucial na troca e transferência de SWCNTs individualizados para as vizinhanças de ranhuras DEP onde a força DEP tem efeito para apreender SWCNTs. O número de SWCNTs individualizados alinhados é ainda aumentado em 400 vezes. A comparação intuitiva mostra que nossa densidade de alinhamento de SWCNTs individualizados é muito maior do que os melhores resultados relatados atualmente. Este processo HE-DEP é explicado pelo trabalho de simulação. Também concebemos uma nova forma de avaliar a força de convecção. A realização de densidade de alinhamento ultra-alta de SWCNTs seria muito promissora para a futura melhoria de desempenho de dispositivos baseados em filme SWCNT.

Dependência de ressonância de plasma de superfície localizada no dímero de nanoprisma Ag truncado desalinhado Crescimento autocatalisado de nanofios de GaSb verticais em hastes de InAs por deposição de vapor químico orgânico-metálico

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias