Ultrahoge dichtheid Array of verticaal uitgelijnd klein-moleculaire biologische Nanodraden inzake willekeurige Substrates

Een template-ondersteunde methode wordt vaak gebruikt voor de fabricage van verticaal georiënteerde nanodraad arrays ^1-3. Deze methode maakt eenvoudige vervaardiging van complexe geometrieën nanodraad zoals een axiaal of radiaal ^{4-6 7} heterostructured nanodraad superlattice, die vaak wenselijk verschillende elektronische en optische toepassingen. Bovendien is dit een low-cost, bottom-up nanosynthesis methode hoge doorvoer en veelzijdigheid. Als gevolg daarvan, hebben template-gerichte methoden opgedaan immense populariteit onder onderzoekers wereldwijd ^2,3.

Het basisidee van de "matrijsgestuurde werkwijze" is als volgt. Eerst een sjabloon wordt gefabriceerd, die een reeks van verticaal georiënteerde cilindrische nanopores bevat. Vervolgens wordt het gewenste materiaal afgezet in de nanoporiën totdat de poriën gevuld. Hierdoor het gewenste materiaal neemt de poriën morfologie en vormt een nanodraad matrix plaats binnen het template. Tenslotte, afhankelijk van de gewenste toepassing, de ontvangende mal worden verwijderd. Echter, dit vernietigt ook de verticale volgorde. De geometrie en afmetingen van de uiteindelijke nanostructuren bootsen de porie morfologie en daarmee de synthese van de gastheer template is een essentieel onderdeel van het fabricageproces.

Verschillende soorten nanoporeuze templates zijn in de literatuur ^8. De meest gebruikte templates omvatten (a) polymeer spoor geëtst membranen, (b) blokcopolymeren en (c) anodisch aluminiumoxide (AAO) templates. Aan het polymeer spoor geëtste membranen maken een polymeer folie wordt bestraald met hoogenergetische ionen, waarbij de folie helemaal doordringen en laat latente ion tracks binnen de bulk folie ^9. De nummers worden vervolgens selectief geëtst om nanogrootte kanalen te creëren binnen het polymeer folie ^9. De nanosized kanalen kunnen verder worden uitgebreid met een geschikte etsstap. Belangrijkste problemen met deze methode zijn de niet-uniformiteit van ee nanokanalen, gebrek aan controle van de locatie, niet-uniforme relatieve afstand tussen de kanalen, lage dichtheid (aantal kanalen per oppervlakte-eenheid ~ 10 ⁸ / cm ^2), en slecht bestelde poreuze structuur ^1. In het blokcopolymeer werkwijze soortgelijke cilindrische nanoporeuze sjabloon wordt eerst gemaakt, gevolgd door de groei van het gewenste materiaal in de poriën ^8.

In het verleden zijn werkwijzen (a) en (b) hierboven toegepast om polymeer nanodraden fabriceren ^8. Echter, deze werkwijzen niet geschikt voor het synthetiseren van nanodraden van elke willekeurige organisch materiaal door de mogelijke afwezigheid van selectief etsen tijdens post-processing stappen. Post-processing omvat normaliter het verwijderen van de ontvangende template, die de bovengenoemde templates organische oplosmiddelen vereisen. Dergelijke oplosmiddelen kunnen schadelijk effect hebben op de structurele en fysische eigenschappen van de biologische nanodraden. Echter, deze templates werken als ideaal host anorganische nanodraden zoals kobalt ^10, nikkel, koper en metallische multilagen ^11, die ongewijzigd bij etsproces dat het polymeer gastheer verwijderd blijven. Een andere mogelijke uitdaging voor de bovengenoemde werkwijzen is de slechte thermische stabiliteit van het hostmatrixmateriaal bij hogere temperaturen. Hoge temperatuur annealing is vaak nodig om kristalliniteit van de organische nanodraden, waarbij de noodzaak van een goede thermische stabiliteit van het hostmatrixmateriaal aangeeft verbeteren.

Gecontroleerde elektrochemische oxidatie van aluminium (ook bekend als "anodiseren" van aluminium) is een bekend industrieel proces en wordt vaak gebruikt in de automobiel-, kookgerei, luchtvaart en andere sectoren om aluminium oppervlak beschermen tegen corrosie ^12. De aard van het geoxideerde aluminium (of "geanodiseerde aluminium") hangt sterk af van de pH van het elektrolyt voor anodisatie. Voor corrosiebestendigheid toepassingen is anodisatie algemeen uitgevoerd met WEAk zuren (pH 5-7), waarbij een compact, niet poreus "barrière-type" alumina film ¹² te creëren. Indien de elektrolyt sterk zuur (pH <4), het oxide wordt "poreus" door lokale ontbinding van het oxide door de H ^+-ionen. De lokale elektrisch veld over het oxide bepaalt de lokale concentratie van de H ^+-ionen en dus het oppervlak pre-patronen voor anodisatie biedt enige controle over de uiteindelijke poreuze structuur. De poriën cilindrisch, met kleine diameter (~ 10-200 nm) en daardoor zoals nanoporeuze anodische aluminiumoxide films zijn uitgebreid gebruikt in de afgelopen jaren voor het synthetiseren van verschillende materialen nanodraden ^2,3.

Nanoporeuze anodische aluminiumoxide sjablonen bieden een betere thermische stabiliteit, hoge poriedichtheid, lange afstand porie orde, en uitstekende tunability van porie diameter, lengte, inter-porie scheiding en poriedichtheid via oordeelkundige keuze van anodisatie parameters zoals pH van het elektrolyt en anodisatie voltleeftijd ^2,3. Vanwege deze redenen kiezen we AAO templates als de gastheer matrix voor de autonome groei nanodraad. Verder, anorganische oxiden zoals aluminiumoxide hoge oppervlakte-energie, waardoor het gemakkelijker gelijkmatige verspreiding van de organische oplossing (lage oppervlakte-energie) op alumina oppervlak ^13. Bovendien, ons doel is om deze nanodraad arrays groeien rechtstreeks op een geleidend en / of transparante substraat. Hierdoor wordt de poriën aan het ondereinde, die extra aandacht nodig zoals hierna beschreven gesloten. Groei van nanodraden binnen een doorgaande poriën template en daaropvolgende overdracht naar het gewenste substraat is vaak onwenselijk vanwege slechte kwaliteit-interface en deze methode is zelfs onmogelijk voor korte lengte nanodraden (of dun templates) door slechte mechanische stabiliteit van de dunne templates .

π-geconjugeerde organische materialen kan grofweg worden ingedeeld in twee categorieën: (a) langketenige geconjugeerde polymeren en (b) laag molecuulgewicht organische s emiconductors. Veel groepen hebben synthese van lange-keten polymeer nanodraden gemeld binnen de cilindrische nanoporiën een AAO sjabloon in het verleden. Uitgebreide recensie over dit onderwerp is beschikbaar in refs ^8,14. Echter, groei van nanodraden van commercieel belangrijke kleine moleculaire organische (zoals rubreen, tris-8-hydroxychinoline aluminium _(Alq3) en PCBM) in AAO is uiterst zeldzaam. Fysische dampafzetting van rubreen en _Alq3 in de nanoporiën van AAO template gerapporteerd door verschillende groepen ^4,15-17. Er kan echter slechts een dunne laag (~ 30 nm) van organische worden afgezet in de poriën (~ 50 nm diameter) en langdurig depositie neiging om de poriën te blokkeren ingang ^4,16,17. Volledige poriënvulling kan op deze methode als de poriediameter voldoende groot (~ 200 nm) ^15. Dus is het belangrijk om een ​​alternatieve methode is van toepassing voor poriediameters in het sub 100 nm zijn.