Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Industrial materials >> Наноматериалы

Изготовление трехмерных периодических структур на основе наноболочек путем создания шаблонов с использованием ZnO, полученного из раствора

Аннотация

Способы изготовления периодической трехмерной наноструктуры с превосходными и уникальными свойствами для различных приложений, таких как фотонные и фононные кристаллы, вызвали значительный интерес. Были предложены шаблоны процессов с использованием коллоидных кристаллов для легкого создания трехмерных структур на основе нанооболочек на большой площади. Однако существуют технические ограничения в конструкции конструкции, что затрудняет ее гибкость. Здесь мы демонстрируем сочетание процессов создания наноразмеров и инфильтрации поля близости с использованием ZnO, полученного из раствора, для трехмерной периодической структуры на основе нанооболочек с высокой структурной гибкостью и управляемостью. Уникальный процесс инфильтрации материала, полученного из раствора, в полимерный шаблон, подготовленный с помощью процесса наноразмерения поля близости, позволяет получить предварительно сформированный слой, который работает как защитный слой для шаблона и каркаса для обратной структуры. Впоследствии этот процесс показывает управляемость толщины нанооболочки и значительное улучшение коэффициента усадки по высоте структуры (16%) по сравнению с предыдущим методом безвакуумной инфильтрации (34%). Предлагаемый метод обеспечивает высокую управляемость и гибкость при проектировании структурных размеров, что ведет к дальнейшему развитию трехмерных структур на основе нанооболочек для различных приложений, включая энергетические устройства и датчики.

Фон

Трехмерные (3D) периодические наноструктуры привлекают большое внимание благодаря своим превосходным и уникальным свойствам. Потенциал этой технологии - это быстро развивающаяся область, которая показывает себя многообещающе в различных приложениях, включая фотонные кристаллы (PhC) [1,2,3], фононные кристаллы (PnC) [4], материалы для батарей [5, 6] и микрожидкостные каналы. [7]. Исследования показали, что структурная периодичность может быть достигнута с помощью различных методов изготовления [8,9,10,11] с высокой управляемостью и гибкостью, которые являются очень важными характеристиками для этой технологии. Процесс создания шаблона обеспечивает простую процедуру по сравнению с традиционными восходящими подходами, с использованием трехмерной периодической структуры в качестве шаблона, состоящего из самоорганизующихся коллоидных сфер или фотополимера с последующей инфильтрацией неорганических материалов и удалением шаблона [9, 12,13,14 , 15,16,17,18,19]. Хотя вакуумные процессы с осаждением атомных слоев (ALD) с последующим химическим осаждением из паровой фазы (CVD) использовались в качестве методов инфильтрации, избыточный верхний слой, который образуется на шаблоне после инфильтрации, потребует дополнительного реактивного ионного травления (RIE) для его удаления [ 9, 18, 19]. Напротив, невакуумный процесс с электроосаждением [7, 12, 20] и золь-гель реакцией [13, 21, 22, 23] обеспечивает создание мелких обратных структур и продемонстрировал оптические свойства получаемых трехмерных периодических структур, состоящих из ZnO, Cu 2 O и TiO 2 [13, 20, 23]. Кроме того, невакуумные процессы имеют преимущества рентабельности и более короткого времени обработки.

ZnO - перспективный полупроводниковый материал с выдающимися оптическими и электрическими свойствами. Кроме того, химическая и термическая стабильность [24] делают ZnO отличным кандидатом для различных применений, таких как PhC, сенсоры и прозрачные электроды [13, 14, 24]. Кроме того, ZnO, легированный алюминием, также показал высокие характеристики в области термоэлектрических устройств без необходимости использования токсичных или редких элементов [25, 26].

Между тем, искусственно наноструктурированные материалы привлекают большое внимание как средство создания наноструктур с уникальными свойствами. Например, Biswas et al. предположил, что трехмерная иерархическая архитектура с микро- и наноструктурами сильно способствует снижению теплопроводности, что приводит к значительному улучшению термоэлектрических характеристик [27]. Это указывает на то, что метод изготовления с поразительной универсальностью и простотой очень желателен для подготовки хорошо упорядоченных трехмерных иерархических архитектур, чтобы улучшить и управлять различными характеристиками материалов. Среди архитектур иерархическая структура, состоящая из структур нанооболочек, созданных в процессе создания шаблонов [28,29,30,31], была в центре внимания из-за чрезвычайно высокого отношения поверхности к объему в отличие от традиционных обратных структур. Однако технология ALD требует вакуумных насосов с высоким энергопотреблением и дорогостоящего оборудования; оба из них необходимы для процесса инфильтрации для создания трехмерной периодической структуры на основе нанооболочек [28, 29]. Следовательно, инфильтрация с использованием невакуумных процессов имеет техническую сложность в обеспечении управляемости толщины нанооболочек, поскольку она плотно проникает из полученного из раствора материала в трехмерный шаблон для создания монолитных каркасов для отдельно стоящей инверсной структуры [20, 23, 31]. На сегодняшний день в этой развивающейся области отсутствуют подробные отчеты о методах изготовления трехмерных периодических структур на основе нанооболочек с использованием последовательного невакуумного процесса.

В этой статье мы демонстрируем комбинацию процесса наноразмерения поля близости (PnP) [32,33,34,35,36] и процесса инфильтрации ZnO, полученного из раствора, для создания трехмерной периодической структуры на основе нанооболочек. PnP - это метод формирования трехмерных полимерных периодических структур с использованием трехмерного распределения интенсивности света в фотополимере, создаваемого прохождением света через маску с фазовым сдвигом с периодическими рельефными узорами. Этот процесс имеет высокую гибкость при проектировании размеров конструкции за счет изменения рельефного рисунка, поскольку распределение интенсивности сильно зависит от его дизайна. Таким образом, этот процесс может решить проблемы шаблонного процесса из коллоидной самосборки, такие как сложность структурной модификации и неоднородность, вызванная дефектами [30]. Целью данного исследования является создание трехмерной иерархической архитектуры на основе нанооболочек последовательным невакуумным методом с использованием ZnO, полученного из раствора. Кроме того, в этом исследовании оценивались коэффициенты усадки периодических структур 3D ZnO, изготовленных с помощью процесса создания полимерных шаблонов.

Методы

Подготовка трехмерного полимерного шаблона с помощью PnP

В качестве подложки использовалось покровное стекло толщиной 0,16–0,19 мм, очищенное кислородной плазмой в течение 2 мин. На подложке была приготовлена ​​двухслойная пленка для предотвращения отслоения наноструктурированной мембраны в процессе проявления. Подробная информация о процедурах создания трехмерных полимерных шаблонов описана в литературе [28, 32, 33, 37]. Во-первых, фоторезист отрицательного тона (SU-8, MicroChem), подвергнутый воздействию УФ-излучения, был сформирован на подложке в виде адгезионного слоя (<2 мкм). Затем пленку фоторезиста толщиной 10 мкм наносили центрифугированием (2000 об / мин в течение 30 с) на адгезионный слой. Подготовленную на подложке двухслойную пленку затем подвергали мягкому обжигу (95 ° C в течение 10 мин) на горячей плите. Маска фазового сдвига, используемая в этом исследовании, была сделана из поли (диметилсилоксана) (PDMS) (VDT-731, HMS-301, Gelest), который имеет квадратный рельефный узор, состоящий из цилиндров (периодичность 600 нм, диаметр 480 нм, глубина рельефа 420 нм). Маска с фазовым сдвигом PDMS непосредственно контактировала с верхней поверхностью пленки фоторезиста во время УФ-облучения. После УФ-облучения (длина волны 355 нм) через маску фазового сдвига с использованием Nd:YAG-лазера (Awave355-300mW40K, Advanced Optowave) с расширителем луча и коллиматором образец подвергали запеканию после экспонирования (65 ° C в течение 7 мин. ) на плите. Затем неэкспонированные области были удалены с помощью ацетата метилового эфира пропиленгликоля (PGMEA) (проявитель SU-8, MicroChem) с последующей промывкой этанолом, так что была получена трехмерная полимерная матрица [32,33,34,35,36].

Изготовление трехмерной структуры на основе наноболочки

На рисунке 1 показана схематическая диаграмма процедуры с использованием процесса фильтрации ZnO, полученного из раствора, для трехмерных периодических структур на основе нанооболочек. В качестве пропитывающего материала использовали раствор предшественника ZnO (2,0 М), состоящий из материала разложения металлорганических соединений (MOD) (SYM-Zn20, Kojundo Chemical Lab.). Первоначально было нанесено несколько капель раствора предшественника, так что была покрыта вся верхняя поверхность трехмерного полимерного шаблона, приготовленного с помощью PnP. Затем на образец наносили покрытие центрифугированием при 2000 об / мин в течение 20 с для достижения однородности подачи раствора. Затем была проведена вакуумная дегазация, чтобы облегчить проникновение в нижнюю часть шаблона, что обычно используется при производстве сенсибилизированных красителем солнечных элементов (DSSC) [38, 39]. В конечном итоге предварительное обжигание было выполнено в электрической печи (FO310, Yamato Scientific) при 220 ° C в течение 1 часа в атмосфере кислорода (скорость потока 14 л / мин). Температурный режим, используемый для гелевого состояния прекурсора ZnO, был определен со ссылкой на наше предыдущее исследование [40]. Кроме того, процедура от центрифугирования до предварительного обжига выполнялась несколько раз, чтобы изучить зависимость количества циклов процесса инфильтрации от полученных структурных свойств.

Принципиальная схема процедуры с использованием процесса инфильтрации ZnO на основе раствора для трехмерных структур на основе нанооболочек. а Подготовка шаблона по процессу PnP. б Проникновение раствора прекурсора ZnO в шаблон и предварительное выпекание несколько раз, и c После запекания для удаления шаблона

Чтобы получить 3D-структуру ZnO с помощью процесса создания шаблона, необходимо удалить шаблон после процесса инфильтрации. Вдобавок к этому из-за недостаточной термической обработки также необходимо удаление оставшегося предшественника ZnO, который просочился в шаблон. Таким образом, последующее обжигание служит двойной цели:в первую очередь, для удаления шаблона и, следовательно, для содействия пиролизу прекурсора, который служит подготовкой для ZnO. В связи с этим последующее обжигание проводилось на пропитанном прекурсором шаблоне при 410 ° C в течение 4 часов в атмосфере кислорода [19]. Наши предыдущие исследования показали, что температура пиролиза прекурсора превышает 360 ° C [40]. Как упоминалось выше, в этой процедуре используются два разных процесса выпечки, поскольку последующая выпечка при температурах выше 400 ° C после инфильтрации без предварительного обжига вызывает структурное разрушение (дополнительный файл 1:рис. S1a, b).

Характеристика

Морфология трехмерных периодических структур, созданных с помощью PnP, и проникновение ZnO, полученного из раствора, наблюдали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) (SU-6600, Hitachi). Мы оценили структурную периодичность, качество и однородность в полученных структурах на каждом этапе изготовления по поперечным SEM-изображениям. Кроме того, факторы усадки оцениваются путем измерения различий структурных размеров между полученными структурами ZnO и шаблонами, подготовленными PnP. Кроме того, был проведен анализ энергодисперсионной рентгеновской спектрометрии (EDX), чтобы подтвердить удаление шаблона и определить соотношение состава ZnO, полученного из раствора, с использованием того же устройства с ускоряющим напряжением 5,0 кВ. Для измерения спектров отражения полимерного шаблона и трехмерной периодической структуры на основе нанооболочек использовалась УФ-видимая спектроскопия (V-570, JASCO). Кроме того, ширина запрещенной зоны ZnO, полученного из раствора, была оценена экспериментально путем измерения спектра пропускания.

Результаты и обсуждение

Структурные размеры в 3D-структурах ZnO, полученных с помощью процессов создания шаблона, сильно зависят от размеров первичного шаблона. Повторяющаяся периодичность в внеплоскостном направлении ( z ось) в структурах, называемое расстоянием Талбота ( Z T ), полученный с помощью PnP, можно рассчитать по следующей формуле [41].

$$ {Z} _ {\ mathrm {T}} =\ frac {\ raisebox {1ex} {$ {\ lambda} _0 $} \! \ Left / \! \ Raisebox {-1ex} {$ {n} _ {\ mathrm {m}} $} \ right.} {1- \ sqrt {1 - {\ left (\ frac {\ lambda_0} {n _ {\ mathrm {m}} \ cdot p} \ right)} ^ 2 }} $$

Формула состоит из излучения света с длиной волны в свободном пространстве λ 0 , показатель преломления среды n м , и периодичность рельефа p . В этом исследовании идеальное расстояние Талбота рассчитывалось по формуле с параметрами: λ 0 =355 нм, n м =1,66 и p =600 нм. В таблице 1 показаны расстояния Тальбота от теоретического значения и измеренного значения от подготовленного шаблона SU-8.

Было обнаружено, что расстояние Тальбота в шаблоне сократилось на 29,2% по сравнению с теоретическим значением. Аналогичным образом, в предыдущих исследованиях сообщалось, что усадка наноструктур SU-8 происходила даже при различных размерах элементов в процессе разработки [35, 42]. Таким образом, при изготовлении точных и точных трехмерных структур важно учитывать коэффициент усадки.

На рис. 2 представлены SEM-изображения поперечного сечения трехмерных структур прекурсора ZnO / полимера, изготовленных с помощью процесса инфильтрации с различным числом циклов от одного до шести. Как видно из изображений SEM, предварительно обожженный предшественник ZnO был равномерно распределен по всей поверхности шаблона во всех количествах циклов, что свидетельствует о конформном покрытии без значительных искажений или дефектов. Наблюдалась явная разница между результатами с просачиванием прекурсора и без него до процесса предварительного выпекания. Структурное разрушение было подтверждено после предварительного обжига при 220 ° C без предварительного покрытия ZnO (дополнительный файл 1:рисунок S1c). Очевидно, что предшественник ZnO с предварительно нанесенным покрытием играет роль защитного слоя для предотвращения структурного разрушения, вызванного усадкой шаблона SU-8 во время отжига, несмотря на один цикл процесса инфильтрации. Более того, предварительно покрытый предшественник ZnO стал толще за счет увеличения количества циклов процесса инфильтрации, и шести циклов было достаточно, чтобы полностью заполнить трехмерный полимерный шаблон предварительно запеченным предшественником ZnO. Что еще более важно, мы продемонстрировали трехмерные структуры прекурсора ZnO / полимера с тем же коэффициентом заполнения, что и у прекурсора с предварительно нанесенным покрытием, снизу вверх. В этой статье коэффициент заполнения представляет собой отношение пропитанного предшественника к объему полимерного шаблона после процесса инфильтрации. До сих пор использовались методы золь-гель и электроосаждение для равномерного проникновения неорганических материалов в трехмерный шаблон. Однако эти методы требуют инфильтрации с высокой плотностью для получения монолитных и отдельно стоящих обратных структур после удаления шаблона. Более того, материалы для обратной структуры берут начало со стороны электрода, что приводит к градиенту распределения в структуре, особенно в последнем методе. Поэтому было немного сообщений о создании трехмерных обратных структур на основе нанооболочек с использованием невакуумного процесса с контролируемой толщиной. Напротив, мы достигли однородной инфильтрации с относительно низким коэффициентом заполнения с помощью предлагаемого процесса и успешно продемонстрировали возможность регулирования толщины предварительно покрытого прекурсора с помощью процесса инфильтрации.

Поперечные сечения СЭМ-изображений трехмерных структур прекурсор ZnO / полимер. Процесс инфильтрации проводился с разными номерами циклов от одного до шести ( a - е )

Дополнительный процесс обжига необходим для получения обратной структуры 3D ZnO из-за недостаточной температуры, поскольку в предварительно покрытом ZnO все еще есть остаточный растворитель для удаления полимерного шаблона при предварительном обжиге. Таким образом, последующий обжиг при 410 ° C в течение 4 часов проводился в электрической печи в атмосфере кислорода для одновременного удаления темплата и пиролиза предварительно покрытого предшественника ZnO. На рис. 3 показаны изображения поперечного сечения полученных на сканирующем электронном микроскопе полученных трехмерных инверсных структур после обжига. В результате были получены трехмерные инверсные структуры с порами во всех случаях, когда номер цикла процесса инфильтрации задавался от одного до шести. Однако трехмерные инверсные структуры, которые пропитали предшественником от одного до трех циклов, показали некоторые структурные искажения, дефекты и значительное укорочение во внеплоскостном направлении. Мы считаем, что это укорочение наноструктурированной пленки вызвано деформацией предварительно покрытого прекурсора вдоль шаблона с усадкой в ​​результате удаления во время процесса постобжига. Что еще более важно, структура, пропитанная за один цикл, имела периодически градиентную архитектуру с меньшими структурами в нижней части по направлению к верхней стороне во внеплоскостном направлении. Это можно объяснить двумя причинами:(i) удаление темплата было начато раньше на нижней стороне, чем на верхней стороне до затвердевания ZnO; б) нижняя часть обратной конструкции деформировалась под действием собственного веса после удаления шаблона. Эти предложения согласуются с результатами предыдущих исследований темплатного процесса с использованием SU-8 для получения двумерных инверсных структур на основе нанооболочек [43, 44], в которых сообщалось, что двумерные обратные структурные особенности могут быть изменены в зависимости от преднамеренной нагрузки и от того, как шаблон был удален в процессе выпечки. В этом исследовании мы также смогли наблюдать деформацию трехмерной обратной структуры на участках соединения с меньшей толщиной инверсных слоев после обжига. Более того, это можно увидеть на примере структуры проведенной одноцикловой инфильтрации (Дополнительный файл 1:Рисунок S2). Этот результат предполагает возможность того, что дальнейшие подробные условия после обжига (т.е. температура, профиль повышения и понижения температуры) влияют на структурные особенности трехмерной архитектуры на основе нанооболочек с иерархической структурой.

СЭМ-изображения поперечных сечений полученных трехмерных инверсных структур после обжига . Процесс инфильтрации проводился с разными номерами циклов от одного до шести ( a - е )

Мы продемонстрировали создание трехмерных периодических структур на основе нанооболочек с относительно низкими структурными искажениями и дефектами с использованием четырехцикловой инфильтрации. Впоследствии структура, изготовленная из шести циклов инфильтрации, обладала наиболее упорядоченной структурной периодичностью. На рис. 4 показаны поперечные сечения СЭМ-изображений с большим увеличением трехмерных инверсных структур (рис. 3d – f). Следовательно, толщина нанооболочек в трехмерных инверсных структурах с инфильтрацией от четырех до шести циклов была <85, <100 и <125 нм соответственно. Эти результаты показывают, что постепенное увеличение количества пропитанного прекурсора за счет увеличения количества циклов процесса инфильтрации способствовало предварительному формированию монолитного каркаса и результирующей трехмерной обратной структуре с хорошо упорядоченной периодичностью, полученной из шаблона. Как правило, инфильтрация с высокой плотностью является предварительным условием для отдельно стоящей трехмерной структуры, чтобы сохранять свою периодичность в невакуумном процессе, таким образом формируя результирующую структуру с заданным коэффициентом заполнения в зависимости от шаблона. Напротив, мы успешно продемонстрировали изготовление трехмерных периодических структур на основе нанооболочек путем предварительного формирования предварительно запеченного прекурсора, который работает как защитный слой для шаблона SU-8, а также монолитный каркас для обратной структуры. Интересно, что этот процесс не обеспечивает чрезмерного наложения на шаблон во время процесса инфильтрации, что препятствует проникновению раствора предшественника в шаблон. Поскольку трехмерные структуры на основе нанооболочек проникают равномерно, предшественник ZnO снизу вверх был получен посредством последовательной инфильтрации от цикла к циклу (дополнительный файл 1:Рисунок S3). Пока управляемость толщины структуры нанооболочки, полученной с помощью предлагаемого процесса инфильтрации, уступает методу с использованием метода ALD, который демонстрирует способность обеспечивать точность атомарного уровня и однородные поверхности. Хотя это ограничение может сузить диапазон применения, эту проблему можно решить путем дальнейшего развития нашего процесса с оптимальными условиями проникновения. Кроме того, наш процесс является рентабельным, основанным на решении безвакуумным процессом, который дает нам высокий эффект по сравнению с вакуумным процессом, таким как ALD, поскольку вакуумный процесс требует дорогостоящего производства, а также длительного времени обработки.

Поперечные СЭМ-изображения с большим увеличением трехмерных инверсных структур на основе нанооболочек. Процесс инфильтрации проводился с разными номерами циклов от четырех до шести ( a - c )

Мы провели EDX-анализ, чтобы проверить, была ли удалена матрица SU-8, и определить соотношение состава ZnO, полученного из раствора, после обжига при 410 ° C в течение 4 часов. EDX-анализ с ускоряющим напряжением 5,0 кВ был проведен на структурах поперечного сечения образцов, подвергнутых до и после последующего обжига (дополнительный файл 1:Рисунок S4). В этом измерении мы смогли идентифицировать пики ZnLα (1,025 кэВ), OKα (0,531 кэВ) и CKα (0,283 кэВ), полученные из шаблона SU-8 и ZnO, полученного из раствора, из полученных спектров EDX. На рис. 5 показаны различия в количестве углерода и соотношении цинка и кислорода в составе соответственно. Это средние значения, рассчитанные по восьми результатам, полученным в разных точках наблюдения для обоих образцов. Очевидно, что количество углерода было значительно снижено с 47,8 до 3,5% за счет последующего обжига, как показано на рис. 5a, что означает, что последующий процесс обжига был эффективен при удалении темплата и пиролизе предшественника ZnO с предварительно нанесенным покрытием. в то же время. Различия в количестве углерода в образце после обжига объясняются тем фактом, что в зависимости от местоположения имелась разница в площади экспонирования шаблона. На рис. 5b показано, что соотношение составов ZnO, полученного из раствора, после обжига составляло 58,3:41,7 (Zn:O), что почти совпадает со значением для наностержней ZnO, полученных с помощью невакуумных процессов, таких как химическое осаждение в ванне ( CBD) [45] и гидротермальный метод [46].

Различия в количестве углерода и соотношении ZnO в составе до и после обжига. а количество углерода и b соотношение состава ZnO, полученное методом EDX. Это средние значения, рассчитанные по восьми результатам, полученным в разных точках наблюдения для обоих образцов

Чтобы оценить коэффициент усадки обратной структуры 3D ZnO с шестиступенчатой ​​инфильтрацией в процессе создания шаблона, высота структуры и периодичность в направлении плоскости шаблона и обратной структуры, показанной на рис. 6а, были измерены от поперечные SEM-изображения. Мы создали гистограммы, представляющие измеренные значения его структурных размеров (рис. 6b), а также обобщенные средние значения и рассчитанные коэффициенты усадки в таблице 2.

Структура 2D-изображения и гистограммы, которые представляют измеренные значения структурных размеров. а Схематическая диаграмма высоты 2D структуры и периодичности в направлении плоскости структур и ( b ) гистограммы, которые представляют измеренные значения структурных размеров для шаблона и обратной структуры для ZnO и SU-8

Исходя из этих результатов, коэффициенты усадки по высоте структуры и периодичности направления в плоскости составили примерно 16% для обоих размеров. В этом процессе создания шаблона мы полагаем, что усадка ZnO, полученного из раствора, сама по себе не вносила существенный вклад в усадку полученной трехмерной структуры, поскольку структурные особенности сильно зависят от шаблона SU-8, который работает в качестве исходной основы. Следовательно, это указывает на то, что усадка ZnO в растворе влияет на толщину нанооболочек ZnO и не влияет на периодичность направления в плоскости полученной структуры. Таким образом, при изготовлении точных и точных трехмерных структур важно учитывать коэффициент усадки. Мы сравнили коэффициент усадки высоты конструкции в этом исследовании с коэффициентом усадки в аналогичном исследовании [23] с использованием полимерного шаблона и TiO 2 предшественник. Мы обнаружили, что предлагаемый нами процесс показывает улучшение коэффициента усадки по высоте конструкции с 34% [23] до 16%. Это улучшение предполагает, что предшественник ZnO с предварительно нанесенным покрытием играет важную роль в качестве основы для обратной структуры во время послеобжигания.

Спектры отражения полимерного шаблона и структуры 3D ZnO на основе нанооболочки, измеренные с помощью спектроскопии в УФ-видимом диапазоне (дополнительный файл 1:Рисунок S5). Пики отражательной способности шаблона и 3D-структуры ZnO были получены при длинах волн 410 и 450 нм соответственно. Хотя нет пика отражения, который подразумевает создание фотонной запрещенной зоны, наблюдался пик отражения, подобный пику матрицы, который может достигать 62%. Мы также оценили электронную запрещенную зону ZnO, изготовленного с помощью предлагаемого нами процесса создания шаблона, по измеренному спектру пропускания, чтобы проверить, был ли получен ZnO с точки зрения оптических свойств. В результате электронная запрещенная зона ZnO, составляющего трехмерную структуру на основе нанооболочек, оказалась равной 3,0 эВ, что было определено из ( αhν ) 2 от энергии фотона ( ) участок (Дополнительный файл 1:Рисунок S6). Это значение ширины запрещенной зоны хорошо согласуется со значением для наностержней ZnO, изготовленных методом CBD [47].

Выводы

Мы успешно выполнили комбинацию наноразмеров поля близости и процессов инфильтрации с использованием полученного из раствора ZnO для трехмерной периодической структуры на основе нанооболочек со структурной гибкостью и управляемостью. Новый процесс инфильтрации без дефектных коллоидных шаблонов привел к созданию трехмерных структур нанооболочек, сравнимых со структурами, образованными медленным и дорогостоящим процессом ALD. Наше исследование показало влияние количества циклов процесса инфильтрации на структурные дефекты и размеры получаемых трехмерных структур ZnO. Мы продемонстрировали, что уникальный процесс проникновения полезен при создании предварительно сформированного слоя, который работает как защитный слой для шаблона и каркаса для обратной структуры вместо процесса ALD. EDX-анализ показал резкое уменьшение количества углерода в структуре после обжига, что указывает на одновременное удаление темплата и пиролиз предшественника ZnO с предварительно нанесенным покрытием. Мы также успешно достигли значительного улучшения коэффициента усадки по высоте конструкции по сравнению с предыдущими технологиями безвакуумной инфильтрации. Более того, оптические измерения для трехмерных структур ZnO позволили экспериментально прояснить ширину запрещенной зоны ZnO по спектру пропускания. Трехмерная периодическая структура на основе нанооболочек и предлагаемый нами процесс с высокой управляемостью и гибкостью при проектировании структурных размеров могут быть использованы для дальнейшего развития различных приложений, включая энергетические устройства и датчики.

Сокращения

3D:

Трехмерный

ALD:

Осаждение атомного слоя

CBD:

Осаждение в химической ванне

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

DSSC:

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы

EDX:

Энергодисперсионная рентгеновская спектрометрия

MOD:

Разложение металлоорганических соединений

PDMS:

Полидиметилсилоксан

PhC:

Фотонный кристалл

PnC:

Фононный кристалл

PnP:

Нанопаттернирование поля близости

RIE:

Реактивное ионное травление

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия


Наноматериалы

  1. Высечка:ускоренный курс по процессу изготовления
  2. Использование безводных технологий в процессе окрашивания
  3. Блог:понимание процесса изготовления PDMS
  4. Что такое процесс изготовления листового металла?
  5. Что такое процесс изготовления листового металла?
  6. Изготовление упорядоченного наноразмерного рисунка с использованием триблочного сополимера ABC с солью в тол…
  7. 9 преимуществ использования порошкового покрытия в металлообработке
  8. Использование 3D-принтера для улучшения производственного процесса — видео
  9. Ваш путеводитель по процессу резки металла
  10. 7 преимуществ использования порошковых покрытий в производстве