Термически усилитая диэлектрофорез дает сверхвысокоплотные выровненные пленки однобуферных углеродных нанотрубок

Аннотация

Показано, что термически усилитая диэлектрофорез (HE-DEP) в значительной степени повышает плотность выравнивания отдельных однобуферных углеродных нанотрубок (ОБУНТ). Растровое электронное микроскопирование (РЭМ) подтверждает ультравысокую, хорошо упорядоченную выравненность, превосходящую существующие рекорды. Механизм прояснен моделированием: нагрев вызывает конвекцию, переносящую диспергированные ОБУНТ к канавкам DEP, где сила DEP их захватывает. Работа представляет новый метод количественной оценки конвективной силы.

Введение

Одностенные углеродные нанотрубки обладают сильными одномерными поляризованными свойствами, делая их направленное выравнивание критически важным для высокопроизводительных устройств. Диэлектрофорез (DEP) — мощный метод выравнивания или разделения УНТ, интегрируемый в крупносерийное производство. Хотя DEP достигает высоких плотностей выравнивания, многие электронные и фотонные применения — такие как полевые транзисторы на ОБУНТ и оптоволоконные волноводы — требуют многослойных сверхплотных пленок, недостижимых статическим DEP.

Традиционные исследования DEP фокусируются на статических параметрах: распределении электрического поля, объеме частиц и комплексной проницаемости частиц и растворителей. Второстепенные факторы — концентрация частиц, природа подложки, длительность поля — также изучались. Однако динамические влияния — конвекция, вызванная нагревом, вязкость раствора и другие гидродинамические эффекты — в основном игнорировались.

В этой работе представлен динамический процесс термически усиленного (HE) DEP, использующий намеренную термическую конвекцию для транспорта ОБУНТ из зоны за пределами поля DEP в окрестность канавок. Это обеспечивает существенно более высокую плотность выравнивания, чем без нагрева. Моделирование показывает, что конвекция может переносить ОБУНТ из зон дальше 100 мкм в канавки DEP, где они захватываются силой DEP. Также предложен новый способ оценки конвективной силы путем приравнивания её к силе DEP на границах зон сбора.

Методы

10 мг первозданного порошка HiPCO ОБУНТ диспергировали в 10 мл 200 мг/мл холата натрия (NaCh) в деионизированной воде ультразвуком мощностью 100 Вт. Смесь ультрацентрифугировали при 25 тыс. g в течение 60 мин для удаления пучков; верхний 10-кратно разбавленный слой содержал индивидуально диспергированные ОБУНТ.

Рис. 1 показывает топологию DEP-чипа и поперечное сечение DEP-канавки. Чип изготавливали: 300-нм слой SiNx на кремнии методом PECVD, фотолитография с маской DEP, последовательное напыление 20 нм Ti и 200 нм Au, лифт-офф в ацетоне. Каждая DEP-канавка шириной 5 мкм и длиной 500 мкм; ширина электродов 500 мкм.

Эксперименты DEP проводили при переменном напряжении 20 В пик-пик, 10 МГц, 30 мин. Два образца: А (комнатная температура, 20 °C) и Б (нагрев от 20 до 100 °C нагревательной плитой). На каждый чип наносили 10 мкл раствора ОБУНТ. После применения поля растворы высыхали естественным образом.

Результаты и обсуждение

Рис. 2 показывает РЭМ-изображения образцов А и Б. Красные прямоугольники выделяют увеличенные области, двусторонние стрелки отмечают ширину зон сбора ОБУНТ. Стрелки у краев канавок указывают на «кофейные кольца». В образце Б пленка ОБУНТ выравнивается внутри DEP-канавки, а не осаждается по типу кофейных колец. Плотность выравнивания в образце Б значительно выше, чем в А, подтверждая полезный эффект нагрева. По сравнению с лучшими литературными данными, плотность образца Б выше.

Предполагая, что ширина DEP-канавки (5 мкм) равна длине каждой выровненной ОБУНТ, а все ОБУНТ имеют одинаковое удельное сопротивление и диаметр, отношение сопротивлений прямо отражает число выровненных трубок:

R_A / R_B = S_B / S_A = N_B / N_A = 20 МОм / 50 кОм = 400

Таким образом, число выровненных ОБУНТ в образце Б в 400 раз превышает образец А, иллюстрируя драматический рост плотности за счет нагрева.

Для анализа механизма HE-DEP моделировали поле силы DEP, используя твердые эллипсоиды как модели отдельных ОБУНТ. Усредненная по времени сила DEP задается формулой [10, 11]:

⟨F_DEP⟩ = (πabc/3) ε_m Re[(ε̃_p - ε̃_m)/ε̃_m] ∇[|Re(∇φ̃)|² + |Im(∇φ̃)|²]

с ε̃_{p,m} = ε_{p,m} - jσ_{p,m}/(2πν), φ̃ = φ(x,y,z)e^{i2πνt}.

Параметры для симуляций при 20 °C и 100 °C приведены в табл. 1. ОБУНТ моделировались как стержни длиной 1 мкм, радиусом 1 нм — согласуется с surfactant-обмотанными HiPCO ОБУНТ.

Симуляция показала, что при 100 °C сила DEP незначительно снижается, но ширина зоны сбора остается неизменной, что указывает на компенсацию за счет уменьшения вязкого трения при более высокой температуре.

Нагревание вызывает сложную конвекцию, включающую гравитацию, термофорез, вязкое трение, плавучесть, броуновское движение. Для наглядности все не-DEP силы объединены в единую «конвективную силу». Моделирование показывает быстрый термический уравновешивающийся (≤0.2 с) при нагреве до 100 °C. Рис. 4 демонстрирует поле скоростей естественной конвекции в два момента времени с интервалом 120 с. Вихри охватывают ~100 мкм, сопоставимо с глубиной DEP-канавки, и конвективный поток переносит ОБУНТ из зон >100 мкм в окрестность канавок. Турбулентность, порождаемая температурными разностями плотности, ускоряет этот транспорт до скоростей порядка мм/с.

Приравнивая конвективную силу к силе DEP на границе зоны сбора (20–30 мкм от края канавки), оценивают конвективную силу порядка 10⁻¹⁶ Н — сопоставимо с локальной силой DEP. Уменьшенное вязкое трение при 100 °C снижает необходимую силу DEP для захвата ОБУНТ, объясняя неизменную ширину зоны сбора несмотря на более слабое DEP-поле.

Альтернативные объяснения — изменение концентрации из-за испарения растворителя — не объясняют значительный рост плотности только в нагретом образце. Главный драйвер — интенсивная температурно-индуцированная конвекция, доставляющая диспергированные ОБУНТ в DEP-канавки, где они захватываются и выравниваются.

Заключение

Термически усиленная диэлектрофорез кардинально повышает плотность выравнивания отдельных ОБУНТ, достигая 400-кратного увеличения по сравнению с комнатнотемпературным DEP. Процесс опирается на мощную конвекцию, транспортирующую ОБУНТ в окрестность DEP-канавок, где сила DEP захватывает и выравнивает их. Предложенная имитационная платформа предлагает новый подход к количественной оценке конвективной силы. Полученные сверхплотные пленки ОБУНТ обещают существенный прирост производительности будущих электронных и фотонных устройств на основе ОБУНТ.