【材料科技】畫出奈米碳管

■科學家發明出一支墨水為奈米碳管的筆,用這支筆就可以在基材上留下不同圖形的碳管。

0328撰文|方程毅

奈米碳管為科學界相當重視的材料,其具有絕佳導電性且高強度,目前已有許多研究將其運用在不同領域,例如:電晶體、感測器或是連接器等等。這些研究經常需要將碳管們排列成不同形狀以符合需求。以一般半導體工業來說,要定義且製備圖形,必須經過曝光、微影、蝕刻等等步驟,但奈米碳管是一根一根獨立再聚集在一起,性質與一般塊狀材料不同。不僅如此,在排列的時候碳管的方向性也很重要,例如導電性會因為碳管是雜亂排列,或是順著一個方向排列而有所不同,所以針對奈米碳管的圖形定義及製備就必須想出特別的辦法。

這裡所說定義及製備圖形可能不太好理解。定義圖形並不是把碳管直接做成某種形狀,而是讓碳管聚集成某種形狀,可以想像有一撮頭髮,然後將撮頭髮排列成某種圖案,圖案的尺寸都比頭髮本身(碳管)大得多。

過往的文獻中,已有將奈米碳管製作在基板上並能讓它們排列成事先定義好的圖形,但過程相當繁瑣,例如:用化學氣相沉積(chemical vapor deposition)或其他化學方式直接在基板A上生長一整片碳管,再拿另一片基板B並對其定義圖製作圖形,最後利用轉印的方式將碳管印到已經定義好圖形的基板B (原理類似印刷術)。

既然印刷術這麼麻煩,如果能有一枝墨水含有碳管們的「筆」,可以直接在基板上寫出想要的形狀,就會方便省事的多。

來自以色列耶路撒冷希伯來大學(Hebrew University of Jerusalem)、德國柏林自由大學(Freie University)、蘇格蘭愛丁堡大學(Edinburgh University)及南韓建國大學(Konkuk University)的跨國研究團隊便共同研發出了這枝「筆」,可以在基板上寫下想要的形狀,研究團隊將其命名為fountain pen nanolithography (FPN),並將結果發表在美國化學協會Nano Letters期刊上。

FPN的架構相當簡單,主要是一枝玻璃懸臂,而奈米碳管是這枝筆的墨水(溶劑為水及膽酸鈉),當玻璃懸臂跟基材接觸時,因為原子間的作用力,奈米碳管會被寫上去。靠著毛細作用力,墨水會不斷補上,讓奈米碳管不會寫一寫「斷水」。《Nano Letters》網站上的補充資料有FPN的影片:http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acs.nanolett.5b03424 (雖然論文本身需要付費才能觀看,但補充資料不用)。

論文作者Aaron Lewis在接受《Nanowerk》網站訪問時表示:「我們的研究提供了一個普遍的化學奈米直寫法,無論基材表面是疏水、親水、粗糙或平坦,甚至是基材表面有其他液體或氣體都有辦法完成。」

事實上使用書寫這個概念並不是什麼新鮮事,只是許多相關技術都會要求基材表面為親水性,讓墨水沾在基材上面可以附著。但FPN技術是利用碳管跟基材分子間的作用力使其附著,而非基材的親水性,因此不受基材本身性質的限制,讓用途便能更廣泛。也正因為靠的是分子間作用力,基材在經過清洗之後,奈米碳管依舊附著於其上,不會被液體帶走。

由於此技術就像一枝筆,透過調整墨水的濃度,筆尖開孔的大小(像0.38、0.4或0.5的原子筆一樣)便可以調整筆觸的粗細,能滿足對尺寸要求較嚴格的製程。研究團隊也表示這項技術可用於電路設計與製造、光照的修補或在規律且周期性的結構中引入缺陷使其具備特殊性質等等。但這類直寫技術最大的問題就是無法量產,前述所提類似印刷術的方法雖然麻煩,但卻能大量製造,直寫技術的優點是能精準控制且圖案比較精細對於小面積的元件來說仍然極具價值。

原始論文及圖影片來源:Yeshua, Talia, Christian Lehmann, Uwe Hübner, Suzanna Azoubel, Shlomo Magdassi, Eleanor EB Campbell, Stephanie Reich, and Aaron Lewis. "Nanodrawing of Aligned Single Carbon Nanotubes with a Nanopen." Nano letters (2016).

參考資料:

  1. Writing nanotubes with a nano fountain pen
  2. Piner, Richard D., Jin Zhu, Feng Xu, Seunghun Hong, and Chad A. Mirkin. "" Dip-pen" nanolithography." science 283, no. 5402 (1999): 661-663.

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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