Электрические свойства двусторонних полимерных поверхностных наноструктур

Фон

Наноструктуры на поверхности вызывают большой интерес как эффективные среды для поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния света (SERS), поверхностного плазмонного резонанса, нелинейного оптического и электрического отклика, а также плазмонного возбуждения, такого как наночастицы, нанорешетки и наностолбики, особенно наноструктуры металлических поверхностей [1,2 , 3,4,5], которые имеют потенциальное применение в качестве электронных, магнитных, фотонных, оптоэлектронных и сенсорных устройств [6,7,8,9,10]. С точки зрения физики, основные физические свойства поверхностных наноструктур существенно отличаются от свойств объемных материалов с такими же компонентами. В частности, поверхностные эффекты могут наблюдаться в поверхностных наноструктурах. Таким образом, поверхностные наноструктуры были в центре внимания исследований поверхностных материалов, которые можно рассматривать как фундаментальный строительный блок нанотехнологий и наноустройств. Следует отметить, что поверхностные полимерные наноструктуры проявляют уникальные оптоэлектронные и электрические свойства из-за трибоэлектрического эффекта, который представляет собой электростатическую индукцию, возникающую внутри полимерных материалов [11,12,13]. Наноразмерные структуры увеличивают шероховатость поверхности и площадь контактного трения для усиления трибоэлектрического эффекта, особенно двусторонние поверхностные структуры. Трибоэлектрический эффект в поверхностных наноструктурах может вызывать генерацию больших электрических зарядов, которые могут получать ток, соединяя электроды и провода. Трибоэлектрический эффект в поверхностных полимерных наноструктурах и связанные с ним явления в значительной степени способствуют их многообещающему применению в наногенераторах, датчиках давления и температуры и других электронных устройствах [14,15,16,17]. Наногенераторы могут преобразовывать механическую энергию в электрическую, а датчики давления или температуры могут преобразовывать различное давление или температуру в обнаруживаемые электрические или оптические сигналы.

В связи с быстрым развитием нанотехнологий теперь легко изготавливать периодические и сложные неупорядоченные поверхностные наноструктуры, например, фотолитографию, наноимпринт-литографию (NIL), самосборку и интерференционную литографию [18,19,20,21,22]. Как одна из популярных репликационных нанотехнологий, NIL является простой, недорогой, с высоким разрешением и высокой производительностью, которая идеально подходит для изготовления полимерных наноструктур [23,24,25]. Одним из основных преимуществ применения поверхностных наноструктур в качестве электронных устройств является то, что электрический отклик поверхностных наноструктур можно настраивать и модулировать посредством изменения параметров структуры, таких как диаметр, форма и расположение наноструктур. Поэтому очень важно изучить основные электрические свойства поверхностных наноструктур.

В этой статье мы представляем подробное экспериментальное исследование электрических свойств двух типов двусторонних поверхностных наноструктур, таких как решетки и массивы наностолбиков. Двусторонние полимерные поверхностные наноструктуры изготавливаются с использованием дважды NIL-процесса. Поскольку наноструктуры на двух боковых поверхностях не нужно совмещать, процесс импринтинга прост и не требует больших затрат. Проводящий электрод для измерения электрических сигналов изготавливается методом осаждения металлов, таких как оксид индия и олова (ITO) или пленка Ag. Мы хотели бы изучить, как эти поверхностные наноструктуры могут реагировать на внешнее давление, как их электрические свойства зависят от параметров образца и как изменяются напряжение холостого хода и ток короткого замыкания в исходных образцах.

Методы

Примеры

В этом исследовании изготавливаются два вида поверхностных наноструктур, которые необходимо измерить, такие как решетки и наностолбики, и изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), показаны на рис. 1. Период решетки составляет около 300 нм, ширина - около 160 нм, а диаметр наностолбика составляет около 300 нм.

СЭМ-изображения двух видов поверхностных наноструктур. Решетка ( a ) и массив наностолбиков ( b ) показаны

Подготовленные образцы с двусторонней структурой поверхности изготавливаются путем объединения дважды УФ-отверждаемого НИЛ, а проводящий электродный слой между двусторонними структурами получают электроосаждением пленки ITO. Схема двусторонних полимерных наноструктур изображена на рис. 2. Материалами двусторонней структуры являются полидиметилсилоксан (ПДМС) и каптон, которые являются эластичными материалами. Промежуточный слой представляет собой тонкую пленку ITO; Таким образом, интегрированное устройство является гибким. Электрический сигнал генерируется из-за связующего эффекта контактной электризации и электростатической индукции во время операции разделения контактного давления, что является принципом измерения электрических свойств двусторонних поверхностных наноструктур.

Схема двусторонних полимерных наноструктур

При деформации за счет механической деформации под давлением, создаваемой другими материалами, трибоэлектрические заряды генерируются и распределяются по поверхностям полимера. Как только деформация начинает высвобождаться, контактирующие извне материалы разделяются с поверхностью полимера. Эти трибоэлектрические заряды не могут быть компенсированы, что приводит к индуцированию противоположных зарядов на ITO-электроде, чтобы заставить свободные электроны течь от ITO-электрода во внешнюю цепь. Этот процесс электростатической индукции может давать выходной сигнал напряжения / тока.

Метод измерения

Для измерения электрических свойств трех видов поверхностных наноструктур с различными размерами, рисунками и расположениями измерения проводят под действием внешней силы в пределах 0,5 ~ 50 Н, представленной при комнатной температуре на рис. 3. Электрические свойства регистрируются с использованием регулируемый линейный двигатель (E1100-RS-HC), устройство для измерения тока и напряжения (Keithley 6514), малошумящий усилитель (Stanford SR570) и осциллограф (MDO 3014). Изменение силы достигается в регулируемом линейном двигателе, и осциллограф может измерять кривые напряжения и тока. Схема эксперимента с приложением силы давления к поверхности образцов показана на рис. 3.

Фотография экспериментальной установки с приложением внешней силы

Результаты и обсуждение

Электрические свойства для различных поверхностных наноструктур показаны на рис. 4 при разной силе внешнего давления. Выходное напряжение холостого хода и ток короткого замыкания решеток и массивов наностолбиков показаны на рис. 4. Как видно, интенсивность электрических свойств в поверхностных наноструктурах сильно зависит от силы давления. Аналогичное явление можно найти для решеток и массивов наностолбиков. Измеряется изменение напряжения холостого хода и тока короткого замыкания в зависимости от силы давления в течение 10 с. Результаты измерений показывают, что электрические свойства решеток и массивов наностолбиков демонстрируют разную силовую зависимость. Напряжение холостого хода решетчатой ​​структуры медленно увеличивается с увеличением силы, но ток короткого замыкания, очевидно, увеличивается с увеличением силы, как показано на рис. 4a и b. Напротив, электрические свойства массивов наностолбиков показывают лучше, потому что как напряжение холостого хода, так и ток короткого замыкания значительно увеличиваются с силой давления в то же время, как показано на рис. 4c и d. Однако напряжение холостого хода не изменяется при увеличении силы с 30,5 Н до 42,6 Н, а ток короткого замыкания все еще увеличивается. Таким образом, экспериментальные результаты показывают, что сложные двумерные наностолбики обладают лучшими электрическими характеристиками, чем одномерные решетчатые структуры.

Электрические свойства поверхностных наноструктур. Результаты для решетки ( a , b ) и массив наностолбиков ( c , d ) показаны

Для дальнейшего анализа электрических свойств массивов наностолбиков измеряются различные конфигурации и формы наностолбиков, такие как случайные, квадратные и шестиугольные, а изображения различных массивов наностолбиков, полученные с помощью СЭМ, показаны на рис. 5. Наностолбики случайного и квадратного расположения редки. распределены на рис. 5а и б, а диаметры круглых наностолбиков составляют примерно 300 нм и 400 нм соответственно. Расположение шестиугольника и форма наностолбиков диаметром около 400 нм плотно упакованы на рис. 5c. Увеличение одного сегмента наностолбиков с шестиугольным расположением показано на рис. 5d. На вершине наностолбика имеется острый наконечник, а между наностолбиками имеется наноразрыв с разрешением менее 50 нм, что похоже на структуру наноразмерной пирамиды.

СЭМ-изображения трех массивов наностолбиков. Случайный ( a ) и квадратное расположение ( b ) круглые наностолбики, шестиугольное расположение и формы массивов наностолбиков ( c ) и увеличенное изображение шестиугольных наностолбиков ( d ) показаны

Кривые электрических характеристик с силой для различных образцов наностолбиков показаны на рис. 6. Черная, красная и синяя кривые представляют квадратные, случайные и шестиугольные наностолбики, соответственно. Результаты показывают, что напряжение холостого хода и ток короткого замыкания для трех видов наностолбиков быстро возрастают с увеличением силы давления. Напротив, шестиугольное расположение и форма массивов наностолбиков показывают наиболее сильное увеличение (синяя кривая), а электрические свойства являются лучшими. Когда сила меньше 20 Н и 25 Н, напряжение холостого хода и ток короткого замыкания случайных наностолбиков (красная кривая) больше, чем у массивов наностолбиков квадратного расположения (черная кривая), и ситуация в свою очередь повторяется. поскольку сила продолжает увеличиваться. Одна из основных причин заключается в том, что расположение шестиугольника может обеспечить максимальную шероховатость поверхности и площадь фрикционного контакта, которая содержит острые вершины и зазоры с более высоким разрешением (менее 50 нм), аналогичные функции пирамиды. Здесь шероховатость поверхности отличается от параметра для характеристики гладкости поверхности пластины, который в основном зависит от размера элемента. Хотя диаметр шестиугольных наностолбиков аналогичен диаметру других, зазоры менее 50 нм, острые края и углы увеличивают шероховатость поверхностного трения и площадь контакта, что увеличивает выходную электрическую мощность. Мы обнаружили, что, когда сила больше 35 Н, кривые напряжения холостого хода становятся плавными, как показано на рис. 6а, однако ток короткого замыкания для наностолбиков трех типов все еще увеличивается, как показано на рис. 6b. Это указывает на то, что электрические свойства продолжают увеличиваться с увеличением силы, и увеличение станет плавным, когда сила будет больше примерно 40 Н.

Электрические свойства трех типов массивов наностолбиков, такие как напряжение холостого хода ( a ) и ток короткого замыкания ( b )

Экспериментальные результаты показывают, что сила внешнего давления около 40 Н является подходящей силой для массивов шестиугольных наностолбиков для улучшения электрических свойств, поскольку слишком большая сила давления может разрушить образцы наноструктуры. Это исследование может стать основой для дальнейшего изучения других электрических или оптических свойств.

В данной статье измеряются образцы с двусторонними поверхностными наноструктурами. Механизм измерения электрических свойств поверхностных наноструктур показывает, что двусторонние поверхностные наноструктуры показывают лучшие электрические характеристики.

Выводы

В этом исследовании двусторонние полимерные решетки и массивы наностолбиков были изготовлены с использованием новейших нанотехнологий. Измерения электрических свойств этих поверхностных наноструктур проводились с приложением внешней силы при комнатной температуре. Мы обнаружили, что электрический сигнал этих образцов сильно зависит от силы и структуры и формы. В частности, самый сильный электрический сигнал можно наблюдать в массивах шестиугольных наностолбиков диаметром около 400 нм, содержащих резкие структуры с разрешением менее 50 нм по сравнению с другими образцами. И подходящая сила для измерения электрических свойств составляет около 40 Н. Эти результаты показывают, что электрические свойства могут управлять наноструктурами поверхности для применения в датчиках давления, наногенераторах и электронных устройствах. Мы надеемся, что интересный экспериментальный результат этого исследования может дать глубокое понимание электрических свойств решеток и наностолбиков с различным расположением.

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью [и файлы с дополнительной информацией к ней].

Сокращения

ITO:

Оксид индия и олова

NIL:

Литография наноимпринтов

PDMS:

Полидиметилсилоксан

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

SERS:

Рамановское рассеяние света с усилением поверхности