Diélectrophorèse assistée par chauffage pour film de nanotubes de carbone à paroi unique alignés de très haute densité

Contexte

Les nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT) présentent de fortes propriétés polarisées unidimensionnelles (1D), comme l'indiquent les performances des dispositifs à base de SWCNT peuvent être considérablement améliorées en alignant les SWCNT dans la même direction. Parmi les différentes méthodes d'alignement pour les nanotubes de carbone (CNT), la diélectrophorèse (DEP) s'est avérée très efficace et a le grand potentiel de se combiner avec le processus de fabrication à grande échelle de dispositifs à base de SWCNT [1, 2]. De nombreuses études sur le DEP ont été menées pour l'alignement ou la séparation des NTC [1], et une densité d'alignement élevée a été réalisée [3, 4], mais la densité d'alignement est largement insuffisante pour certaines applications électroniques et photoniques telles que le champ SWCNT. -transistor à effet (FET) et guides d'ondes optiques, dans lesquels des SWCNT alignés multicouches, et donc une densité d'alignement ultra-élevée, sont probablement nécessaires. Selon le principe du DEP, la distribution du champ électrique, le volume des particules à aligner et la permittivité complexe des particules et des solvants par rapport à la fréquence du champ électrique sont communément considérés comme les principaux facteurs de détermination la valeur et la direction de la force DEP exercée sur les particules [5]. Certains facteurs mineurs, tels que la concentration des particules, la nature du substrat et la période d'action du champ électrique, ont également été discutés [6,7,8,9]. Cependant, toutes ces études sur le DEP se concentrent sur un processus DEP statique, sans tenir compte des facteurs dynamiques induits par les effets externes, tels que la convection induite par le chauffage, la fluidité des solutions, etc.

Ici, nous présentons nos travaux sur le processus DEP dynamique amélioré par le chauffage (HE) pour un film SWCNT aligné de très haute densité. Nous pensons que les SWCNT éloignés des rainures DEP et au-delà de la capacité de la force DEP peuvent être amenés à proximité des rainures DEP par la convection induite par le chauffage intentionnel, puis sont capturés par la force DEP, ce qui entraîne une densité d'alignement des SWCNT beaucoup plus élevée que le cas. sans chauffage. Le travail de simulation suggère que la convection induite par le chauffage emmène les SWCNT au-delà de 100 μm loin des rainures DEP aux environs des rainures DEP. Nous avons supposé que la force DEP est égale à la « force de convection » aux limites des zones de collecte des SWCNTs au voisinage des rainures DEP, sur la base de laquelle la force de convection peut être évaluée avec la force DEP.

Méthodes

Dix milligrammes de poudre vierge HiPCO SWCNT ont été dispersés dans la solution de 200 mg de cholate de sodium (NaCh) dans 10 ml d'eau déminéralisée à l'aide d'ultrasons de 100 W. Ensuite, le mélange a été traité par ultracentrifugation de 25 kg pendant 60 min pour éliminer faisceaux de nanotubes. La couche supérieure a été extraite et diluée 100 fois sous forme de solution de SWCNT isolés individuellement. Cette solution SWCNT a été obtenue pour l'expérience d'alignement de SWCNT individualisé.

Le motif d'une puce DEP et la coupe transversale schématique d'une rainure DEP avec les dimensions correspondantes sont représentés schématiquement sur la Fig. 1. Pour la fabrication des puces DEP, un SiN_x de 300 nm d'épaisseur le film a d'abord été développé directement sur un substrat de silicium par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), puis le SiN_x film a été recouvert d'un film photorésistant fabriqué par la méthode de revêtement par centrifugation. Après cuisson, le film de résine photosensible a été exposé à la lumière UV à l'aide du masque DEP, puis a été développé pour éliminer la résine photosensible exposée, ce qui a entraîné l'apparition de motifs DEP clairs. Une fois le substrat nettoyé et cuit à nouveau, un film de titane (Ti) de 20 nm d'épaisseur et un film d'or (Au) de 200 nm d'épaisseur ont été successivement déposés par pulvérisation cathodique. Enfin, le film photorésistant non exposé avec le film Au/Ti sur sa surface a été retiré par de l'acétone, laissant les électrodes Au/Ti DEP retenues sur la zone exposée. La largeur et la longueur de chaque rainure DEP entre les électrodes sont respectivement de 5 et 500 μm. La largeur des électrodes est de 500 μm.

Le motif de la puce DEP et la coupe transversale schématique de la rainure DEP. Pour la fabrication des puces DEP, un SiN_x de 300 nm d'épaisseur le film a d'abord été développé directement sur substrat de silicium par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), puis le SiN_x film a été recouvert d'un film photorésistant fabriqué par la méthode de revêtement par centrifugation. Après cuisson, le film de résine photosensible a été exposé à la lumière UV à l'aide du masque DEP, puis a été développé pour éliminer la résine photosensible exposée, ce qui a entraîné l'apparition de motifs DEP clairs. Une fois le substrat nettoyé et cuit à nouveau, un film de titane (Ti) de 20 nm d'épaisseur et un film d'or (Au) de 200 nm d'épaisseur ont été successivement déposés par pulvérisation cathodique. Enfin, le film photorésistant non exposé avec le film Au/Ti sur sa surface a été retiré par de l'acétone, laissant les électrodes Au/Ti DEP retenues sur la zone exposée. La largeur et la longueur de chaque rainure DEP entre les électrodes sont respectivement de 5 et 500 μm. La largeur des électrodes est de 500 μm

Les expériences DEP ont été réalisées sous un potentiel alternatif avec V_pp de 20 V et fréquence de 10 MHz pendant 30 min. Deux échantillons DEP ont été réalisés. La différence entre eux est que pendant le processus de l'expérience DEP, l'un a été maintenu à température ambiante (20 °C), et l'autre a été chauffé au fond de la puce par une plaque chauffante avec une augmentation progressive de la température de 20 à 100 °C, nommés échantillons A et B, respectivement. Pour chaque échantillon, 10 μl de solution SWCNT ont été utilisés. Enfin, la solution sur les deux échantillons a séché d'elle-même.

Résultats et discussion

Les observations SEM des deux échantillons sont présentées sur la Fig. 2. Les rectangles rouges indiquent les zones agrandies correspondantes. Les flèches à double pointe présentent les largeurs des zones de collecte SWCNT individualisées. Les deux flèches indiquent les anneaux de café qui se forment pendant le processus de séchage de la solution de nanotubes. Pour l'échantillon B, en comparant les contours des anneaux de café et du film SWCNT dans les rainures DEP, nous pouvons définitivement décider que le film SWCNT s'est formé en raison du rassemblement et de l'alignement induits par la force DEP, mais pas en raison de l'effet de l'anneau de café. Par comparaison, nous pouvons constater que la densité d'alignement des SWCNT individualisés sur l'échantillon B est beaucoup plus élevée que celle sur l'échantillon A, donc le chauffage a amélioré le processus DEP sur l'échantillon B. La comparaison intuitive avec la densité d'alignement la plus élevée actuellement rapportée dans les références [3] et [4] montre que la densité d'alignement des SWCNT sur l'échantillon B est également beaucoup plus élevée.

Observations SEM des échantillons A et B. Les rectangles rouges indiquer les zones agrandies correspondantes. Les flèches à deux pointes présenter les largeurs des zones de rassemblement SWCNT individualisées. Les deux flèches indiquer les anneaux de café qui se forment pendant le processus de séchage de la solution de nanotubes. Pour l'échantillon B, en comparant les contours des anneaux de café et du film SWCNT dans les rainures DEP, nous pouvons définitivement décider que le film SWCNT s'est formé en raison du rassemblement et de l'alignement induits par la force DEP, mais pas en raison de l'effet de l'anneau de café. La densité d'alignement des SWCNT individualisés sur l'échantillon B est beaucoup plus élevée que celle sur l'échantillon A. Les résistances mesurées entre les électrodes avec les SWCNT alignés sont d'environ 20 MΩ pour l'échantillon A et d'environ 50 KΩ pour l'échantillon B

Les résistances mesurées entre les électrodes avec des SWCNT alignés sont d'environ 20 MΩ pour l'échantillon A et d'environ 50 KΩ pour l'échantillon B. Ici, nous supposons que les largeurs (5 μm) des rainures DEP sont égales aux longueurs des SWCNT individualisés alignés en DEP rainures et que les résistances et les diamètres spécifiques de tous les SWCNT individualisés sont les mêmes, puis les résistances entre les électrodes sont principalement déterminées par la section transversale totale et donc le nombre de SWCNT individualisés alignés dans les rainures DEP avec un inversement proportionnel relation comme suit :

où R , ρ , L , S , et N sont la résistance, la résistance spécifique, la longueur, la section transversale et le nombre de SWCNT individualisés dans les rainures DEP, respectivement. Les indices A et B désignent respectivement les échantillons A et B. Nous pouvons voir que le nombre de SWCNT individualisés alignés dans les rainures DEP sur l'échantillon B est environ 400 fois supérieur à celui de l'échantillon A, de sorte que la densité d'alignement des SWCNT a été considérablement améliorée par chauffage.

Afin d'analyser le processus HE-DEP sur les SWCNT, nous avons utilisé des particules ellipsoïdes solides en forme de tige pour jouer le rôle des SWCNT individualisés pour simuler la distribution du champ de force DEP. Dans le travail de simulation, nous avons utilisé l'expression suivante de la force DEP \( {\overset{\rightharpoonup }{F}}_{\mathrm{DEP}} \) [10, 11] :

où

Les significations physiques ou mathématiques de tous les opérateurs et paramètres, ainsi que leurs valeurs utilisées dans les simulations pour les cas avec (100 °C) et sans (20 °C) chauffage, sont répertoriées dans le tableau 1, où les valeurs de ε _p et σ _p,m sont estimées en se référant à la référence [12] et en considérant l'augmentation de la conductivité de la solution SWCNT due à l'effet de chauffage et à l'ionisation NaCh. Pour simplifier la modélisation, les SWCNT sont considérés comme des nanotiges d'une longueur de 1000 nm (a ) et un rayon de 1 nm (b , c ), et ces sélections de valeurs sont pertinentes pour nos SWCNT HiPCO enveloppés de surfactant.

La direction simulée correspondante et le contour de la valeur de la force DEP exercée sur des SWCNT individualisés à 20 et 100 °C sont tracés sur la figure 3. Les longueurs des flèches de la force DEP sont proportionnelles au logarithme de la valeur de la force DEP. Les contours de quasi-hémicycle les plus externes avec un diamètre d'environ 25 μm correspondent à la force DEP de ~10 ⁻¹⁶ N. Les forces DEP maximales sont situées aux extrémités des électrodes. En comparant la direction et le contour de la valeur de la force DEP dans les deux cas, nous pouvons constater que l'augmentation de la température de 20 à 100 °C n'entraîne pas de changements significatifs de l'ordre de grandeur de la force DEP. Il est certain que la force DEP ne fonctionne que dans une certaine petite zone et en dehors de cette zone; La force DEP diminue brusquement, comme le montre la largeur des zones de collecte des SWCNT présentées par les flèches à double tête de la figure 2. En dehors de ces zones, la densité d'alignement des SWCNT est presque nulle. Compte tenu de la distribution des forces DEP sur la figure 3, nous pouvons trouver que les largeurs de ces zones reflètent qualitativement les valeurs des forces DEP :plus les largeurs sont grandes, plus les forces DEP sont importantes.

La force DEP correspondante exercée sur des SWCNT individualisés à 20 et 100 °C, respectivement. Les flèches et les quasi-hémicycles désignent respectivement la direction et le contour de la valeur de la force DEP. L'unité de longueur est le m. Les longueurs des flèches de la force DEP sont proportionnelles au logarithme de la valeur de la force DEP. Les contours de quasi-hémicycle les plus externes avec un diamètre d'environ 25 μm correspondent à la force DEP de ~10 ⁻¹⁶ N. Les forces DEP maximales sont situées aux extrémités des électrodes

Le mouvement des particules sous l'effet de chauffage est un processus assez complexe, dans lequel de nombreuses forces, notamment la force gravitationnelle, la force thermophorétique, la force de traînée visqueuse, la force thermodiffusive, la force de flottabilité, la force brownienne, etc., doivent être prises en compte. A ce jour, il n'existe toujours pas de consensus sur certaines de ces forces et il est impossible d'attribuer quantitativement leur poids spécifique respectif. Par souci de simplicité et de concision, nous attribuons la somme de toutes ces forces hors force DEP à une force de convection afin que nous puissions différencier le processus DEP et le processus de convection lors du travail de simulation. Ensuite, nous démontrerons le processus DEP amélioré par la force de convection (ou processus de convection) et dériverons le niveau de force de convection de la distribution de la force DEP et de la distribution de dépôt ou d'alignement de SWCNT individualisés dans les environs des rainures DEP. Selon la simulation résultats, l'équilibrage thermique de la solution SWCNT peut être rapidement atteint en 0,2 s lorsque la température augmente de 20 à 100 °C. D'après la distribution de la vitesse de la convection naturelle dans la solution SWCNT chauffée à 100 °C à deux moments différents avec un intervalle de 120 s, comme le montre la figure 4, nous pouvons voir que la direction de la convection est erratique et change rapidement, et que les dimensions des tourbillons de convection sont au niveau de la profondeur (100 μm) de la solution de SWCNT, comme cela indique que la convection peut amener des SWCNT individualisés dans les dimensions de 100 μm × 100 μm (2D) aux alentours des rainures DEP. De plus, nous pouvons également trouver l'échange et le transfert de SWCNT individualisés entre les vortex de convection voisins, ce qui indique que les SWCNT individualisés situés à plus de 100 μm des rainures DEP peuvent également être amenés à proximité des rainures DEP. Lorsque les SWCNT individualisés loin des rainures DEP parcourent un « long » chemin à l'aide de la convection et arrivent dans les environs des rainures DEP, où la force de convection ne peut pas vaincre la forte force positive-DEP (direction de la force DEP vers les maxima du courant électrique champ), ils sont capturés par la force DEP, ce qui entraîne le dépôt et l'alignement de ces SWCNT individualisés « à distance » dans les environs des rainures DEP, comme le montre l'échantillon B de la Fig. 2. De plus, la convection turbulente induite par la différence de densité à différentes températures [http://www.engineeringtoolbox.com/water-thermal-properties-d_162.html] a également garanti et très efficacement amélioré ce processus de transfert avec une vitesse en millimètre par seconde [https://thayer.dartmouth .edu/~d30345d/books/EFM/chap7.pdf]. Au contraire, l'absence à la fois de tourbillons de convection changeant rapidement et de convection turbulente à 20 °C révélée par les travaux de simulation suggère la déficience du transfert des SWCNT entre les différentes zones, et entraîne donc une faible desité d'alignement. Il s'agit d'une explication raisonnable de la différence de densité d'alignement entre les échantillons A et B de la figure 2 et donc du processus DEP amélioré par chauffage. Ici, nous revendiquons également fortement la répétabilité de ce processus DEP amélioré par le chauffage.

La distribution des vitesses de convection naturelle dans la solution SWCNT chauffée à 100 °C. Les flèches rouges indiquer les positions des rainures DEP. À deux moments différents avec un intervalle de 120 s, la direction de la convection est erratique et change rapidement, et les dimensions des tourbillons de convection se situent au niveau de la profondeur (100 μm) de la solution SWCNT, ce qui indique que la convection peut apporter SWCNTs individualisés dans les dimensions de 100 μm × 100 μm (2D) au voisinage des rainures DEP

Sur la base des hypothèses ci-dessus selon lesquelles les largeurs des zones de collecte des SWCNT reflètent les valeurs de la force DEP et que si la force de convection ne peut pas surmonter la force DEP dans les environs des rainures DEP, les SWCNT individualisés seront saisis par la force DEP, nous pouvons considérer que la force de convection correspond à la force DEP aux deux limites des zones de collecte des SWCNT (20 ~ 30 μm, comme le montre la figure 2), il s'agit donc d'une nouvelle façon d'évaluer la force de convection. Dans le cas du chauffage (100 °C), la force DEP simulée autour de ces deux limites est de l'ordre de 10 ⁻¹⁶ N (Fig. 3), et donc la force de convection ne doit pas être loin de cette valeur.

On note également que la force DEP à 100 °C est plus faible que celle à 20 °C (Fig. 3) ; cependant, il n'y a presque aucun changement dans les largeurs des zones de collecte de SWCNT (Fig. 2). Nous attribuons la raison à la différence de force de traînée visqueuse de l'eau aux deux températures (http://www.engineeringtoolbox.com/absolute-dynamic-viscosity-water-d_575.html). Parmi tous les éléments de force de convection mentionnés ci-dessus, la force de traînée visqueuse joue le rôle le plus important dans la compétition avec la force DEP, et elle présente une relation décroissante avec l'augmentation de la température (http://www.engineeringtoolbox.com/absolute-dynamic-viscosity- eau-d_575.html). Par conséquent, la force de traînée visqueuse plus petite de l'eau à 100 °C nécessite en conséquence une force DEP plus petite, ce qui par coïncidence répond à l'exigence.

Un autre facteur responsable de l'augmentation de la densité d'alignement des SWCNT individualisé peut être l'augmentation progressive de la concentration des SWCNT induite par l'évaporation du solvant (eau), mais selon les résultats d'alignement des SWCNT sur l'échantillon A, ce facteur ne semble pas jouer un rôle majeur. . Selon l'analyse ci-dessus, la différence significative unique entre les échantillons A et B est de savoir si la convection intense induite par le chauffage est présente ou non, il est donc convaincant d'attribuer la raison de la densité d'alignement SWCNT beaucoup plus élevée sur l'échantillon B au chauffage. induit un processus de convection intense, et il est donc fort de dire que le chauffage peut améliorer le processus DEP.

Conclusions

En résumé, nous avons considérablement augmenté la densité d'alignement des SWCNT individualisés par le chauffage DEP, dans lequel la convection intense induite par le chauffage joue un rôle crucial dans l'échange et le transfert des SWCNT individualisés aux environs des rainures DEP où la force DEP prend effet de saisir des SWCNT. Le nombre de SWCNT individualisés alignés est même multiplié par 400. La comparaison intuitive montre que notre densité d'alignement de SWCNT individualisés est beaucoup plus élevée que les meilleurs résultats actuellement rapportés. Ce processus HE-DEP est expliqué par le travail de simulation. Nous avons également conçu une nouvelle façon d'évaluer la force de convection. La réalisation d'une densité d'alignement ultra-élevée des SWCNT serait très prometteuse pour l'amélioration future des performances des dispositifs à base de film SWCNT.