Keyfi Yüzeyler üzerinde Dikey dizilmiş Küçük-moleküler Organik Nanoteller bir ultra yüksek Yoğunluk Dizi
Summary
Biz dikey olarak sipariş küçük moleküler organik nanotellerin bir ultra yüksek yoğunluklu dizi imalatı için basit bir yöntem rapor. Bu yöntem ucuz keyfi yüzeylerde yetiştirilebilir karmaşık heterostructured hibrid nanotel geometri, sentezi sağlar. Bu yapılar organik elektronik, optoelektronik, kimyasal algılama, fotovoltaik ve spintronics potansiyel uygulamalar var.
Abstract
Son yıllarda π-konjuge organik yarı iletkenler geniş alan, düşük maliyetli görüntüler, fotovoltaik, yazdırılabilir ve esnek elektronik ve organik dönüş vanaları dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar bir dizi aktif madde olarak ortaya çıkmıştır. Organik (a) düşük maliyetli, düşük sıcaklık işleme ve, elektronik optik ve spin ulaşım özellikleri (b) moleküler düzey tasarım sağlar. Bu özellikler organik silikon-egemen elektronik pazarında kendine yer edinmeyi sağlamıştır ana inorganik yarı iletkenler, için hazır değildir. Organik tabanlı cihazlar ilk nesil fiziksel buhar biriktirme ya da çözüm işleme büyümüştür ince film geometrileri, odaklanmıştır. Ancak, organik nano yukarıda belirtilen uygulamaların performansını artırmak için kullanılabilir ve önemli çaba organik nano üretim yöntemleri keşfetmek yatırım olduğunu gerçekleştirilmiştir.
t "> organik Nano bir özellikle ilginç sınıf dikey organik nanoteller, nanorods veya nanotüpler iyi disiplinli, yüksek yoğunluklu dizi organize edildiği biridir. Bu tür yapılar çok yönlü ve böyle çeşitli uygulamalar için idealdir morfolojik mimarilerdir kimyasal sensörler, split-dipol nano antenler, radyal heterostructured "çekirdek-kabuk" nanotellerin ile fotovoltaik aygıtlar ve bir çapraz nokta geometrisi ile bellek cihazları. olarak böyle mimarisi genel bir şablon yönelik yaklaşımla gerçekleştirilir. Geçmişte bu yöntem olmuştur metal ve inorganik yarı iletken nanotel diziler büyümek için kullanılır. Daha yakın π-konjuge polimer nanoteller nano şablonları içinde büyüdü edilmiştir. Ancak bu yaklaşımlar gibi teknolojik önemli π-konjuge küçük molekül ağırlıklı organik artan nanoteller, sınırlı bir başarı oldu tris- 8-hidroksikuinolin alüminyum (ALQ 3), rubrene ve Methyaygın organik görüntüler, fotovoltaik, ince film transistörler ve spintronics dahil olmak üzere çeşitli alanlarda kullanılmaktadır anofullerenes,.Yakın zamanda yeni bir "santrifüj-destekli" yaklaşımı kullanılarak yukarıda bahsedilen sorunu gidermek mümkün olmuştur. Dolayısıyla bu yöntem, dikey olarak sıralanmıştır tellerin dizide desenli olabilir organik maddelerin spektrumunu genişletmektedir. ALQ 3, rubrene ve methanofullerenes ve teknolojik önemi nedeniyle, bizim yöntem bu malzemelerin nanoyapılandırma konusu organik cihazların performansını nasıl etkilediğini keşfetmek için kullanılabilir. Bu makalenin amacı, yukarıda belirtilen protokolün teknik ayrıntıları tanımlamak için, kritik adımlar, sınırlamalar, olası değişiklikler, sorun tartışmak, bu süreç keyfi yüzeylerde ve son olarak küçük molekül organik nanoteller büyümeye uzatılabilir nasıl göstermek -çekim ve gelecekteki uygulamalar.
Introduction
Şablon destekli yöntem yaygın 1-3 dikey nanotel diziler üretim için kullanılır. Bu yöntem, genellikle çeşitli elektronik ve optik uygulamalarında arzu edilebilecek bir eksenel veya radyal olarak 4-6 7 heterostructured tellerin superorgü gibi kompleks tellerin geometrilerin basit bir imalat sağlar. Buna ek olarak, bu yüksek üretim ve çok yönlü bir düşük maliyetli, aşağıdan yukarı doğru nanosynthesis yöntemdir. Sonuç olarak, şablon yönelik yöntemleri 2,3 dünya çapında araştırmacılar arasında büyük popülerlik kazanmıştır.
"Şablonu-yönettiği yöntemi" temel fikri aşağıdaki gibidir. Önce bir şablon dikey silindirik nanopores bir dizi içeren, imal edilir. Gözenekler doldurulur kadar sonra, arzu edilen materyali proseste nano-gözeneklerin içinde yatırılır. Sonuç olarak arzu edilen materyali gözenek morfolojisi kabul eder ve T içinde barındırılan bir dizi oluşturan tellerinemplate. Son olarak, hedef uygulamaya bağlı olarak, ana şablon kaldırılabilir. Ancak, bu da dikey bir düzende yok eder. Geometrisi ve son nanoyapıların boyutları gözenek morfolojisi ve dolayısıyla ana şablon sentezi taklit üretim sürecinin önemli bir parçasıdır.
Nano şablon çeşitli literatürde 8'de rapor edilmiştir. En yaygın olarak kullanılan şablonlar (a) polimer parça kazınmış membranlar, (b) blok kopolimerleri ve (c) anodik alüminyum oksit (AAO) şablonları içerir. Polimer parça kazınmış membranlar oluşturmak için bir polimer folyo tamamen folyo nüfuz eder ve dökme folyo 9 içinde gizli iyon parça bırakmak yüksek enerjili iyonlar ile ışınlanır. Parçalar daha sonra seçici polimer folyo 9 içinde nano boyutlu kanalları oluşturmak için kazınmış. Nano boyutlu kanallar daha uygun bir dağlama adım genişletilebilir. Bu yöntemle önemli sorunlar inci olmayan muntazame nanochannels, yer kontrol eksikliği, kanallar arasında homojen olmayan göreceli mesafe, düşük yoğunluklu (birim alan başına kanal sayısı ~ 10 8 / cm 2), ve kötü gözenekli yapısı 1 emretti. Blok kopolimerin yöntemde benzer bir silindirik şablon nano ilk gözenek 8 dahilinde istenilen malzeme büyüme takip oluşturulur.
Geçmişte, yöntem (a) ve (b) Yukarıda belirtilen polimer nanotellerin 8 imal etmek için kullanılmıştır. Ancak, bu yöntemler sonrası işleme adımları sırasında seçici aşındırma potansiyel olmaması nedeniyle rasgele bir organik materyal tellerden sentezlenmesi için uygun olmayabilir. Post-işlem tipik olarak yukarıda bahsedilen şablonları için organik çözücüler gerektirecektir ana şablon çıkarılması, içerir. Bu tür çözücüler, organik nanotellerinin yapısal ve fiziksel özellikleri üzerinde zararlı bir etkiye sahip olabilir. Ancak, bu şablonlar ideal bir ho olarak çalışmak10, kobalt, nikel, bakır ve polimer ana kaldırır aşındırma işleminde kısıtlanmaz metalik çok katmanlı 11 gibi inorganik nanotellerin için STS. Yukarıda bahsedilen yöntemler için bir diğer potansiyel sorun daha yüksek sıcaklıklarda ev sahibi matriks en kötü termal stabilitesi olan. Tavlama Yüksek sıcaklık genellikle ev sahibi matriks arasında iyi bir termal stabilitesi gerekliliğini gösteren organik nanokablolar kristalinite geliştirmek için gereklidir.
Alüminyum Kontrollü elektrokimyasal oksidasyon (aynı zamanda alüminyum "anotlama" olarak da bilinir) iyi bilinen bir endüstriyel proses ve yaygın otomobil, tencere, havacılık ve korozyona 12 alüminyum yüzey korumak için diğer sektörlerde kullanılmaktadır. Oksitlenmiş alüminyum (ya da "anodik alümina") doğası anotlama için kullanılan elektrolit pH'ına kritik bağlıdır. Korozyon direnci uygulamalar için, genellikle wea anodizasyon ile gerçekleştirilirkompakt, gözeneksiz, "bariyer tipi" alümina filmi 12 oluşturmak k asit (pH ~ 5-7),. Elektrolit (pH <4) güçlü asidik olan, ancak, oksit nedeniyle H + iyonları ile oksitin lokal çözülmesi için "gözenekli" olur. Oksit genelinde yerel elektrik alan ön desenlendirme önce anotlama dolayısıyla yerel H + iyonları konsantrasyonu ve yüzey belirleyen son gözenekli yapısı üzerinde bir miktar kontrol sunuyor. Gözenekler küçük çaplı (~ 10-200 nm) ve bu nedenle bu tür nano anodik alümina filmler çeşitli malzemelerin 2,3 nanotellerin sentezlemek için son yıllarda yaygın olarak kullanılmaktadır, silindirik vardır.
Nanogözenekli anodik alümina şablonları gibi elektrolit ve anotlama volt pH olarak anotlama parametrelerin akıllıca bir seçim ile iyi termal stabilite, yüksek gözenek yoğunluğu, uzun menzilli gözenek sırası ve gözenek çapı mükemmel tunability, uzunluk, arası gözenek ayırma ve gözenek yoğunluğu sunuyoryaş 2,3. Bu nedenlerden dolayı biz organik nanotel büyümesi için ana matris olarak AAO şablonları seçin. Bundan başka, örneğin, alüminyum oksit gibi inorganik oksitler ve böylece, alüminyum oksit yüzeyi 13 organik çözelti (düşük yüzey enerjisi) uygulanması tip kolaylaştırıcı, yüksek yüzey enerjisine sahiptir. Buna ek olarak, amacımız doğrudan iletken ve / veya şeffaf yüzey bu nanotel diziler büyümektir. Sonuç olarak, gözenek Aşağıda açıklanan ek dikkate ihtiyacı alt ucunda kapalıdır. Ince şablonları zayıf mekanik stabilite nedeniyle aracılığıyla-gözenek şablon ve istenilen yüzeye sonraki transfer içinde nanotellerin Büyüme genellikle kötü arayüzü kalitesi nedeniyle istenmeyen ve bu yöntem kısa uzunlukta nanoteller (ya da ince şablonları) için bile mümkün değildir .
π-konjuge organik maddeler olarak iki ana kategoriye ayrılabilir: (a) uzun zincirli bir eşlenik polimerler ve (b), küçük molekül ağırlıklı organik temizle emiconductors. Birçok grup geçmişte bir AAO şablonun silindirik proseste nano-gözeneklerin içinde uzun zincirli bir polimer nanotellerinin sentezi bildirilmiştir. Bu konuda kapsamlı bir inceleme refs 8,14 mevcuttur. Ancak, AAO ticari olarak önemli küçük moleküler organik nanotellerin sentezi (örneğin rubrene, tris-8-hidroksikinolin alüminyum (ALQ 3), ve PCBM gibi) son derece nadirdir. AAO şablon nanopores içinde rubrene ve ALQ 3 fiziksel buhar biriktirme çeşitli gruplar 4,15-17 tarafından bildirilmiştir. Bununla birlikte, organik madde sadece ince bir tabaka (~ 30 mil) gözenekleri içinde biriken (~ 50 nm çapında) ve uzun süreli kaplama gözenek giriş 4,16,17 engelleme eğilimi olabilir. Gözenek çapı 15 (~ 200 nm) yeterince büyük ise, tam bir boşluk doldurma bu yöntemde elde edilebilir. Bu nedenle, alt 100 nm aralığında gözenek çapları için geçerli olan alternatif bir yöntem bulmak için önemlidir.
Şablon ıslatma "yöntemi 8,14"> diğer bazı küçük moleküllü organik için kullanılan diğer bir yaklaşım, bir sözde "sağlanır. Bununla birlikte, çoğu raporlarda tarafı açık gözenekler ve büyük çaplı hem de kalın ticari bir şablon (~ 50 mm) (~ 200 nm) olarak kullanılmaktadır. Bu yöntem, bir-yan tellerden üretmedi önce, muhtemelen gözenekleri içinde çözelti infiltrasyonu önler gözenekleri içinde sıkışmış hava cepleri varlığı nedeniyle belirtildiği gibi kapalı gözenekli. Biz Daha önce bu zorlukları üstesinden gelir ve istenilen yüzeye keyfi boyutları ile küçük molekül organik nanotel diziler büyüme sağlayan yeni bir yöntem rapor. ne şu, biz ayrıntılı bir protokol, potansiyel sınırlamalar ve gelecek değişiklikler anlatacağız.Protocol
Representative Results
Discussion
Nanotel Büyüme için fiziksel Resim
Tamamen organik nanoteller büyüme yöntemi anlamak için ilk önemlidir. Bir kere biz onlar büyümeye ve mühendis Nano, cihaz ve malzeme için bu birikimi yöntemi kullanabilirsiniz gözenekleri kendilerini formu tam olarak biliyorum. Geçmişte, polimer tellerden bir santrifüj yardımı olmadan şablon ıslatma işlemi kullanılarak imal edilmiştir, ancak bu tür organik küçük moleküller gibi bazı malzemeler için, bu etkisiz olduğu bulduk. Ç?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma mali NSERC, CSEE, nanoBridge ve TRLabs tarafından desteklenmiştir.
Materials
| Reagents | |||
| Toluene | Fisher Scientific | T324-4 | |
| 68% Nitric Acid | Fisher Scientific | A200-212 | |
| 85% Phosphoric Acid | Fisher Scientific | A242-4 | |
| 10% Chromic Acid | RICCA Chemical Company | 2077-32 | |
| 10% Oxalic Acid | Alfa Aesar | FW.90.04 | |
| Chloroform | Fisher Scientific | C607-4 | |
| Aluminum Sheets | Alfa Aesar | 7429-90-5 | |
| PCBM | Nano-C | Nano-CPCBM-BF | |
| Alq3 | Sigma Aldrich | 444561-5G | |
| Rubrene | Sigma Aldrich | 551112-1G | |
| Equipment | |||
| FlexAL Atomic Layer Deposition (ALD) | Oxford Instruments | For deposition of TiO2 | |
| PVD Sputter System | Kurt J. Lesker | For deposition of Au & Al | |
| Flat Cell | Princeton Applied Research | K0235 | For anodization of Al |
| Centrifuge | HERMLE Labnet | Z206 A | For deposition of organic nanowires |
References
- Martin, C. R. Nanomaterials: a membrane-based synthetic approach. Science. , (1994).
- Pramanik, S., Kanchibotla, B., Sarkar, S., Tepper, G., Bandyopadhyay, S. Electrochemical Self-Assembly of Nanostructures: Fabrication and Device Applications. Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology. 13, 273-332 (2011).
- Kanchibotla, B., Pramanik, S., Bandyopadhyay, S. Self-assembly of nanostructures using nanoporous alumina template. Nano and Molecular Electronics Handbook. Chapter 9, (2007).
- Pramanik, S., Stefanita, C. -. G., et al. Observation of extremely long spin relaxation times in an organic nanowire spin valve. Nat. Nano. 2 (4), 216-219 (2007).
- Alam, K. M., Bodepudi, S. C., Starko-Bowes, R., Pramanik, S. Suppression of spin relaxation in rubrene nanowire spin valves. Applied Physics Letters. 101 (19), 192403 (2012).
- Alam, K. M., Singh, A. P., Starko-Bowes, R., Bodepudi, S. C., Pramanik, S. Template-Assisted Synthesis of π-Conjugated Molecular Organic Nanowires in the Sub-100 nm Regime and Device Implications. Advanced Functional Materials. 22 (15), 3298-3306 (2012).
- Zhang, D., Luo, L., Liao, Q., Wang, H., Fu, H., Yao, J. Polypyrrole/ZnS Core/Shell Coaxial Nanowires Prepared by Anodic Aluminum Oxide Template Methods. The Journal of Physical Chemistry C. 115 (5), 2360-2365 (2011).
- Kim, F. S., Ren, G., Jenekhe, S. A. One-Dimensional Nanostructures of π-Conjugated Molecular Systems: Assembly, Properties, and Applications from Photovoltaics, Sensors, and Nanophotonics to Nanoelectronics. Chem. Mater. 23 (3), 682-732 (2010).
- Brock, T. D. . Membrane filtration: a user’s guide and reference manual. , (1983).
- Valizadeh, S., George, J., Leisner, P., Hultman, L. Electrochemical deposition of Co nanowire arrays; quantitative consideration of concentration profiles. Electrochimica Acta. 47 (6), 865-874 (2001).
- Nasirpouri, F., Southern, P., Ghorbani, M., Iraji zad, A., Schwarzacher, W. GMR in multilayered nanowires electrodeposited in track-etched polyester and polycarbonate membranes. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 308 (1), 35-39 (2007).
- Diggle, J. W., Downie, T. C., Goulding, C. W. Anodic oxide films on aluminum. Chemical Reviews. 69 (3), 365-405 (1969).
- Steinhart, M., Wehrspohn, R. B., Gösele, U., Wendorff, J. H. Nanotubes by Template Wetting: A Modular Assembly System. Angewandte Chemie International Edition. 43 (11), 1334-1344 (2004).
- Al-Kaysi, R. O., Ghaddar, T. H., Guirado, G. Fabrication of One-Dimensional Organic Nanostructures Using Anodic Aluminum Oxide Templates. Journal of Nanomaterials. 2009, 1-14 (2009).
- Lee, J. W., Kim, K., et al. Light-Emitting Rubrene Nanowire Arrays: A Comparison with Rubrene Single Crystals. Advanced Functional Materials. 19 (5), 704-710 (2009).
- Pramanik, S., Bandyopadhyay, S., Garre, K., Cahay, M. Normal and inverse spin-valve effect in organic semiconductor nanowires and the background monotonic magnetoresistance. Physical Review B. 74 (23), 235329 (2006).
- Alam, K. M., Pramanik, S. High-field magnetoresistance in nanowire organic spin valves. Physical Review B. 83 (24), 245206 (2011).
- Alam, K. M., Singh, A. P., Bodepudi, S. C., Pramanik, S. Fabrication of hexagonally ordered nanopores in anodic alumina: An alternative pretreatment. Surface Science. 605 (3-4), 441-449 (2011).
- Masuda, H., Hasegwa, F., Ono, S. Self-Ordering of Cell Arrangement of Anodic Porous Alumina Formed in Sulfuric Acid Solution. Journal of The Electrochemical Society. 144 (5), L127-L130 (1997).
- Stec, H. M., Williams, R. J., Jones, T. S., Hatton, R. A. Ultrathin Transparent Au Electrodes for Organic Photovoltaics Fabricated Using a Mixed Mono-Molecular Nucleation Layer. Advanced Functional Materials. 21 (9), 1709-1716 (2011).
- Schettino, V., Pagliai, M., Ciabini, L., Cardini, G. The Vibrational Spectrum of Fullerene C60. J. Phys. Chem. A. 105, 11192-11196 (2001).
- Lee, Y., Lee, S., Kim, K., Lee, J., Han, K., Kim, J., Joo, J. Single nanoparticle of organic p-type and n-type hybrid materials: nanoscale phase separation and photovoltaic effect. J. Mater. Chem. 22, 2485-2490 (2012).
- Bodepudi, S. C., Bachman, D., Pramanik, S. Fabrication of Highly Ordered Cylindrical Nanopores with Modulated Diameter Using Anodic Alumina. , 1-4 (2011).
- Vlad, A., Melinte, S., Mátéfi-Tempfli, M., Piraux, L., Mátéfi-Tempfli, S. Vertical Nanowire Architectures: Statistical Processing of Porous Templates Towards Discrete Nanochannel Integration. Small. 6 (18), 1974-1980 (2010).
- Jo, S. H., Kim, K. -. H., Lu, W. High-Density Crossbar Arrays Based on a Si Memristive System. Nano Letters. 9 (2), 870-874 (2009).
- Haberkorn, N., Gutmann, J. S., Theato, P. Template-Assisted Fabrication of Free-Standing Nanorod Arrays of a Hole-Conducting Cross-Linked Triphenylamine Derivative: Toward Ordered Bulk-Heterojunction Solar Cells. ACS Nano. 3 (6), 1415-1422 (2009).
- Aryal, M., Buyukserin, F., et al. Imprinted large-scale high density polymer nanopillars for organic solar cells. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. 26 (6), 2562 (2008).
- Lee, J. H., Kim, D. W., et al. Enhanced solar-cell efficiency in bulk-heterojunction polymer systems obtained by nanoimprinting with commercially available AAO membrane filters. Small (Weinheim an Der Bergstrasse, Germany). 5 (19), 2139-2143 (2009).
- Allen, J. E., Black, C. T. Improved Power Conversion Efficiency in Bulk Heterojunction Organic Solar Cells with Radial Electron Contacts. ACS Nano. 5 (10), 7986-7991 (2011).
- Slota, J. E., He, X., Huck, W. T. S. Controlling nanoscale morphology in polymer photovoltaic devices. Nano Today. 5 (3), 231-242 (2010).
- Chidichimo, G., Filippelli, L. Organic Solar Cells: Problems and Perspectives. International Journal of Photoenergy. 2010, 1-11 (2010).
- O’Carroll, D. M., Fakonas, J. S., Callahan, D. M., Schierhorn, M., Atwater, H. A. Metal-Polymer-Metal Split-Dipole Nanoantennas. Advanced Materials. 24 (23), (2012).
- Zheng, J. Y., Yan, Y., et al. Hydrogen Peroxide Vapor Sensing with Organic Core/Sheath Nanowire Optical Waveguides. Advanced Materials. 24 (35), (2012).
- Zhang, L., Meng, F., et al. A novel ammonia sensor based on high density, small diameter polypyrrole nanowire arrays. Sensors and Actuators B: Chemical. 142 (1), 204-209 (2009).
- Cui, Q. H., Jiang, L., Zhang, C., Zhao, Y. S., Hu, W., Yao, J. Coaxial Organic p-n Heterojunction Nanowire Arrays: One-Step Synthesis and Photoelectric Properties. Advanced Materials. 24 (17), 2332-2336 (2012).
- Duvail, J. L., Long, Y., Cuenot, S., Chen, Z., Gu, C. Tuning electrical properties of conjugated polymer nanowires with the diameter. Applied Physics Letters. 90, 102114 (2007).
- Briseno, A. L., Mannsfeld, S. C. B., Jenekhe, S. A., Bao, Z., Xia, Y. Introducing organic nanowire transistors. Materials Today. 11 (4), 38-47 (2008).
- Kippelen, B., Brédas, J. -. L. Organic photovoltaics. Energy & Environmental Science. 2 (3), 251-261 (2009).
- Günes, S., Neugebauer, H., Sariciftci, N. S. Conjugated polymer-based organic solar cells. Chemical Reviews. 107 (4), 1324-1338 (2007).
- Coakley, K. M., McGehee, M. D. Conjugated Polymer Photovoltaic Cells. Chem. Mater. 16 (23), 4533-4542 (2004).
