Dry Oxidation und Vakuumtempern Behandlungen für Tuning der Benetzungseigenschaften von Carbon Nanotube-Arrays
Summary
Dieser Artikel beschreibt eine einfache Methode, um vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Arrays durch CVD herzustellen und anschließend stimmen ihre Benetzungseigenschaften, indem sie sie Glühen oder trocken Oxidationsbehandlung Vakuum.
Abstract
In diesem Artikel beschreiben wir eine einfache Methode, um reversibel stimmen die Benetzungseigenschaften von vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) Arrays. Hier werden CNT Arrays definiert als dicht gepackter mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren senkrecht zur Aufwachssubstrat als Ergebnis eines Wachstumsprozesses von der Norm thermische chemische Gasphasenabscheidung (CVD)-Technik. 1,2 Diese CNT Arrays werden dann an Vakuum ausgesetzt Glühbehandlung, damit sie besser zu hydrophoben oder Oxidationsbehandlung trocknen, dass sie dadurch mehrere hydrophile. Die hydrophoben CNT Arrays kann gedreht werden hydrophil, indem sie sie Oxidationsbehandlung trocknen, während die hydrophilen CNT Arrays gedreht, indem sie sie absaugen Glühbehandlung hydrophobe werden. Mit einer Kombination aus beiden Behandlungen, CNT-Arrays wiederholt zwischen hydrophilen und hydrophoben. 2 Darum geschaltet werden, zeigen eine solche Kombination ein sehr hohes Potenzial in vielen industriellen und Consumer-Anwendungeneinschließlich Drug-Delivery-System und hohe Leistungsdichte Superkondensatoren. 3-5
Der Schlüssel, um die Benetzbarkeit von CNT Arrays variieren ist, um die Oberfläche Sauerstoffkonzentration Adsorbate steuern. Grundsätzlich Sauerstoff Adsorbate kann, indem die CNT-Arrays jedem Oxidationsbehandlung eingeführt werden. Wir verwenden hier Trockenoxidation Behandlungen, wie Sauerstoff-Plasma und UV / Ozon, um die Oberfläche des CNT mit oxygeniertem funktionellen Gruppen funktionalisieren. Diese oxygenierten funktionellen Gruppen ermöglichen Wasserstoff-Bindung zwischen der Oberfläche der CNT-und Wassermoleküle zu bilden, wodurch die CNT hydrophil. Zu drehen sie hydrophob muss adsorbierten Sauerstoff von der Oberfläche des CNT entfernt werden. Hier beschäftigen wir Vakuum Glühbehandlung zu Sauerstoff Desorptionsprozess induzieren. CNT-Arrays mit extrem niedrigen Oberfläche Sauerstoffkonzentration Adsorbate weisen eine superhydrophoben Verhalten.
Introduction
Die Einführung von synthetischen Materialien mit einstellbaren Benetzungseigenschaften hat viele Anwendungen einschließlich selbstreinigende Oberflächen und hydrodynamischen Widerstand reduction devices aktiviert. 6,7 Viele berichteten Studien zeigen, dass eine erfolgreiche Abstimmung der Benetzungseigenschaften eines Materials, haben ein in der Lage sein, seine variieren Oberflächenchemie und topographischen Oberflächenrauhigkeit. 8-11 Unter vielen anderen verfügbaren synthetischen Materialien, nanostrukturierte Materialien haben die meiste Aufmerksamkeit aufgrund ihrer inhärenten mehreren skalierten Oberflächenrauhigkeit und deren Oberflächen angezogen leicht durch gängige Methoden funktionalisiert werden. Mehrere Beispiele dieser nanostrukturierten Materialien gehören ZnO, 12,13 SiO 2, 12,14 ITO, 12 und Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT). 15-17 Wir glauben, dass die Fähigkeit zur reversiblen stimmen die Benetzungseigenschaften CNT seine eigene Tugend, da sie als eines der vielversprechendsten Materialien für zukünftige Anwendungen alstionen.
CNT gedreht hydrophilen werden durch Funktionalisierung der Oberfläche mit Sauerstoff angereicherten funktionellen Gruppen während einer Oxidationsbehandlung eingeführt. Bis heute ist die gängigste Methode, um Sauerstoff Adsorbate der CNT führen die bekannten Nassoxidation Techniken, die die Verwendung von starken Säuren und Oxidationsmittel wie Salpetersäure und Wasserstoffperoxid. 18-20 Diese Nassoxidation Techniken sind schwer zu bis auf industrieller Ebene, weil der Sicherheits-und Umweltfragen und der beträchtliche Menge an Zeit, um die Oxidation zu vervollständigen skaliert werden. Darüber hinaus kann ein kritischer Punkt Trocknungsverfahren müssen eingesetzt werden, um die Wirkung von Kapillarkräften, die die mikroskopische Struktur und Gesamtausrichtung des CNT-Anordnung während des Trocknungsprozesses zerstören können minimieren. Trockenoxidation Behandlungen, wie UV / Ozon und Sauerstoff Plasmabehandlungen, bieten ein sicherer und schneller, und kontrollierter Oxidationsprozesses gegenüber dem vorgenanntenNassoxidation Behandlungen.
CNT können hydrophob gemacht werden, indem Sie die beigefügte oxygenierten funktionellen Gruppen von ihren Oberflächen. Bisher sind komplizierte Prozesse immer in der Herstellung von stark hydrophoben CNT-Arrays eingebunden. Typischerweise weisen diese Anordnungen mit nicht-benetzenden Chemikalien, wie PTFE, ZnO und Fluoralkylsilan, 15,21,22 oder durch Fluor oder Kohlenwasserstoff Plasmabehandlung, wie CF4 und CH 4 befriedet beschichtet werden. 16,23 Obwohl der genannten Behandlungen sind nicht allzu schwer zu bis auf industrieller Ebene skaliert werden, sind sie nicht reversibel. Sobald die CNT zu diesen Behandlungen ausgesetzt sind, können sie nicht mehr hydrophil gemacht werden, indem gemeinsame Oxidation Methoden.
Die hierin präsentierten Verfahren zeigen, dass die Benetzbarkeit der CNT Arrays unkompliziert und bequem über eine Kombination aus Vakuum und Trockenoxidation Glühbehandlungen (Abbildung 1) abgestimmt werden. Sauerstoff eindsorption und Desorptionsprozesse durch diese Behandlungen induziert sind hoch reversible wegen ihrer zerstörungsfreien Art und Abwesenheit anderer Verunreinigungen. Daher ermöglichen diese Behandlungen CNT Arrays wiederholt zwischen hydrophilen und hydrophoben geschaltet werden. Ferner sind diese Behandlungen sehr praktisch, sparsam und kann einfach skaliert werden bis da sie kann mit jeder kommerziellen Vakuumofen und UV / Ozon oder Sauerstoff-Plasma gereinigt werden.
Beachten Sie, dass die vertikal ausgerichteten CNT Arrays welche hier durch die Norm thermische chemische Gasphasenabscheidung (CVD)-Technik gezüchtet werden. Diese Arrays werden typischerweise auf Katalysators Siliciumscheibe Substrate in einem Quarzrohr Ofen unter einem Fluss von Kohlenstoff enthaltenden Precursor Gasen bei erhöhter Temperatur gewachsen. Die durchschnittliche Länge der Anordnungen kann von wenigen Mikrometern bis zu einem Millimeter lang durch Ändern der Wachstumszeit variiert werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir betrachten UV / Ozon-Behandlung als die bequemste Oxidationstechnik denn es kann in Luft bei einer Standard-Raumtemperatur und Druck bis zu mehreren Stunden durchgeführt werden, abhängig von der Länge der CNT-Anordnung und die Leistung der UV-Strahlung. UV-Strahlung, durch eine hohe Intensität Quecksilberdampflampe bei 185 nm und 254 nm erzeugt wird, bricht die molekularen Bindungen auf der Außenwand des CNT wodurch Ozon, Luft gleichzeitig aus durch UV-Strahlung umgewandelt wird, um ihre Oberfläche zu oxidiere…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Charyk Foundation und The Fletcher Jones Foundation unter Förderkennzeichen 9900600 gefördert. Die Autoren danken den Kavli Nanoscience Institute an der California Institute of Technology für die Nutzung der Nanofabrikation Instrumente, Kontakt mit dem Molecular Materials Research Center der Beckman Institute am California Institute of Technology für die Verwendung der XPS und Winkel Winkelmesser, und die Division Geological and Planetary Sciences der California Institute of Technology für den Einsatz von SEM.
Materials
| Material Name | Company | Catalogue Number | Comments (optional) |
| Lindberg Blue M Mini-Mite tube furnace | Thermo Scientific | TF55030A | 1″ tube furnace for CNT array growth |
| Electronic mass flow controllers | MKS | PFC-50 πMFC | Max flow rate of 1000 sccm |
| Electronic pressure controller | MKS | PC-90 πPC | Max pressure of 1000 Torr |
| 1″ quartz tube | MTI Corp. | >EQ-QZTube-25GE-610 | 1″ D x 24″ L |
| Hydrogen gas | Airgas | HY UHP200 | CNT array growth precursor gas, 99.999% purity |
| Ethylene gas | Matheson | G2250101 | CNT array growth precursor gas, 99.999% purity |
| Argon gas | Airgas | AR UHP200 | CNT array growth precursor gas, 99.999% purity |
| Silicon wafer | El-Cat | 2449 | With 300 nm polished thermal oxide layer |
| Iron pellets | Kurt J Lesker | EVMFE35EXEA | 99.95% purity |
| Aluminum oxide pellets | Kurt J Lesker | EVMALO-1220B | 99.99% purity |
| E-beam evaporator | CHA Industries | CHA Mark 40 | For buffer and catalyst layer deposition |
| UV/ozone cleaner | BioForce Nanosciences | ProCleaner Plus | For oxidizing CNT array |
| Oxygen plasma cleaner | PVA TePla | M4L | For oxidizing CNT array |
| Vacuum oven | VWR | 97027-664 | For deoxidizing CNT array |
| SEM | Zeiss | 1550 VP | For CNT array growth characterization |
| XPS | Surface Science | M-Probe | For surface chemistry characterization |
| Contact angle goniometer | ramé-hart | Model 190 | For wetting properties characterization |
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