Изучение электрического отклика двусторонних полимерных наноструктур поверхности

Аннотация

В этом исследовании двусторонние полимерные наноструктуры поверхности изготавливались с помощью двухэтапного наноимпринт-литографии (NIL) с последующим металлическим осаждением. Электрическое поведение полученных устройств характеризовали путем измерения напряжения холостого хода и тока короткого замыкания при вариации внешнего давления, используя осциллограф и калиброванную силовую систему. Все измерения проводились при комнатной температуре. Наблюдалось, что амплитуда сигналов напряжения и тока сильно зависит от размера, геометрии, расположения наноструктур и приложенной нагрузки. Наиболее выраженный электрический отклик получен от гексагональных массивов наноколонн с диаметром ~400 нм и острыми особенностями <50 нм под нагрузкой около 40 Н. Эти результаты подчеркивают потенциал двусторонних наноструктурированных полимеров для наногенераторов, датчиков давления и других нано-оптоэлектронных устройств.

Предыстория

Поверхностно-инженерные наноструктуры, такие как наночастицы, решетки и наноколонны, стали незаменимыми для усиления Рамановского рассеяния, плазмонного резонанса, нелинейной оптики и электрического отклика [1–5]. Их уникальные свойства обусловлены выраженными поверхностными эффектами, отличающими их от объемных аналогов. Полимерные наноструктуры в частности демонстрируют исключительное трибоэлектрическое поведение из-за увеличенной шероховатости поверхности и площади контакта, которые усиливают электростатическую индукцию [11–13]. Этот трибоэлектрический эффект может генерировать значительные электрические заряды, открывая применения в наногенераторах, датчиках давления и температуры и других электронных устройствах [14–17].

Прогресс в технологиях изготовления — фотолитография, NIL, самоорганизация и интерференционная литография — позволил создавать периодические и апериодические наноструктуры с высокой точностью и производительностью [18–22]. NIL выделяется своей простотой, стоимостной эффективностью и субнаноразрешающей способностью, что делает его идеальным для производства полимерных наноструктур [23–25]. Подбирая параметры вроде диаметра, формы и расположения, можно тонко настраивать электрический отклик этих структур, что подчеркивает важность систематической электрической характеристики.

В этой работе представлено всестороннее экспериментальное исследование двух классов двусторонних полимерных наноструктур поверхности — решеток и массивов наноколонн — изготовленных повторяемым методом NIL. Проводящие электроды осаждали из ITO или серебра, что позволяло зондировать электрический отклик под контролируемой механической нагрузкой. Целью было понять, как внешнее давление и структурные параметры влияют на напряжение холостого хода и ток короткого замыкания этих устройств.

Методы

Образцы

Мы изготовили два типа наноструктурированных поверхностей: решетку с периодом 300 нм и шириной 160 нм, и массив наноколонн с диаметром ~300 нм (Рис. 1). Изображения в растрастровой электронной микроскопии (SEM) подтверждают точность узоров.

SEM-изображения изготовленных структур: (a) решетка и (b) массив наноколонн.

Двусторонние устройства производились последовательной UV-курируемой NIL на субстратах из полидиметилсилоксана (PDMS) и Kapton. Пленка ITO электродактировалась между двумя структурированными сторонами, образуя гибкую композитную структуру (Рис. 2). Трибоэлектрический отклик возникает, когда механическая нагрузка вызывает контакт, трение и разделение между полимерной поверхностью и противоположным материалом, генерируя заряды, которые затем измеряются через электрод ITO.

Схема устройства с двусторонними полимерными наноструктурами.

Метод измерений

Электрические измерения проводились под контролируемой нагрузкой от 0,5 до 50 Н при комнатной температуре. Линейный мотор (E1100‑RS‑HC) варьировал приложенную силу, в то время как измеритель Keithley 6514, усилитель Stanford SR570 и осциллограф MDO 3014 записывали формы напряжения и тока. Экспериментальная установка показана на Рис. 3.

Экспериментальная схема для приложения механической нагрузки.

Результаты и обсуждение

Рис. 4 показывает напряжение и ток отклика решетки и массивов наноколонн в зависимости от приложенной силы. Обе структуры демонстрируют четкую зависимость от нагрузки, но массивы наноколонн показывают заметно более сильный отклик. Напряжение решетки растет медленно, тогда как ее ток быстро увеличивается с силой. В отличие от этого, массивы наноколонн демонстрируют одновременный рост и напряжения, и тока, достигая плато по напряжению около 42 Н, в то время как ток продолжает расти — указывая на превосходную электрическую производительность двумерной геометрии колонн.

Электрическая характеристика (a) напряжения решетки, (b) тока решетки, (c) напряжения наноколонн и (d) тока наноколонн в зависимости от приложенной силы.

Для изучения влияния расположения и геометрии колонн мы изготовили случайные, квадратные и гексагональные массивы наноколонн (Рис. 5). Гексагональный массив с колоннами диаметром ~400 нм и зазорами <50 нм представляет собой высокоупакованную конфигурацию с острыми вершинами, напоминающую нанопирамиды.

SEM-изображения: (a) случайные, (b) квадратные, (c) гексагональные колонны, (d) увеличенный вид гексагонального массива.

Кривые напряжения и тока в зависимости от силы (Рис. 6) подтверждают, что гексагональное расположение дает наивысший выход. При силах ниже 20 Н случайные колонны превосходят квадратные, но с увеличением нагрузки гексагональный массив обгоняет оба. Повышенная производительность атрибутируется увеличенной шероховатости поверхности и площади контакта, предоставляемой острыми вершинами и узкими зазорами, которые усиливают трибоэлектрический эффект. Кривые напряжения выходят на плато после ~35 Н, тогда как ток продолжает расти до ~40 Н, что указывает на оптимальное рабочее давление для максимального электрического выхода без повреждения наноструктур.

Электрическая характеристика (a) напряжения и (b) тока для трех вариантов расположения колонн.

Эти результаты демонстрируют, что тщательно спроектированные двусторонние наноструктуры могут значительно усилить трибоэлектрический выход, прокладывая путь к высокочувствительным датчикам давления и эффективным наногенераторам.

Заключение

Мы успешно изготовили двусторонние полимерные решетки и массивы наноколонн с помощью повторяемого подхода NIL и охарактеризовали их электрический отклик под механической нагрузкой при комнатной температуре. Сигналы напряжения и тока оказались высокочувствительны к силе, геометрии и расположению колонн. Гексагональные массивы наноколонн с диаметром ~400 нм и особенностями <50 нм дали самые сильные электрические сигналы, особенно при приложенном давлении ~40 Н. Эти выводы устанавливают четкие проектные рекомендации для использования двусторонних наноструктур в датчиках давления, сборе энергии и других нано-оптоэлектронных приложениях.

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью и её дополнительные информационные файлы.

Аббревиатуры

ITO:

Индиевый окись олова

NIL:

Наноимпринт-литография

PDMS:

Полидиметилсилоксан

SEM:

Растровое электронное микроскопирование

SERS:

Поверхностно-усиленное Рамановское рассеяние