Nanoionics:Et alsidigt system til at konstruere ionledende kanaler på monolag

(Phys.org)—Nanoionics er et underområde af nanoteknologi, der beskæftiger sig med nanoskalafænomener, der involverer migration af ioner i faste materialer. Så langt, imidlertid, begrænsningen af ​​ionstrømme til foruddefinerede baner på en måde, der ligner elektronernes bevægelse i ledninger af elektroniske ledere, er ikke blevet undersøgt.

Til det formål, Jonathan Berson, Doron Burshtain, Assaf Zeira, Alexander Yoffe, Rivka Maoz, og Jacob Sagiv fra afdelingen for materialer og grænseflader ved Weizmann Institute of Science i Israel har udviklet en proof-of-concept tilgang til at lave specialdesignede ionledende overflademønstre ved hjælp af konstruktiv litografi og organosilan selvsamlede monolag, anvendelig til forskellige metalioner. Deres arbejde er rapporteret i Naturmaterialer .

Konstruktiv litografi involverer en elektrokemisk oxidativ reaktion mellem en ledende atomkraftmikroskop (AFM) spids og molekylerne knyttet til en siliciumwafer, typisk som monolag. Dette giver mulighed for et præcisionsniveau, hvor man kan vælge, hvilke molekyler der skal gennemgå reaktionen, og hvilke der ikke vil. I dette studie, oganosilan monolag bestående af Si-Cl ₃ ankre, en alifatisk kulstofrygrad, og et methyl (-CH ₃ ) terminal gruppe oxideres selektivt ved anvendelse af konstruktiv litografi. Den methylterminale gruppe oxideres til en carboxylsyreterminalgruppe (-COOH), uden at ændre rygrad og anker.

Konstruktiv litografi giver mulighed for at skabe skarpe grænsepunkter. Disse grænser er mellem overfladeområder befolket af methyl-terminerede molekyler og dem befolket af carboxylsyre-terminerede molekyler. Elektroder af et givet metal kan placeres på de carboxylsyreterminerede overfladeområder ved sådanne grænsesteder, derved oprette en carboxylbane for ioner til at rejse.

For det indledende modelsystem i denne forskning, Berson og Burshtain, et al. placerede sølv (Ag) elektroder ved grænsesteder, og løb derefter d.c. spænding gennem elektroderne, dermed producere mobile sølvioner. Deres mål var at se, om Ag ⁺ ioner ville koordinere til de deprotonerede carboxylsyrer, i det væsentlige krydser længden af ​​den specificerede vej fra anode til katode uden brug af en tilsat elektrolyt.

Fourier Transform Infrarød spektroskopi (FTIR) bekræftede, at den målrettede terminal –CH ₃ grupper omdannet til -COOH uden at forstyrre de andre segmenter af monolaget. Desuden, FTIR-aflæsninger blev taget over en periode, mens en d.c. spænding på 1 mV til 100 mV blev påført. Dette bekræftede, at -COOH mistede sin proton og dannede sølvcarboxylatsaltet. XPS bekræftede, at sølvionerne fulgte carboxylatvejen placeret mellem de to elektroder og ikke interagerede med de methylterminerede molekyler. Resistensundersøgelser belyste transporten af ​​ioner på tværs af kanaler af varierende længder og bredder.

Den samme procedure blev fulgt med titaniumelektroder i stedet for sølvelektroder. Berson og Burshtain et al. så på et system med titaniumelektroder, der tjener som anode og katode, og et kombinationssystem med sølv- og titaniumelektroder. FTIR bekræftede tilstedeværelsen af ​​Ti ⁴⁺ på overfladen af ​​systemet med titaniumelektroder. Det blandede elektrodesystem viste bevis for, at en kation kan erstatte den anden på carboxylatoverfladen, mens den konkurrerer om tilgængelig -COO ^- websteder.

Arrhenius-plot af sølv- og titaniumsystemet indikerer, at en lignende ledningsmekanisme forekommer i det blandede metalsystem sammenlignet med det enkelte metalsystem. Der er forskel på titaniums aktiveringsenergi sammenlignet med sølv, hvilket forfatterne mener, skyldes sandsynligvis Ti ⁴⁺ koordinerer til fire –COO ^- molekyler sammenlignet med Ag ⁺ koordinere til en. Desuden, Ti ⁴⁺ binding får en lidt mere kovalent karakter end Ag ⁺ .

Mens de førnævnte undersøgelser blev udført på makroskala, næste skridt var at se, om modelsystemet ville fungere med nano-kanalkonfigurationer. Forfatterne konstruerede et system med to makrokanaler, der var adskilt af en nanokanal med sølvelektroder i makrokanalerne og et andet system, hvor sølvelektroderne var på hver side af en nanokanal.

Modstandsberegninger og AFM-billeder indikerede, at systemet med to makrokanaler adskilt af en nanokanal opførte sig på samme måde som makrokanalerne. Imidlertid, når elektroderne blev placeret på grænserne af nano-kanalen, en tynd film af sølv akkumuleret langs kanalen i stedet for ved katoden, sandsynligvis på grund af højere fluxtæthed af ioner i systemet og derfor større mulighed for nukleation og efterfølgende sølvfilamentvækst langs nano-kanalvejen.

Denne forskning viser evnen til at skræddersy ionledende ledende kanaler ved hjælp af konstruktiv litografi på alkylsilan monolag. Denne teknik er alsidig, idet de ledende kanaler kan rumme forskellige mobile ioner produceret ved at bruge forskellige metaller kan bruges til elektroderne.

Ifølge Dr. Sagiv, "Denne forskning viser den mulige realisering af en konceptuelt ny type generisk fast ionisk materiale, der kan være formede ion-ionledende kanaler med foruddefinerede længder, bredder, og baner, velegnet til planlagt transport af forskellige udvalgte kationer over afstande, der spænder over dimensioner fra nanoskala til makroskala." han siger, at de bredere implikationer af denne forskning "forventes at muliggøre fremstilling af opgavedesignede ioniske kredsløb og hurtige ioniske switche, der er anvendelige i fremtidige enheder baseret på nye metoder til informationsbehandling og -lagring."

© 2015 Phys.org