Carbon nanotube modified pyrolyzed carbon 3D microelectrodes

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorJokinen, Ville
dc.contributor.advisorShoja, Yalda
dc.contributor.authorRomppainen, Henrik
dc.contributor.schoolSähkötekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorFranssila, Sami
dc.date.accessioned2021-05-23T17:10:49Z
dc.date.available2021-05-23T17:10:49Z
dc.date.issued2021-05-17
dc.description.abstractPyrolytic carbon (PyC) is an often used electrode material due to its stability, inertness and biocompatibility. However, bare PyC has some limitations; its electrical conductivity does not compare to metals, its surface is not remarkably electrochemically active on its own, and it is difficult to pattern via conventional tools. One potential approach for addressing all these limitations is to utilize a polymer photoresist as PyC precursor material, and integrate carbon nanotubes (CNTs) into the PyC. The idea is that in the composite, CNTs inside the PyC would provide a conductivity enhancement, while CNTs protruding outside of the PyC would increase electrode surface area and thus the electrochemical activity. However, not enough attention has been directed towards the negative effect that adding CNTs has on lithographic quality, while striving towards these improvements. A balance must be found between the improvements and the loss in resolution. Thus, the objective of this thesis was to optimize the integration of CNTs into SU-8 photoresist derived PyC in order to improve its conductivity and electrochemical activity. This includes analyzing the effect of CNT concentration, UV exposure time and film thickness on the conductivity, patternability and electrochemical activity of PyC films. To meet these objectives, simple PyC microelectrodes with varying concentrations of CNTs, UV exposures and film thicknesses were fabricated. The fabrication process involved mixing CNTs into liquid SU-8, patterning the composite with photolithography, and subsequently pyrolyzing the films to form the final carbon-only structures. After fabrication, the lithographic quality was inspected and the film thickness, resistivity and electrochemical activity were measured and evaluated. The CNTs agglomerated considerably during the fabrication process, affecting lithographic resolution in a negative way, thinner films more severely than thicker ones. The CNTs tended to strongly concentrate on edges and sidewalls of PyC features, being mostly absent from top surfaces and insides of the features. Resistivity of the CNT-embedded films was measured to be around 4 mohm-cm, regardless of CNT concentration, providing roughly 20 percent lower resistivity than CNT-free films, which is rather modest reduction compared to previous reports. Cyclic voltammetry measurements both with hexaammineruthenium and dopamine showed that PyC electrodes with 0.3 weight-percent CNTs showed better electrochemical response than bare PyC. This can be attributed to enhanced effective surface area provided by the CNTs. The sensitivity of the 0.3 percent CNT-embedded electrodes was approximately 0.36 mA/(nM-cm2), roughly 300 times the sensitivity of previous reports for bare PyC.en
dc.description.abstractPyrolyyttinen hiili (PyC) on usein käytetty elektrodimateriaali sen stabiilisuuden, inerttiyden ja bioyhteensopivuuden vuoksi. Pelkällä PyC:llä on kuitenkin rajoitteita; sen sähkönjohtavuus on metalleja alempi, sen pinta ei ole huomattavan elektrokemiallisesti aktiivinen, ja sen kuviointi on vaikeaa tavanomaisilla työkaluilla. Potentiaalinen menetelmä näiden rajoitteiden ylittämiseksi on käyttää polymeeristä fotoresistiä PyC:n lähtöaineena, ja yhdistää PyC:iin hiilinanoputkia. Komposiitin ideana on, että nanoputket PyC:n sisällä parantaisivat sen sähkönjohtavuutta, kun taas PyC:stä ulos harottavat nanoputket kasvattaisivat PyC:n pinta-alaa, ja sitä kautta elektrokemiallista aktiivisuutta. Tarpeeksi huomiota ei ole kuitenkaan kiinnitetty negatiiviseen vaikutukseen, joka nanoputkilla on fotolitografian laatuun, samalla kun näitä parannuksia tavoitellaan. Näiden parannuksien ja resoluution huonontumisen välille on löydettävä tasapaino. Tämän diplomityön tavoitteena oli optimoida hiilinanoputkien yhdistäminen SU-8 -fotoresististä johdettuun PyC:iin sen sähkönjohtavuuden ja elektrokemiallisen aktiivisuuden parantamiseksi. Tähän sisältyi analyysi nanoputkipitoisuuden, UV-valotusajan ja kalvonpaksuuden vaikutuksesta PyC-kalvojen sähkönjohtavuuteen, kuvioitavuuteen ja elektrokemialliseen aktiivisuuteen. Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi tässä työssä valmistettiin yksinkertaisia PyC-mikroelektrodeja vaihdellen nanoputkipitoisuutta, UV-valotusaikaa ja kalvonpaksuutta. Valmistusprosessissa nanoputket sekoitettiin nestemäiseen SU-8:aan, komposiitti kuvioitiin fotolitografialla, ja kalvot pyrolysoitiin. Valmistuksen jälkeen litografian laatu tutkittiin, ja resistiivisyys ja elektrokemiallinen aktiivisuus mitattiin. Nanoputket paakkuuntuivat huomattavasti valmistusprosessin aikana, millä oli negatiivinen vaikutus litografian resoluutioon. Paakkuuntuminen vaikutti ohuempiin kalvoihin enemmän kuin paksumpiin. Nanoputket keskittyivät valmistettujen rakenteiden reunoille ja sivuseinille, yläpinnoilla ja rakenteiden sisällä niitä ei ollut juuri lainkaan. Nanoputkia sisältävien kalvojen resistiivisyys oli noin 4 mohm-cm kaikilla pitoisuuksilla, mikä oli 20 prosenttia pienempi kuin kalvoissa, joissa ei ollut nanoputkia. Aiempiin tutkimuksiin verrattuna tämä on varsin vaatimaton parannus. Syklisten voltammetriamittausten mukaan 0.3 painoprosenttia nanoputkia sisältävät elektrodit reagoivat elektrokemiallisesti pelkkiä PyC-elektrodeja herkemmin heksa-ammiiniruteniumiin ja dopamiiniin. Tämä johtui nanoputkien tuomasta elektrodien kasvaneesta pinta-alasta. Nanoputkielektrodien herkkyys oli 0.36 mA/(nM-cm2), joka on 300-kertainen verrattuna pelkkiin PyC-elektrodeihin aiemmissa tutkimuksissa.fi
dc.format.extent77
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/107667
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-202105236928
dc.language.isoenen
dc.locationP1fi
dc.programmeMaster’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)fi
dc.programme.majorPhotonics and Nanotechnologyfi
dc.programme.mcodeELEC3052fi
dc.subject.keywordpyrolyzed carbonen
dc.subject.keywordcarbon compositesen
dc.subject.keywordcarbon nanotubesen
dc.subject.keywordmicroelectrodesen
dc.subject.keywordpyrolysisen
dc.subject.keywordsensorsen
dc.titleCarbon nanotube modified pyrolyzed carbon 3D microelectrodesen
dc.titleHiilinanoputkilla muunnellut pyrolysoidut 3D-hiilimikroelektroditfi
dc.typeG2 Pro gradu, diplomityöfi
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotDiplomityöfi
local.aalto.electroniconlyyes
local.aalto.openaccessyes
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
master_Romppainen_Henrik_2021.pdf
Size:
14.28 MB
Format:
Adobe Portable Document Format