Propiedades eléctricas de nanoestructuras de superficie de polímero de doble cara

Antecedentes

Las nanoestructuras en las superficies atraen mucho interés como un medio eficiente para la dispersión Raman mejorada en la superficie (SERS), la resonancia del plasmón de superficie, la respuesta óptica y eléctrica no lineal y la excitación plasmónica como las nanopartículas, las nanorejillas y los nanopilares, especialmente las nanoestructuras de superficies metálicas [1,2 , 3, 4, 5], que tienen aplicaciones potenciales como dispositivos electrónicos, magnéticos, fotónicos, optoelectrónicos y sensores [6, 7, 8, 9, 10]. Desde el punto de vista de la física, las propiedades físicas básicas de las nanoestructuras de superficie difieren significativamente de las de los materiales a granel con los mismos componentes. En particular, se pueden observar efectos superficiales en las nanoestructuras superficiales. Por lo tanto, las nanoestructuras de superficie han sido un foco importante de investigación sobre materiales de superficie que pueden tomarse como un componente fundamental de la nanotecnología y los nanodispositivos. Cabe señalar que las nanoestructuras de la superficie de los polímeros han mostrado propiedades optoelectrónicas y eléctricas únicas debido al efecto triboeléctrico que es la inducción electrostática que se produce dentro de los materiales poliméricos [11,12,13]. Las estructuras a nanoescala aumentan la rugosidad de la superficie y el área de fricción de contacto para mejorar el efecto triboeléctrico, especialmente las estructuras de superficie de doble cara. El efecto triboeléctrico en nanoestructuras superficiales puede provocar la generación de grandes cargas eléctricas, que pueden obtener corriente conectando electrodos y cables. El efecto triboeléctrico en nanoestructuras de superficie polimérica y fenómenos relacionados contribuye en gran medida a sus prometedoras aplicaciones en nanogeneradores, sensores de presión y temperatura y otros dispositivos electrónicos [14, 15, 16, 17]. Los nanogeneradores pueden transferir energía mecánica en energía eléctrica, y los sensores de presión o temperatura pueden transformar diferentes presiones o temperaturas en señales eléctricas u ópticas detectables.

Como el rápido desarrollo de la nanotecnología, ahora es fácil fabricar nanoestructuras superficiales desordenadas y periódicas complejas, por ejemplo, fotolitografía, litografía por nanoimpresión (NIL), autoensamblaje y litografía de interferencia [18,19,20,21,22]. Como nanotecnología de replicación popular, NIL es simple, de bajo costo, alta resolución y alto rendimiento, lo que es ideal para fabricar nanoestructuras poliméricas [23, 24, 25]. Una de las principales ventajas de aplicar nanoestructuras de superficie como dispositivos electrónicos es que la respuesta eléctrica de las nanoestructuras de superficie se puede ajustar y modular a través de parámetros de estructura variables como el diámetro, la forma y la disposición de las nanoestructuras. Por lo tanto, es importante y significativo examinar las propiedades eléctricas básicas de las nanoestructuras de superficie.

En este artículo, presentamos un estudio experimental detallado sobre las propiedades eléctricas de dos tipos de nanoestructuras de superficie de doble cara, como las redes de rejilla y nanopilares. Las nanoestructuras de superficie de polímero de doble cara se fabrican utilizando un proceso dos veces NIL. Debido a que las nanoestructuras en dos superficies laterales no necesitan estar alineadas, el proceso de impresión es simple y de bajo costo. El electrodo conductor para medir señales eléctricas se prepara mediante la técnica de deposición de metales, como el óxido de indio y estaño (ITO) o una película de Ag. Nos gustaría investigar cómo estas nanoestructuras de superficie pueden responder a la presión externa, cómo sus propiedades eléctricas dependen de los parámetros de la muestra y cómo cambian el voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito de las muestras preparadas.

Métodos

Muestras

En este estudio, se fabrican dos tipos de nanoestructuras de superficie que se van a medir, como matrices de rejillas y nanopilares, y las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) se muestran en la Fig. 1. El período de la rejilla es de aproximadamente 300 nm, el ancho es aproximadamente 160 nm, y el diámetro del nanopilar es de aproximadamente 300 nm.

Imágenes SEM de dos tipos de nanoestructuras superficiales. Una rejilla ( a ) y una matriz de nanopilares ( b ) se muestran

Las muestras preparadas con estructuras de superficie de doble cara se fabrican combinando NIL dos veces curable con UV, y la capa de electrodo conductor entre las estructuras de doble cara se prepara mediante electrodeposición de película de ITO. El esquema de las nanoestructuras de polímero de doble cara se muestra en la Fig. 2. Los materiales de estructura de doble cara son polidimetilsiloxano (PDMS) y Kapton que son materiales elásticos. La capa intermedia es una fina película ITO; por tanto, el dispositivo integrado es flexible. La señal de electricidad se genera debido al efecto de acoplamiento de la electrificación de contacto y la inducción electrostática durante la operación de separación de presión de contacto, que es el principio de medición de las propiedades eléctricas de las nanoestructuras de superficie de doble cara.

Esquema de las nanoestructuras poliméricas de doble cara

Cuando se deforma por una deformación de presión mecánica tocada externamente proporcionada por otros materiales, se generan cargas triboeléctricas y se distribuyen en las superficies del polímero. Tan pronto como la deformación comienza a liberarse, los materiales tocados externamente se separan de la superficie del polímero. Estas cargas triboeléctricas no se pueden compensar, lo que lleva a inducir cargas opuestas en el electrodo ITO para impulsar a los electrones libres a fluir desde el electrodo ITO al circuito externo. Este proceso de inducción electrostática puede dar una señal de voltaje / corriente de salida.

Método de medición

Para medir las propiedades eléctricas de tres tipos de nanoestructuras de superficie con diferentes tamaños, patrones y disposiciones, las mediciones se llevan a cabo bajo la fuerza externa dentro de 0.5 ~ 50 N proporcionada a temperatura ambiente en la Fig. 3. Las propiedades eléctricas se registran usando el motor lineal ajustable (E1100-RS-HC), el dispositivo de prueba de corriente y voltaje (Keithley 6514), el amplificador de bajo ruido (Stanford SR570) y el osciloscopio (MDO 3014). El cambio de fuerza se logra en el motor lineal ajustable, y el osciloscopio podría medir la curva de voltaje y corriente. La configuración del experimento aplicando fuerza de presión sobre las superficies de las muestras se muestra en la Fig. 3.

Fotografía de la configuración del experimento aplicando fuerza externa

Resultados y discusión

Las propiedades eléctricas para diferentes nanoestructuras de superficie se muestran en la Fig. 4 a diferentes fuerzas de presión externa. La tensión de circuito abierto de salida y la corriente de cortocircuito de las redes de rejillas y nanopilares se muestran en la Fig. 4. Como puede verse, la intensidad de las propiedades eléctricas en las nanoestructuras de superficie depende en gran medida de la fuerza de presión. Y se puede encontrar un fenómeno similar para las matrices de rejillas y nanopilares. Se miden la tensión de circuito abierto y la corriente de cortocircuito con la fuerza de presión en 10 s. Los resultados de la medición indican que las propiedades eléctricas de las matrices de rejillas y nanopilares muestran una dependencia de la fuerza diferente. El voltaje de circuito abierto de la estructura de rejilla aumenta lentamente con la fuerza, pero la corriente de cortocircuito aumenta obviamente con la fuerza, como se muestra en la Fig. 4a y b. Por el contrario, las propiedades eléctricas de las matrices de nanopilares se muestran mejor, porque tanto el voltaje de circuito abierto como la corriente de cortocircuito aumentan significativamente con la fuerza de presión durante el mismo tiempo, como se muestra en la Fig. 4c y d. Sin embargo, el voltaje de circuito abierto no cambia cuando la fuerza aumenta de 30,5 N a 42,6 N, pero la corriente de cortocircuito sigue aumentando. Por lo tanto, los resultados experimentales muestran que los complicados nanopilares bidimensionales tienen un mejor rendimiento eléctrico que las estructuras de rejilla unidimensionales.

Las propiedades eléctricas de las nanoestructuras superficiales. Los resultados de la rejilla ( a , b ) y una matriz de nanopilares ( c , d ) se muestran

Para analizar más a fondo las propiedades eléctricas de los arreglos de nanopilares, se miden diferentes arreglos y formas de nanopilares, como aleatorio, cuadrado y hexagonal, y las imágenes SEM de diferentes arreglos de nanopilares se muestran en la Fig. 5. Los nanopilares de arreglo aleatorio y cuadrado son escasamente distribuidos en la Fig. 5a yb, y los diámetros de los nanopilares circulares son de aproximadamente 300 nm y 400 nm, respectivamente. La disposición hexagonal y los nanopilares de forma con aproximadamente 400 nm de diámetro se encuentran empaquetados en la Fig. 5 c. La ampliación de un segmento de nanopilares de disposición hexagonal se muestra en la Fig. 5d. Hay una punta afilada en la parte superior del nanopilar y un nanoespacio de resolución inferior a 50 nm entre los nanopilares, que es similar a la característica de la pirámide a nanoescala.

Imágenes SEM de tres matrices de nanopilares. Aleatorio ( a ) y disposición cuadrada ( b ) nanopilares circulares, disposición hexagonal y matrices de nanopilares de forma ( c ) y una imagen ampliada de nanopilares hexagonales ( d ) se muestran

Las curvas de rendimiento eléctrico con la fuerza para las diferentes muestras de nanopilares se muestran en la Fig. 6. Las curvas negra, roja y azul representan los nanopilares de disposición cuadrada, aleatoria y hexagonal, respectivamente. Los resultados indican que el voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito para tres tipos de nanopilares aumentan rápidamente con la fuerza de presión. Por el contrario, la disposición hexagonal y las matrices de nanopilares de forma muestran el aumento más fuerte (curva azul) y las propiedades eléctricas son las mejores. Cuando la fuerza es inferior a 20 N y 25 N, la tensión de circuito abierto y la corriente de cortocircuito de los nanopilares aleatorios (curva roja) son mayores que las de las matrices de nanopilares de disposición cuadrada (curva negra), y la situación es a cambio a medida que la fuerza sigue aumentando. Una de las principales razones es que la disposición hexagonal puede proporcionar la máxima rugosidad de la superficie y el área de contacto de fricción, que contiene puntas afiladas de mayor resolución (por debajo de 50 nm) y espacios similares a la característica piramidal. Aquí, la rugosidad de la superficie es diferente del parámetro para la caracterización de la suavidad de la superficie de la oblea, que depende principalmente del tamaño de la característica. Aunque el diámetro de los nanopilares hexagonales es similar a otros, los espacios de menos de 50 nm, los bordes afilados y las esquinas aumentan la rugosidad de la superficie de fricción y el área de contacto para aumentar la salida de energía eléctrica. Encontramos que cuando la fuerza es mayor que 35 N, las curvas de voltaje en circuito abierto se vuelven suaves como se muestra en la Fig. 6a, sin embargo, la corriente de cortocircuito para tres tipos de nanopilares sigue aumentando como se muestra en la Fig. 6b. Esto indica que las propiedades eléctricas continúan aumentando con la fuerza, y el aumento se volverá suave cuando la fuerza sea superior a aproximadamente 40 N.

Las propiedades eléctricas de tres tipos de matrices de nanopilares, como el voltaje de circuito abierto ( a ) y corriente de cortocircuito ( b )

Los resultados experimentales demuestran que la fuerza de presión externa de aproximadamente 40 N es una fuerza apropiada para que las matrices de nanopilares hexagonales mejoren las propiedades eléctricas, porque demasiada fuerza de presión puede destruir las muestras de nanoestructura. Este estudio puede proporcionar una base para una mayor investigación de otras propiedades eléctricas u ópticas.

En este artículo, se miden las muestras con nanoestructuras de superficie de doble cara. El mecanismo de medición de las propiedades eléctricas de las nanoestructuras de superficie indica que las nanoestructuras de superficie de doble cara muestran un mejor rendimiento eléctrico.

Conclusiones

En este estudio, se han fabricado matrices de nanopilares y rejillas de polímero de doble cara utilizando nanotecnología de última generación. Las mediciones de propiedades eléctricas en estas nanoestructuras superficiales se han realizado aplicando fuerza externa a temperatura ambiente. Hemos descubierto que la señal eléctrica de estas muestras depende en gran medida de las disposiciones y formas de la fuerza y ​​la estructura. En particular, la señal eléctrica más fuerte se puede observar en las matrices de nanopilares hexagonales con un diámetro de aproximadamente 400 nm que contienen estructuras nítidas de resolución inferior a 50 nm en comparación con otras muestras. Y la fuerza apropiada para medir las propiedades eléctricas es de aproximadamente 40 N. Estos resultados indican que las propiedades eléctricas pueden impulsar nanoestructuras de superficie para aplicaciones en sensores de presión, nanogeneradores y dispositivos electrónicos. Esperamos que el interesante hallazgo experimental de este estudio pueda proporcionar una comprensión profunda de las propiedades eléctricas de las rejillas y los nanopilares con diferentes disposiciones.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado [y sus archivos de información complementaria].

Abreviaturas

ITO:

Óxido de indio y estaño

NINGUNO:

Litografía de nanoimpresión

PDMS:

Polidimetilsiloxano

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

SERS:

Dispersión Raman mejorada en superficie

Técnicas Raman:Fundamentos y fronteras Un factor importante que afecta las propiedades supercapacitivas de las matrices de nanotubos de TiO2 hidrogenado:estructura cristalina