超高密度の整列した単層カーボンナノチューブフィルムのための加熱増強誘電泳動

背景

単層カーボンナノチューブ（SWCNT）は、強力な1次元（1D）分極特性を示します。これは、SWCNTを同じ方向に整列させることで、SWCNTベースのデバイスのパフォーマンスを大幅に向上できることを示しています。カーボンナノチューブ（CNT）のさまざまな配向方法の中で、誘電泳動（DEP）は非常に効率的であり、SWCNTベースのデバイスの大規模な製造プロセスと組み合わせる大きな可能性を秘めていることが実証されています[1、2]。 CNTのアラインメントまたは分離についてDEPに関する多くの研究が行われ[1]、高いアラインメント密度が実現されています[3、4]が、SWCNTベースのフィールドなどの一部の電子およびフォトニックアプリケーションにはアラインメント密度がはるかに不十分です。多層配向SWCNT、したがって超高配向密度がおそらく必要とされる効果トランジスタ（FET）および光導波路。 DEPの原理によれば、電界の分布、整列させる粒子の体積、および電界の周波数に対する粒子と溶媒の複素誘電率は、一般に、決定の主な要因と見なされます。粒子に作用するDEP力の値と方向[5]。粒子の濃度、基板の性質、電界の作用周期など、いくつかのマイナーな要因についても議論されました[6、7、8、9]。ただし、DEPに関するこれらの研究はすべて、加熱によって引き起こされる対流や溶液の流動性などの外部効果によって引き起こされる動的要因を考慮せずに、静的DEPプロセスに焦点を合わせています。

ここでは、超高密度の整列したSWCNTフィルムの加熱強化（HE）動的DEPプロセスに関する作業を紹介します。 DEP溝から遠く、DEP力の能力を超えたSWCNTは、意図的な加熱によって引き起こされた対流によってDEP溝の近くに運ばれ、DEP力によって捕捉され、その結果、SWCNTの整列密度がケースよりもはるかに高くなると考えられます。加熱せずに。シミュレーション作業では、加熱によって引き起こされる対流により、SWCNTがDEP溝から100μmを超えてDEP溝の近くまで移動することが示唆されています。 DEP力は、SWCNTの境界での「対流力」に等しいと仮定しました。これに基づいて、対流力をDEP力で評価できます。

メソッド

10ミリグラムの元のHiPCOSWCNT粉末を、100Wの超遠心分離を利用して10mlの脱イオン水中の200mgのコレートナトリウム（NaCh）の溶液に分散させました。次に、混合物を25kgの超遠心分離で60分間処理して除去しました。ナノチューブバンドル。個別に分離したSWCNTの溶液として、最上層を抽出し、100倍に希釈しました。このSWCNTソリューションは、個別のSWCNTのアライメント実験のために取得されました。

1つのDEPチップのパターンと、対応する寸法の1つのDEP溝の概略断面図を、図1に模式的に示します。DEPチップの製造では、厚さ300nmのSiN _x 膜は、最初にプラズマ化学気相成長法（PECVD）によってシリコン基板上に直接成長し、次にSiN _x フィルムをスピンコーティング法で作製したフォトレジストフィルムで覆った。ベークした後、フォトレジストフィルムをDEPマスクを使用してUV光の下で露光し、次に露光されたフォトレジストを除去するために現像され、透明なDEPパターンの外観をもたらした。基板を洗浄して再度焼き付けた後、厚さ20 nmのチタン（Ti）膜と厚さ200 nmの金（Au）膜をスパッタリングで連続して蒸着しました。最後に、未露光のフォトレジストフィルムとその表面のAu / Tiフィルムをアセトンで除去し、Au / TiDEP電極を露光領域に保持したままにしました。電極間の各DEP溝の幅と長さは、それぞれ5μmと500μmです。電極の幅は500μmです。

DEPチップのパターンとDEP溝の概略断面図。 DEPチップの製造には、厚さ300nmのSiN _x 膜は、最初にプラズマ化学気相成長法（PECVD）によってシリコン基板上に直接成長し、次にSiN _x フィルムをスピンコーティング法で作製したフォトレジストフィルムで覆った。ベークした後、フォトレジストフィルムをDEPマスクを使用してUV光の下で露光し、次に露光されたフォトレジストを除去するために現像され、透明なDEPパターンの外観をもたらした。基板を洗浄して再度焼き付けた後、厚さ20 nmのチタン（Ti）膜と厚さ200 nmの金（Au）膜をスパッタリングで連続して蒸着しました。最後に、未露光のフォトレジストフィルムとその表面のAu / Tiフィルムをアセトンで除去し、Au / TiDEP電極を露光領域に保持したままにしました。電極間の各DEP溝の幅と長さは、それぞれ5μmと500μmです。電極の幅は500μmです

DEP実験は、V _pp のAC電位下で実施されました。 20 V、周波数10MHzで30分間。 2つのDEPサンプルが作成されました。それらの違いは、DEP実験プロセス中、1つは室温（20°C）に保たれ、もう1つはチップの底で20〜100°Cに徐々に温度が上昇する加熱プレートによって加熱されたことです。それぞれサンプルAおよびBと名付けられました。各サンプルについて、10μlのSWCNT溶液を使用しました。最後に、両方のサンプルの溶液が自然乾燥しました。

結果と考察

両方のサンプルのSEM観察結果を図2に示します。赤い長方形は、対応する拡大領域を示しています。両方向矢印は、個別のSWCNT収集領域の幅を示しています。 2つの矢印は、ナノチューブ溶液の乾燥プロセス中に発生するコーヒーリングを示しています。サンプルBの場合、DEP溝内のコーヒーリングとSWCNTフィルムの輪郭を比較することにより、SWCNTフィルムは、コーヒーリング効果ではなく、DEP力によって誘発された収集と整列によって形成されたと確実に判断できます。比較すると、サンプルBの個別のSWCNTのアラインメント密度はサンプルAのアラインメント密度よりもはるかに高いため、加熱によりサンプルBのDEPプロセスが強化されました。参考文献[3]で現在報告されている最高のアラインメント密度との直感的な比較[4]は、サンプルB上のSWCNTの配向密度もはるかに高いことを示しています。

サンプルAおよびBのSEM観察。赤い長方形 対応する拡大領域を示します。 両方向矢印 個別のSWCNT収集領域の幅を示します。 2つの矢印 ナノチューブ溶液の乾燥プロセス中に発生するコーヒーリングを示します。サンプルBの場合、DEP溝内のコーヒーリングとSWCNTフィルムの輪郭を比較することにより、SWCNTフィルムは、コーヒーリング効果ではなく、DEP力によって誘発された収集と整列によって形成されたと確実に判断できます。サンプルBの個別のSWCNTの整列密度は、サンプルAの整列密度よりもはるかに高くなっています。SWCNTが整列した電極間で測定された抵抗は、サンプルAで約20MΩ、サンプルBで約50KΩです。

SWCNTが整列した電極間で測定された抵抗は、サンプルAで約20MΩ、サンプルBで約50KΩです。ここでは、DEP溝の幅（5μm）がDEPで整列した個別のSWCNTの長さに等しいと仮定します。溝と、すべての個別化されたSWCNTの比抵抗と直径が同じである場合、電極間の抵抗は主に総断面積、したがってDEP溝に反比例して整列した個別化されたSWCNTの数によって決定されます。次のような関係：

ここで R 、ρ 、 L 、 S 、および N は、それぞれ、抵抗、比抵抗、長さ、断面積、およびDEP溝内の個別のSWCNTの数です。下付き文字AとBは、それぞれサンプルAとBを示します。サンプルBのDEP溝に整列した個別のSWCNTの数は、サンプルAの約400倍であることがわかります。したがって、SWCNTの整列密度は、加熱によって大幅に改善されました。

SWCNTのHE-DEPプロセスを分析するために、固体の棒状の楕円体粒子を利用して、DEP力場分布をシミュレートするための個別のSWCNTの役割を果たしました。シミュレーション作業では、次のDEP力の式を使用しました\（{\ overset {\ rightharpoonup} {F}} _ {\ mathrm {DEP}} \）[10、11]：

ここで

表1に、すべての演算子とパラメーターの物理的または数学的重要性、および加熱あり（100°C）と加熱なし（20°C）の場合のシミュレーションで使用された値を示します。 ε _p およびσ _p、m 参考文献[12]を参照し、加熱効果とNaChイオン化によるSWCNT溶液の導電率の増加を考慮して推定されます。モデリングを単純化するために、SWCNTは長さが1000 nm（ a ）のナノロッドと見なされます。 ）および半径1 nm（ b 、 c ）、およびこれらの値の選択は、界面活性剤で包まれたHiPCOSWCNTに関連しています。

20および100°Cで個別のSWCNTに加えられるDEP力の対応するシミュレートされた方向と値の等高線が、図3にプロットされています。DEP力の矢印の長さは、DEP力の値の対数に比例します。直径が約25μmの最も外側の準半サイクルの等高線は、約10 ^-16 のDEP力に対応します。 N.最大DEP力は、電極の端点にあります。両方の場合のDEP力の方向と値の等高線を比較することにより、20〜100°Cへの温度上昇がDEP力の大きさのオーダーの大幅な変化をもたらさないことがわかります。 DEP力は、特定の小さな領域とこの領域の外側でのみ機能することは確かです。図2の両方向矢印で示されるSWCNT収集領域の幅に反映されるように、DEP力は急激に減少します。これらの領域の外側では、SWCNTの位置合わせ密度はほぼゼロです。図3のDEP力の分布を考慮すると、これらの領域の幅はDEP力の値を定性的に反映していることがわかります。幅が大きいほど、DEP力も大きくなります。

対応するDEP力は、それぞれ20°Cと100°Cで個別のSWCNTに作用します。 矢印 および準半サイクル DEP力の方向と値の等高線をそれぞれ示します。長さの単位はμmです。 DEP力の矢印の長さは、DEP力の値の対数に比例します。直径が約25μmの最も外側の準半サイクルの等高線は、約10 ^-16 のDEP力に対応します。 N.最大DEP力は、電極の端点にあります

加熱効果下での粒子の移動はかなり複雑なプロセスであり、重力、熱泳動力、粘性抗力、熱拡散力、浮力、ブラウン力などを含む多くの力を考慮する必要があります。現在まで、これらの力のいくつかについてはまだコンセンサスが得られておらず、それぞれの比重を定量的に割り当てることは不可能です。簡潔さと簡潔さのために、シミュレーション作業中にDEPプロセスと対流プロセスを区別できるように、DEP力を除くこれらすべての力の合計を対流力に割り当てます。次に、対流力によって強化されたDEPプロセス（または対流プロセス）を示し、DEP力の分布と、DEP溝の近くでの個別のSWCNTの堆積または整列分布から対流力のレベルを導き出します。シミュレーションによるとその結果、温度が20〜100°Cに上昇すると、SWCNT溶液の熱平衡に0.2秒ですばやく到達できます。図4に示すように、120秒間隔で2つの異なる時点で100°Cに加熱されたSWCNT溶液の自然対流の速度分布から、対流の方向が不安定で急速に変化することがわかります。対流渦の寸法は、SWCNT溶液の深さ（100μm）のレベルにあります。これは、対流によって、100μm×100μm（2D）の寸法の個別のSWCNTがDEP溝の近くに到達する可能性があることを示しています。さらに、隣接する対流渦間での個別のSWCNTの交換と移動も確認できます。これは、DEP溝から100μm以上離れた個別のSWCNTもDEP溝の近くに移動できることを示しています。 DEP溝から遠く離れた個別のSWCNTが対流の助けを借りて「長い」道を進み、対流力が強い正のDEP力（電気の最大値に向かうDEP力の方向）を克服できないDEP溝の近くに到達する場合電界）、それらはDEP力によって捕捉され、図2のサンプルBに示すように、これらの「リモート」の個別化されたSWCNTがDEP溝の近くに堆積および整列します。さらに、密度差によって引き起こされる乱流対流さまざまな温度で[http://www.engineeringtoolbox.com/water-thermal-properties-d_162.html]も保証され、非常に高効率でこの転送プロセスをミリ秒/秒の速度で強化しました[https：//thayer.dartmouth .edu / 〜d30345d / books / EFM /chap7.pdf]。逆に、シミュレーション作業で明らかになった20°Cでの急激に変化する対流渦と乱流対流の両方がないことは、異なる領域間のSWCNTの移動が不十分であることを示唆しており、その結果、アライメントの程度が低くなります。これは、図2のサンプルAとBの間の配向密度の違い、したがって加熱強化DEPプロセスの合理的な説明です。ここでは、この加熱強化DEPプロセスの再現性も強く主張します。

100°Cに加熱されたSWCNT溶液の自然対流の速度分布。 赤い矢印 DEP溝の位置を指摘します。 120秒間隔の2つの異なる時点で、対流の方向は不安定で急速に変化し、対流がもたらす可能性があることを示すように、対流渦の寸法はSWCNT溶液の深さ（100μm）のレベルにあります。 DEP溝の近くまで100μm×100μm（2D）の寸法の個別化されたSWCNT

SWCNT収集領域の幅がDEP力の値を反映し、対流力がDEP溝の近くでDEP力に打ち勝つことができない場合、個別のSWCNTがDEP力によって捕捉されるという上記の仮定に基づいて、次のように考えることができます。その対流力は、SWCNTの収集領域の2つの境界（図2に示すように20〜30μm）でのDEP力と一致するため、対流力を評価する新しい方法です。加熱（100°C）の場合、これら2つの境界の周りのシミュレートされたDEP力は、10 ^-16 のレベルにあります。 N（図3）であるため、対流力はこの値からそれほど離れていないはずです。

また、100°CでのDEP力は、20°CでのDEP力よりも弱いことにも注意してください（図3）。ただし、SWCNT収集領域の幅にはほとんど変化がありません（図2）。両方の温度での水の粘性抗力の違いに理由があります（http://www.engineeringtoolbox.com/absolute-dynamic-viscosity-water-d_575.html）。上記のすべての対流要素の中で、粘性抗力はDEP力との競合において最も重要な役割を果たし、温度上昇との関係が減少します（http://www.engineeringtoolbox.com/absolute-dynamic-viscosity- water-d_575.html）。その結果、100°Cでの水からの粘性抗力が小さいほど、それに応じて必要なDEP力も小さくなり、偶然にも要件を満たします。

個別のSWCNT配向密度の増加の原因となる別の要因は、溶媒（水）の蒸発によって引き起こされるSWCNT濃度の段階的な増加である可能性がありますが、サンプルAでのSWCNTの分析結果によると、この要因は主要な役割を果たしていないようです。 。上記の分析によると、サンプルAとBの固有の有意差は、加熱によって引き起こされる強い対流が存在するかどうかであるため、サンプルBのSWCNTアライメント密度がはるかに高い理由を加熱に帰することは説得力があります。強い対流プロセスが誘発されたため、加熱によってDEPプロセスが強化されると言えます。

結論

要約すると、加熱によって引き起こされる強い対流が、DEP力が作用するDEP溝の近くへの個別化SWCNTの交換と転送に重要な役割を果たす、加熱強化DEPによって個別化SWCNTの整列密度を大幅に向上させました。 SWCNTを押収します。整列された個別のSWCNTの数はさらに400倍になります。直感的な比較は、個別化されたSWCNTのアライメント密度が、現在報告されている最良の結果よりもはるかに高いことを示しています。このHE-DEPプロセスは、シミュレーション作業によって説明されます。また、対流力を評価する新しい方法を考案しました。 SWCNTの超高配向密度の実現は、SWCNTフィルムベースのデバイスの将来の性能向上に大いに有望です。