Sifat Listrik Struktur Nano Permukaan Polimer Dua Sisi
Abstrak
Pada penelitian ini, struktur nano permukaan polimer dua sisi difabrikasi menggunakan teknik litografi dua kali nanoimprint dan deposisi logam. Kami melakukan pengukuran properti listrik pada struktur nano permukaan dua sisi ini. Tegangan sirkuit terbuka dan arus hubung singkat dari sampel yang disiapkan dengan struktur nano permukaan dua sisi dan elektroda konduktif direkam menggunakan osiloskop dengan menerapkan gaya eksternal yang berbeda. Pengukuran dilakukan pada suhu kamar. Kami menemukan bahwa intensitas tegangan sirkuit terbuka dan arus hubung singkat untuk struktur nano permukaan dua sisi sangat bergantung pada ukuran, bentuk, dan pengaturan struktur nano dan gaya tekanan. Properti listrik terkuat dapat diamati dalam susunan nanopilar segi enam dengan diameter sekitar 400 nm yang mengandung struktur tajam beresolusi sub-50-nm dengan gaya sekitar 40 N. Kami membahas mekanisme fisik yang bertanggung jawab atas temuan penelitian yang menarik ini. Hasil eksperimen yang kami pelajari relevan dengan aplikasi struktur nano permukaan dua sisi seperti generator nano, sensor tekanan, dan perangkat nano-optoelektronik.
Latar Belakang
Struktur nano pada permukaan menarik banyak minat sebagai media yang efisien untuk hamburan Raman yang ditingkatkan permukaan (SERS), resonansi plasmon permukaan, respons optik dan listrik nonlinier, dan eksitasi plasmonik seperti partikel nano, nanograting, dan nanopilar, terutama struktur nano permukaan logam [1,2 ,3,4,5], yang memiliki potensi aplikasi sebagai perangkat elektronik, magnetik, fotonik, optoelektronik, dan sensor [6,7,8,9,10]. Dari sudut pandang fisika, sifat fisik dasar struktur nano permukaan berbeda secara signifikan dari bahan curah dengan komponen yang sama. Secara khusus, efek permukaan dapat diamati pada struktur nano permukaan. Oleh karena itu, struktur nano permukaan telah menjadi fokus utama penelitian pada bahan permukaan yang dapat diambil sebagai blok bangunan dasar nanoteknologi dan perangkat nano. Perlu diperhatikan bahwa struktur nano permukaan polimer telah menunjukkan sifat optoelektronik dan listrik yang unik karena efek triboelektrik yaitu induksi elektrostatik yang terjadi dalam bahan polimer [11,12,13]. Struktur nano meningkatkan kekasaran permukaan dan area gesekan kontak untuk meningkatkan efek triboelektrik, terutama struktur permukaan dua sisi. Efek triboelektrik pada struktur nano permukaan dapat menyebabkan pembangkitan muatan listrik yang besar, yang dapat memperoleh arus dengan menghubungkan elektroda dan kabel. Efek triboelektrik dalam struktur nano permukaan polimer dan fenomena terkait memberikan kontribusi besar untuk aplikasi yang menjanjikan dalam nanogenerator, sensor tekanan dan suhu, dan perangkat elektronik lainnya [14,15,16,17]. Nanogenerator dapat mentransfer energi mekanik menjadi energi listrik, dan sensor tekanan atau suhu dapat mengubah tekanan atau suhu yang berbeda menjadi sinyal listrik atau optik yang dapat dideteksi.
Seiring dengan pesatnya perkembangan nanoteknologi, kini mudah untuk membuat struktur nano permukaan tak teratur yang periodik dan kompleks, misalnya photolithography, nanoimprint lithography (NIL), self-assembly, dan interferensi litografi [18,19,20,21,22]. Sebagai salah satu nanoteknologi replikasi populer, NIL sederhana, biaya rendah, resolusi tinggi, dan throughput tinggi, yang ideal untuk fabrikasi struktur nano polimer [23,24,25]. Salah satu keuntungan utama untuk menerapkan struktur nano permukaan sebagai perangkat elektronik adalah bahwa respons listrik dari struktur nano permukaan dapat disetel dan dimodulasi melalui berbagai parameter struktur seperti diameter, bentuk, dan susunan struktur nano. Oleh karena itu, penting dan signifikan untuk memeriksa sifat listrik dasar struktur nano permukaan.
Pada artikel ini, kami menyajikan studi eksperimental terperinci tentang sifat listrik dari dua jenis struktur nano permukaan dua sisi, seperti kisi dan susunan nanopillar. Struktur nano permukaan polimer dua sisi dibuat menggunakan proses NIL dua kali. Karena struktur nano pada dua permukaan samping tidak perlu disejajarkan, proses pencetakannya sederhana dan berbiaya rendah. Elektroda konduktif untuk mengukur sinyal listrik dibuat dengan teknik pengendapan logam, seperti indium tin oxide (ITO) atau film Ag. Kami ingin meneliti bagaimana struktur nano permukaan ini dapat merespons tekanan eksternal, bagaimana sifat listriknya bergantung pada parameter sampel, dan bagaimana tegangan rangkaian terbuka dan arus hubung singkat dari sampel yang disiapkan berubah.
Metode
Contoh
Dalam penelitian ini, dua jenis struktur nano permukaan yang akan diukur dibuat seperti kisi dan susunan nanopilar, dan gambar pemindaian mikroskop elektron (SEM) ditunjukkan pada Gambar. 1. Periode kisi adalah sekitar 300 nm, lebarnya adalah sekitar 160 nm, dan diameter nanopilar sekitar 300 nm.
Gambar SEM dari dua jenis struktur nano permukaan. Sebuah kisi (a ) dan array nanopillar (b ) ditampilkan
Sampel yang disiapkan dengan struktur permukaan dua sisi dibuat dengan menggabungkan NIL dua kali yang dapat disembuhkan dengan UV, dan lapisan elektroda konduktif antara struktur dua sisi disiapkan dengan elektrodeposisi film ITO. Skema struktur nano polimer dua sisi digambarkan pada Gambar 2. Bahan struktur dua sisi adalah polydimethylsiloxane (PDMS) dan Kapton yang merupakan bahan elastis. Lapisan tengah adalah film ITO tipis; dengan demikian, perangkat terintegrasi fleksibel. Sinyal listrik dihasilkan karena efek kopling dari elektrifikasi kontak dan induksi elektrostatik selama operasi pemisahan tekanan kontak, yang merupakan prinsip pengukuran sifat listrik dari struktur nano permukaan dua sisi.
Skema struktur nano polimer dua sisi
Ketika dideformasi oleh deformasi tekanan mekanis sentuhan eksternal yang disediakan oleh bahan lain, muatan triboelektrik dihasilkan dan didistribusikan pada permukaan polimer. Segera setelah deformasi mulai dilepaskan, bahan yang disentuh eksternal menjadi terpisah dengan permukaan polimer. Muatan triboelektrik ini tidak dapat dikompensasi, menyebabkan muatan berlawanan pada elektroda ITO untuk mendorong elektron bebas mengalir dari elektroda ITO ke sirkuit eksternal. Proses induksi elektrostatik ini dapat memberikan sinyal tegangan/arus keluaran.
Metode Pengukuran
Untuk pengukuran sifat listrik dari tiga jenis struktur nano permukaan dengan ukuran, pola, dan susunan yang berbeda, pengukuran dilakukan di bawah gaya eksternal dalam 0,5~50 N yang diberikan pada suhu kamar pada Gambar 3. Sifat listrik dicatat menggunakan motor linier yang dapat disesuaikan (E1100-RS-HC), perangkat uji arus dan tegangan (Keithley 6514), penguat kebisingan rendah (Stanford SR570), dan osiloskop (MDO 3014). Perubahan gaya dicapai pada motor linier yang dapat disesuaikan, dan osiloskop dapat mengukur kurva tegangan dan arus. Penyiapan eksperimen yang menerapkan gaya tekanan ke permukaan sampel ditunjukkan pada Gambar. 3.
Foto pengaturan eksperimen yang menerapkan gaya eksternal
Hasil dan Diskusi
Sifat listrik untuk struktur nano permukaan yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 4 pada gaya tekanan eksternal yang berbeda. Output tegangan sirkuit terbuka dan arus hubung singkat dari kisi-kisi dan susunan nanopilar ditunjukkan pada Gambar 4. Seperti dapat dilihat, intensitas sifat listrik di struktur nano permukaan sangat bergantung pada gaya tekanan. Dan fenomena serupa dapat ditemukan untuk kisi dan susunan nanopillar. Tegangan rangkaian terbuka dan arus hubung singkat berubah dengan gaya tekanan dalam 10 s diukur. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa sifat kelistrikan untuk grating dan susunan nanopillar menunjukkan ketergantungan gaya yang berbeda. Tegangan hubung-terbuka struktur kisi meningkat perlahan dengan gaya, tetapi arus hubung singkat meningkat dengan jelas dengan gaya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a dan b. Sebaliknya, sifat listrik dari susunan nanopillar menunjukkan lebih baik, karena tegangan hubung-terbuka dan arus hubung singkat meningkat secara signifikan dengan gaya tekanan selama waktu yang sama, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4c dan d. Namun, tegangan hubung singkat tidak berubah ketika gaya meningkat dari 30,5 N menjadi 42,6 N, namun arus hubung singkat masih meningkat. Oleh karena itu, hasil eksperimen menunjukkan bahwa nanopilar dua dimensi yang rumit memiliki kinerja listrik yang lebih baik daripada struktur kisi satu dimensi.
Sifat listrik untuk struktur nano permukaan. Hasil untuk kisi (a , b ) dan larik nanopillar (c , d ) ditampilkan
Untuk menganalisis lebih lanjut sifat listrik dari susunan nanopilar, pengaturan dan bentuk yang berbeda dari nanopilar diukur seperti acak, persegi, dan segi enam, dan gambar SEM dari susunan nanopilar yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 5. Penataan nanopilar acak dan persegi jarang. didistribusikan pada Gambar. 5a dan b, dan diameter nanopilar melingkar masing-masing sekitar 300 nm dan 400 nm. Susunan segi enam dan bentuk nanopilar dengan diameter sekitar 400 nm dirangkum dalam Gambar 5 c. Perbesaran satu segmen nanopilar susunan segi enam ditunjukkan pada Gambar. 5d. Ada ujung tajam di bagian atas nanopilar dan celah nano dengan resolusi sub-50 nm di antara nanopilar, yang mirip dengan fitur piramida skala nano.
Gambar SEM dari tiga susunan nanopilar. Acak (a ) dan susunan persegi (b ) nanopillar melingkar, susunan segi enam, dan susunan nanopillar bentuk (c ), dan perbesaran gambar nanopilar segi enam (d ) ditampilkan
Kurva kinerja listrik dengan gaya untuk sampel nanopilar yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 6. Kurva hitam, merah, dan biru masing-masing mewakili nanopilar persegi, acak, dan segi enam. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tegangan hubung singkat dan tegangan hubung singkat untuk tiga jenis nanopilar meningkat dengan cepat dengan gaya tekanan. Sebaliknya, susunan segi enam dan susunan nanopillar bentuk menunjukkan peningkatan paling kuat (kurva biru) dan sifat listriknya paling baik. Ketika gaya kurang dari 20 N dan 25 N, tegangan rangkaian terbuka dan arus hubung singkat dari nanopilar acak (kurva merah) lebih besar daripada susunan nanopilar persegi (kurva hitam), dan situasinya adalah sebaliknya. sebagai kekuatan terus meningkat. Salah satu alasan utama adalah bahwa pengaturan segi enam dapat memberikan kekasaran permukaan maksimum dan area kontak gesekan, yang berisi ujung dan celah tajam beresolusi lebih tinggi (sub-50 nm) yang mirip dengan fitur piramida. Di sini, kekasaran permukaan berbeda dari parameter untuk karakterisasi kehalusan permukaan wafer, yang terutama bergantung pada ukuran fitur. Meskipun diameter nanopilar segi enam mirip dengan yang lain, celah sub-50 nm, tepi tajam, dan sudut meningkatkan kekasaran gesekan permukaan dan area kontak untuk meningkatkan output daya listrik. Kami menemukan bahwa ketika gaya lebih besar dari 35 N, kurva tegangan rangkaian terbuka menjadi halus seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6a, namun arus hubung singkat untuk tiga jenis nanopilar masih meningkat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6b. Hal ini menunjukkan bahwa sifat listrik terus meningkat dengan gaya, dan peningkatan akan menjadi lembut ketika gaya lebih dari sekitar 40 N.
Sifat listrik untuk tiga jenis susunan nanopillar, seperti tegangan rangkaian terbuka (a ) dan arus hubung singkat (b )
Hasil eksperimen menunjukkan bahwa gaya tekanan eksternal sekitar 40 N adalah gaya yang sesuai untuk susunan nanopilar segi enam untuk meningkatkan sifat listrik, karena terlalu banyak gaya tekanan dapat merusak sampel struktur nano. Studi ini dapat memberikan dasar untuk penyelidikan lebih lanjut tentang sifat listrik atau optik lainnya.
Pada artikel ini, sampel dengan struktur nano permukaan dua sisi diukur. Mekanisme pengukuran sifat listrik struktur nano permukaan menunjukkan bahwa struktur nano permukaan dua sisi menunjukkan kinerja listrik yang lebih baik.
Kesimpulan
Dalam penelitian ini, kisi polimer dua sisi dan susunan nanopilar telah dibuat menggunakan nanoteknologi mutakhir. Pengukuran properti listrik pada struktur nano permukaan ini telah dilakukan dengan menerapkan gaya eksternal pada suhu kamar. Kami telah menemukan bahwa sinyal listrik dari sampel ini sangat bergantung pada gaya dan susunan struktur dan bentuk. Secara khusus, sinyal listrik terkuat dapat diamati dalam susunan nanopilar segi enam dengan diameter sekitar 400 nm yang mengandung struktur tajam beresolusi sub-50-nm dibandingkan dengan sampel lainnya. Dan gaya yang sesuai untuk pengukuran sifat listrik adalah sekitar 40 N. Hasil ini menunjukkan bahwa sifat listrik dapat menggerakkan struktur nano permukaan untuk aplikasi di sensor tekanan, nanogenerator, dan perangkat elektronik. Kami berharap temuan eksperimental yang menarik dari penelitian ini dapat memberikan pemahaman yang mendalam tentang sifat kelistrikan grating dan nanopilar dengan pengaturan yang berbeda.
Ketersediaan Data dan Materi
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama penelitian ini disertakan dalam artikel yang diterbitkan ini [dan file informasi tambahannya].
