Propriétés électriques des nanostructures de surface polymère double face

Contexte

Les nanostructures sur les surfaces suscitent beaucoup d'intérêt en tant que support efficace pour la diffusion Raman améliorée en surface (SERS), la résonance plasmonique de surface, la réponse optique et électrique non linéaire et l'excitation plasmonique telle que les nanoparticules, les nanogrilles et les nanopiliers, en particulier les nanostructures de surface métalliques [1,2 ,3,4,5], qui ont des applications potentielles en tant que dispositifs électroniques, magnétiques, photoniques, optoélectroniques et capteurs [6,7,8,9,10]. Du point de vue de la physique, les propriétés physiques de base des nanostructures de surface diffèrent considérablement de celles des matériaux en vrac avec les mêmes composants. En particulier, des effets de surface peuvent être observés dans les nanostructures de surface. Par conséquent, les nanostructures de surface ont été un axe majeur de recherche sur les matériaux de surface qui peuvent être considérés comme un élément fondamental de la nanotechnologie et des nanodispositifs. Il convient de noter que les nanostructures de surface polymères ont affiché des propriétés optoélectroniques et électriques uniques en raison de l'effet triboélectrique qui est l'induction électrostatique se produisant dans les matériaux polymères [11,12,13]. Les structures à l'échelle nanométrique augmentent la rugosité de la surface et la zone de frottement de contact pour améliorer l'effet triboélectrique, en particulier les structures de surface à double face. L'effet triboélectrique dans les nanostructures de surface peut provoquer la génération de charges électriques importantes, qui peuvent obtenir du courant en connectant des électrodes et des fils. L'effet triboélectrique dans les nanostructures de surface polymère et les phénomènes associés contribue grandement à leurs applications prometteuses dans les nanogénérateurs, les capteurs de pression et de température et d'autres dispositifs électroniques [14,15,16,17]. Les nanogénérateurs peuvent transférer l'énergie mécanique en énergie électrique, et les capteurs de pression ou de température peuvent transformer différentes pressions ou températures en signaux électriques ou optiques détectables.

Avec le développement rapide de la nanotechnologie, il est maintenant facile de fabriquer des nanostructures de surface non ordonnées périodiques et complexes, par exemple, la photolithographie, la lithographie par nanoimpression (NIL), l'auto-assemblage et la lithographie par interférence [18,19,20,21,22]. En tant que nanotechnologie de réplication populaire, le NIL est simple, peu coûteux, à haute résolution et à haut débit, ce qui est idéal pour la fabrication de nanostructures polymères [23,24,25]. L'un des principaux avantages de l'application de nanostructures de surface en tant que dispositifs électroniques est que la réponse électrique des nanostructures de surface peut être réglée et modulée via divers paramètres de structure tels que le diamètre, la forme et la disposition des nanostructures. Par conséquent, il est important et significatif d'examiner les propriétés électriques de base des nanostructures de surface.

Dans cet article, nous présentons une étude expérimentale détaillée sur les propriétés électriques de deux types de nanostructures de surface à double face, telles que les réseaux de réseaux et de nanopiliers. Les nanostructures de surface polymère double face sont fabriquées à l'aide d'un procédé deux fois NIL. Comme les nanostructures sur les deux surfaces latérales n'ont pas besoin d'être alignées, le processus d'impression est simple et peu coûteux. L'électrode conductrice de mesure de signaux électriques est préparée par la technique de dépôt de métal, tel que l'oxyde d'indium et d'étain (ITO) ou le film d'Ag. Nous aimerions étudier comment ces nanostructures de surface peuvent réagir à la pression externe, comment leurs propriétés électriques dépendent des paramètres de l'échantillon et comment la tension en circuit ouvert et le courant de court-circuit des échantillons préparés changent.

Méthodes

Échantillons

Dans cette étude, deux types de nanostructures de surface à mesurer sont fabriqués, tels que des réseaux de réseaux et de nanopiliers, et les images de microscopie électronique à balayage (MEB) sont présentées sur la figure 1. La période du réseau est d'environ 300  nm, la largeur est environ 160 nm, et le diamètre du nanopilier est d'environ 300 nm.

Images SEM de deux types de nanostructures de surface. Une grille (a ) et un réseau de nanopiliers (b ) sont affichés

Les échantillons préparés avec des structures de surface double face sont fabriqués en combinant deux fois du NIL durcissable aux UV, et la couche d'électrode conductrice entre les structures double face est préparée par électrodéposition d'un film ITO. Le schéma des nanostructures polymères double face est représenté sur la figure 2. Les matériaux de la structure double face sont le polydiméthylsiloxane (PDMS) et le Kapton qui sont des matériaux élastiques. La couche intermédiaire est un film mince d'ITO; ainsi, le dispositif intégré est flexible. Le signal électrique est généré en raison de l'effet de couplage de l'électrification de contact et de l'induction électrostatique lors de l'opération de séparation de pression de contact, qui est le principe de mesure des propriétés électriques des nanostructures de surface double face.

Schéma des nanostructures polymères double face

Lorsqu'elles sont déformées par une déformation de pression mécanique touchée de l'extérieur fournie par d'autres matériaux, des charges triboélectriques sont générées et distribuées sur les surfaces polymères. Dès que la déformation commence à être libérée, les matériaux touchés de l'extérieur se séparent de la surface du polymère. Ces charges triboélectriques ne peuvent pas être compensées, ce qui conduit à induire des charges opposées sur l'électrode ITO pour conduire les électrons libres à s'écouler de l'électrode ITO vers le circuit externe. Ce processus d'induction électrostatique peut donner un signal de tension/courant de sortie.

Méthode de mesure

Pour la mesure des propriétés électriques de trois types de nanostructures de surface avec des tailles, des motifs et des dispositions différents, les mesures sont effectuées sous la force externe dans une plage de 0,5 à 50  N fournie à température ambiante sur la figure 3. Les propriétés électriques sont enregistrées à l'aide de le moteur linéaire réglable (E1100-RS-HC), le dispositif de test de courant et de tension (Keithley 6514), l'amplificateur à faible bruit (Stanford SR570) et l'oscilloscope (MDO 3014). Le changement de force est réalisé dans le moteur linéaire réglable, et l'oscilloscope pourrait mesurer la courbe de tension et de courant. La configuration de l'expérience appliquant une force de pression sur les surfaces des échantillons est illustrée à la figure 3.

Photographie de la configuration de l'expérience appliquant une force externe

Résultats et discussion

Les propriétés électriques de différentes nanostructures de surface sont illustrées sur la figure 4 à différentes forces de pression externes. La tension de sortie en circuit ouvert et le courant de court-circuit des réseaux de réseaux et de nanopiliers sont illustrés à la figure 4. Comme on peut le voir, l'intensité des propriétés électriques dans les nanostructures de surface dépend fortement de la force de pression. Et un phénomène similaire peut être trouvé pour les réseaux de réseaux et de nanopiliers. La tension en circuit ouvert et le courant de court-circuit changent avec la force de pression dans les 10 s sont mesurés. Les résultats des mesures indiquent que les propriétés électriques des réseaux de réseaux et de nanopiliers montrent une dépendance à la force différente. La tension en circuit ouvert de la structure du réseau augmente lentement avec la force, mais le courant de court-circuit augmente évidemment avec la force, comme le montrent les Fig. 4a et b. En revanche, les propriétés électriques des réseaux de nanopiliers sont meilleures, car la tension en circuit ouvert et le courant de court-circuit augmentent considérablement avec la force de pression pendant le même temps, comme le montrent les Fig. 4c et d. Cependant, la tension en circuit ouvert ne change pas lorsque la force augmente de 30,5 N à 42,6 N, mais le courant de court-circuit continue d'augmenter. Par conséquent, les résultats expérimentaux montrent que les nanopiliers bidimensionnels complexes ont de meilleures performances électriques que les structures de réseau unidimensionnelles.

Les propriétés électriques des nanostructures de surface. Les résultats pour le râpage (a , b ) et un réseau de nanopiliers (c , d ) sont affichés

Pour analyser plus en détail les propriétés électriques des réseaux de nanopiliers, différents arrangements et formes de nanopiliers sont mesurés, tels que aléatoire, carré et hexagonal, et les images SEM de différents réseaux de nanopiliers sont présentées à la Fig. 5. Les nanopiliers à agencement aléatoire et carré sont clairsemés. répartis sur les figures 5a et b, et les diamètres des nanopiliers circulaires sont respectivement d'environ 300 nm et 400  nm. L'agencement hexagonal et la forme des nanopiliers d'environ 400  nm de diamètre sont étroitement emballés sur la figure 5c. Le grossissement d'un segment de nanopiliers à disposition hexagonale est illustré à la Fig. 5d. Il y a une pointe acérée sur le dessus du nanopilier et un nanogap de résolution inférieure à 50 nm entre les nanopiliers, ce qui est similaire à la fonction pyramidale à l'échelle nanométrique.

Images SEM de trois réseaux de nanopiliers. Aléatoire (a ) et disposition carrée (b ) nanopiliers circulaires, disposition hexagonale et matrices de nanopiliers de forme (c ) et grossissement de l'image des nanopiliers hexagonaux (d ) sont affichés

Les courbes de performance électrique avec la force pour les différents échantillons de nanopiliers sont illustrées à la figure 6. Les courbes noires, rouges et bleues représentent respectivement les nanopiliers à disposition carrée, aléatoire et hexagonale. Les résultats indiquent que la tension en circuit ouvert et le courant de court-circuit pour trois types de nanopiliers augmentent rapidement avec la force de pression. En revanche, la disposition hexagonale et la forme des réseaux de nanopiliers montrent la plus forte augmentation (courbe bleue) et les propriétés électriques sont les meilleures. Lorsque la force est inférieure à 20 N et 25 N, la tension en circuit ouvert et le courant de court-circuit des nanopiliers aléatoires (courbe rouge) sont supérieurs à ceux des réseaux de nanopiliers à disposition carrée (courbe noire), et la situation est en retour à mesure que la force continue d'augmenter. L'une des principales raisons est que l'agencement hexagonal peut fournir une rugosité de surface et une zone de contact de friction maximales, qui contiennent des pointes acérées de résolution supérieure (inférieure à 50  nm) et des espaces similaires à la fonction pyramidale. Ici, la rugosité de surface est différente du paramètre de caractérisation du lissé de surface de la plaquette, qui dépend principalement de la taille de la caractéristique. Bien que le diamètre des nanopiliers hexagonaux soit similaire aux autres, les espaces inférieurs à 50 nm, les arêtes vives et les coins augmentent la rugosité de friction de surface et la zone de contact pour augmenter la puissance électrique de sortie. Nous constatons que lorsque la force est supérieure à 35 N, les courbes de tension en circuit ouvert deviennent lisses, comme le montre la figure 6a, mais le courant de court-circuit pour trois types de nanopiliers augmente toujours, comme le montre la figure 6b. Cela indique que les propriétés électriques continuent d'augmenter avec la force, et l'augmentation deviendra douce lorsque la force est supérieure à environ 40 N.

Les propriétés électriques de trois types de réseaux de nanopiliers, tels que la tension en circuit ouvert (a ) et le courant de court-circuit (b )

Les résultats expérimentaux démontrent que la force de pression externe d'environ 40  N est une force appropriée pour les réseaux de nanopiliers hexagonaux pour améliorer les propriétés électriques, car une force de pression trop importante peut détruire les échantillons de nanostructure. Cette étude peut fournir une base pour une enquête plus approfondie sur d'autres propriétés électriques ou optiques.

Dans cet article, les échantillons avec des nanostructures de surface double face sont mesurés. Le mécanisme de mesure des propriétés électriques des nanostructures de surface indique que les nanostructures de surface double face présentent de meilleures performances électriques.

Conclusions

Dans cette étude, des réseaux polymères double face et des réseaux de nanopiliers ont été fabriqués à l'aide de la nanotechnologie de pointe. Les mesures de propriétés électriques sur ces nanostructures de surface ont été réalisées en appliquant une force externe à température ambiante. Nous avons découvert que le signal électrique de ces échantillons dépend fortement des dispositions et des formes de la force et de la structure. En particulier, le signal électrique le plus fort peut être observé dans les réseaux de nanopiliers hexagonaux d'un diamètre d'environ 400  nm contenant des structures nettes de résolution inférieure à 50 nm par rapport à d'autres échantillons. Et la force appropriée pour la mesure des propriétés électriques est d'environ 40 N. Ces résultats indiquent que les propriétés électriques peuvent entraîner des nanostructures de surface pour les applications dans les capteurs de pression, les nanogénérateurs et les dispositifs électroniques. Nous espérons que les découvertes expérimentales intéressantes de cette étude pourront fournir une compréhension approfondie des propriétés électriques des réseaux et des nanopiliers avec différents arrangements.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié [et ses fichiers d'informations supplémentaires].

Abréviations

ITO :

Oxyde d'indium-étain

NÉANT :

Lithographie par nanoimpression

PDMS :

Polydiméthylsiloxane

SEM :

Microscopie électronique à balayage

SERS :

Diffusion Raman améliorée en surface