Диэлектрофорез с повышенным нагревом для выровненной однослойной пленки углеродных нанотрубок сверхвысокой плотности

Фон

Однослойные углеродные нанотрубки (ОСУНТ) демонстрируют сильные одномерные (1D) поляризованные свойства, что указывает на то, что производительность устройств на основе ОСУНТ может быть значительно улучшена путем выравнивания ОСНТ в одном направлении. Среди различных методов выравнивания углеродных нанотрубок (УНТ) было продемонстрировано, что диэлектрофорез (ДЭФ) является очень эффективным и имеет большой потенциал в сочетании с крупномасштабным процессом изготовления устройств на основе ОСУНТ [1, 2]. Многочисленные исследования DEP были выполнены для выравнивания или разделения УНТ [1], и была реализована высокая плотность выравнивания [3, 4], но плотность выравнивания далеко недостаточна для некоторых электронных и фотонных приложений, таких как поле на основе ОСУНТ. -эффектный транзистор (FET) и оптические волноводы, в которых, вероятно, требуются многослойные ориентированные ОСУНТ и, следовательно, сверхвысокая плотность выравнивания. Согласно принципу DEP, распределение электрического поля, объем выравниваемых частиц и комплексная диэлектрическая проницаемость частиц и растворителей относительно частоты электрического поля обычно рассматриваются как основные факторы при определении величина и направление силы DEP, действующей на частицы [5]. Также обсуждались некоторые второстепенные факторы, такие как концентрация частиц, природа подложки и период действия электрического поля [6,7,8,9]. Однако все эти исследования DEP сосредоточены на статическом процессе DEP без учета динамических факторов, вызванных внешними эффектами, такими как конвекция, вызванная нагреванием, текучесть растворов и т. Д.

Здесь мы представляем нашу работу по динамическому процессу DEP с усиленным нагревом (HE) для ориентированной пленки SWCNT сверхвысокой плотности. Мы думаем, что ОУНТ вдали от канавок DEP и за пределами возможностей силы DEP могут быть доставлены в окрестности канавок DEP конвекцией, вызванной преднамеренным нагревом, а затем захвачены силой DEP, что приводит к гораздо более высокой плотности выравнивания SWCNT, чем в случае без подогрева. Работа по моделированию предполагает, что конвекция, вызванная нагревом, уносит ОУНТ за пределы 100 мкм от канавок DEP в окрестности канавок DEP. Мы предположили, что сила ДЭП равна «силе конвекции» на границах областей скопления ОСУНТ в окрестностях канавок ДЭП, на основании чего сила конвекции может быть оценена с помощью силы ДЭП.

Методы

Десять миллиграммов чистого порошка HiPCO SWCNT диспергировали в растворе 200 мг холата натрия (NaCh) в 10 мл деионизированной воды с помощью ультразвуковой обработки мощностью 100 Вт. Затем смесь обрабатывали ультрацентрифугированием 25 кг в течение 60 мин для удаления жгуты нанотрубок. Верхний слой экстрагировали и разбавляли в 100 раз как раствор отдельно выделенных ОУНТ. Это решение SWCNT было получено для эксперимента по выравниванию индивидуализированных SWCNT.

Рисунок одной микросхемы DEP и схематическое поперечное сечение одной канавки DEP с соответствующими размерами схематически изображены на рис. 1. Для изготовления микросхем DEP используется SiN _x толщиной 300 нм. Сначала пленка была выращена непосредственно на кремниевой подложке методом плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD), а затем SiN _x Пленка покрывалась пленкой фоторезиста, изготовленной методом центрифугирования. После запекания фоторезистная пленка экспонировалась под УФ-светом с использованием маски DEP, а затем проявлялась для удаления экспонированного фоторезиста, что привело к появлению четких рисунков DEP. После очистки и повторного отжига подложки напылением последовательно наносили пленку титана (Ti) толщиной 20 нм и пленку золота (Au) толщиной 200 нм. Наконец, неэкспонированная пленка фоторезиста вместе с пленкой Au / Ti на ее поверхности была удалена ацетоном, оставив электроды Au / Ti DEP на экспонированной области. Ширина и длина каждой канавки DEP между электродами составляет 5 и 500 мкм соответственно. Ширина электродов 500 мкм.

Рисунок микросхемы DEP и схематическое поперечное сечение канавки DEP. Для изготовления микросхем DEP используется SiN _x толщиной 300 нм. Сначала пленка была выращена непосредственно на кремниевой подложке методом плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD), а затем SiN _x Пленка покрывалась пленкой фоторезиста, изготовленной методом центрифугирования. После запекания фоторезистная пленка экспонировалась под УФ-светом с использованием маски DEP, а затем проявлялась для удаления экспонированного фоторезиста, что привело к появлению четких рисунков DEP. После очистки и повторного отжига подложки напылением последовательно наносили пленку титана (Ti) толщиной 20 нм и пленку золота (Au) толщиной 200 нм. Наконец, неэкспонированная пленка фоторезиста вместе с пленкой Au / Ti на ее поверхности была удалена ацетоном, оставив электроды Au / Ti DEP на экспонированной области. Ширина и длина каждой канавки DEP между электродами составляет 5 и 500 мкм соответственно. Ширина электродов 500 мкм

Эксперименты DEP проводились под переменным потенциалом с V _pp 20 В и частотой 10 МГц в течение 30 мин. Были изготовлены два образца DEP. Разница между ними заключается в том, что во время процесса эксперимента DEP один поддерживался при комнатной температуре (20 ° C), а другой нагревался в нижней части чипа нагревательной пластиной с постепенным увеличением температуры от 20 до 100 ° C, названы образцами A и B соответственно. Для каждого образца использовали 10 мкл раствора ОСУНТ. Наконец, раствор на обоих образцах высох сам по себе.

Результаты и обсуждение

Наблюдения SEM обоих образцов показаны на рис. 2. Красные прямоугольники обозначают соответствующие увеличенные области. Двунаправленные стрелки показывают ширину индивидуальных зон сбора SWCNT. Две стрелки указывают кофейные кольца, возникающие в процессе сушки раствора нанотрубок. Для образца B, сравнивая контуры кофейных колец и пленки SWCNT в канавках DEP, мы можем определенно решить, что пленка SWCNT образовалась из-за индуцированного сбором и выравниванием силы DEP, но не из-за эффекта кофейных колец. Сравнивая, мы можем обнаружить, что плотность выравнивания индивидуализированных ОСНТ в образце B намного выше, чем в образце A, поэтому нагревание усилило процесс DEP на образце B. и [4] показывает, что плотность выравнивания SWCNT в образце B также намного выше.

Наблюдения SEM образцов A и B. красные прямоугольники укажите соответствующие увеличенные области. двуглавые стрелки представить ширину индивидуальных зон сбора SWCNT. две стрелки указывают на кофейные кольца, возникающие в процессе сушки раствора нанотрубок. Для образца B, сравнивая контуры кофейных колец и пленки SWCNT в канавках DEP, мы можем определенно решить, что пленка SWCNT была образована из-за вызванного силой DEP сбора и выравнивания, но не из-за эффекта кофейных колец. Плотность выравнивания индивидуальных ОСУНТ на образце B намного выше, чем на образце A. Сопротивления, измеренные между электродами с выровненными SWCNT, составляют ~ 20 МОм для образца A и ~ 50 кОм для образца B

Сопротивления, измеренные между электродами с выровненными SWCNT, составляют около 20 МОм для образца A и около 50 кОм для образца B. Здесь мы предполагаем, что ширина (5 мкм) канавок DEP равна длине индивидуализированных SWCNT, выровненных в DEP. канавок и что удельные сопротивления и диаметры всех индивидуализированных SWCNT одинаковы, а затем сопротивления между электродами в основном определяются общей площадью поперечного сечения и, следовательно, количеством индивидуальных SWCNT, выровненных в канавках DEP с обратно пропорциональным отношение следующее:

где R , ρ , L , S , и N - сопротивление, удельное сопротивление, длина, площадь поперечного сечения и количество индивидуализированных SWCNT в канавках DEP соответственно. Индексы A и B обозначают образцы A и B соответственно. Мы видим, что количество индивидуализированных SWCNT, выровненных в канавках DEP на образце B, примерно в 400 раз больше, чем на образце A, поэтому плотность выравнивания SWCNT была значительно улучшена за счет нагрева.

Чтобы проанализировать процесс HE-DEP на SWCNT, мы использовали твердые стержневые эллипсоидные частицы, которые играли роли индивидуализированных SWCNT для моделирования распределения силового поля DEP. При моделировании мы использовали следующее выражение силы DEP \ ({\ overset {\ rightharpoonup} {F}} _ {\ mathrm {DEP}} \) [10, 11]:

где

Физические или математические значения всех операторов и параметров, а также их значения, использованные при моделировании для случаев с (100 ° C) и без (20 ° C) нагрева, перечислены в таблице 1, где значения ε _p и σ _{p, м} оцениваются со ссылкой на [12] и с учетом увеличения проводимости раствора ОСУНТ из-за теплового эффекта и ионизации NaCh. Для упрощения моделирования ОУНТ рассматриваются как наностержни длиной 1000 нм ( a ) и радиусом 1 нм ( b , c ), и эти выбранные значения подходят для наших покрытых поверхностно-активным веществом HiPCO SWCNT.

Соответствующее моделируемое направление и контур значения силы DEP, действующей на индивидуализированные SWCNT при 20 и 100 ° C, показаны на рис. 3. Длины стрелок силы DEP пропорциональны логарифму значения силы DEP. Крайние внешние контуры квазиполуциклов диаметром около 25 мкм соответствуют силе DEP ~ 10 ⁻¹⁶ . N. Максимальные силы DEP находятся на концах электродов. Сравнивая направление и контур значения силы DEP в обоих случаях, мы можем обнаружить, что повышение температуры с 20 до 100 ° C не приводит к значительным изменениям на порядок величины силы DEP. Несомненно, что силы DEP действуют только на определенной небольшой территории и за ее пределами; Сила DEP резко уменьшается, что может быть отражено в ширине областей сбора SWCNT, представленных двусторонними стрелками на рис. 2. Вне этих областей плотность выравнивания SWCNT практически равна нулю. Рассматривая распределение силы DEP на рис. 3, мы можем обнаружить, что ширина этих областей качественно отражает значения силы DEP:чем больше ширина, тем больше силы DEP.

Соответствующая сила DEP действовала на индивидуализированные SWCNT при 20 и 100 ° C соответственно. стрелки и квазиполуциклы обозначают направление и контур значения силы ДЭП соответственно. Единица длины - мкм. Длины стрелок силы DEP пропорциональны логарифму значения силы DEP. Крайние внешние контуры квазиполуциклов диаметром около 25 мкм соответствуют силе DEP ~ 10 ⁻¹⁶ . N. Максимальные силы DEP находятся на концах электродов

Движение частиц под действием нагрева - довольно сложный процесс, в котором следует учитывать многие силы, включая гравитационную силу, термофоретическую силу, силу вязкого сопротивления, термодиффузионную силу, выталкивающую силу, броуновскую силу и т. Д. На сегодняшний день по некоторым из этих сил все еще нет консенсуса, и невозможно количественно определить их соответствующий удельный вес. Для простоты и краткости мы назначаем суммирование всех этих сил, исключая силу DEP, силе конвекции, чтобы мы могли различать процесс DEP и процесс конвекции во время работы по моделированию. Затем мы продемонстрируем процесс DEP, усиленный конвекционной силой (или процессом конвекции), и выведем уровень конвекционной силы из распределения силы DEP и распределения осаждения или выравнивания индивидуальных SWCNT в окрестностях канавок DEP. В результате термическое уравновешивание раствора ОСУНТ может быть быстро достигнуто за 0,2 с при повышении температуры от 20 до 100 ° C. Из распределения скорости естественной конвекции в растворе ОСУНТ, нагретом до 100 ° C в два разных момента времени с интервалом 120 с, как показано на рис.4, мы можем видеть, что направление конвекции неустойчиво и быстро меняется, и что размеры конвекционных вихрей находятся на уровне глубины (100 мкм) раствора ОСУНТ, что указывает на то, что конвекция может привести индивидуализированные ОСУНТ размером 100 мкм × 100 мкм (2D) в окрестности канавок ДЭП. Более того, мы также можем обнаружить обмен и перенос индивидуализированных SWCNT между соседними конвекционными вихрями, что указывает на то, что индивидуализированные SWCNT на расстоянии более 100 мкм от канавок DEP также могут попадать в окрестности канавок DEP. Когда индивидуализированные SWCNT вдали от канавок DEP проходят «длинный» путь с помощью конвекции и попадают в окрестности канавок DEP, где конвекционная сила не может преодолеть сильную положительную силу DEP (направление силы DEP к максимумам электрического поле), они захватываются силой DEP, что приводит к осаждению и выравниванию этих «удаленных» индивидуализированных SWCNT в окрестностях канавок DEP, как показано на образце B на рис. 2. Кроме того, турбулентная конвекция, вызванная разницей плотности при разных температурах [http://www.engineeringtoolbox.com/water-thermal-properties-d_162.html] также гарантированно и очень эффективно улучшил этот прецесс передачи со скоростью в миллиметрах в секунду [https://thayer.dartmouth .edu / ~ d30345d / books / EFM / chap7.pdf]. Напротив, отсутствие как быстро изменяющихся конвективных вихрей, так и турбулентной конвекции при 20 ° C, выявленное при моделировании, предполагает недостаточность переноса SWCNT между различными областями и, таким образом, приводит к низкой точности выравнивания. Это разумное объяснение разницы в плотности выравнивания между образцами A и B на рис. 2 и, таким образом, для процесса DEP с усиленным нагревом. Здесь мы также решительно заявляем о повторяемости этого процесса DEP с усиленным нагревом.

Распределение скорости естественной конвекции в растворе ОСУНТ, нагретом до 100 ° C. красные стрелки укажите положение канавок DEP. В двух разных временных точках с интервалом 120 с направление конвекции непостоянно и быстро меняется, а размеры конвективных вихрей находятся на уровне глубины (100 мкм) раствора ОСУНТ, что указывает на то, что конвекция может приводить к индивидуализированные ОСУНТ размером 100 мкм × 100 мкм (2D) в окрестности канавок DEP

Основываясь на сделанных выше предположениях, что ширина зон сбора SWCNT отражает значения силы DEP и что, если конвекционная сила не может преодолеть силу DEP в окрестностях канавок DEP, индивидуализированные SWCNT будут захватываться силой DEP, мы можем рассмотреть что сила конвекции соответствует силе DEP на двух границах зон сбора SWCNT (20 ~ 30 мкм, как показано на рис. 2), поэтому это новый способ оценки силы конвекции. В случае нагрева (100 ° C) смоделированная сила DEP вокруг этих двух границ находится на уровне 10 ⁻¹⁶ N (рис. 3), а значит, сила конвекции должна быть недалеко от этого значения.

Отметим также, что сила DEP при 100 ° C меньше, чем при 20 ° C (рис. 3); Однако ширина площадок сбора ОСУНТ практически не меняется (рис. 2). Мы объясняем причину различием силы вязкого сопротивления воды при обеих температурах (http://www.engineeringtoolbox.com/absolute-dynamic-visacity-water-d_575.html). Среди всех вышеупомянутых элементов конвективной силы сила вязкого сопротивления играет наиболее важную роль в конкуренции с силой DEP, и она представляет собой убывающую связь с повышением температуры (http://www.engineeringtoolbox.com/absolute-dynamic-visacity- вода-d_575.html). Следовательно, меньшая сила вязкого сопротивления воды при 100 ° C, соответственно, требует меньшей силы DEP, что по совпадению удовлетворяет требованию.

Другим фактором, ответственным за увеличение индивидуализированной плотности выравнивания ОСУНТ, может быть постепенное увеличение концентрации ОСУНТ, вызванное испарением растворителя (воды), но, согласно результатам согласования ОСУНТ на образце А, этот фактор, по-видимому, не играет большой роли. . Согласно приведенному выше анализу, единственное существенное различие между образцами A и B заключается в том, присутствует ли вызванная нагревом интенсивная конвекция или нет, поэтому убедительно приписать причину гораздо более высокой плотности выравнивания SWCNT в образце B нагреванию. вызвал интенсивный процесс конвекции, и поэтому можно с уверенностью сказать, что нагрев может улучшить процесс DEP.

Выводы

Таким образом, мы значительно увеличили плотность выравнивания индивидуализированных SWCNT с помощью DEP с усилением нагрева, в котором вызванная нагревом интенсивная конвекция играет решающую роль в обмене и переносе индивидуализированных SWCNT в окрестности канавок DEP, где действует сила DEP. захватить ОУНТ. Количество выровненных индивидуализированных SWCNT даже увеличено в 400 раз. Интуитивное сравнение показывает, что наша плотность выравнивания индивидуальных SWCNT намного выше, чем лучшие результаты, о которых сообщается в настоящее время. Этот процесс HE-DEP объясняется с помощью моделирования. Мы также придумали новый способ оценки силы конвекции. Реализация сверхвысокой плотности выравнивания SWCNT была бы очень многообещающей для будущего улучшения характеристик устройств на основе SWCNT-пленки.