Hybride akustische Oberflächenwelle

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 15178 (2015) Diesen Artikel zitieren

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Die konventionelle Oberflächenwellen-Elektrostatik-Abscheidungstechnologie (SAW-ED) hat Schwierigkeiten, mit anderen Technologien zur Dünnschichtherstellung zu konkurrieren, da sie bei der Zerstäubung von Lösungen mit hoher Dichte oder Lösungen mit starker Bindung zwischen den Partikeln, die eine sehr hohe Frequenz (100 MHz) erfordern, begrenzt ist Leistung. In dieser Studie wurde ein hybrides System aus akustischer Oberflächenwelle und elektrohydrodynamischer Zerstäubung (SAW-EHDA) eingeführt, um dieses Problem zu lösen, indem EHDA mit SAW integriert wurde, um die Abscheidung verschiedener Arten leitfähiger Tinten bei niedrigerer Frequenz (19,8 MHz) und Leistung zu erreichen. Drei Materialien, Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenvinylen] (MEH-PPV), Zinkoxid (ZnO) und Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS ) wurden mit dem SAW-EHDA-Hybrid erfolgreich als dünne Filme abgeschieden. Die Filme zeigten gute morphologische, chemische, elektrische und optische Eigenschaften. Um die Eigenschaften der abgeschiedenen Filme weiter zu bewerten, wurde ein Feuchtigkeitssensor mit einer aktiven Schicht aus PEDOT:PSS hergestellt, die mit dem SAW-EHDA-System abgeschieden wurde. Die Reaktion des Sensors war hervorragend und im Vergleich zu ähnlichen Sensoren, die mit anderen Fertigungstechniken hergestellt wurden, viel besser. Die Ergebnisse des Geräts und die Eigenschaften der Filme legen nahe, dass die hybride SAW-EHDA-Technologie ein hohes Potenzial für die effiziente Herstellung einer Vielzahl dünner Filme hat und somit eine vielversprechende Zukunft in bestimmten Bereichen der gedruckten Elektronik vorhersagt.

Die Wissenschaft und Technologie dünner Schichten spielt in der High-Tech-Industrie eine wichtige Rolle. Die Dünnschichtindustrie ist seit einigen Jahrzehnten präsent und aufgrund ihrer immensen Bedeutung und einzigartigen Fähigkeiten wurden die Anwendungsbereiche von Dünnschichten stark erweitert. Die bemerkenswertesten davon sind mikroelektronische Geräte, optische Beschichtungen, biologische Implantate, verschleißfeste Beschichtungen, Flachbildschirme, Photovoltaikzellen und Sensoren1,2,3,4,5. Eine große Vielfalt an Materialien, darunter Metalle, reine Elemente, organische Materialien und Verbindungen wie Oxide, Nitride und Polymere, können durch Dünnschichttechnologien auf verschiedenen Arten von Substraten wie Metallen, Keramiken und Polymeren abgeschieden werden6,7,8. Dies ist auf die sich ständig ändernden Bedürfnisse und Anforderungen verschiedener Wissenschaftsbereiche zurückzuführen, wobei Dünnschichttechnologien kontinuierlich weiterentwickelt und anspruchsvollere und fortschrittlichere Trends eingeführt wurden, um den Anforderungen der wachsenden Industrie gerecht zu werden. Zu den am weitesten verbreiteten Dünnschichttechnologien gehören Schleuderbeschichtung, chemische Gasphasenabscheidung, Atomlagenabscheidung, Sputtern, Schleuderbeschichter, elektrohydrodynamische Zerstäubung, Mikrotiefdruck, atmosphärische Atomlagenabscheidung von Rolle zu Rolle und Siebdruck9,10. 11,12.

Einer der möglichen Kandidaten für die Herstellung dünner Filme und die Musterabscheidung ist die Technologie der Oberflächenwellenzerstäubung (SAW)13. SAW-Wellen sind Oberflächen-Raleigh-Wellen mit sehr hoher Frequenz, die sich im piezoelektrischen Substrat ausbreiten und Tröpfchenpartikel durch Vibrationen anregen können, was zu einer Zerstäubung führt und einen trockenen Nebel aus Tröpfchen erzeugt14,15,16. Kim et al. realisierten die feine Zerstäubung der leitfähigen Tinten durch SAW. wandten es bei der Herstellung von Proteinchips an, indem sie SAW mit elektronischer Abscheidung (SAW-ED) einbauten, wobei die geladenen atomisierten Partikel der leitfähigen Proteine mithilfe eines starken elektrischen Feldes entgegen der Schwerkraft bewegt wurden17. Dies führte zur Einführung einer neuen Methode, die für Muster und Filmabscheidung verwendet werden konnte. Während die Sammeleffizienz durch die Verwendung eines Ladungskollimators verbessert wurde, erfolgte die Abscheidung nicht kontinuierlich, da das Tröpfchen nach der Zerstäubung wiederholt am Interdigitaltransducer (IDT) platziert wurde. Aufgrund des großen aktiven Volumens des Tröpfchens betrug die zerstäubte Partikelgröße außerdem etwas weniger als 10 μm, was zwar nicht kleiner als die minimal erreichbare Tröpfchengröße von EHDA ist, aber lediglich die Probleme einer Düsenblockierung vermeidet. Das Problem wurde behoben und die SAW-Frequenz auf bis zu 95 MHz erhöht, um Partikel im Submikronbereich zu erzeugen18. Zu den Problemen bei SAW-ED gehört derzeit, dass die Herstellung eines IDT, der bei solch hohen Frequenzen arbeiten kann, sehr teuer ist und außerdem die Zerstäubung nicht kontinuierlich erfolgt, was sich auf die Abscheidungszeit, Effizienz und Qualität auswirkt19,20. Proteinpartikel mit einem Durchmesser von 1–10 μm wurden für Aerosole und die Arzneimittelverabreichung mithilfe von Hochfrequenz-SAW hergestellt, wobei die gleichen Nachteile wie oben erwähnt auftraten. Darüber hinaus werden bei den meisten Arbeiten an SAW-Zerstäubern aufgrund ihrer einfachen Zerstäubung und Abscheidung nur hochleitfähige Proteine niedriger Dichte verwendet. Im Jahr 2011 wurden Filterpapier und ein Spritzenreservoir für eine kontinuierliche Tintenversorgung verwendet, wobei der „Selbstpumpeffekt“ von SAW für die kontinuierliche Zerstäubung der Flüssigkeiten genutzt wurde21. Leider ist diese Methode nur für Flüssigkeiten mit niedrigem Molekulargewicht nützlich und schränkt daher die Auswahl der Tinte für die Geräteherstellung stark ein. Im selben Jahr wurde versucht, mithilfe von SAW-EHDA einen dünnen Film und ein Muster aus leitfähiger Tinte aufzutragen, indem ein kontinuierlicher Tintenfluss durch eine Spritzenpumpe bereitgestellt wurde, die Filmeigenschaften waren jedoch sehr schlecht22. Man könnte daher davon ausgehen, dass wir einen SAW-EHDA-Hybrid benötigen, wenn der EHDA auch auf der elektrischen Zerstäubung der Flüssigkeit basiert und sehr gleichmäßige dünne Filme erzeugen kann. SAW-EHDA ist im Vergleich zu EHDA ein starker Kandidat für die Dünnfilmherstellung, da die Zerstäubung sehr gleichmäßig ist und die durch SAW-Zerstäuber erzielte Partikelgröße im Vergleich zu EHDA-Systemen (wenige Mikrometer) sehr klein (im Submikronbereich) ist. Mit kleiner werdender Partikelgröße verringert sich auch die minimal erreichbare Filmdicke, während der Film gleichmäßiger und porenfreier wird und bessere elektrische und mechanische Eigenschaften aufweist.

In dieser Forschungsarbeit wurden die Einschränkungen im Zusammenhang mit SAW und EHDA angegangen und durch eine einzigartige Hybridzerstäubungs- und Abscheidungstechnologie überwunden. Die Vorteile von SAW und EHDA werden kombiniert und die Nachteile werden durch die Verwendung eines dualen Zerstäubungsaufbaus beseitigt. EHDA wird als erster Zerstäuber verwendet, der dem IDT des SAW-Zerstäubers kontinuierlich kleine Tintentröpfchen zuführt, und die Tröpfchen werden durch SAW-Wellen weiter in Submikrongrößen zerlegt. Diese Methode verringert das aktive Volumen der mittels SAW zu zerstäubenden Flüssigkeit und reduziert somit die erforderliche Frequenz, um kleinere Tröpfchen zu erzielen. Außerdem gewährleistet es eine sehr gleichmäßige und kontinuierliche Tintenversorgung des SAW-Zerstäubers. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass wir eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien verwenden können, da die Einführung eines Vorzerstäubers in Form von EHDA die Dichte- und Molekulargewichtsbereiche erweitert. Der Vergleich von SAW-EHDA mit anderen Abscheidungstechniken im Hinblick auf Abscheidungsrate (Dicke), elektrische Ergebnisse, Transparenz und Oberflächenrauheit für MEH-PPV-, PEDOT:PSS- und ZnO-Filme ist in der ergänzenden Tabelle 1 dargestellt. Wir hoffen, dass diese Methode wird die Technologie der nächsten Generation mit hohem Potenzial für die Herstellung funktioneller dünner Filme und Muster sein.

Oberflächenakustische Wellen (SAW) kombiniert mit elektrohydrodynamischer Atomisierung (EHDA) ist eine Methode zur elektronischen Abscheidung leitfähiger Materialien entweder in Form von dünnen Filmen oder zur Entwicklung von Mustern mithilfe von Masken. Dieses Hybridsystem vereint erstmals sowohl SAW als auch EHDA für die Herstellung dünner Filme und Muster. Im SAW-basierten System wurde ein Inter Digitated Transducer (IDT) verwendet, um hochfrequente Oberflächen-Rayleigh-Wellen in einem piezoelektrischen Substrat (Y-LiNbO3) zu erzeugen. Rayleigh-Wellen sind akustische Oberflächenwellen, die erzeugt werden, wenn das anisotrope Y-LiNbO3 um 128°22 gedreht wird. Die von Choi et al. gelösten Rayleigh-Wellenverschiebungsgleichungen. zeigen, dass die elliptische Rotation in die entgegengesetzte Richtung der Wellenausbreitung verläuft22. Die maximale Frequenz der Wellen hängt von den Eigenschaften des IDT-Substratmaterials und den Abmessungen des IDT ab. In diesem Fall betrug die dem IDT zugeführte Frequenz 19,8 MHz. Um diese Frequenz zu erreichen, mussten die Abmessungen des IDT nach Gleichung 1 berechnet werden.

Hier ist „f“ die Frequenz, die 19,8 MHz beträgt, „v“ die Schallgeschwindigkeit der Rayleigh-Welle für LiNbO3-Piezoelektrika, die bekanntermaßen 3960 m/s beträgt, und „λ“ die Wellenlänge der Wanderwelle, die die bestimmt Abmessungen des IDT, abhängig von den anderen beiden Parametern, oder umgekehrt. „λ“ muss gleich dem Pitch des IDT sein, was bedeutet, dass die Elektrodenbreite und der Abstand zwischen den beiden Elektroden gleich „λ/4“ sein sollten, also jeweils 50 μm23. Die Abmessungen des in dieser Studie verwendeten IDT sind in der ergänzenden Abbildung 1 dargestellt.

Die elektrohydrodynamische Zerstäubung (EHDA) wurde gründlich untersucht und verschiedene Beziehungen zwischen Partikelgröße und anderen Parametern entwickelt. Die drei Hauptprobleme bei diesem Prozess sind: (i) Bildung eines elektrisch angetriebenen Strahls. (ii) Einsatz des Strahls auf einem Substrat und (iii) Anordnung der Partikel in den gedruckten Merkmalen24. Der erste Schritt ist die Bildung eines stabilen Kegelstrahls, dessen Durchmesser hauptsächlich von der Flüssigkeitsdurchflussrate und der Leitfähigkeit abhängt. Die Parameter, die den Tröpfchenproduktionsprozess beeinflussen, sind Leitfähigkeit, dielektrische Permittivität, Oberflächenspannung, Flüssigkeitsdurchflussrate, Dichte, Viskosität, angelegtes Potenzial, Kapillarform und Materialbenetzbarkeit25. Die Phasen, die an der Bildung eines stabilen Kegelstrahls beteiligt sind, sind: (i) Pendant Drop (ii) Kegel, (iii) Kegelstrahl und (iv) Stabiler Kegelstrahl26. Die durchschnittliche kritische Spannung, die den Meniskus am Kapillarrohr stützt, wurde mit ~1 KV berechnet. Die Tröpfchengröße hängt von der Dichte (ρ) der Flüssigkeit, der Tintendurchflussrate (Q), der Oberflächenspannung (γ) und der Tintenleitfähigkeit (K) ab. Durch EHDA werden Tröpfchen mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern erreicht.

In früheren Studien zu SAW-EHDA wurde die Tinte tropfenweise durch eine Spritze auf das SAW-IDT-Gerät aufgetragen, um einen kontinuierlichen Fluss und eine kontinuierliche Abscheidung zu erreichen. Das Problem bei dieser Art von Aufbau bestand darin, dass bei Verwendung einer Lösung mit hoher Dichte oder einer Lösung mit starker Bindung zwischen den Partikeln der Tintentropfen am IDT verblieb und die SAW-Wellen nicht über genügend Energie verfügten, um ihn in Partikel zu zerlegen. Das Kontrollvolumen auf dem Substrat ist die jeweils vorhandene Flüssigkeitsmenge, die in Partikel zerstäubt werden kann und ist von der Energiedichte der akustischen Welle abhängig. Diese Energiedichte ist die Summe der kinetischen Energie und der inneren Energie des SAW-Substrats, durch das sich die Wellen bewegen. Diese Energie wird durch Gleichung 627 dargestellt.

Dabei ist ρ0 die Dichteänderung des Mediums, ρa die Dichteänderung der Partikel, va die Geschwindigkeit eines Partikels und co die Schallgeschwindigkeit. Der Emissionsdruck auf das Kontrollvolumen ist der zeitliche Mittelwert der Energie. Wenn das Kontrollvolumen abnimmt, wird der Emissionsdruck auf die Partikel effektiver und die Kraft, die erforderlich ist, um die Anziehung zwischen den Molekülen der Lösung zur Zerstäubung aufzubrechen, nimmt ab. Außerdem ist die Dichteänderung im Medium auf die SAW-Wellen zurückzuführen, die sich durch das piezoelektrische Substrat bewegen, und die Dichteänderung der Partikel des Materials, das sich auf dem IDT im Kontrollvolumen befindet, spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Inneren Energie und die Zerstäubungseffizienz. Die Dichte der Partikel ändert sich im Falle der elektrohydrodynamischen Zerstäubung mit einem Nebel aus Tröpfchen im Mikrometerbereich als Tintenzufuhr zum IDT erheblich, verglichen mit der Dichte der Tintenzufuhr in Form großer Tropfen.

In früheren Studien, in denen der kontinuierliche Tintenfluss über das Substrat durch Tropfen der Tinte auf die Oberfläche des Substrats erreicht wurde, musste die Zerstäubung mit einer sehr hohen Frequenz, einer größeren Eingangsleistung und einem ausreichend starken Emissionsdruck und einer ausreichend starken Emissionskraft durchgeführt werden um die Verbindung einer großen Materialmenge aufzubrechen. Dies erfordert, dass das IDT-Design in der Lage ist, hochfrequente Vibrationen von bis zu 100 MHz zu bewältigen. Die Gesamtsystemkosten steigen und der Energiebedarf steigt. Dieses Problem wurde durch das vorgeschlagene und getestete Hybridsystem überwunden, indem EHDA mit SAW integriert wurde, um die Abscheidung verschiedener Arten leitfähiger Tinten bei niedriger Frequenz und geringerer Eingangsleistung zu erreichen. Das Kontrollvolumen wird stark reduziert, wodurch die erforderliche Kraft zur Zerstäubung sinkt. Mit dieser Methode konnten wir mithilfe von SAW-EHDA metallisch leitende Tinten mit hoher Dichte aufbringen, und es wurden auch andere leitende und halbleitende Polymere abgeschieden. Die Integration von EHDA mit SAW erhöht auch die Abscheidungsgeschwindigkeit des SAW-Zerstäubungsprozesses ausreichend und verkürzt somit die Gesamtabscheidungszeit. Die Systemdetails und das Funktionsprinzip sind in Abb. 1 dargestellt.

Systemdetails und Funktionsprinzip des Hybrid SAW-EHDA-Abscheidungssystems.

Das Material wird zunächst durch EHDA auf den SAW-IDT gesprüht und die elastischen Raleigh-Oberflächenwellen zerstäuben dann die Tröpfchen weiter, wodurch ein feiner Nebel geladener Partikel entsteht, die durch ein zwischen der Maske und dem IDT angelegtes elektrisches Feld vom Abscheidungssubstrat angezogen werden. Partikel im Bereich von einigen Mikrometern wurden auf die Oberfläche des SAW IDT gesprüht und weiter in Partikel von sehr kleiner Größe im Submikronbereich zerstäubt, wie in der ergänzenden Abbildung 3 dargestellt. Diese geladenen Partikel wurden mithilfe eines elektrischen Felds zum Zielsubstrat hin angezogen . Das elektrische Feld wurde über ein Vierpunkt-Spannungssystem angelegt. An die EHDA-Düse wurde eine hohe negative Spannung in der Größenordnung von Kilovolt angelegt und an der Oberfläche, auf der der SAW-IDT platziert wurde, ein Erdungsanschluss angebracht. Der Boden zog die negativ geladenen Teilchen an und ließ sie direkt auf den IDT treffen. Die durch das SAW-Phänomen weiter zerstäubten Partikel wurden durch ein positives elektrisches Feld, das durch Anlegen einer positiven Spannung hoher Stärke an das Zielsubstrat angelegt wurde, zum Zielsubstrat hingezogen (Video S1 und S2 in den Zusatzinformationen). Um die Partikelsammlung am Substrat zu verbessern, wurde ein Ladungskollimator verwendet. Der Kollimator wurde mit einer etwas niedrigeren positiven Spannung als die des Zielsubstrats in Kilovolt versorgt und zwischen dem SAW-IDT und dem Zielsubstrat positioniert. Simulationen elektrischer Felder wurden durchgeführt, um die Partikelsammlung am Zielsubstrat zu maximieren, was auch ein wichtiger Faktor bei der Definition der Effizienz des SAW-EHDA-Prozesses ist. Die in der ergänzenden Abbildung 2 dargestellten Simulationen zeigen, dass die Effizienz der elektrischen Kraft durch die Einführung eines Kollimators am Kollektorende von 10 % auf 33 % erhöht wird22.

Der gesamte Versuchsaufbau für das hybride SAW-EHDA-System, das für die Abscheidung und Strukturierung dünner Schichten entwickelt wurde, ist in Abb. 1 dargestellt. Das System besteht aus einem Spritzenpumpensystem, das die zu testende Tinte mit einer kontinuierlichen Durchflussrate zum ESD-Sprühkopf pumpt Druck. Der Sprühkopf ist eine Metalldüse mit einem Durchmesser von mehreren hundert Mikrometern. Die Düse wird mit einer negativen Hochspannung von mehreren Kilovolt versorgt. Der Spray wird auf den SAW IDT gerichtet, der auf einem geerdeten Metallsubstrat platziert ist, das durch zirkulierendes Wasser und einen thermoelektrischen Peltier-Kühlchip gekühlt wird. Das Zielsubstrat befindet sich oben auf dem System, das zusammen mit dem Kollimator, der über ein Labview-Programm gesteuert wird, an einem dreiachsigen beweglichen Tisch befestigt ist. Sowohl das Zielsubstrat als auch der Kollimator werden mit unterschiedlichen positiven Spannungen in der Größenordnung von mehreren Kilovolt versorgt. Die Spannung des Kollimators war geringer als die des Zielsubstrats, um zwischen ihnen ein elektrisches Feld zu erzeugen und den Partikeln die Bewegung durch sie zum endgültigen Ziel zu ermöglichen. Der Abstand zwischen der EHDA-Düse und dem SAW-Substrat wurde auf 5 mm festgelegt, während der Abstand zwischen dem Kollimator und der EHDA-Düse je nach der getesteten Tinte variiert wurde. Die Abstände wurden so optimiert, dass die leitfähige Tinte zunächst durch eine hohe Spannungspotentialdifferenz von der EHDA-Düse zum SAW-Gerät tropft, dann zum Kollimator und schließlich durch ein entgegengesetzt angelegtes elektrisches Feld zum Zielzielsubstrat anzieht.

Die Herstellung von MEH-PPV-, PEDOT:PSS- und ZnO-Dünnfilmen durch SAW-EHDA wurde unter einer Reihe sorgfältig optimierter Verarbeitungsparameter durchgeführt, die in Tabelle 1 dargestellt sind. Es ist offensichtlich, dass die meisten experimentellen Parameter verwendet wurden Die Abscheidung verschiedener funktioneller Dünnfilme ist recht ähnlich. Die Absicht hinter dem implementierten Ansatz, möglichst dieselben Parameter zu nutzen, bestand darin, das wahre Potenzial dieser einzigartigen Technologie zur Entwicklung einer Vielzahl dünner Filme effektiv zu untersuchen und besser zu verstehen. Es wäre unmöglich gewesen, die Ergebnisse von MEH-PPV-, PEDOT:PSS- und ZnO-Dünnschichten zu vergleichen, wenn die Verarbeitungsparameter wie Düsendurchmesser, Durchflussrate und Abscheidungszeit usw. unterschiedliche Werte hätten. Einer der Hauptparameter, die angelegte Spannung, hängt hauptsächlich von den Eigenschaften des abgeschiedenen Materials ab. Daher unterschieden sich die Werte für MEH-PPV, PEDOT:PSS und ZnO, obwohl die meisten anderen experimentellen Parameter gleich blieben. Es ist hier erwähnenswert, dass die Werte der angelegten Spannung und Leistung, die zur Abscheidung von ZnO verwendet wurden (3,52 kV, 6 W), höher sind als die von MEH-PPV (3,27 kV, 5 W) und PEDOT:PSS (3,35 kV). und 5 W). Dies liegt daran, dass ZnO ein vergleichsweise schwereres Material ist als MEH-PPV oder PEDOT:PSS, da die Dichte von ZnO 5,16 g/cm3 und die von MEH-PPV und PEDOT:PSS 0,8 g/cm3 und 1 g/cm3 beträgt. jeweils. Daher benötigt ZnO eine höhere Spannung und Leistung, damit es verdampft und zum Substrat transportiert werden kann. Die optischen Mikroaufnahmen der SAW-EHDA-hergestellten MEH-PPV-, PEDOT:PSS- und ZnO-Dünnfilme unter dem optimierten Parametersatz sind in Abb. 2 dargestellt.

Optische Mikroaufnahmen mit niedriger und hoher Vergrößerung für die von SAW-EHDA entwickelten MEH-PPV-, PEDOT:PSS- und ZnO-Dünnfilme.

(a) MEH-PPV-Dünnfilme, hergestellt unter Verwendung einer Maske mit einer Größe von 5 mm. (b) PEDOT:PSS-Dünnfilme, hergestellt unter Verwendung einer Maske mit einer Größe von 3 mm. (c) ZnO-Dünnfilme, hergestellt unter Verwendung einer Maske mit einer Größe von 3 mm. (d) Hochvergrößertes Bild von MEH-PPV-Dünnfilmen, das keine Unregelmäßigkeiten wie Risse und Nadellöcher zeigt. (e) Hochvergrößertes Bild von PEDOT:PSS-Dünnfilmen, das keine Unregelmäßigkeiten zeigt. (f) Hochvergrößertes Bild von ZnO-Dünnfilmen, das keine Unregelmäßigkeiten wie Risse und Nadellöcher zeigt. Die Maßstabsbalkengröße für Abb. a, b und c beträgt 5 mm und die für d, e und f beträgt 10 µm.

Abbildung 2a–c zeigt die Bilder mit niedriger Auflösung der Dünnfilme MEH-PPV, PEDOT:PSS und ZnO. Die hochauflösenden mikroskopischen Aufnahmen der jeweiligen Dünnfilme sind auch in Abb. 2d – f dargestellt. Die Oberflächenmorphologie der entwickelten dünnen Filme wurde sorgfältig mittels Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) analysiert. Neben der Dickenmessung mit dem hochmodernen System zur zerstörungsfreien Dünnschichtdickenmessung wurde die Dicke auch durch Querschnittsanalyse von Dünnschichten mit FESEM bestätigt. Um quantitative Ergebnisse hinsichtlich der Qualität der Oberflächenmorphologie zu erhalten, wurden alle drei Filmtypen sorgfältig mit einem berührungslosen 3D-Nano-Oberflächenprofilierer charakterisiert. Die FESEM-Bilder der Oberflächenmorphologie und -dicke sowie die 2D-Oberflächenprofilbilder von MEH-PPV-, PEDOT:PSS- und ZnO-Dünnfilmen sind in Abb. 3 dargestellt.

FESEM-Bilder für die Oberflächen- und Querschnittsanalyse und 2D-Oberflächenprofile für die quantitative Analyse der von SAW-EHDA entwickelten MEH-PPV-, PEDOT:PSS- und ZnO-Dünnfilme.

(a) MEH-PPV-Dünnfilme, die keine Risse oder Nadellöcher, aber eine grobe Morphologie aufweisen. (b) PEDOT:PSS-Dünnfilme ohne Unregelmäßigkeiten und mit glatter Morphologie. (c) ZnO-Dünnfilme ohne Unregelmäßigkeiten und glatte Morphologie. (d) FESEM-Querschnittsbild für MEH-PPV-Dünnfilme mit einer Dicke von 2,035 µm. (e) PEDOT:PSS-Querschnittsbild mit einer Dicke von 2,120 um. (f) ZnO-Querschnittsbild mit einer Dicke von 1,625 µm. (g) 2D-Oberflächenprofil von MEH-PPV-Dünnfilmen mit einer durchschnittlichen arithmetischen Rauheit (Ra) von 16,18 nm. (h) 2D-Oberflächenprofil von PEDOT:PSS-Dünnfilmen mit einer durchschnittlichen arithmetischen Rauheit (Ra) von 8,09 nm. (i) 2D-Oberflächenprofil von ZnO-Dünnfilmen mit einer durchschnittlichen arithmetischen Rauheit (Ra) von 9,31 nm. Die Maßstabsbalkengröße für Abb. a, b und c beträgt 200 nm und die für d, e und f beträgt 2 um.

Die Raman-Spektroskopie ist ein leistungsstarkes Charakterisierungsinstrument bei der Untersuchung dünner Filme, während Fourier-Transformations-Infrarot-Spektren (FT-IR) bei der Identifizierung des Vorhandenseins funktioneller Gruppen helfen. Chemische und strukturelle Untersuchungen der durch SAW-EHDA abgeschiedenen MEH-PPV-, ZnO- und PEDOT:PSS-Filme wurden mithilfe von Raman-Streuung und FT-IR-Spektroskopie durchgeführt, wie in den Abbildungen 4 bzw. 5 dargestellt. Abbildung 4a – c zeigt die Raman-Spektren der Filme, während Abb. 5a – c die FT-IR-Spektren der abgeschiedenen Filme zeigt.

Raman-Spektroskopie von abgeschiedenen Filmen mittels SAW-EHDA.

(a) Raman-Streuung des MEH-PPV-Films (b) ZnO-Film (c) PEDOT:PSS-Film.

FT-IR-Spektroskopie von abgeschiedenen Filmen mittels SAW-EHDA.

(a) FT-IR-Spektrum des MEH-PPV-Films (b) ZnO-Film (c) PEDOT:PSS-Film.

Eine elektrische Charakterisierung der hergestellten leitfähigen Dünnfilme wurde durchgeführt, um zu überprüfen, ob die Filmqualität und Leitfähigkeit mit den herkömmlichen Herstellungsverfahren vergleichbar waren. Zur elektrischen Charakterisierung wurden vier kreisförmige Silberkontakte mit einem Durchmesser von jeweils 0,5 mm im Abstand von 3 mm zueinander in Form eines Quadrats auf die Oberflächen aufgebracht. Anschließend wurden die IV-Daten aufgezeichnet, indem die Sonden des Geräteanalysators gleichzeitig an zwei beliebige Kontakte angeschlossen wurden. Alle vier I-V-Kurven waren nahezu identisch und eine davon für MEH-PPV, PEDOT:PSS und ZnO, die durch den SAW-EHDA-Hybridprozess abgeschieden wurden, ist in Abb. 6 dargestellt. Aus Abb. 6a geht der Widerstand von ZnO hervor kann mit 1,303 KΩ berechnet werden, während sich unter Verwendung von Abb. 6b herausstellt, dass der Widerstand von PEDOT:PSS etwa 498 Ω beträgt. MEH-PPV zeigt halbleitendes Verhalten, wie in Abb. 6c dargestellt, mit einer Einschaltspannung von etwa 4 V und einem Stromfluss von 0,6 mA bei der Einschaltspannung, während ein Strom von 4,9 mA bei 6 V einen Widerstand von 1,22 KΩ zeigt . Die gemessenen Dicken der MEH-PPV-, PEDOT:PSS- und ZnO-Dünnfilme betragen 2,035 μm, 2,120 μm bzw. 1,625 μm, wie aus den Querschnitts-REM-Bildern von Abb. 3 ermittelt. Der Schichtwiderstand der Filme kann mithilfe der Van-der-Pauw-Methode berechnet werden. In unserem Fall waren alle vier Widerstandswerte für einen Film nahezu gleich, daher wird für einfachere Berechnungen eine Näherung von Rver = Rhor = R verwendet und der Schichtwiderstand für jeden Film anhand der Formel Rs = πR/ln (2) berechnet ). Dies ergibt einen Schichtwiderstand des ZnO-Dünnfilms von 5,9 KΩ/□, einen Schichtwiderstand des PEDOT:PSS-Dünnfilms von 2,26 KΩ/□ und den von MEH-PPV von 5,53 KΩ/□. Der spezifische Widerstand der Filme kann berechnet werden, indem der Schichtwiderstand mit der Filmdicke multipliziert wird. Der spezifische Widerstand des ZnO-Films beträgt 959 mΩ-cm, für PEDOT:PSS beträgt er 479 mΩ-cm und für MEH-PPV beträgt er 1,125 Ω-cm. Die Leitfähigkeit der dünnen Filme kann durch Umkehrung des spezifischen Widerstands berechnet werden, wodurch sich eine Leitfähigkeit für ZnO von 1,04 S/cm ergibt, während die Leitfähigkeit von PEDOT:PSS-Filmen mit 2,09 S/cm und 0,889 S/cm berechnet wird MEH-PPV. Alle abgeschiedenen Filme zeigen vielversprechende elektrische Eigenschaften, die mit den zuvor berichteten Ergebnissen der jeweiligen Filme vergleichbar sind.

I–V-Kurven der abgeschiedenen leitfähigen Dünnfilme durch den hybriden SAW-EHDA-Prozess (a) I–V-Kurve des ZnO-Dünnfilms, die das ohmsche Verhalten des Films zeigt, (b) PEDOT:PSS-Dünnfilm-I–V-Kurve, die das ohmsche Verhalten zeigt des Films, (c) MEH-PPV-Dünnfilm-IV-Kurve, die das halbleitende Diodenverhalten bei einer Einschaltspannung von 4 V zeigt.

Die Analyse der morphologischen Merkmale dünner Filme liefert nicht nur Informationen über die Machbarkeit, Optimierung und den Grad der Korrektheit der verwendeten Betriebsparameter, sondern ermöglicht auch Vorhersagen über die Leistung solcher funktionellen dünnen Filme. Es ist bekannt, dass die Folien, wenn sie Unregelmäßigkeiten wie Risse, Nadellöcher und Kratzer aufweisen, anfällig für verschiedene Elemente wie Luftfeuchtigkeit und Sauerstoff sind, die durch solche Unregelmäßigkeiten eindringen und die Leistung der Folien der Geräte, in denen sie verwendet werden, verschlechtern können Sie sind gebraucht. Daher ist es sehr wichtig, die Oberflächenmorphologie gründlich zu untersuchen.

Die in Abb. 2a – c dargestellten optischen Mikroaufnahmen zeigen, dass MEH-PPV, PEDOT: PSS und ZnO ziemlich gleichmäßig auf dem Substrat abgeschieden wurden. Der Maßstabsbalken zeigt, dass die Filmfläche für MEH-PPV größer ist als die von PEDOT: PSS und ZnO. Dies liegt daran, dass für die MEH-PPV-Abscheidung eine größere Maske mit einem Durchmesser von 5 mm verwendet wurde als die 3 mm-Maske, die für PEDOT: PSS und ZnO verwendet wurde. Die hochauflösenden Mikroaufnahmen zeigen deutlich, dass die entwickelten Filme keine Risse oder Kratzer aufweisen. Obwohl die mikroskopischen Aufnahmen eine gute Morphologie der Filme ergaben, ist eine viel intensivere und tiefergehende Untersuchung der Morphologie erforderlich, die von FESEM durchgeführt wurde. Wie in Abb. 3a – c dargestellt, zeigen die hochauflösenden FESEM-Bilder von MEH-PPV-, PEDOT: PSS- und ZnO-Dünnfilmen, dass sie frei von Rissen und Nadellöchern sind. Das Fehlen solcher Unregelmäßigkeiten bestätigt, dass die Filme von guter Qualität sind und in gedruckten elektronischen Anwendungen verwendet werden können. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Oberflächenmorphologie von MEH-PPV-Filmen vergleichsweise rauer ist als die der PEDOT: PSS- und ZnO-Dünnfilme. Die Untersuchung der Dicke der entwickelten Filme liefert Informationen über das Wachstum und die Gleichmäßigkeit der entwickelten Filme. Abb. 3d – f zeigen die Querschnitts-FESEM-Bilder von MEH-PPV-, PEDOT: PSS- bzw. ZnO-Dünnfilmen. Aus den Abbildungen geht hervor, dass die entwickelten Filme sehr glatt und sehr gleichmäßig sind. Die gemessene Dicke der MEH-PPV-, PEDOT:PSS- und ZnO-Dünnfilme beträgt 2,035 μm, 2,120 μm bzw. 1,625 μm. Da die Abscheidungszeit beibehalten wurde, d. h. 30 Minuten für alle drei Materialien, betrugen die berechneten Abscheidungsraten für MEH-PPV-, PEDOT: PSS- und ZnO-Dünnfilme 0,067 μm/min, 0,070 μm/min bzw. 0,054 μm/min. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass die Abscheidungsrate von ZnO vergleichsweise niedriger war als die von MEH-PPV und PEDOT: PSS. Dies liegt vor allem daran, dass ZnO ein vergleichsweise schwereres Material ist als MEH-PPV und PEDOT:PSS, da die Dichte von ZnO 5,16 g/cm3 und die von MEH-PPV und PEDOT:PSS 0,8 g/cm3 und 1 g beträgt /cm3 bzw. a. Die Dicke der entwickelten Filme wurde auch mit dem Dickenmesssystem K-MAC ST4000-DLX gemessen und die Ergebnisse waren durchaus vergleichbar mit denen, die durch Querschnittsanalyse der Filme durch FESEM berechnet wurden.

Die morphologischen Ergebnisse wurden weiter bestätigt und zur quantitativen Analyse mit einem Nano-Oberflächenprofilgerät untersucht. Abbildung 3g–i zeigt die 2D-Oberflächenprofile der von SAW-EHDA entwickelten MEH-PPV-, PEDOT:PSS- und ZnO-Dünnfilme. Die Ergebnisse zeigten, dass die durchschnittliche arithmetische Rauheit (Ra) von MEH-PPV-, PEDOT:PSS- und ZnO-Dünnfilmen 16,18 nm, 8,09 nm bzw. 9,31 nm betrug. Wie aus den Ergebnissen hervorgeht, weisen die entwickelten MEH-PPV-Dünnfilme eine vergleichsweise höhere Oberflächenrauheit auf als PEDOT:PSS und ZnO, was die Ergebnisse der FESEM-Analyse bestätigt. Die durchschnittliche arithmetische Rauheit ist die arithmetische durchschnittliche Höhe von Spitzen und Tälern ausgehend von der Mittellinie, gemessen innerhalb der Probe einer bestimmten Länge. Sie wird als Integral des Absolutwerts der Rauheitsprofilhöhe über die Auswertelänge berechnet. Es bietet eine wirkungsvolle Beschreibung der Höhenunterschiede in der Oberfläche. Neben (Ra) enthält die Abbildung auch andere Oberflächenrauheitsparameter wie Rq, Rt und Rz. Der Rq ist der quadratische Mittelwert der Rauheit und wird als durchschnittliche Höhenabweichung von der Referenzlinie/-ebene über die gesamte Fläche beschrieben. Rt wird als die maximale Rauheit zwischen Spitze und Tal in der spezifischen Probenahmelänge beschrieben, während Rz die durchschnittliche Rauheit zwischen Spitze und Tal ist. Die Rq-, Rt- und Rz-Werte für die MEH-PPV-Dünnfilme betragen 22,81 nm, 317,27 nm bzw. 217,73 nm. Während die Rq-, Rt- und Rz-Werte für die PEDOT:PSS-Dünnfilme 11,74 nm, 100,67 nm und 87,31 nm betragen und die für ZnO 12,46 nm, 105,20 nm bzw. 90,36 nm betragen. Die Oberflächenrauheitswerte der entwickelten Dünnfilme sind sehr bemerkenswert und durchaus vergleichbar mit zuvor gemeldeten Ergebnissen für Dünnfilme, die mit der EHDA-Technologie entwickelt wurden, die häufig für die Herstellung mehrschichtiger Geräte verwendet wird28,29,30. Die 3D-Oberflächenprofile für MEH-PPV-, PEDOT:PSS- und ZnO-Dünnfilme sind in den ergänzenden Abbildungen 4, 5 bzw. 6 dargestellt. Die entwickelten Filme wurden auch hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften charakterisiert. Die Ergebnisse zeigten eine höhere optische Durchlässigkeit von mehr als 85 % im sichtbaren Bereich für ZnO- und MEH-PPV-Filme, während die Durchlässigkeit von PEDOT:PSS-Dünnfilmen unter 85 % lag. Die optische Absorption von Filmen wurde ebenfalls analysiert und anhand der Filmdicke normiert. Die Absorptionsspektren der SAW-EHDA-hergestellten MEH-PPV-, PEDOT: PSS- und ZnO-Dünnfilme sind in der ergänzenden Abbildung 7 dargestellt.

Die charakteristischen Banden des MEH-PPV-Films in der Raman-Streuung weisen auf einen C-H-Biegemodus außerhalb der Ebene bei 970 cm-1, 1155 cm-1 (Mischung aus C-C-Streckung und C-H-Biegungsfreisetzung in der Ebene) hin, C = C-Bindungen bei 1325 cm-1 (C = C-Streckschwingungsband von Benzol) und 1634 cm-1 (C = C-Streckschwingungsband von Vinylgruppe). Die Raman-Spektren des durch SAW-EHDA abgeschiedenen ZnO-Films weisen charakteristische Peaks auf, wobei zwei Peaks bei 99,9 cm-1 bzw. 439 cm-1 beobachtet werden. Der markante Peak bei 99,9 cm−1 entspricht dem Phononenmodus von ZnO, der den Gitterschwingungen von Zinkatomen zugeschrieben wird. Die bei 439 cm−1 beobachtete Phononenmode wird zur Charakterisierung der Spannung im ZnO-Gitter verwendet. In massivem ZnO tritt dieser Modus bei 434 cm−1 auf, im ZnO-Film ist er jedoch bei 439 cm−131 verschoben. Diese charakteristischen Schwingungen hängen mit der Gitterschwingung der Sauerstoffatome zusammen und weisen auf die Wurtzit-Phase von ZnO hin. In den Raman-Spektren des PEDOT:PSS-Films wird der auffälligste Peak zwischen 1400 und 1500 cm−1 beobachtet. Dieses schmale Band ist das Merkmal des PEDOT:PSS-Films, während dieses Band bei makellosem PEDO:PSS breiter ist32. Es werden verschiedene Banden beobachtet, die mit der Polymerstruktur von PEDOT:PSS zusammenhängen. Die Banden bei 1568 cm-1 und 1511 cm-1 werden der asymmetrischen Cα = Cβ-Streckung zugeschrieben, 1444 cm-1 wird der symmetrischen Cα = Cβ-Streckung zugeschrieben, 1373 cm-1 wird der Cβ-Cβ-Streckung zugeschrieben und 1258 cm-1 wird der Cα-Cα-Streckung zwischen den Ringen zugeschrieben. Die Bande bei 1040 cm-1 zeigt eine C-O-C-Verformung, 995 cm-1 wird einer Oxyethylen-Ringverformung zugeschrieben, 708 cm-1 wird einer symmetrischen C-S-C-Verformung zugeschrieben, 582 cm-1 wird einer zugeschrieben Die Oxy-Ethylen-Verformung und 446 cm−1 werden der SO2-Biegung zugeschrieben.

Die FT-IR-Spektren des abgeschiedenen MEH-PPV-Films weisen verschiedene Eigenschaften auf. Starke Übergänge in der Ebene werden zwischen 500 und 1500 cm−1 beobachtet und die meisten Peaks entsprechen den C-H-Banden in der Ebene. Der experimentelle Übergang mittlerer Stärke bei 772 cm−1 kann als eine außerhalb der Ebene liegende Ringbande der Phenylenringe interpretiert werden. Die Peaks bei 857 und 968 cm-1 entsprechen dem Wackeln von Phenyl-C-H bzw. Vinylen-C-H außerhalb der Ebene. Es wird erwartet, dass die Intensitäten dieser beiden Peaks höher sind, wenn die Phenyl-Vinyl-Ebenen parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet sind. Beim thermischen Tempern des Films werden die Peaks bei 1033 und 1207 cm−1 etwas schwächer als bei einem nicht getemperten MEH-PPV-Film weil Phenylringe paralleler zum Substrat werden33. Die Banden bei 1033 und 1260 cm−1 werden der symmetrischen bzw. asymmetrischen Streckung des Arylalkylethers (C−O−C) zugeschrieben. Die Phenyl-Sauerstoff-Streckung kann bei 1207 cm−1 beobachtet werden. Die Banden bei 1376 und 1458 cm−1 zeigen eine symmetrische bzw. asymmetrische C-H-Biegung in der CH2-Gruppe. Die beiden scharfen Banden bei 2853 und 2954 cm−1 werden einer asymmetrischen C-H-Streckschwingung in der CH2- bzw. CH3-Gruppe zugeordnet.

Die FT-IR-Spektren der entwickelten ZnO-Dünnfilme zeigten verschiedene charakteristische Peaks. Das Auftreten eines schwachen Absorptionspeaks bei etwa 485 cm−1 weist auf die Existenz eines Zn-O-Streckschwingungsmodus hin. Die Peaks bei 1064 und 1416 cm−1 werden dem aromatischen C=C-Streckmodus bzw. der C-O-Streckfrequenz zugeordnet, was möglicherweise auf Spuren von Tensid zurückzuführen ist. Die breite Bande um 3400 cm−1 wird dem Vorhandensein der Hydroxylgruppe auf der Oberfläche der Probe zugeschrieben und die schwache Absorption bei 2500 cm−1 ist auf das Vorhandensein von CO2-Molekülen zurückzuführen. Die Banden bei 2800–3000 cm−1 sind auf C-H-Streckfrequenzen zurückzuführen.

Die FT-IR-Spektren des PEDOT:PSS-Films weisen Peaks bei 836 und 947 cm−1 auf, die den Schwingungen der S-C-Bindungen in der polymerisierten PEDOT-Kette entsprechen. Die Peaks bei 1073 und 1133 cm−1 werden der Streckung der C-O-C-Bindungen in der Ethylendioxygruppe zugeordnet. Die Peaks bei 1220, 1333, 1460 und 1520 cm−1 können auf die Streckung des Thiophenrings zurückgeführt werden. Das Vorhandensein der Peaks bei 2883 und 2930 cm−1 ist auf Alkyl-C-H-Streckschwingungen zurückzuführen. Die Peaks bei 1646 und 3357 cm−1 entsprechen den O-H-Biege- bzw. Streckschwingungen.

Es wurden erfolgreich funktionelle Dünnfilme aus verschiedenen Kategorien leitfähiger Materialien mit hervorragenden morphologischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften abgeschieden. Die Folie wurde auch bei der Geräteherstellung verwendet und es wurde eine sehr gute Geräteleistung erzielt. Das SAW-EHDA-Hybridsystem für die Abscheidung funktioneller Dünnfilme und die Musterherstellung ist eine vielversprechende neuartige Technik mit bestimmten Vorteilen wie kleiner und gleichmäßiger zerstäubter Partikelgröße, geringem Stromverbrauch, atmosphärischen Umgebungsbedingungen und hervorragenden Filmeigenschaften. Es handelt sich um eine vielversprechende Technik, die für die Herstellung von Geräten wie Sensoren und FETs vorgeschlagen wird.

Das hybride SAW-EHDA-System wurde erfolgreich zur Abscheidung verschiedener leitfähiger funktioneller Dünnschichten eingesetzt. Die hergestellten Filme weisen hervorragende elektrische und morphologische Eigenschaften auf und können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Da das Phänomen auf dem Prinzip der Zerstäubung beruht, ist zu erwarten, dass die Porosität des Films höher ist als die des gleichen Films, der durch Schleuderbeschichtung abgeschieden wurde. Diese Tatsache wurde berücksichtigt und ein Feuchtigkeitssensor auf Basis einer PEDOT:PSS-Dünnschicht als Sensorschicht hergestellt und charakterisiert. Derselbe IDT, der zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen verwendet wird, wurde auch als IDT für die Herstellung des Feuchtigkeitssensors verwendet. Die Verwendung eines piezoelektrischen Substrats und eines Hochfrequenz-IDT zur Feuchtigkeitsmessung bietet zusätzliche Vorteile durch schnelle Erholungszeiten der Sensoren, wie in unserer vorherigen Arbeit34 erläutert. Um die Reaktion eines mit SAW-EHDA hergestellten Sensors zu vergleichen, wurde auch ein anderer Sensor hergestellt, bei dem die aktive Schicht mittels Schleuderbeschichtung abgeschieden wurde. Die Widerstandsreaktion des durch SAW-EHDA hergestellten Sensors wurde bei verschiedenen Testfrequenzen für unterschiedliche Feuchtigkeitsbereiche aufgezeichnet. Die Reaktion der schleuderbeschichteten Probe wurde auch bei einer Testfrequenz von 1 kHz aufgezeichnet (beste Ergebnisse) und mit der der SAW-EHDA-Probe verglichen. Die Reaktions- und Erholungszeitdiagramme wurden auch mit dem Atemerkennungssystem aufgezeichnet, wie in unserer früheren Forschungsarbeit erwähnt34. Abbildung 7 zeigt die Ergebnisse und den Vergleich beider Sensortypen hinsichtlich der Messeffizienz sowie Reaktions- und Erholungszeitdiagramme.

Charakteristische Kurven der Sensorreaktion, gemessen bei unterschiedlichen Feuchtigkeitsniveaus.

(a) Reaktion des SAW-EHDA-basierten Sensors bei verschiedenen Testfrequenzen für einen %rF-Bereich von 0 %rF bis 90 %rF, (b) Reaktionszeit des schleuderbeschichteten Sensors mit einer Messauflösung von 100 ms, (c) Reaktionszeit einer SAW-EHDA-basierten Probe mit einer Messauflösung von 100 ms, (d) Vergleich der Widerstandsreaktion einer schleuderbeschichteten Probe mit einer SAW-EHDA-basierten Probe gegenüber einem vollständigen Messbereich unterschiedlicher Feuchtigkeitsniveaus bei einer Testfrequenz von 1 kHz, (e) Reaktion Zeit des aufgeschleuderten Sensors mit einer Messauflösung von 10 ms, (f) Reaktionszeit einer SAW-EHDA-basierten Probe mit einer Messauflösung von 10 ms.

Abbildung 7a zeigt die hervorragenden Feuchtigkeitserfassungseigenschaften des Sensors mit aktiver Schicht, die mit SAW-EHDA hergestellt wurde und einen weiten Messbereich von 0 % RH bis 90 % RH abdeckt. Der Vergleich zwischen den Reaktionen zweier Sensoren auf unterschiedliche Luftfeuchtigkeitswerte im gesamten Bereich ist in Abb. 7b dargestellt. Die Grafik zeigt, dass die Kurve der schleuderbeschichteten Probe höher liegt als die des SAW-EHDA-Gegenstücks, wobei die schleuderbeschichtete Probe im unteren RH-Bereich eine sehr geringe Empfindlichkeit aufweist. Außerdem ist die Steigung des aufgeschleuderten Sensors höher, was bedeutet, dass der Sensor nicht für Anwendungen zur Feuchteerfassung mit großem Bereich geeignet ist. Die Reaktions- und Erholungszeiten wurden für beide Sensoren mit einer Auflösung von 100 ms und 10 ms aufgezeichnet. Abbildung 7c und d zeigen die Reaktions- und Erholungszeiten beim Ein- und Ausatmen der schleuderbeschichteten Probe mit einer Auflösung von 100 ms bzw. 10 ms. Abbildung 7e,f zeigen die Reaktions- und Erholungszeiten des SAW-EHDA-Beispiels mit einer Auflösung von 100 ms bzw. 10 ms. Die hochauflösenden Diagramme zeigen, dass die Reaktionszeit der schleuderbeschichteten Probe etwa 195 ms betrug (Durchschnitt aus vier Messungen), während die der SAW-EHDA-Probe 140 ms beträgt. Die Erholungszeiten von schleuderbeschichteten und SAW-EHDA-Proben betragen 180 ms bzw. 120 ms. Obwohl es keinen großen Unterschied in der Betriebsgeschwindigkeit der Sensoren gibt, ist klar, dass die SAW-EHDA-basierten Proben bessere Betriebsgeschwindigkeiten und Empfindlichkeit aufweisen. Ein weiterer Trend, der anhand der Reaktionszeitdiagramme beobachtet werden kann, ist die Betriebsstabilität im Falle eines SAW-EHDA-basierten Sensors mit glatten und stabilen Kurven bei konstantem Feuchtigkeitsniveau und scharfen Übergängen zwischen höheren und niedrigeren Feuchtigkeitsniveaus.

Die Querschnitts-REM- und 2D-Oberflächenprofilbilder sowohl der schleuderbeschichteten PEDOT:PSS-Aktivschicht als auch der SAW-EHDA-Aktivschicht sind in Abb. 8 dargestellt und zeigen, dass die Filmdicke des schleuderbeschichteten Films 350 nm beträgt, während die des SAW-EHDA-Films 350 nm beträgt beträgt 158 nm und ist damit erheblich niedriger als bei einer schleuderbeschichteten Probe. Die 2D-Oberflächenprofilbilder von SAW-EHDA-basierten Filmen und schleuderbeschichteten Filmen sind in Abb. 8a bzw. b dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahl der Poren (dunkelblaue Flecken) im schleuderbeschichteten Film viel geringer ist (fast die Hälfte) im Vergleich zu dem, der mit SAW-EHDA für die gleiche Probenfläche abgeschieden wurde. Die durchschnittliche Porengröße in SAW-EHDA-basierten Proben ist ebenfalls größer als die von schleuderbeschichteten Proben. Dies bedeutet, dass die Porosität der SAW-EHDA-basierten Probe fast doppelt so hoch ist wie die der schleuderbeschichteten Probe.

Vergleich der Filmmorphologien der beiden Sensoren, die mittels SAW-EHDA-Abscheidung und Schleuderbeschichtung hergestellt wurden.

(a) 2D-Oberflächenprofil einer auf SAW-EHDA basierenden Folie (b) 2D-Oberflächenprofil einer aufgeschleuderten Folie (c) SEM-Querschnittsbild einer auf SAW-EHDA basierenden Folie (d) SEM-Querschnittsbild einer aufschleuderbeschichteten Folie.

Ein umfassender Vergleich eines ähnlichen Sensors, der unter Verwendung des gleichen Hochfrequenz-IDT auf piezoelektrischem Substrat hergestellt wurde, mit den anderen zuvor in der Literatur berichteten Feuchtigkeitssensoren wurde in tabellarischer Form in unserer früheren Forschungsarbeit dargestellt34. Der messbare Bereich des mit SAW-EHDA hergestellten Sensors ist aufgrund der höheren Filmporosität sogar noch größer als bei unserer vorherigen Arbeit. Die Reaktionszeit des SAW-EHDA-basierten Sensors ist aufgrund der erhöhten Filmporosität und der verringerten Filmdicke auch fast dreimal schneller als bei unserer vorherigen Arbeit. Wenn wir außerdem die Eigenschaften unseres Sensors mit denen in der Literatur vergleichen, die unter Verwendung von reinem PEDOT:PSS als Sensorschicht hergestellt wurden, beträgt der erreichte messbare Bereich 20 % RH bis 65 % RH in einer Arbeit35 und der erreichte Bereich in einer anderen Arbeit beträgt 25 % RH bis 95 % RH36. Beide messbaren Bereiche sind im Vergleich zum SAW-EHDA-basierten Gerät deutlich geringer. Auch die Reaktions- und Wiederherstellungszeiten sind bei beiden genannten Werken deutlich langsamer als bei uns. Die Filmmorphologie und die Reaktion der Sensoren zeigen, dass der mit SAW-EHDA hergestellte Film sehr gut für Sensoranwendungen geeignet ist.

Für dieses Experiment wurde MEH-PPV-Tinte (Konzentration 0,5 Gew.-%) hergestellt. MEH-PPV-Pulver wurde in Chloroform gelöst und zur Badbeschallung 5 Minuten lang bei 4 °C aufbewahrt und dann 30 Minuten lang auf einem Magnetrührer bei Raumtemperatur gehalten.

Für das SAW-ED-Experiment wurde ZnO-Tinte (Konzentration 5 Gew.-%) vorbereitet. ZnO-Pulver wurde in 99,9 % Ethanol dispergiert und dann 10 Minuten lang mit einem Ultraschallsondenbeschaller beschallt. Als Tensid wurden 0,01 % Triton Die Lösung wurde dann 4 Stunden lang bei 70 °C gerührt, danach war die Tinte gebrauchsfertig.

PEDOT:PSS (Konzentration 5 Gew.-%) wurde durch Verdünnen der PEDOT:PSS-Paste in Isopropylalkohol und 30-minütige Ultraschallbehandlung hergestellt. Anschließend wurde die Tinte 3 Stunden lang bei Raumtemperatur auf einen Magnetrührer gegeben. Die physikalischen Eigenschaften der Tinten sind in der Zusatztabelle 2 aufgeführt.

Der Sensor wurde hergestellt, indem das Zielsubstrat im Versuchsaufbau durch einen anderen Hochfrequenz-IDT auf LiNbO3 als Sensorelektrode ersetzt und die Kollimatoröffnung auf den aktiven Teil des IDT fokussiert wurde. PEDOT:PSS wurde unter Verwendung der gleichen Parameter wie in Tabelle 1 erwähnt zerstäubt und ein dünner Film als aktive Schicht des Feuchtigkeitssensors abgeschieden. Um einen dünnen und porösen Film zu erhalten, der für Sensoranwendungen geeignet ist, wurde die Abscheidungszeit von 30 Minuten auf 5 Minuten verkürzt. Die aktive Schicht des anderen zu Vergleichszwecken hergestellten Sensors wurde durch einfaches Schleuderbeschichten abgeschieden, indem die Verbindungsabschnitte an den Elektroden maskiert wurden und die gleiche PEDOT:PSS-Tinte mittels Mikropipit auf den aktiven Bereich des IDT getropft und anschließend bei 2500 U/min aufgeschleudert wurde .

Die Sensoren wurden charakterisiert, indem der hergestellte Sensor zusammen mit einem Referenzfeuchtigkeitssensor in einer versiegelten Kammer platziert und dann der Feuchtigkeitsgrad in der Kammer durch Variieren des Wasserdampfgehalts und der Stickstoffgasströmungsrate durch gesteuerte Ventile gesteuert wurde. Die Luftfeuchtigkeitswerte sowie der Echtzeit-Widerstand und die Impedanz des Sensors wurden über eine USB-Schnittstelle mit Zeitstempeln im Computer protokolliert. Die Details zu unserem Charakterisierungsaufbau und dem schematischen Diagramm sind in unserer früheren Forschungsarbeit34 dargestellt.

Die Charakterisierung der SAW-EHDA-abgeschiedenen MEH-PPV-, PEDOT: PSS- und ZnO-Dünnfilme wurde mit verschiedenen Techniken durchgeführt. Für die optischen Mikroaufnahmen wurde ein optisches Mikroskop Olympus BX51M mit Bildanalysefunktionen verwendet. Hierzu wurde ein hochmodernes, zerstörungsfreies Dünnschichtdickenmesssystem K-MAC ST4000-DLX verwendet, das auf dem Prinzip der konstruktiven und destruktiven Interferenz im Spektrum des auf die Filmoberfläche einfallenden weißen Lichts basiert Messung der Filmdicke. Zur Beobachtung der Morphologie, Konformität und Querschnittsdicke des Films wurde ein Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-SEM) JSM-6700F verwendet. Die quantitative Analyse der Oberflächenmorphologie wurde mit einem hochpräzisen 3D-Nano-Oberflächenprofilierer NanoView durchgeführt. Für die Raman-Analyse wurde ein Mikro-Raman-Spektrometersystem nach dem Modell LabRAM HR EV mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 514 nm als Anregungsquelle verwendet. Die im Film vorhandenen funktionellen Gruppen wurden mit dem Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie-Analysator (FT-IR) BrukerIFS66/S-Germany untersucht. Die UV-Charakterisierung wurde mit einem Shimadzu UV-3150 UV/VIS/NIR-Spektrophotometer durchgeführt. Für die elektrische Charakterisierung wurde der Halbleitergeräteanalysator Agilent B1500A in Verbindung mit der Sondenstation MST8000C verwendet. Auf den Oberflächen wurden vier kreisförmige Silberkontakte mit einem Durchmesser von jeweils 0,5 mm im Abstand von 3 mm zueinander, die ein Quadrat bilden, abgeschieden. Anschließend wurden die IV-Daten aufgezeichnet, indem die Sonden des Geräteanalysators nacheinander für alle vier Seiten des Quadrats an zwei beliebige Kontakte angeschlossen wurden. Für die Proben wurden Einzel- und Doppel-IV-Durchläufe bei unterschiedlichen Spannungen und Schrittgrößen aufgezeichnet, um die Stabilität der Ergebnisse sicherzustellen, und die Kurven wurden in Echtzeit aufgezeichnet.

Zitierweise für diesen Artikel: Choi, KH et al. Hybride akustische Oberflächenwellen-Elektrohydrodynamische Atomisierung (SAW-EHDA) für die Entwicklung funktioneller Dünnschichten. Wissenschaft. Rep. 5, 15178; doi: 10.1038/srep15178 (2015).

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Diese Arbeit wurde durch ein von der koreanischen Regierung (MSIP) finanziertes Stipendium der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt (Nr. NRF-2014R1A2A1A01007699).

Abteilung für Mechatroniktechnik, Jeju National University, Jeju, 690-756, Südkorea

Kyung Hyun Choi, Hyun Bum Kim, Kamran Ali, Memoon Sajid und Ghayas Uddin Siddiqui

Abteilung für Angewandte Mathematik der University of Waterloo, Kanada

Dong Eui Chang

Korea Institute of Industrial Technology, Südkorea

Hyung Chan Kim

Abteilung für Elektrotechnik, Jeju National University, Jeju, 690-756, Südkorea

Jeong Beom Ko, Hyun Woo Dang und Yang Hoi Doh

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HBK, KA, MS und GUS führten die Experimente durch und schrieben auch die Arbeit mit Hilfe von HCK, JBK und HWD. Die mathematische Hilfe wurde von DEC bereitgestellt. Die Analyse der Ergebnisse und die endgültige Überarbeitung der Arbeit wurde von KHC und YHD durchgeführt

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

Dieses Werk ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe nichts anderes angegeben ist; Wenn das Material nicht unter der Creative-Commons-Lizenz enthalten ist, müssen Benutzer die Erlaubnis des Lizenzinhabers einholen, um das Material zu reproduzieren. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Nachdrucke und Genehmigungen

Choi, K., Kim, H., Ali, K. et al. Hybride akustische Oberflächenwellen-Elektrohydrodynamische Atomisierung (SAW-EHDA) zur Entwicklung funktioneller Dünnschichten. Sci Rep 5, 15178 (2015). https://doi.org/10.1038/srep15178

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Eingegangen: 3. März 2015

Angenommen: 18. September 2015

Veröffentlicht: 19. Oktober 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep15178

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