Elektrische Eigenschaften von doppelseitigen Polymeroberflächen-Nanostrukturen

Hintergrund

Nanostrukturen auf Oberflächen wecken großes Interesse als effiziente Medien für oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS), Oberflächenplasmonenresonanz, nichtlineare optische und elektrische Reaktion und plasmonische Anregung wie Nanopartikel, Nanogitter und Nanosäulen, insbesondere Metalloberflächen-Nanostrukturen [1,2 ,3,4,5], die potenzielle Anwendungen als elektronische, magnetische, photonische, optoelektronische und Sensorgeräte haben [6,7,8,9,10]. Aus physikalischer Sicht unterscheiden sich die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Oberflächen-Nanostrukturen deutlich von denen von Bulkmaterialien mit gleichen Komponenten. Insbesondere in den Oberflächen-Nanostrukturen sind Oberflächeneffekte zu beobachten. Daher waren Oberflächen-Nanostrukturen ein wichtiger Schwerpunkt der Forschung an Oberflächenmaterialien, die als grundlegender Baustein der Nanotechnologie und Nanogeräte angesehen werden können. Es sollte beachtet werden, dass Nanostrukturen von Polymeroberflächen aufgrund des triboelektrischen Effekts, der eine elektrostatische Induktion in Polymermaterialien ist, einzigartige optoelektronische und elektrische Eigenschaften aufweisen [11,12,13]. Nanoskalige Strukturen erhöhen die Oberflächenrauheit und die Kontaktreibungsfläche, um den triboelektrischen Effekt zu verstärken, insbesondere doppelseitige Oberflächenstrukturen. Der triboelektrische Effekt in Oberflächen-Nanostrukturen kann die Erzeugung großer elektrischer Ladungen bewirken, die durch Verbinden von Elektroden und Drähten Strom erhalten können. Der triboelektrische Effekt in Polymeroberflächen-Nanostrukturen und verwandte Phänomene trägt stark zu deren vielversprechenden Anwendungen in Nanogeneratoren, Druck- und Temperatursensoren und anderen elektronischen Geräten bei [14,15,16,17]. Die Nanogeneratoren können mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln und die Druck- oder Temperatursensoren können unterschiedliche Drücke oder Temperaturen in detektierbare elektrische oder optische Signale umwandeln.

Als rasante Entwicklung der Nanotechnologie ist es heute einfach, periodische und komplexe ungeordnete Oberflächen-Nanostrukturen herzustellen, zum Beispiel Photolithographie, Nanoimprint-Lithographie (NIL), Selbstorganisation und Interferenzlithographie [18,19,20,21,22]. Als eine beliebte Replikations-Nanotechnologie ist NIL einfach, kostengünstig, hochauflösend und mit hohem Durchsatz, was ideal für die Herstellung von Polymer-Nanostrukturen ist [23,24,25]. Ein großer Vorteil bei der Anwendung von Oberflächen-Nanostrukturen als elektronische Bauelemente besteht darin, dass die elektrische Reaktion der Oberflächen-Nanostrukturen über unterschiedliche Strukturparameter wie Durchmesser, Form und Anordnung der Nanostrukturen abgestimmt und moduliert werden kann. Daher ist es von Bedeutung und Bedeutung, die grundlegenden elektrischen Eigenschaften von Oberflächen-Nanostrukturen zu untersuchen.

In diesem Artikel präsentieren wir eine detaillierte experimentelle Studie zu den elektrischen Eigenschaften von zwei Arten von doppelseitigen Oberflächen-Nanostrukturen, wie Gitter- und Nanosäulen-Arrays. Die doppelseitigen Polymeroberflächen-Nanostrukturen werden im Zweifach-NIL-Prozess hergestellt. Da die Nanostrukturen auf zwei Seitenflächen nicht ausgerichtet werden müssen, ist der Prägeprozess einfach und kostengünstig. Die leitfähige Elektrode zum Messen elektrischer Signale wird durch die Metallabscheidungstechnik hergestellt, wie beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (ITO) oder einen Ag-Film. Wir möchten erforschen, wie diese Oberflächen-Nanostrukturen auf äußeren Druck reagieren können, wie ihre elektrischen Eigenschaften von den Parametern der Probe abhängen und wie sich die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom der vorbereiteten Proben verändern.

Methoden

Beispiele

In dieser Studie werden zwei Arten von zu messenden Oberflächen-Nanostrukturen hergestellt, z. B. Gitter und Nanosäulen-Arrays, und die Rasterelektronenmikroskopie-(REM-)Bilder sind in Abb. 1 gezeigt. Die Periode des Gitters beträgt etwa 300 nm, die Breite beträgt etwa 160 nm und der Durchmesser der Nanosäule beträgt etwa 300 nm.

REM-Bilder von zwei Arten von Oberflächen-Nanostrukturen. Ein Gitter (a ) und ein Nanosäulen-Array (b ) werden angezeigt

Die vorbereiteten Proben mit doppelseitigen Oberflächenstrukturen werden hergestellt, indem zweimal UV-härtbares NIL kombiniert wird, und die leitfähige Elektrodenschicht zwischen den doppelseitigen Strukturen wird durch Elektroabscheidung eines ITO-Films hergestellt. Das Schema der doppelseitigen Polymer-Nanostrukturen ist in Abb. 2 dargestellt. Die Materialien mit doppelseitiger Struktur sind Polydimethylsiloxan (PDMS) und Kapton, die elastische Materialien sind. Die Zwischenschicht ist ein dünner ITO-Film; somit ist das integrierte Gerät flexibel. Das elektrische Signal wird aufgrund des Kopplungseffekts von Kontaktelektrisierung und elektrostatischer Induktion während des Kontaktdruck-Trennvorgangs erzeugt, was das Prinzip der Messung der elektrischen Eigenschaften der doppelseitigen Oberflächen-Nanostrukturen ist.

Schema der doppelseitigen Polymer-Nanostrukturen

Bei der Verformung durch eine von außen berührte mechanische Druckverformung durch andere Materialien werden triboelektrische Ladungen erzeugt und auf den Polymeroberflächen verteilt. Sobald sich die Verformung löst, werden die von außen berührten Materialien von der Polymeroberfläche getrennt. Diese triboelektrischen Ladungen können nicht kompensiert werden, was dazu führt, dass entgegengesetzte Ladungen an der ITO-Elektrode induziert werden, um freie Elektronen dazu zu bringen, von der ITO-Elektrode zum externen Stromkreis zu fließen. Dieser elektrostatische Induktionsprozess kann ein Ausgangsspannungs-/Stromsignal liefern.

Messmethode

Für die Messung der elektrischen Eigenschaften von drei Arten von Oberflächen-Nanostrukturen mit unterschiedlichen Größen, Mustern und Anordnungen werden die Messungen unter der äußeren Kraft innerhalb von 0,5~50 N bei Raumtemperatur in Abb. 3 durchgeführt. Die elektrischen Eigenschaften werden aufgezeichnet unter Verwendung von der einstellbare Linearmotor (E1100-RS-HC), Strom- und Spannungsprüfgerät (Keithley 6514), rauscharmer Verstärker (Stanford SR570) und Oszilloskop (MDO 3014). Die Kraftänderung wird im einstellbaren Linearmotor erreicht, und das Oszilloskop könnte den Spannungs- und Stromverlauf messen. Der Versuchsaufbau, der eine Druckkraft auf die Oberflächen der Proben ausübt, ist in Abb. 3 dargestellt.

Foto des Versuchsaufbaus mit äußerer Krafteinwirkung

Ergebnisse und Diskussion

Die elektrischen Eigenschaften für verschiedene Oberflächen-Nanostrukturen sind in Abb. 4 bei unterschiedlicher äußerer Druckkraft dargestellt. Die Ausgangsleerlaufspannung und der Kurzschlussstrom der Gitter- und Nanosäulen-Arrays sind in Abb. 4 dargestellt. Wie zu sehen ist, hängt die Intensität der elektrischen Eigenschaften in Oberflächen-Nanostrukturen stark von der Druckkraft ab. Ein ähnliches Phänomen lässt sich für Gitter- und Nanosäulen-Arrays feststellen. Die Änderungen der Leerlaufspannung und des Kurzschlussstroms mit der Druckkraft innerhalb von 10 s werden gemessen. Die Messergebnisse zeigen, dass die elektrischen Eigenschaften von Gitter- und Nanosäulen-Arrays unterschiedliche Kraftabhängigkeiten aufweisen. Die Leerlaufspannung der Gitterstruktur steigt langsam mit der Kraft, aber der Kurzschlussstrom steigt offensichtlich mit der Kraft, wie in Abb. 4a und b gezeigt. Im Gegensatz dazu zeigen sich die elektrischen Eigenschaften der Nanosäulen-Arrays besser, da sowohl die Leerlaufspannung als auch der Kurzschlussstrom gleichzeitig mit der Druckkraft deutlich ansteigen, wie in Abb. 4c und d gezeigt. Die Leerlaufspannung ändert sich jedoch nicht, wenn die Kraft von 30,5 N auf 42,6 N ansteigt, der Kurzschlussstrom nimmt jedoch weiter zu. Daher zeigen die experimentellen Ergebnisse, dass die komplizierten zweidimensionalen Nanosäulen eine bessere elektrische Leistung aufweisen als eindimensionale Gitterstrukturen.

Die elektrischen Eigenschaften von Oberflächen-Nanostrukturen. Die Ergebnisse für das Gitter (a , b ) und ein Nanosäulen-Array (c , d ) werden angezeigt

Um die elektrischen Eigenschaften von Nanosäulen-Arrays weiter zu analysieren, werden verschiedene Anordnungen und Formen von Nanosäulen wie zufällig, quadratisch und sechseckig gemessen, und die REM-Bilder verschiedener Nanosäulen-Arrays sind in Abb. 5 gezeigt. Die zufällig und quadratisch angeordneten Nanosäulen sind spärlich in Fig. 5a und b verteilt, und die Durchmesser der kreisförmigen Nanosäulen betragen etwa 300 nm bzw. 400 nm. Die hexagonale Anordnung und Form der Nanosäulen mit einem Durchmesser von etwa 400 nm sind in Abb. 5c dicht gepackt. Die Vergrößerung eines Segments von Nanosäulen mit hexagonaler Anordnung ist in Abb. 5d gezeigt. Auf der Oberseite der Nanosäule befindet sich eine scharfe Spitze und zwischen den Nanosäulen eine Nanolücke mit einer Auflösung von weniger als 50 nm, die der Pyramidenfunktion im Nanobereich ähnelt.

REM-Aufnahmen von drei Nanosäulen-Arrays. Zufällig (a ) und quadratische Anordnung (b ) kreisförmige Nanosäulen, hexagonale Anordnung und geformte Nanosäulen-Arrays (c ) und Vergrößerungsbild von sechseckigen Nanosäulen (d ) werden angezeigt

Die Kurven der elektrischen Leistung mit der Kraft für die verschiedenen Nanosäulenproben sind in Abb. 6 dargestellt. Die schwarzen, roten und blauen Kurven repräsentieren die Nanosäulen mit quadratischer, zufälliger bzw. hexagonaler Anordnung. Die Ergebnisse zeigen, dass die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom für drei Arten von Nanosäulen mit der Druckkraft schnell ansteigen. Im Gegensatz dazu zeigen die Nanosäulen-Arrays mit hexagonaler Anordnung und Form den stärksten Anstieg (blaue Kurve) und die elektrischen Eigenschaften sind die besten. Wenn die Kraft weniger als 20 N und 25 N beträgt, sind die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom der zufälligen Nanosäulen (rote Kurve) höher als die von Nanosäulen-Arrays mit quadratischer Anordnung (schwarze Kurve), und die Situation ist im Gegenzug wie die Kraft weiter zunimmt. Ein Hauptgrund ist, dass die sechseckige Anordnung eine maximale Oberflächenrauheit und Reibungskontaktfläche bieten kann, die eine höhere Auflösung (unter 50 nm) scharfe Spitzen und Lücken ähnlich der Pyramidenfunktion enthält. Hier unterscheidet sich die Oberflächenrauheit von dem Parameter für die Charakterisierung der Waferoberflächenglätte, der hauptsächlich von der Strukturgröße abhängt. Obwohl der Durchmesser der sechseckigen Nanosäulen ähnlich ist wie bei anderen, erhöhen die Sub-50-nm-Spalte, scharfen Kanten und Ecken die Oberflächenreibungsrauheit und Kontaktfläche, um die elektrische Leistung zu erhöhen. Wir stellen fest, dass die Leerlaufspannungskurven glatt werden, wie in Fig. 6a gezeigt, wenn die Kraft größer als 35 N ist, der Kurzschlussstrom für drei Arten von Nanosäulen jedoch immer noch ansteigt, wie in Fig. 6b gezeigt. Dies zeigt an, dass die elektrischen Eigenschaften mit der Kraft weiter zunehmen, und die Zunahme wird sanft, wenn die Kraft mehr als etwa 40 N beträgt.

Die elektrischen Eigenschaften für drei Arten von Nanosäulen-Arrays, z. B. Leerlaufspannung (a ) und Kurzschlussstrom (b )

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die externe Druckkraft von ungefähr 40 N eine geeignete Kraft für die hexagonalen Nanosäulen-Arrays ist, um die elektrischen Eigenschaften zu verbessern, da zu viel Druckkraft die Nanostrukturproben zerstören kann. Diese Studie kann eine Grundlage für weitere Untersuchungen anderer elektrischer oder optischer Eigenschaften sein.

In diesem Artikel werden die Proben mit doppelseitigen Oberflächen-Nanostrukturen gemessen. Der Messmechanismus der elektrischen Eigenschaften von Oberflächen-Nanostrukturen zeigt, dass die doppelseitigen Oberflächen-Nanostrukturen eine bessere elektrische Leistung aufweisen.

Schlussfolgerungen

In dieser Studie wurden doppelseitige Polymergitter und Nanosäulen-Arrays mit modernster Nanotechnologie hergestellt. Die Messungen der elektrischen Eigenschaften dieser Oberflächen-Nanostrukturen wurden unter Anwendung externer Kraft bei Raumtemperatur durchgeführt. Wir haben festgestellt, dass das elektrische Signal dieser Proben stark von Kraft- und Strukturanordnungen und -formen abhängt. Insbesondere kann das stärkste elektrische Signal in den hexagonalen Nanosäulen-Arrays mit einem Durchmesser von etwa 400 nm beobachtet werden, die im Vergleich zu anderen Proben scharfe Strukturen mit einer Auflösung von weniger als 50 nm enthalten. Und die geeignete Kraft zur Messung elektrischer Eigenschaften beträgt etwa 40 N. Diese Ergebnisse zeigen, dass die elektrischen Eigenschaften Oberflächen-Nanostrukturen für Anwendungen in Drucksensoren, Nanogeneratoren und elektronischen Geräten antreiben können. Wir hoffen, dass die interessanten experimentellen Erkenntnisse aus dieser Studie ein tieferes Verständnis der elektrischen Eigenschaften von Gittern und Nanosäulen mit unterschiedlichen Anordnungen ermöglichen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel [und seinen ergänzenden Informationsdateien] enthalten.

Abkürzungen

ITO:

Indium-Zinn-Oxid

NIL:

Nanoimprint-Lithographie

PDMS:

Polydimethylsiloxan

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

SERS:

Oberflächenverstärkte Raman-Streuung