[論文レビュー] Micro- and Nanostructured Diamond in Electrochemistry: Fabrication and Application

Fang Gao, Christoph E. Nebel|arXiv (Cornell University)|May 8, 2020

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 127被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、マイクロおよびナノ構造ダイヤモンドのプロセスと電気化学的応用をレビューし、トップダウン式エッチングとボトムアップ式成長技術に焦点を当てている。表面積の増加による電気化学的性能の向上、センシングのためのチップ強化反応、分離のためのナノポーラス膜など、主な進展としてテンプレート成長とプラズマエッチングにより、スケーラブルでマスクフリーな生産が可能になった。

ABSTRACT

The fabrication method of diamond nanostructures can be divided into two categories: top-down etching and bottom-growth. The early work on 3D micro-structured diamond dates back to mid-1990s, using chemical vapor infiltration (CVI) techniques. In this technology, carbon or carbide fibers were typically used as the growth template. Almost in parallel, reactive ion etching (RIE) was applied to achieve diamond surface nanostructuring. After that the diamond surface nanostructures, typically vertically aligned diamond nanowires (or nanorods) has been mainly fabricated using top-down plasma etching techniques. In recent year, the templated diamond growth has gained increasing attention due to the wide choice of template, mask-free production, and unlimited surface enlargement. In this chapter, the development and main techniques used in these two approaches will be elaborated. Nevertheless, other less common methods, such as catalytic etching by metal particles, steam activation and selective materials removal will also be discussed. As indicated by the title, this chapter will mainly deal with the application of micro- and nanostructured diamond in electrochemistry. In these applications, the advantage of nanostructured diamond can be divided into three aspects: 1) providing enlarged surface area for charge storage and catalyst deposition; 2) tip-enhanced electrochemical reactions used in sensing applications; 3) diamond membranes with micro- or nanopores can be applied in the electrochemistry separation and purification applications. Examples and explanations on these applications will be given in this chapter.

研究の動機と目的

• 電気化学分野におけるマイクロおよびナノ構造ダイヤモンドのプロセス開発と現状をレビューすること。
• 電気化学的応用に適したスケーラブルで高表面積のダイヤモンド構造を実現するうえでの主な課題を特定すること。
• ナノ構造ダイヤモンドが電気化学的センシング、電荷貯蔵、分離プロセスにおいて果たす利点を評価すること。
• トップダウン式エッチングとボトムアップ式成長法を比較し、スケーラビリティと柔軟性に優れたテンプレートベース成長に焦点を当てる。

提案手法

• 反応性イオンエッチング（RIE）を用いたトップダウン式プロセスにより、ダイヤモンド表面に垂直に整列したナノワイヤーまたはナノロッドを精密に形成する。
• 炭素またはカーバイド繊維をテンプレートとして用いたボトムアップ式テンプレート成長により、マスクフリーでスケーラブルな3次元マイクロ構造ダイヤモンドの生産を実現する。
• プラズマエッチングおよび金属粒子を用いた触媒エッチングを応用し、制御されたナノ構造化を達成する。
• スチーム活性化と選択的材料除去を用いて、代替的なナノ構造形成を実現する。
• マイクロおよびナノポーラスダイヤモンド膜を統合し、電気化学的分離および精製に応用する。
• 表面積の増加と局所的電場効果の観点から、センシング応用における電気化学的性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トップダウン式とボトムアップ式プロセスは、電気化学的応用に適したマイクロおよびナノ構造ダイヤモンドを生産するうえで、どのように比較されるか？
• RQ2 ナノ構造ダイヤモンドが電気化学的感度および表面反応性を向上させる主な利点は何か？
• RQ3 テンプレート成長は、どの程度スケーラブルでマスクフリーな構造ダイヤモンドの生産を可能にするか？
• RQ4 ナノポーラスダイヤモンド膜は、電気化学的分離および精製プロセスにどのように寄与するか？
• RQ5 ナノ構造ダイヤモンドの先端における電場強化効果は、電気化学的センシングにどのような役割を果たすか？

主な発見

• トップダウン式RIEプロセスにより、垂直に整列したナノワイヤーの精密な形成が可能となり、表面積と電気化学的反応性が向上する。
• 炭素またはカーバイド繊維を用いたテンプレート成長により、高表面積を有するスケーラブルでマスクフリーな3次元マイクロ構造ダイヤモンドの生産が可能になる。
• ナノ構造ダイヤモンド表面は、電気反応表面積の増加により、より優れた電荷貯蔵容量と触媒負荷能力を示す。
• ナノ構造ダイヤモンドの先端におけるチップ強化電気化学反応は、電気化学的センシング応用における感度を顕著に向上させる。
• ナノポーラスダイヤモンド膜は、調整可能な穴径と化学的安定性のおかげで、選択的電気化学的分離および精製の可能性を示している。
• 触媒エッチングとスチーム活性化は、ナノ構造形成の代替的であまり一般的でない手法であり、プロセスの柔軟性を拡大する。