両面ポリマー表面ナノ構造の電気的性質

背景

表面のナノ構造は、表面増強ラマン散乱（SERS）、表面プラズモン共鳴、非線形光学および電気応答、およびナノ粒子、ナノ格子、ナノピラーなどのプラズモン励起、特に金属表面ナノ構造の効率的な媒体として大きな関心を集めています[1,2 、3,4,5]、電子、磁気、フォトニック、光電子、およびセンサーデバイスとしての潜在的な用途があります[6、7、8、9、10]。物理学の観点から、表面ナノ構造の基本的な物理的特性は、同じ成分を持つバルク材料のそれとは大きく異なります。特に、表面効果は表面ナノ構造で観察することができます。したがって、表面ナノ構造は、ナノテクノロジーとナノデバイスの基本的な構成要素と見なすことができる表面材料の研究の主要な焦点となっています。ポリマー表面のナノ構造は、ポリマー材料内で発生する静電誘導である摩擦電気効果により、独自の光電子的および電気的特性を示していることに注意してください[11、12、13]。ナノスケール構造は、表面粗さと接触摩擦面積を増加させ、摩擦電気効果を高めます。特に両面表面構造です。表面ナノ構造の摩擦電気効果により、大きな電荷が発生する可能性があり、電極とワイヤを接続することで電流を得ることができます。ポリマー表面のナノ構造および関連する現象における摩擦電気効果は、ナノ発電機、圧力および温度センサー、およびその他の電子デバイスにおけるそれらの有望なアプリケーションに大きく貢献します[14、15、16、17]。ナノ発電機は機械的エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、圧力または温度センサーは異なる圧力または温度を検出可能な電気または光信号に変換することができます。

ナノテクノロジーの急速な発展に伴い、フォトリソグラフィー、ナノインプリントリソグラフィー（NIL）、自己組織化、干渉リソグラフィーなどの周期的で複雑な無秩序な表面ナノ構造を容易に製造できるようになりました[18、19、20、21、22]。人気のある複製ナノテクノロジーの1つとして、NILはシンプル、低コスト、高解像度、高スループットであり、ポリマーナノ構造の製造に理想的です[23、24、25]。電子デバイスとして表面ナノ構造を適用することの主な利点の1つは、表面ナノ構造の電気的応答を、直径、形状、ナノ構造の配置などのさまざまな構造パラメーターを介して調整および変調できることです。したがって、表面ナノ構造の基本的な電気的特性を調べることは重要かつ重要です。

この記事では、グレーティングとナノピラーアレイなどの2種類の両面表面ナノ構造の電気的特性に関する詳細な実験的研究を紹介します。両面ポリマー表面ナノ構造は、2回のNILプロセスを使用して製造されます。 2つの側面のナノ構造を整列させる必要がないため、インプリントプロセスはシンプルで低コストです。電気信号を測定するための導電性電極は、インジウムスズ酸化物（ITO）やAg膜などの金属蒸着技術によって作成されます。これらの表面ナノ構造が外圧にどのように応答できるか、それらの電気的特性がサンプルのパラメーターにどのように依存するか、および準備されたままのサンプルの開回路電圧と短絡電流がどのように変化するかを調査したいと思います。

メソッド

サンプル

この研究では、グレーティングとナノピラーアレイの2種類の測定対象表面ナノ構造を作製し、走査型電子顕微鏡（SEM）画像を図1に示します。グレーティングの周期は約300 nm、幅は約160nm、ナノピラーの直径は約300nmです。

2種類の表面ナノ構造のSEM画像。グレーティング（ a ）およびナノピラーアレイ（ b ）が表示されます

両面構造の準備されたサンプルは、2回のUV硬化性NILを組み合わせることによって製造され、両面構造間の導電性電極層は、ITOフィルムの電着によって準備されます。両面ポリマーナノ構造の概略図を図2に示します。両面構造材料は、弾性材料であるポリジメチルシロキサン（PDMS）とカプトンです。中間層はITO薄膜です。したがって、統合されたデバイスは柔軟です。電気信号は、両面表面ナノ構造の電気的特性を測定する原理である、接触圧力分離動作中の接触帯電と静電誘導の結合効果によって生成されます。

両面ポリマーナノ構造の概略図

他の材料によって提供される外部からの機械的圧力変形によって変形すると、摩擦電荷が生成され、ポリマー表面に分散されます。変形が解放され始めるとすぐに、外部に触れた材料はポリマー表面と分離します。これらの摩擦電荷は補償できず、ITO電極に反対の電荷を誘導して、自由電子をITO電極から外部回路に流すように駆動します。この静電誘導プロセスにより、出力電圧/電流信号を得ることができます。

測定方法

サイズ、パターン、配置が異なる3種類の表面ナノ構造の電気的特性の測定は、図3の室温で0.5〜50N以内の外力で測定されます。電気的特性は次のように記録されます。調整可能なリニアモーター（E1100-RS-HC）、電流および電圧テストデバイス（Keithley 6514）、低ノイズアンプ（Stanford SR570）、およびオシロスコープ（MDO 3014）。力の変化は調整可能なリニアモーターで達成され、オシロスコープは電圧と電流の曲線を測定できます。サンプルの表面に圧力を加える実験のセットアップを図3に示します。

外力を加えた実験装置の写真

結果と考察

さまざまな表面ナノ構造の電気的特性を、さまざまな外部圧力で図4に示します。グレーティングとナノピラーアレイの出力開回路電圧と短絡電流を図4に示します。ご覧のとおり、表面ナノ構造の電気的特性の強さは圧力に強く依存します。また、グレーティングアレイとナノピラーアレイでも同様の現象が見られます。開回路電圧と短絡電流は、10秒以内の圧力で変化します。測定結果は、グレーティングアレイとナノピラーアレイの電気的特性が異なる力依存性を示すことを示しています。図4aおよびbに示すように、格子構造の開回路電圧は力とともにゆっくりと増加しますが、短絡電流は力とともに明らかに増加します。対照的に、図4cおよびdに示すように、開回路電圧と短絡電流の両方が同時に圧力とともに大幅に増加するため、ナノピラーアレイの電気的特性はより良好に示されます。ただし、力が30.5Nから42.6Nに増加しても、開回路電圧は変化しませんが、短絡電流はまだ増加しています。したがって、実験結果は、複雑な2次元ナノピラーが1次元格子構造よりも優れた電気的性能を持っていることを示しています。

表面ナノ構造の電気的特性。グレーティングの結果（ a 、 b ）およびナノピラーアレイ（ c 、 d ）が表示されます

ナノピラーアレイの電気的特性をさらに分析するために、ランダム、正方形、六角形などのナノピラーのさまざまな配置と形状を測定し、さまざまなナノピラーアレイのSEM画像を図5に示します。ランダムおよび正方形の配置のナノピラーはまばらです。図5aとbに分布しており、円形ナノピラーの直径はそれぞれ約300nmと400nmです。図5cには、直径が約400nmの六角形の配置と形状のナノピラーが密集しています。六角形配列のナノピラーの1つのセグメントの倍率を図5dに示します。ナノピラーの上部には鋭い先端があり、ナノピラー間には50 nm未満の解像度のナノギャップがあります。これは、ナノスケールのピラミッドの特徴に似ています。

3つのナノピラーアレイのSEM画像。ランダム（ a ）および正方形の配置（ b ）円形ナノピラー、六角形の配置および形状ナノピラーアレイ（ c ）、および六角形のナノピラーの拡大画像（ d ）が表示されます

さまざまなナノピラーサンプルの力による電気的性能曲線を図6に示します。黒、赤、青の曲線は、それぞれ正方形、ランダム、六角形の配列のナノピラーを表しています。結果は、3種類のナノピラーの開回路電圧と短絡電流が圧力によって急速に増加することを示しています。対照的に、六角形の配置と形状のナノピラーアレイは最も強い増加を示し（青い曲線）、電気的特性が最高です。力が20Nおよび25N未満の場合、ランダムナノピラーの開回路電圧および短絡電流（赤い曲線）は、正方形配列のナノピラーアレイ（黒い曲線）よりも大きく、状況は見返りになります。力が増加し続けるにつれて。主な理由の1つは、六角形の配置が最大の表面粗さと摩擦接触面積を提供できることです。これには、ピラミッド機能と同様に、より高い解像度（sub-50 nm）の鋭い先端とギャップが含まれます。ここで、表面粗さは、主にフィーチャサイズに依存するウェーハ表面の滑らかさの特性評価のパラメータとは異なります。六角形のナノピラーの直径は他のものと似ていますが、50 nm未満のギャップ、鋭いエッジ、およびコーナーにより、表面摩擦の粗さと接触面積が増加し、電力出力が増加します。力が35Nを超えると、図6aに示すように開回路電圧曲線は滑らかになりますが、図6bに示すように、3種類のナノピラーの短絡電流は依然として増加していることがわかります。これは、電気的特性が力とともに増加し続け、力が約40Nを超えると増加が緩やかになることを示しています。

開回路電圧（ a など）の3種類のナノピラーアレイの電気的特性 ）および短絡電流（ b ）

実験結果は、圧力が大きすぎるとナノ構造サンプルが破壊される可能性があるため、約40Nの外部圧力が六角形ナノピラーアレイが電気的特性を強化するための適切な力であることを示しています。この研究は、他の電気的または光学的特性をさらに調査するための基礎を提供することができます。

この記事では、両面ナノ構造のサンプルを測定します。表面ナノ構造の電気的特性の測定メカニズムは、両面表面ナノ構造がより優れた電気的性能を示すことを示しています。

結論

この研究では、最先端のナノテクノロジーを使用して、両面ポリマー格子とナノピラーアレイを製造しました。これらの表面ナノ構造の電気的特性の測定は、室温で外力を加えて実施されました。これらのサンプルの電気信号は、力と構造の配置と形状に強く依存することがわかりました。特に、最も強い電気信号は、他のサンプルと比較して、サブ50nmの解像度の鋭い構造を含む直径約400nmの六角形ナノピラーアレイで観察できます。また、電気的特性を測定するための適切な力は約40 Nです。これらの結果は、電気的特性が圧力センサー、ナノ発電機、および電子デバイスのアプリケーションの表面ナノ構造を駆動できることを示しています。この研究から得られた興味深い実験結果が、さまざまな配置のグレーティングとナノピラーの電気的特性を深く理解するのに役立つことを願っています。

データと資料の可用性

この調査中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された記事[およびその補足情報ファイル]に含まれています。

略語

ITO：

インジウムスズ酸化物

NIL：

ナノインプリントリソグラフィー

PDMS：

ポリジメチルシロキサン

SEM：

走査型電子顕微鏡

SERS：

表面増強ラマン散乱