home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Atoomlaagafzetting van bufferlagen voor de groei van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisarrays

Abstract

Verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisarrays (VACNT's) tonen een groot potentieel voor verschillende toepassingen, zoals thermische interfacematerialen (TIM's). Naast het thermisch geoxideerde SiO2 , atomaire laagafzetting (ALD) werd ook gebruikt om oxidebufferlagen te synthetiseren vóór de afzetting van de katalysator, zoals Al2 O3 , TiO2 en ZnO. De groei van VACNT's bleek grotendeels afhankelijk te zijn van verschillende oxidebufferlagen, die in het algemeen de diffusie van de katalysator in het substraat verhinderden. Onder hen konden de dikste en dichtste VACNT's worden bereikt op Al2 O3 , en koolstofnanobuisjes waren meestal driedubbelwandig. Bovendien was de depositietemperatuur cruciaal voor de groei van VACNT's op Al2 O3 en hun groeisnelheid nam duidelijk af boven 650 ° C, wat mogelijk verband houdt met de Ostwald-rijping van de katalysator-nanodeeltjes of ondergrondse diffusie van de katalysator. Verder werd de VACNT's / grafeen-composietfilm bereid als het thermische interfacemateriaal. De VACNT's en grafeen bleken respectievelijk de effectieve verticale en transversale warmteoverdrachtsroutes te zijn.

Achtergrond

Verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisarrays (VACNT's) hebben verschillende uitstekende prestaties en vertonen een groot potentieel voor een breed scala aan toepassingen. Vanwege hun hoge axiale thermische geleidbaarheid zijn veel op VACNT gebaseerde thermische interfacematerialen (TIM's) ontwikkeld voor thermische verpakkingstoepassingen [1,2,3,4,5,6,7]. Om de hoogwaardige VACNT's op verschillende substraten te synthetiseren, is vaak chemische dampafzetting (CVD) gebruikt en moet de bufferlaag op het substraat worden afgezet vóór de afzetting van de katalysator, zoals Fe. Over het algemeen worden de bufferlagen gebruikt om de diffusie van de katalysator in substraten te voorkomen, dus het is ook erg belangrijk om de hoogwaardige bufferlagen op verschillende substraten te bereiken.

Atomic Layer Deposition (ALD) heeft een zelfbeperkend gedrag, wat kan leiden tot pinhole-vrije, dichte en conforme films op complexe niet-planaire substraten [8]. Onlangs hebben veel onderzoekers het gebruikt om de bufferlagen voor de groei van VACNT's af te zetten [9,10,11]. Amama et al. rapporteerde de door water ondersteunde CVD van VACNT's met behulp van ALD Al als bufferlaag [9]. Quinton et al. rapporteerde de drijvende katalysator CVD van VACNT's met Fe als katalysator. Ze ontdekten dat VACNT's een snellere nucleatiesnelheid en een meer uniforme buisdiameter hadden op ALD Al2 O3 bufferlaag, vergeleken met SiO2 [10]. Vergeleken met thermisch en microgolfplasma SiO2 , de VACNT's gekweekt op ALD SiO2 had de hoogste nucleatiesnelheid [10]. Yang et al. meldde dat VACNT's konden worden gesynthetiseerd op niet-planaire substraten met behulp van ALD Al2 O3 als de bufferlaag en Fe2 O3 als katalysator, respectievelijk [11]. Vergeleken met het vlakke oppervlak, zou het niet-planaire oppervlak het specifieke oppervlak aanzienlijk kunnen vergroten, wat zeer gunstig zou zijn voor de voorbereiding en verdere toepassingen van VACNT's [12,13,14]. Hoewel sommige ALD-oxidebufferlagen zijn gesynthetiseerd voor de groei van VACNT's, was hun rol in het CVD-proces nog steeds niet erg duidelijk.

In dit onderzoek hebben we CVD gebruikt om de VACNT's te bereiden met verschillende bufferlagen, waaronder ALD Al2 O3 , ALD TiO2 , ALD ZnO en thermisch geoxideerd SiO2 . De effecten van verschillende oxidelagen en depositietemperatuur op de groei van VACNT's werden geanalyseerd. Trouwens, de VACNT's / grafeencomposietfilm werd ook ontwikkeld als het thermische interfacemateriaal en de VACNT's werden gebruikt als de extra verticale thermische overdrachtsroutes erin.

Methoden

Al2 O3 , ZnO en TiO2 dunne films werden door ALD op Si-substraten afgezet en SiO2 werd gevormd op Si-substraat door thermische oxidatie. Trimethylaluminium (TMA), tetrakis(dimethylamino)titanium (TDMAT) en diethylzink (DEZ) werden gebruikt als de voorlopers voor ALD van Al2 O3 , TiO2 , en ZnO-films, respectievelijk. Voor allemaal, H2 O werd gebruikt als zuurstofbron en de depositietemperatuur werd ingesteld op 200 ° C. De dikte van Al2 O3 , ZnO en TiO2 , en SiO2 films was 20 nm. Een nanometer dikke Fe-film werd op alle platen afgezet door middel van elektronenbundelverdamping (EB), waar het als katalysator werd gebruikt. De CVD-methode werd toegepast om de VACNT's te synthetiseren op basis van een commercieel CVD-systeem (AIXRON Black Magic II). Vóór de groei van VACNT's werd de katalysator uitgegloeid in de waterstof (H2 ) atmosfeer bij 600 °C. De periode was 3 min, en de stroomsnelheid van H2 werd vastgesteld op 700 sccm. Daarna wordt het acetyleen (C2 H2 ) en H2 werden in de kamer gebracht en vervolgens werden VACNT's bereid. De stroomsnelheden van C2 H2 en H2 waren respectievelijk 100 en 700 sccm. De depositietemperatuur werd gewijzigd van 550 naar 700 °C en de periode werd vastgesteld op 30 min.

Na de groei van VACNT's op Al2 O3 , werd de VACNTs / grafeen-composietfilm ook bereid als het thermische interfacemateriaal. Epoxyhars, verharder en verdunningsmiddelen werden gekocht bij Sigma-Aldrich Trading en Tokyo Chemical Industrial Co., Ltd. Het meerlagige grafeen werd gekocht bij Nanjing Xianfeng Nanomaterials Technology Co., Ltd. Voor de bereiding van de composietfilm werd de katalysator eerst gepatroneerd met behulp van een lithografiemachine (URE-2000S/A). De patroongrootte was 500 m en de afstand tussen patronen was 150 m. Ten tweede werden de VACNT's door CVD bij 650 ° C gedeponeerd en was de groeiperiode 30 minuten. Ten derde werden de VACNT's verdicht door de acetondamp en was de periode 20 s. Ten vierde werden grafeen, epoxyhars, verharder en verdunningsmiddel gemengd als de matrix en werd de hoeveelheid grafeen vastgesteld op 10 gew.%. Daarna werden de VACNT's ondergedompeld in de matrix en gedurende 1 uur in een vacuümoven bij 120 ° C en vervolgens gedurende 1 uur bij 150 ° C uitgehard. Ten slotte werd de voorbereide composietfilm gepolijst tot een dikte van ongeveer 300 m, en de uiteinden van VACNT's moeten uit beide oppervlakken steken, zoals weergegeven in Fig. 1.

Schematisch diagram van de VACNTs/grafeen composietfilm

De morfologie van VACNT's en de composietfilm werd geanalyseerd door de veldemissie scanning elektronenmicroscopie (FESEM, Merlin Compact) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM, Tecnai G2 F20 S-TWIN). Raman-spectra van VACNT's werden opgenomen door inVia Reflex, met behulp van een laserexcitatiegolflengte van 632,8 nm. De thermische diffusie (α ) en de soortelijke warmtecapaciteit (Cp) van de composietfilm werden gemeten door respectievelijk de laserflits-thermische analysator (Netzach LFA 467) en differentiële scanningcalorimeter (DSC, Mettler Toledo DSC1). Daarna kon de thermische geleidbaarheid worden berekend volgens de Eq. 1:

$$ \lambda =\alpha \times \mathrm{Cp}\times \rho, $$ (1)

waar λ en ρ waren respectievelijk de thermische geleidbaarheid en dichtheid van de composietfilm.

Resultaten en discussie

Figuur 2 a-d toont de dwarsdoorsnede-SEM-afbeeldingen van VACNT's gekweekt op verschillende oxidebufferlagen bij 650 ° C. De VACNT's zijn met succes voorbereid op Al2 O3 , TiO2 , en SiO2 , zoals getoond in Fig. 2 a, b en d. Onder hen waren de VACNT's het dikst op Al2 O3 , wat aangaf dat de levensduur van katalysator-nanodeeltjes het langst was tijdens de groeiperiode. De levensduur van katalysator-nanodeeltjes vertegenwoordigt de tijd nadat het zijn katalytische functie om koolstofnanobuisjes te laten groeien feitelijk heeft verloren, wat kan worden afgeleid uit de dikte van VACNT's [9]. In tegenstelling hiermee werden de relatief dunne VACNT's afgezet op SiO2 en TiO2 , die kan worden veroorzaakt door de relatief ernstige Ostwald-rijping van katalysator-nanodeeltjes of de ondergrondse diffusie van Fe [15, 16]. Zoals getoond in Fig. 3, is Ostwald-rijping een fenomeen waarbij grotere nanodeeltjes in omvang toenemen, terwijl kleinere nanodeeltjes, die een grotere spanningsenergie hebben, kleiner worden en uiteindelijk verdwijnen via atomaire oppervlaktediffusie [17]. Wanneer een katalysatornanodeeltje verdween, of wanneer er te veel katalysator verloren ging, stopten de koolstofnanobuisjes die eruit groeiden [17]. Bovendien kan ondergrondse diffusie van Fe in de bufferlaag of het substraat ook massaverlies veroorzaken van de katalysatoren die de koolstofnanobuisjes laten groeien, waardoor uiteindelijk de groei wordt stopgezet [16]. Uit Fig. 2 a, b en d konden we ook zien dat de dichtheid van VACNT's het hoogst was op Al2 O3 , en de laagste op TiO2 . Over het algemeen was elke marginale uitlijning die werd waargenomen in CVD-monsters te wijten aan een crowding-effect, en koolstofnanobuisjes ondersteunden elkaar door van der Waals-aantrekking [18]. Daarom betekent dit dat de dichtheid van VACNTS vrij belangrijk was, en een hogere dichtheid resulteerde in het algemeen in een betere verticale uitlijning van VACNT's, wat werd bevestigd in Fig. 2 a, b en d. Bovendien laat Fig. 2c zien dat er bijna geen VACNT's werden gekweekt op ZnO, wat zou kunnen worden veroorzaakt door een veel ernstiger Ostwald-rijping van katalysator-nanodeeltjes en ondergrondse diffusie van Fe, vergeleken met andere [15, 16].

SEM-afbeeldingen in dwarsdoorsnede van VACNT's gekweekt op verschillende oxidebufferlagen bij 650 °C:a Al2 O3 , b TiO2 , c ZnO en d SiO2

Schematische illustratie van Ostwald-rijping en ondergrondse diffusie van Fe-katalysatoren tijdens de groeiperiode van VACNT's

Figuur 4 a–d tonen Raman-spectra van VACNT's gekweekt op Al2 O3 , TiO2 , ZnO en SiO2 . Over het algemeen waren de D-, G- en G'-banden ongeveer 1360 cm −1 , 1580 cm −1 , en 2700 cm −1 , respectievelijk [19, 20]. Voor verschillende oxidebufferlagen is de verhouding van I D en ik G werd berekend als bijna of meer dan 1, en er waren ook geen radiale ademhalingsmodi (RBM's) rond 200 cm −1 . Het gaf aan dat alle voorbereide VACNT's meerwandig waren op Al2 O3 , TiO2 , ZnO en SiO2 . Figuur 5 a-d toont de morfologie van VACNT's op verschillende oxidebufferlagen, die werd geanalyseerd door TEM. De VACNT's waren allemaal meerwandig, wat consistent was met de resultaten van de Raman-analyse. De VACNT's waren meestal driedubbelwandig op Al2 O3 , maar meer dan vier muren op TiO2 , ZnO en SiO2 .

Raman-spectra van VACNT's gekweekt op verschillende bufferlagen bij 650 °C:a Al2 O3 , b TiO2 , c ZnO en d SiO2 . De spectra zijn genormaliseerd naar de intensiteit van de G-band om vergelijking te vergemakkelijken

TEM-afbeeldingen van VACNT's gekweekt op verschillende bufferlagen:a Al2 O3 , b TiO2 , c ZnO en d SiO2

Figuur 6 toont de groeisnelheid van VACNT-variatie met depositietemperatuur op Al2 O3 en SiO2 . Toen de temperatuur toenam, nam de groeisnelheid van VACNT's eerst toe en vervolgens af bij beide. Het kan te maken hebben met de ernstige Ostwald-rijping van katalysator-nanodeeltjes of ondergrondse diffusie van Fe, die de levensduur van katalysator-nanodeeltjes en de groeisnelheid van VACNT's grotendeels verminderde [15, 16]. Boven 600 °C nam de groeisnelheid van VACNT's nog steeds toe op Al2 O3 , maar afgenomen op SiO2 . Het gaf aan dat de levensduur van katalysator-nanodeeltjes op Al2 O3 was langer dan die op SiO2 . Toen de depositietemperatuur lager was dan 500 °C, waren er duidelijke VACNT's op Al2 O3 maar geen VACNT's op SiO2 , wat betekende dat de kiemvorming en initiële groei van VACNT's gemakkelijker werden bereikt op Al2 O3 , vergeleken met SiO2 . Het gaf aan dat de activeringsenergie voor de nucleatie en initiële groei van VACNT's op Al2 O3 was veel lager dan die op SiO2 . Gewoonlijk zou elk katalysatornanodeeltje maximaal één koolstofnanobuisje kunnen produceren, maar niet alle katalysatornanodeeltjes zouden de koolstofnanobuisjes kunnen bereiken, omdat de activeringsenergie moet worden overwonnen voor hun kiemvorming en initiële groei [21,22,23]. Daarom, vergeleken met SiO2 , de lagere activeringsenergie van VACNT's op Al2 O3 zou kunnen resulteren in hun hogere dichtheid, wat kan worden bevestigd door Fig. 2 a en d.

De groeisnelheid van VACNT's variatie met depositietemperatuur op Al2 O3 en SiO2 bufferlagen

Figuur 7a toont de morfologie van VACNT's met de patroonkatalysator op Al2 O3 . Over het algemeen waren er nog veel openingen in VACNT's, die waren gevuld met lucht, zoals weergegeven in Fig. 2a. De thermische geleidbaarheid van lucht was echter slechts 0,023 Wm −1 K −1 bij kamertemperatuur, dus de VACNT's moeten worden verdicht om het te verwijderen. Uit Fig. 7b konden we zien dat de duidelijke verdichting van VACNT's is bereikt met de acetondamp. Figuur 7 c toont de dwarsdoorsnede van de VACNTs/grafeen composietfilm. De VACNT's en grafeen werden daarin gebruikt als de extra verticale en transversale thermische overdrachtsroutes. Afbeelding 8 a en b tonen de verticale en transversale thermische geleidbaarheid van de composietfilm, gemeten op ongeveer 1,25 en 2,50 Wm −1 K −1 , respectievelijk. Vergeleken met de pure epoxyhars zijn de verticale en transversale thermische geleidbaarheid duidelijk verbeterd. Het bevestigde dat de effectieve verticale en transversale warmteoverdrachtsroutes zijn aangeboden door respectievelijk de VACNT's en grafeen in de composietfilm.

een Het SEM-beeld van VACNT's met de katalysator met patroon. b Het SEM-beeld van VACNT's na de verdichting. c Het transversale SEM-beeld van de VACNTs/grafeen composietfilm

Thermische eigenschap van de VACNTs/grafeen composietfilm:a de verticale thermische geleidbaarheid en b de transversale thermische geleidbaarheid

Conclusies

De groei van VACNT's is geanalyseerd op verschillende oxidebufferlagen, zoals ALD Al2 O3 , ALD TiO2 , ALD ZnO en thermisch geoxideerd SiO2 . Onder hen waren VACNT's de dikste en dichtste op Al2 O3 , wat aangaf dat de levensduur van katalysator-nanodeeltjes het langst was en dat de verticale uitlijning van VACNT's de beste was. Bovendien bleken de VACNT's meerlagig te zijn op Al2 O3 , en de depositietemperatuur was zeer kritisch voor de groei van VACNT's. Vergeleken met SiO2 , de kiemvorming en initiële groei van VACNT's werden gemakkelijker bereikt op Al2 O3 , wat resulteerde in een hogere dichtheid van VACNT's erop. Na de groei van VACNT's op Al2 O3 , ze werden gebruikt om de composietfilm samen met grafeen en epoxyhars te maken. Vergeleken met de pure epoxyhars zijn de verticale en transversale thermische geleidbaarheid van de composietfilm grotendeels verbeterd.

Afkortingen

ALD:

Atoomlaagafzetting

C2 H2 :

Acetyleen

CVD:

Chemische dampafzetting

DEZ:

Diethylzink

DSC:

Differentiële scanningcalorimeter

EB:

Elektronenstraal

FESEM:

Veldemissie scanning elektronenmicroscopie

H2 :

Waterstof

LFA:

Laserflits thermische analysator

RBM's:

Radiale ademhalingsmodi

TDMAT:

Tetrakis(dimethylamino)titanium

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie

TIM's:

Thermische interface materialen

TMA:

Trimethylaluminium

VACNT's:

Verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Ocean Carbon afgebeeld op de atoomschaal
    2. Geavanceerde atoomlaagdepositietechnologieën voor micro-LED's en VCSEL's
    3. De atoomherschikking van op GaN gebaseerde meerdere kwantumbronnen in H2/NH3 gemengd gas voor het verbeteren van structurele en optische eigenschappen
    4. Onthulling van de atomaire en elektronische structuur van gestapelde koolstof nanovezels
    5. Het ontwerp van de emissielaag voor elektronenvermenigvuldigers
    6. Verwarmde diëlektroforese voor uitgelijnde enkelwandige koolstof nanobuisfilm met ultrahoge dichtheid
    7. De antibacteriële polyamide 6-ZnO hiërarchische nanovezels vervaardigd door afzetting van atoomlagen en hydrothermische groei
    8. Fotokatalytische eigenschappen van Co3O4-gecoate TiO2-poeders bereid door plasma-versterkte afzetting van atoomlagen
    9. Fermi-niveau-afstemming van ZnO-films door middel van supercyclische atoomlaagafzetting
    10. Magnetische koolstofmicrosferen als herbruikbaar adsorbens voor het verwijderen van sulfonamide uit water
    11. Maak je klaar voor groei