Fabrikasi Struktur Periodik 3D Berbasis Nanoshell dengan Proses Pembuatan Template menggunakan ZnO yang diturunkan dari Solusi
Abstrak
Metode fabrikasi untuk struktur nano periodik 3D dengan sifat yang sangat baik dan unik untuk berbagai aplikasi, seperti kristal fotonik dan fononik, telah menarik minat yang cukup besar. Proses templating menggunakan kristal koloid telah diusulkan untuk membuat struktur 3D berbasis nanoshell di area yang luas dengan mudah. Namun, ada keterbatasan teknis dalam desain struktural, yang mengakibatkan kesulitan untuk fleksibilitas struktural. Di sini, kami mendemonstrasikan kombinasi pola nano bidang kedekatan dan proses infiltrasi menggunakan ZnO yang diturunkan dari larutan untuk struktur periodik 3D berbasis nanoshell dengan fleksibilitas struktural dan kemampuan kontrol yang tinggi. Proses unik infiltrasi bahan turunan larutan ke dalam template polimer yang disiapkan oleh proses nanopatterning bidang proximity mencapai fabrikasi lapisan yang telah dibentuk sebelumnya yang berfungsi sebagai lapisan pelindung untuk template dan kerangka kerja untuk struktur terbalik. Selanjutnya, proses ini menunjukkan pengendalian ketebalan nanoshell dan peningkatan yang signifikan dalam faktor susut tinggi struktur (16%) dibandingkan dengan metode infiltrasi non-vakum sebelumnya (34%). Metode yang diusulkan menawarkan kemampuan kontrol dan fleksibilitas yang tinggi dalam desain ukuran struktural, yang mengarah pada pengembangan lebih lanjut menuju struktur 3D berbasis nanoshell untuk berbagai aplikasi termasuk perangkat energi dan sensor.
Latar Belakang
Struktur nano periodik tiga dimensi (3D) telah menerima banyak perhatian karena sifatnya yang sangat baik dan unik. Potensi teknologi ini adalah bidang yang berkembang pesat yang menjanjikan dalam berbagai aplikasi termasuk kristal fotonik (PhCs) [1,2,3], kristal fononik (PnCs) [4], bahan baterai [5, 6], dan saluran mikrofluida. [7]. Penelitian telah menunjukkan bahwa periodisitas struktural dapat dicapai dengan menggunakan berbagai metode fabrikasi [8,9,10,11] dengan kemampuan kontrol dan fleksibilitas yang tinggi, yang merupakan karakteristik yang sangat penting untuk teknologi ini. Proses templating menyediakan prosedur sederhana dibandingkan dengan pendekatan bottom-up tradisional, menggunakan struktur periodik 3D sebagai templat yang terdiri dari bola koloid yang dirakit sendiri atau fotopolimer diikuti oleh infiltrasi bahan anorganik dan penghilangan templat [9, 12,13,14] ,15,16,17,18,19]. Meskipun proses vakum dengan deposisi lapisan atom (ALD) diikuti oleh deposisi uap kimia (CVD) telah digunakan sebagai teknik infiltrasi, overlayer berlebih yang terbentuk pada template setelah infiltrasi akan memerlukan etsa ion reaktif tambahan (RIE) untuk menghilangkannya. 9, 18, 19]. Sebaliknya, proses non-vakum dengan elektrodeposisi [7, 12, 20] dan reaksi sol-gel [13, 21,22,23] memberikan penciptaan struktur terbalik yang halus dan telah menunjukkan sifat optik dari struktur periodik 3D yang dihasilkan. dari ZnO, Cu2 O, dan TiO2 [13, 20, 23]. Selain itu, proses non-vakum memiliki keunggulan efektivitas biaya dan waktu pemrosesan yang lebih singkat.
ZnO adalah bahan semikonduktor yang menjanjikan dengan sifat optik dan listrik yang luar biasa. Selain itu, stabilitas kimia dan termal [24] menjadikan ZnO kandidat yang sangat baik untuk berbagai aplikasi seperti PhC, sensor, dan elektroda transparan [13, 14, 24]. Selain itu, ZnO yang didoping Al juga telah menunjukkan kinerja tinggi di bidang perangkat termoelektrik tanpa memerlukan elemen beracun atau langka [25, 26].
Sementara itu, material berstruktur nano artifisial telah menarik banyak perhatian sebagai sarana fabrikasi struktur nano dengan sifat unik. Misalnya, Biswas et al. menyarankan bahwa arsitektur hirarkis 3D dengan mikro dan struktur nano memberikan kontribusi kuat untuk pengurangan konduktivitas termal yang mengarah ke peningkatan yang signifikan dalam kinerja termoelektrik [27]. Ini menunjukkan bahwa metode fabrikasi dengan keserbagunaan dan kesederhanaan yang luar biasa sangat diinginkan untuk persiapan arsitektur hierarkis 3D yang tertata dengan baik, untuk meningkatkan dan mengelola berbagai karakteristik material. Di antara arsitektur, yang hierarkis yang terdiri dari struktur nanoshell yang dibuat oleh proses templating [28,29,30,31] telah menjadi fokus perhatian karena rasio permukaan-ke-volume yang sangat tinggi tidak seperti struktur terbalik tradisional. Namun, teknik ALD membutuhkan pompa vakum dengan konsumsi energi tinggi dan peralatan mahal; keduanya diperlukan untuk proses infiltrasi untuk membuat struktur periodik 3D berbasis nanoshell [28, 29]. Akibatnya, infiltrasi menggunakan proses non-vakum memiliki kesulitan teknis dalam memperoleh pengendalian ketebalan nanoshell, karena padat menyusup bahan solusi yang diturunkan ke dalam template 3D untuk membuat kerangka monolitik untuk struktur terbalik berdiri bebas [20, 23, 31]. Sampai saat ini, bidang yang muncul ini tidak memiliki laporan substansial tentang metode fabrikasi untuk struktur periodik 3D berbasis nanoshell menggunakan proses non-vakum yang konsisten.
Dalam makalah ini, kami mendemonstrasikan kombinasi proses proximity field nanopatterning (PnP) [32,33,34,35,36] dan proses infiltrasi dengan ZnO yang diturunkan dari larutan, untuk membuat struktur periodik 3D berbasis nanoshell. PnP adalah metode untuk membentuk struktur periodik polimerik 3D yang memanfaatkan distribusi intensitas cahaya 3D menjadi fotopolimer, yang dihasilkan oleh perjalanan cahaya melalui topeng pergeseran fasa dengan pola relief periodik. Proses ini memiliki fleksibilitas tinggi dalam desain ukuran struktur dengan mengubah pola relief karena distribusi intensitas sangat bergantung pada desainnya. Dengan demikian, proses ini dapat mengatasi masalah proses templating dari koloid self-assembly seperti kesulitan dalam modifikasi struktural dan ketidakseragaman yang disebabkan oleh cacat [30]. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membuat arsitektur hierarki 3D berbasis nanoshell dengan metode non-vakum yang konsisten menggunakan ZnO yang diturunkan dari larutan. Selain itu, penelitian ini mengevaluasi faktor penyusutan struktur periodik ZnO 3D yang dibuat dengan proses templating polimer.
Metode
Persiapan Template Polimer 3D oleh PnP
Kaca penutup (ketebalan 0,16–0,19 mm) yang dibersihkan dengan plasma oksigen selama 2 menit digunakan sebagai substrat. Film bilayer disiapkan pada substrat untuk mencegah delaminasi membran berstrukturnano selama proses pengembangan. Informasi rinci tentang prosedur untuk template polimer 3D dijelaskan dalam literatur [28, 32, 33, 37]. Pertama, photoresist nada negatif (SU-8, MicroChem) yang terpapar sinar UV terbentuk pada substrat sebagai lapisan adhesi (<2 μm). Film photoresist dengan ketebalan 10 m kemudian dispin-coated (2000 rpm selama 30 detik) pada lapisan adhesi. Film lapisan ganda yang disiapkan substrat selanjutnya dipanggang lembut (95 °C selama 10 menit) di atas hot plate. Masker pergeseran fasa yang digunakan dalam penelitian ini terbuat dari poli(dimetilsiloksan) (PDMS) (VDT-731, HMS-301, Gelest), yang memiliki pola relief bersusun persegi yang terdiri dari silinder (periodisitas 600 nm, diameter 480 nm, kedalaman relief 420 nm). Masker pergeseran fase PDMS secara langsung dikontakkan dengan permukaan atas film photoresist selama penyinaran UV. Setelah penyinaran UV (panjang gelombang 355 nm) melalui masker pergeseran fasa menggunakan laser Nd:YAG (Awave355-300mW40K, Advanced Optowave) dengan beam expander dan kolimator, sampel dipanggang pasca-pajanan (65 °C selama 7 mnt. ) di atas piring panas. Daerah yang tidak terpapar kemudian dihilangkan menggunakan propilen glikol metil eter asetat (PGMEA) (pengembang SU-8, MicroChem) diikuti dengan pembilasan dengan etanol sehingga diperoleh cetakan polimer 3D [32,33,34,35,36].
Fabrikasi Struktur 3D Berbasis Nanoshell
Gambar 1 menunjukkan diagram skema prosedur yang menggunakan proses infiltrasi dengan ZnO yang diturunkan dari larutan untuk struktur periodik 3D berbasis cangkang nano. Larutan prekursor ZnO (2,0 M) yang terdiri dari bahan dekomposisi organik logam (MOD) (SYM-Zn20, Lab Kimia Kojundo) digunakan sebagai bahan infiltrasi. Awalnya, beberapa tetes larutan prekursor diendapkan sehingga seluruh permukaan atas template polimer 3D yang disiapkan oleh PnP tertutup. Sampel kemudian dilapisi spin pada 2000 rpm selama 20 detik untuk mencapai keseragaman pasokan larutan. Selanjutnya, vakum degassing dilakukan untuk membantu penetrasi ke bagian bawah template, seperti yang biasa digunakan dalam fabrikasi dye-sensitized solar cell (DSSC) [38, 39]. Pra-pembakaran akhirnya dilakukan dalam tungku listrik (FO310, Yamato Scientific) pada 220 °C selama 1 jam dalam atmosfer oksigen (laju aliran 14 L/menit). Kondisi suhu yang digunakan pada keadaan gel dari prekursor ZnO ditentukan dengan mengacu pada penelitian kami sebelumnya [40]. Selanjutnya, prosedur dari spin-coating hingga pre-baking dilakukan beberapa kali untuk menguji ketergantungan nomor siklus dari proses infiltrasi pada sifat struktural yang dihasilkan.
Diagram skema prosedur menggunakan proses infiltrasi dengan larutan ZnO yang diturunkan untuk struktur 3D berbasis nanoshell. a Pembuatan template dengan proses PnP. b Infiltrasi larutan prekursor ZnO ke dalam template dan pre-baking beberapa kali, dan c Pasca-pembakaran untuk menghapus template
Untuk mendapatkan struktur ZnO 3D dengan menggunakan proses template, diperlukan penghilangan template setelah proses infiltrasi. Selain itu, karena perlakuan panas yang tidak memadai, penghilangan sisa prekursor ZnO yang menyusup ke dalam template juga diperlukan. Dengan demikian, pasca-pembakaran memiliki tujuan ganda:terutama, untuk menghilangkan template dan, akibatnya, untuk berkontribusi pada pirolisis prekursor sebagai persiapan untuk ZnO. Dalam hal ini, post-baking dilakukan pada template yang diinfiltrasi prekursor pada 410 °C selama 4 jam dalam atmosfer oksigen [19]. Penelitian kami sebelumnya telah menunjukkan bahwa suhu pirolisis prekursor berada di atas 360°C [40]. Seperti disebutkan di atas, prosedur ini memiliki dua proses pemanggangan yang berbeda karena pasca-pemanggangan pada suhu lebih besar dari 400 °C setelah infiltrasi tanpa pra-pembakaran menyebabkan keruntuhan struktural (File tambahan 1:Gambar S1a, b).
Karakterisasi
Morfologi struktur periodik 3D yang dibuat oleh PnP dan infiltrasi ZnO yang diturunkan dari larutan diamati dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM) (SU-6600, Hitachi). Kami mengevaluasi periodisitas, kualitas, dan keseragaman struktural dalam struktur yang diperoleh untuk setiap langkah fabrikasi dengan gambar SEM penampang. Selain itu, faktor penyusutan diperkirakan dengan pengukuran perbedaan ukuran struktural antara struktur ZnO yang dihasilkan dan templat yang disiapkan oleh PnP. Selain itu, analisis spektrometri sinar-X (EDX) dispersi energi dilakukan untuk mengkonfirmasi penghapusan template dan untuk mengidentifikasi rasio komposisi ZnO yang diturunkan dari larutan, menggunakan peralatan yang sama dengan tegangan percepatan 5,0 kV. Untuk mengukur spektrum reflektansi dari template polimer dan struktur periodik 3D berbasis nanoshell, spektroskopi UV-Vis (V-570, JASCO) digunakan. Selanjutnya, energi celah pita ZnO yang diturunkan dari larutan diperkirakan secara eksperimental dengan mengukur spektrum transmisi.
Hasil dan Diskusi
Ukuran struktural dalam struktur ZnO 3D yang diperoleh melalui proses templating sangat bergantung pada ukuran templat utama. Periodisitas berulang dalam arah di luar bidang (z sumbu) dalam struktur, yang disebut jarak Talbot (ZB ), yang disiapkan oleh PnP dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut [41].
Rumusnya terdiri dari cahaya iradiasi dengan panjang gelombang di ruang bebas λ0 , indeks bias medium nm , dan periodisitas pola relief p . Dalam penelitian ini, jarak ideal Talbot dihitung menggunakan rumus dengan parameter:λ0 = 355 nm, nm = 1,66, dan p = 600 nm. Tabel 1 menunjukkan jarak Talbot dari nilai teoretis dan nilai terukur dari template SU-8 yang disiapkan.
Ditemukan bahwa jarak Talbot dalam template menyusut 29,2% dibandingkan dengan nilai teoritis. Demikian pula, penelitian sebelumnya telah melaporkan bahwa penyusutan struktur nano SU-8 terjadi bahkan dalam ukuran fitur yang berbeda selama proses pengembangan [35, 42]. Jadi, saat membuat struktur 3D yang presisi dan akurat, penting untuk mempertimbangkan faktor penyusutan.
Gambar 2 menyajikan gambar SEM penampang struktur 3D prekursor/polimer ZnO yang dibuat dengan proses infiltrasi dengan nomor siklus yang berbeda dari satu hingga enam. Seperti yang terlihat dari gambar SEM, prekursor ZnO yang dipanggang sebelumnya didistribusikan secara merata ke seluruh permukaan templat di semua nomor siklus, menunjukkan lapisan konformal tanpa distorsi atau cacat yang signifikan. Ada perbedaan yang jelas antara hasil dengan dan tanpa infiltrasi prekursor sebelum proses pra-pembakaran. Keruntuhan struktural dikonfirmasi setelah pemanggangan awal pada 220 °C tanpa ZnO yang dilapisi sebelumnya (File tambahan 1:Gambar S1c). Jelas bahwa precoated ZnO precoated berperan sebagai lapisan pelindung untuk mencegah keruntuhan struktural yang disebabkan oleh penyusutan template SU-8 selama annealing meskipun satu siklus proses infiltrasi. Selain itu, precoated ZnO precoated menjadi lebih kental dengan meningkatkan jumlah siklus proses infiltrasi dan enam siklus sudah cukup untuk sepenuhnya mengisi template polimer 3D dengan pre-baked ZnO prekursor. Lebih penting lagi, kami mendemonstrasikan struktur 3D prekursor/polimer ZnO dengan faktor pengisian yang sama dari prekursor pra-lapisan dari bawah ke atas. Dalam makalah ini, faktor pengisian mewakili proporsi prekursor terinfiltrasi dengan volume template polimer setelah proses infiltrasi. Sejauh ini, metode sol-gel dan elektrodeposisi telah dilakukan untuk infiltrasi bahan anorganik yang seragam ke dalam template 3D. Namun, metode tersebut memerlukan infiltrasi densitas tinggi untuk mendapatkan struktur terbalik monolitik dan berdiri bebas setelah penghapusan template. Selain itu, bahan untuk struktur terbalik berasal dari sisi elektroda, yang mengarah ke gradien distribusi dalam struktur, terutama pada metode yang terakhir. Oleh karena itu, ada beberapa laporan tentang pembuatan struktur terbalik 3D berbasis nanoshell menggunakan proses non-vakum dengan kemampuan kontrol ketebalan. Sebaliknya, kami mencapai infiltrasi seragam dengan faktor pengisian yang relatif rendah melalui proses yang diusulkan dan berhasil menunjukkan kemampuan kontrol untuk ketebalan prekursor pra-lapisan oleh proses infiltrasi.
Gambar SEM penampang struktur 3D prekursor/polimer ZnO. Proses infiltrasi dilakukan dengan nomor siklus yang berbeda dari satu sampai enam (a –f )
Proses pemanggangan tambahan diperlukan untuk mendapatkan struktur terbalik ZnO 3D karena suhu yang tidak mencukupi karena masih ada pelarut sisa dalam ZnO pra-pelapisan untuk menghilangkan template polimer dalam pra-pembakaran. Dengan demikian, pasca-pembakaran pada 410 °C selama 4 jam dilakukan dengan tungku listrik di atmosfer oksigen untuk menghilangkan template dan pirolisis untuk pre-coated ZnO prekursor terjadi pada waktu yang sama. Gambar 3 menunjukkan gambar SEM penampang dari struktur terbalik 3D yang dihasilkan setelah pasca-pemanggangan. Hasilnya, kami memperoleh struktur terbalik 3D dengan pori-pori di semua kasus di mana nomor siklus proses infiltrasi ditetapkan dari satu hingga enam. Namun, struktur terbalik 3D yang diinfiltrasi prekursor dari satu hingga tiga siklus menunjukkan beberapa distorsi struktural, cacat, dan pemendekan yang signifikan dalam arah di luar bidang. Kami menganggap bahwa pemendekan film berstrukturnano ini disebabkan oleh deformasi prekursor pra-pelapisan di sepanjang templat dengan penyusutan yang dihasilkan dari penghilangan selama proses pasca pemanggangan. Lebih penting lagi, struktur infiltrasi satu siklus memiliki arsitektur gradien berkala dengan struktur yang lebih kecil di bagian bawah menuju sisi atas dalam arah yang tidak rata. Hal ini dapat dikaitkan dengan dua alasan:(i) Penghapusan template dimulai lebih awal di sisi bawah daripada sisi atas sebelum pemadatan ZnO; (ii) bagian bawah struktur terbalik mengalami deformasi tekan karena beratnya sendiri setelah pelepasan templat. Saran ini konsisten dengan hasil dalam studi proses templat sebelumnya menggunakan SU-8 untuk mendapatkan pola invers 2D berbasis nanoshell [43, 44], yang telah melaporkan bahwa fitur struktural invers 2D dapat diubah tergantung pada beban yang disengaja dan bagaimana template telah dihapus selama proses memanggang. Dalam penelitian ini, kami juga dapat mengamati deformasi struktur terbalik 3D di area sambungan dengan ketebalan lapisan terbalik pasca-panggang yang lebih tipis. Selain itu, dapat dilihat pada kasus struktur infiltrasi satu siklus yang dilakukan (File tambahan 1:Gambar S2). Hasil ini menunjukkan kemungkinan bahwa kondisi pasca-pemanggangan yang lebih rinci (yaitu suhu, profil suhu naik dan turun) mempengaruhi fitur struktural arsitektur 3D berbasis nanoshell dengan struktur hierarkis.
Gambar SEM penampang dari struktur terbalik 3D yang dihasilkan setelah pasca-pemanggangan. Proses infiltrasi dilakukan dengan nomor siklus yang berbeda dari satu sampai enam (a –f )
Kami mendemonstrasikan pembuatan struktur periodik 3D berbasis nanoshell dengan distorsi dan cacat struktural yang relatif rendah menggunakan infiltrasi empat siklus. Selanjutnya, struktur yang dibuat dari infiltrasi enam siklus memiliki periodisitas struktural yang paling teratur. Gambar 4 menunjukkan gambar SEM penampang dengan perbesaran yang lebih tinggi dari struktur terbalik 3D (Gbr. 3d–f). Akibatnya, ketebalan nanoshell dalam struktur terbalik 3D dengan infiltrasi dari empat hingga enam siklus masing-masing adalah <85, <100, dan <125 nm. Hasil ini menunjukkan bahwa peningkatan inkremental dalam jumlah prekursor terinfiltrasi dengan meningkatkan jumlah siklus proses infiltrasi berkontribusi pada pembentukan kerangka monolitik dan struktur invers 3D yang dihasilkan dengan periodisitas teratur yang diturunkan dari templat. Umumnya, infiltrasi densitas tinggi merupakan prasyarat untuk struktur 3D yang berdiri sendiri untuk menjaga periodisitasnya dalam proses non-vakum, sehingga membentuk struktur yang dihasilkan dengan faktor pengisian yang ditentukan tergantung pada template. Sebaliknya, kami berhasil mendemonstrasikan pembuatan struktur periodik 3D berbasis nanoshell melalui preformasi prekursor pra-panggang yang berfungsi sebagai lapisan pelindung untuk templat SU-8 dan kerangka kerja monolitik untuk struktur terbalik juga. Menariknya, proses ini tidak memberikan overlay yang berlebihan pada template selama proses infiltrasi, yang menghambat penetrasi larutan prekursor ke dalam template. Karena struktur 3D berbasis nanoshell disusupi secara seragam, prekursor ZnO dari bagian bawah ke atas diperoleh melalui infiltrasi berurutan siklus demi siklus (File tambahan 1:Gambar S3). Sejauh ini, pengendalian ketebalan struktur nanoshell yang diperoleh dengan proses infiltrasi yang diusulkan lebih rendah daripada metode yang menggunakan teknik ALD, yang menunjukkan kemampuan untuk memberikan akurasi tingkat atom dan permukaan yang seragam. Meskipun batasan ini mungkin mempersempit jangkauan aplikasi, masalah ini dapat diperbaiki dengan kemajuan lebih lanjut dari proses kami dengan kondisi infiltrasi yang optimal. Selain itu, proses kami adalah proses non-vakum berbasis solusi hemat biaya yang memberikan dampak tinggi dibandingkan dengan proses vakum seperti ALD, karena proses vakum menghasilkan fabrikasi yang mahal serta waktu pemrosesan yang lama.
Gambar SEM penampang dengan perbesaran lebih tinggi dari struktur terbalik 3D berbasis nanoshell. Proses infiltrasi dilakukan dengan nomor siklus yang berbeda dari empat sampai enam (a –c )
Kami melakukan analisis EDX untuk memeriksa apakah templat SU-8 telah dihilangkan dan untuk mengidentifikasi rasio komposisi ZnO yang diturunkan dari larutan setelah pasca-pemanggangan pada 410 °C selama 4 jam. Analisis EDX dengan tegangan percepatan 5,0 kV dilakukan pada struktur penampang untuk sampel yang dilakukan sebelum dan sesudah pemanggangan (File tambahan 1:Gambar S4). Dalam pengukuran ini, kami dapat mengidentifikasi puncak ZnLα (1,025 keV), OKα (0,531 keV), dan CKα (0,283 keV) yang berasal dari template SU-8 dan ZnO yang diturunkan dari larutan dari spektrum EDX yang diperoleh. Gambar 5 mengilustrasikan perbedaan jumlah karbon dan rasio komposisi seng dan oksigen. Ini adalah nilai rata-rata yang dihitung dari delapan hasil yang terdeteksi pada titik pengamatan yang berbeda untuk kedua sampel. Jelas bahwa jumlah karbon berkurang secara signifikan dari 47,8 menjadi 3,5% melalui pasca pemanggangan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a, yang berarti bahwa proses pasca pemanggangan efektif dalam menghilangkan template dan pirolisis prekursor ZnO pra-pelapisan. pada waktu bersamaan. Variasi jumlah karbon dalam sampel sebelum pasca-pemanggangan dihasilkan dari fakta bahwa ada perbedaan area terbuka dari template tergantung pada lokasi. Gambar 5b menunjukkan bahwa rasio komposisi ZnO yang diturunkan dari larutan setelah pasca-pemanggangan adalah 58.3:41.7 (Zn:O), yang hampir sama dengan nilai untuk nanorod ZnO yang dibuat dengan proses non-vakum seperti deposisi rendaman kimia ( CBD) [45] dan metode hidrotermal [46].
Perbedaan jumlah karbon dan perbandingan komposisi ZnO sebelum dan sesudah dipanggang. a jumlah karbon dan b rasio komposisi ZnO diperoleh dengan analisis EDX. Ini adalah nilai rata-rata yang dihitung dari delapan hasil yang terdeteksi di titik pengamatan yang berbeda untuk kedua sampel
Untuk mengevaluasi faktor penyusutan struktur terbalik ZnO 3D dengan infiltrasi enam siklus dalam proses templating, tinggi struktur dan periodisitas dalam arah dalam bidang templat dan struktur terbalik yang ditunjukkan pada Gambar. 6a diukur dari gambar SEM penampang. Kami membuat histogram yang mewakili nilai terukur dari ukuran strukturalnya (Gbr. 6b) dan meringkas nilai rata-rata serta faktor penyusutan yang dihitung pada Tabel 2.
Struktur gambar 2D dan histogram yang mewakili nilai terukur dari ukuran struktural. a Diagram skema tinggi struktur 2D dan periodisitas dalam arah bidang struktur dan (b ) histogram yang mewakili nilai terukur dari ukuran struktural untuk template dan struktur terbalik untuk ZnO dan SU-8
Dari hasil ini, faktor penyusutan tinggi struktur dan periodisitas arah bidang sekitar 16% untuk kedua ukuran. Dalam proses templating ini, kami percaya bahwa penyusutan ZnO yang diturunkan dari larutan itu sendiri tidak secara dominan berkontribusi pada penyusutan struktur 3D yang dihasilkan karena fitur struktural sangat bergantung pada templat SU-8 yang berfungsi sebagai kerangka awal. Oleh karena itu, hal ini menunjukkan bahwa penyusutan ZnO yang diturunkan dari larutan berpengaruh pada ketebalan kulit nano ZnO dan tidak mempengaruhi periodisitas arah in-plane untuk struktur yang dihasilkan. Jadi, ketika membuat struktur 3D yang presisi dan akurat, penting untuk mempertimbangkan faktor penyusutan. Kami membandingkan faktor susut tinggi struktur dalam penelitian ini dengan penelitian serupa [23] menggunakan template polimer dan TiO2 pendahulu. Kami menemukan bahwa proses yang kami usulkan menunjukkan peningkatan faktor susut tinggi struktur dari 34% [23] menjadi 16%. Peningkatan ini menyimpulkan bahwa prekursor ZnO pra-pelapis memainkan peran penting sebagai kerangka kerja untuk struktur terbalik selama pasca-pembakaran.
Spektrum reflektansi template polimer dan struktur ZnO 3D berbasis nanoshell diukur dengan spektroskopi UV-Vis (File tambahan 1:Gambar S5). Puncak reflektansi template dan struktur ZnO 3D diperoleh pada panjang gelombang masing-masing 410 dan 450 nm. Meskipun tidak ada puncak reflektansi yang menyiratkan penciptaan celah pita fotonik, puncak reflektansi yang serupa dengan templat—yang bisa setinggi 62%—terpantau. Kami juga mengevaluasi celah pita elektronik ZnO yang dibuat oleh proses templating yang kami usulkan dari spektrum transmisi yang diukur, untuk memeriksa apakah ZnO dibuat dari aspek properti optik. Akibatnya, celah pita elektronik ZnO yang membentuk struktur 3D berbasis nanoshell ditemukan sebesar 3,0 eV, yang ditentukan dari (αhν )
2
vs energi foton (hν ) plot (File tambahan 1:Gambar S6). Nilai celah pita ini sesuai dengan nilai nanorod ZnO yang dibuat dengan metode CBD [47].
Kesimpulan
Kami berhasil melakukan kombinasi proses nanopatterning dan infiltrasi bidang kedekatan menggunakan ZnO yang diturunkan dari larutan untuk struktur periodik 3D berbasis nanoshell dengan fleksibilitas struktural dan kemampuan kontrol. Proses infiltrasi baru tanpa templat koloid yang rusak menghasilkan struktur nanoshell 3D, sebanding dengan struktur yang terbentuk dari proses ALD yang lambat dan mahal. Studi kami mengungkapkan pengaruh jumlah siklus proses infiltrasi pada cacat struktural dan ukuran struktur ZnO 3D yang dihasilkan. Kami menunjukkan bahwa proses infiltrasi unik berguna dalam pembuatan lapisan yang telah dibentuk sebelumnya yang berfungsi sebagai lapisan pelindung untuk template dan kerangka kerja untuk struktur terbalik alih-alih proses ALD. Analisis EDX menunjukkan penurunan drastis jumlah karbon dalam struktur setelah pasca pemanggangan, yang menunjukkan penghilangan template secara simultan dan pirolisis prekursor ZnO yang telah dilapisi sebelumnya. Kami juga berhasil mencapai peningkatan yang signifikan dalam faktor penyusutan tinggi struktur dibandingkan dengan proses infiltrasi non-vakum sebelumnya. Selain itu, pengukuran optik untuk struktur ZnO 3D memperjelas celah pita ZnO secara eksperimental dari spektrum transmisi. Struktur periodik 3D berbasis nanoshell dan proses yang kami usulkan dengan kemampuan kontrol dan fleksibilitas tinggi dalam desain ukuran struktural memiliki potensi untuk digunakan untuk pengembangan lebih lanjut berbagai aplikasi termasuk perangkat energi dan sensor.
