Effect of carbon nanotube alignment on nanocomposite sensing performance

Abstract The objective of this study is to derive a numerical model of carbon nanotube (CNT)-based thin films that accurately reflect their electrical and electromechanical performance as observed through experimental tests. Although nanocomposites based on CNTs dispersed in polymer matrices have been studied extensively, their nanocomposite properties vary depending on CNT orientations. This study aimed to explain how differences in nanocomposite behavior could be revealed by numerical models considering different CNT alignment conditions. First, a percolation-based thin film model was generated by randomly dispersing CNT elements in a predefined two-dimensional domain. The degree of CNT alignment in the film was controlled by limiting the CNT elements’ maximum angle they make with respect to the film’s longitudinal axis. Then, numerical simulations on CNT-based film models were conducted. Second, multi-walled carbon nanotube (MWCNT)-epoxy films were prepared via drop casting. Alternating current was applied to the MWCNT-epoxy mixture before curing to prepare films with different degrees of CNT alignment. The electrical and electromechanical properties of these specimens were characterized, and the results were compared with simulations. Good agreement between experiments and simulations was observed

Nanofabrication via directed assembly: a computational study of dynamics, design & limits

Three early-stage techniques, for the fabrication of metallic nanostructures, creation of controlled topography in polymer films and precise deposition of nanowires are studied. Mathematical models and computational simulations clarify how interplay of multiple physical processes drives dynamics, provide a rational approach to selecting process parameters targeting specific structures efficiently and identify limits of throughput and resolution for each technique. A topographically patterned membrane resting on a film of nanoparticles suspended in a solvent promotes non-uniform evaporation, driving convection which accumulates particles in regions where the template is thin. Left behind is a deposit of particles the dimensions of which can be controlled through template thickness and topography as well as film thickness and concentration. Particle distribution is shown to be a competition between convection and diffusion represented by the Peclet number. Analytical models yield predictive expressions for bounds within which deposit dimensions and drying time lie. Ambient evaporation is shown to drive convection strong enough to accumulate particles 10 nm in diameter. Features up to 1 µm high with 10 nm residual layers can be deposited in < 3 minutes, making this a promising approach for continuous, single-step deposition of metallic nanostructures on flexible substrates. Selective exposure of a polystyrene film to UV radiation has been shown to result in non-uniform surface energy which drives convection on thermal annealing, forming topography. Film dynamics are shown to be a product of interplay between Marangoni convection, capillary dissipation and diffusion. At short times, secondary peaks form at double the pattern density of the mask, while at long times pattern periodicity follows the mask. Increased temperature, larger surface tension differentials and thick films result in faster dynamics and larger features. Electric fields in conjunction with fluid flow can be used to position semi-conducting nanowires or nanotubes at precise locations on a substrate. Nanowires are captured successfully if they arrive within a region next to the substrate where dielectrophoresis dominates hydrodynamics. Successful assembly is predicated upon a favorable balance of hydrodynamics, dielectrophoresis and diffusion, represented by two dimensionless groups. Nanowires down to 20 nm in length can be assembled successfully.Chemical Engineerin

Electric Field Guided Assembly of One-Dimensional Nanostructures for High Performance Sensors

Various nanowire or nanotube-based devices have been demonstrated to fulfill the anticipated future demands on sensors. To fabricate such devices, electric field-based methods have demonstrated a great potential to integrate one-dimensional nanostructures into various forms. This review paper discusses theoretical and experimental aspects of the working principles, the assembled structures, and the unique functions associated with electric field-based assembly. The challenges and opportunities of the assembly methods are addressed in conjunction with future directions toward high performance sensors

Retinal Neural Stimulation Method Using Silicon Nanowire-based Photodetection Circuits for the Realization of High Resolution Retinal Prosthesis

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2015. 8. 조동일.인간의 눈에 들어온 빛 정보는 망막에서 전기신호로 변환되어 시신경을 통해 뇌로 전달되어 영상을 인식하게 된다. 그러나 시세포가 손상된 경우에는 다른 신경세포들의 기능이 남아있더라도 빛을 인지할 수 없어 결국 볼 수 없게 된다. 인공 망막 시스템(retinal prosthetic system)은 이러한 망막 손상으로 인해 시각 장애를 겪고 있는 장애인의 시력 회복을 위해 망막 세포 내에 인위적으로 미세 전극 어레이(micro electrode array, MEA)가 집적된 망막 자극기를 이식하고 여기에 전기 자극 신호를 인가하여 망막 세포에 인위적인 전기 자극을 유발시킴으로써 망막 시세포 손상으로 시력을 잃은 사람에게 영상을 인식할 수 있도록 해주는 장치이다. 본 논문에서는 영상인식을 위한 광 검출기가 내장된 완전한 안구 이식형의 고해상도 인공 망막 시스템 구현을 위해 실리콘 나노와이어 기반의 광 검출 및 자극 신호 변조회로와 미세 전극 어레이가 집적된 고해상도 망막 자극기와 광 검출 기반의 망막 신경 자극 기법을 제안한다. 제안하는 망막 자극기는 실리콘 나노와이어 기반의 광 검출 및 자극 신호 변조회로와 미세 전극 어레이가 N×N matrix 형태로 집적되어 있으며, 망막 세포에 이식이 용이하도록 유연한 형태로 제작된다. 각 픽셀에는 1개의 실리콘 나노와이어 광 검출기와 2개의 실리콘 나노와이어 FET(field effect transistor)로 구성되는 광 검출 및 자극 신호 변조 회로를 내장하고 있으며, 신호처리 칩에서 생성된 펄스 형태의 기준 자극 신호(reference stimulation signal)가 각 픽셀에 전달되고, 각 픽셀에서는 기준 자극 신호를 빛의 세기에 비례하는 진폭을 가지는 자극 신호로 변조하여 미세 전극에 전달하여 망막 신경을 자극한다. 실리콘 나노와이어 기반의 광 검출 및 자극 신호 변조 회로를 구성하는 전압 분배기 및 전류 구동기 회로를 제작하기 위한 기본 소자로서 실리콘 나노와이어 광 검출기와 실리콘 나노와이어 FET, 그리고 미세 전극을 제작하여 특성을 평가하였다. 제작된 실리콘 나노와이어 광 검출기는 빛에 대한 감도가 최대 1,936에 이르고, 응답도의 경우 400 nm ~ 800 nm의 파장 범위에서 104 ~ 105 A/W에 이를 정도로 매우 우수한 광학적 성능을 보였다. 그리고 실리콘 나노와이어 FET는 실리콘 나노와이어의 개수, 실리콘 나노와이어의 길이, 그리고 FET 구동 전압을 설계 파라미터로 하여 실리콘 나노와이어 FET의 특성을 조사하였으며, 103 이상의 on-off ratio와 5 V 구동전압에서 최대 225 μA의 전류 레벨을 보였다. 고밀도화에 따른 전극의 소형화에도 불구하고 충분한 전류 주입 용량을 확보하기 위한 방법으로 원통형의 Au 전극의 표면에 전주도금공정으로 5,000 Å 두께의 nano-porous한 Pt-black층을 형성함으로써 넓은 표면적을 가진 고밀도 미세 전극 제작이 가능한 나노 3D 미세 전극을 제작하였다. 실리콘 나노와이어 광 검출기와 실리콘 나노와이어 FET 소자를 제작하여 망막 자극기의 전압 분배기 및 전류 구동기 회로를 구성하고 각각의 회로의 동작을 조사함으로써 본 논문에서 제안하는 광 검출 및 자극 신호 변조의 원리가 잘 적용됨을 확인하였다. 제안하는 망막 자극기의 고해상도 망막 시스템으로의 적용 가능성 검토를 위해 32×32의 고해상도 망막 자극기를 설계, 제작하였다. 제작된 망막 자극기에는 약 40 μm 두께의 매우 얇은 flexible한 폴리이미드 필름 내에 단위 픽셀의 크기가 110 μm × 110 μm인 실리콘 나노와이어 기반의 광 검출 및 자극 신호 변조 회로가 집적되었다. 제안하는 망막 자극기 및 망막 신경 자극 기법의 유효성을 평가하기 위해 in-vitro 동물 실험을 실시하였다. In-vitro 동물실험에서는 빛의 세기에 따른 자극 신호의 변조를 통해 망막 신경으로 의 주입 전하량의 조절이 가능하며, 실험 결과 약 10 nC 이상의 주입 전하량에서 망막 신경의 유효 자극이 일어남을 관찰할 수 있었으며, 이를 통해 빛의 검출 및 자극 신호 변조를 통한 망막 신경의 자극이 효과적으로 잘 이루어짐을 확인할 수 있었다.제 1 장 서론 제 1 절 연구 배경 제 2 절 고해상도 인공망막 시스템의 구현 제 3 절 연구 동기 제 4 절 논문 내용 요약 및 논문의 구성 제 2 장 본론 제 1 절 실리콘 나노와이어 광 검출기가 내장된 고해상도 망막 자극기 1. 광 검출기가 내장된 고해상도 인공 망막 시스템의 구성 2. 실리콘 나노와이어 기반의 광 검출 및 자극 신호 변조 회로의 동작 원리 및 망막 신경 자극 기법 제 2 절 실리콘 나노와이어 기반의 광 검출 회로가 내장된 망막 자극기의 설계 1. 내부 광 검출기를 이용하는 방식의 망막 자극기의 설계 2. 내부 광 검출기와 외부 카메라를 선택적으로 이용할 수 있는 방식의 망막 자극기의 설계 제 3 절 망막 자극기 각 구성 요소별 소자 제작 및 특성 평가 1. 실리콘 나노와이어의 제작 2. 실리콘 나노와이어 광 검출기 제작 및 특성 평가 3. 실리콘 나노와이어 FET 제작 및 특성 평가 4. 고밀도 미세 전극을 위한 나노 3D 전극 제작 제 4 절 실리콘 나노와이어 기반의 광 검출 및 자극 신호 변조 회로 제작 및 특성 평가 1. 전압 분배기 동작 시험 2. 전류 구동기 동작 시험 제 5 절 실리콘 나노와이어 광 검출기가 내장된 32×32 고해상도 망막 자극기의 설계 및 제작 1. 32x32 고해상도 망막 자극기의 설계 2. 32x32 고해상도 망막 자극기의 제작 제 6 절 In-vitro 동물 실험을 통한 망막 자극기의 유효성 평가 1. In-vitro 동물 실험 장치 셋업 및 망막 신경 자극 실험 2. 자극 신호의 분석 및 망막 자극의 유효성 평가 제 3 장 결론 제 1 절 결과 요약 제 2 절 향후 계획 참고문헌 AbstractDocto

Dielectrophoresis Control of Semiconductor Nanowires for Sensing Technology

Semiconductor nanowires (NWs) synthesis successes have given keys to unprecedented nano-scale sensitivity opening up new opportunities in device applications. NWs’ potential relies upon the possibility of engineering and modifying properties such as sensitivity and carrier transport, by tailoring the NWs’ morphology and conductivity. New challenges have taken place with the downscaling of electronics for NWs integration and assembly techniques. Amongst a large variety of integration techniques, dielectrophoresis (DEP) is a powerful tool for the precise manipulation of NWs of different compositions and sizes. However, experimental implementation and analysis with DEP often lack depth regarding the optimisation of the technique and the effects of the parameters on the performances of the final devices, which is crucial for the understanding of NWs’ electric transport properties and technology improvement. Consequently, this thesis presents a comprehensive study of the experimental implementation of DEP which is of paramount importance to obtaining optimum conditions for NWs alignment. With this aim in mind, the presented work demonstrates a detailed investigation of the electrical and optical properties of germanium (Ge) and gallium-arsenide-bismuth (GaAsBi) NWs-based devices by DEP as a function of the collection frequency. The Ge and GaAsBi NWs were obtained by MOVPE and MBE respectively as a collaborative work with the Institute of Material for Electronic and Magnet (Italy) for the Ge NWs, and with the research team of Dr Robert Richard at the University of Sheffield (Department of Electrical Engineering and Electronics) for the GaAsBi NWs. Firstly, to maximise NWs alignment precision, optimum DEP parameters are for the first time thoroughly extracted by testing the effects of different mediums (chemical inertia, volatility and contact angle) and electrode designs (gradients and electric field). Secondly, fabricated with a DEP frequency range of 500 kHz to 10 MHz the devices were electrically characterised using voltage-current response. An asymmetric diode-like behaviour was found to be originating from heterostructured Ge NWs specifically orientated by electrophoresis combined with DEP. This result is particularly promising for orientation control demonstrated for the first time, tuning and altering current response from chemically heterostructured nanowires. A particular focus was given to the effect of increasing frequency on the device performances such as carrier transport. Despite a decrease of aligned NWs corroborating theoretical analysis, increasing frequency collected higher conductivity Ge NWs with carrier mobility improving from 2θ at 500 kHz to 4.38θ at 10 MHz demonstrated using Mott-Gurney, and GaAsBi NWs with carrier mobility increasing from 5.29 ± 0.027 to 100 ± 0.70 cm2 V−1.s−1 at 500 kHz and 10 MHz demonstrated using the Fermi-velocity law. Such selectivity is of great potential to improve sensing technology transduction. Using optimum parameters previously found, a low-cost and simple voltage divider system joined to DEP is demonstrated for the first time to improve the alignment technique of a single Ge nanowire. The resulting spectral response was consistent with optical characterisations found in the literature for a single Ge nanowire and demonstrated high sensitivity near-infrared and communication wavelength as confirmed with a high responsivity of 6.2 x 105 A/W at 1550 nm. Such high resistivity is amongst the highest ever obtained for NWs. Furthermore, a NWs-based biosensor for the spike protein of the SARS-CoV-2 was fabricated by multilayered surface functionalisation evidenced by Raman spectroscopy. Upon exposure to increasing concentration of the protein, the biosensors transduced increasing current response with a working range of at least 1 aM to 100 fM. Selectivity to the spike protein was testified using bovine serum albumin as a negative control reference. The GaAsBi NWs were for the first time fully characterised and implemented as devices by DEP. The NWs surface roughness showcased the importance of surface properties that influenced DEP collection and carrier transport. Spectral responses from the devices brought to light the different bismuth content at the origin of reduced band-gap energy shown by the cut-off energies of the spectrum. With a Bi content increase of roughly 1% in GaAs the photodetectors presented high responsivity from 1.3 x 104 A/W to 5.6 x 104 A/W. Effective NWs-based biosensors and photodetectors were proof of concept devices that corroborate NWs and dielectrophoresis functionality paving the way to future nanotechnology improvement