ייצור של 3D מערכות מיקרואלקטרו-מכניות פחמן (C-MEMS)
Summary
סיבי פחמן ארוכים וחלולים עשויים מפוברקים על פי פירוליזה של מוצר טבעי, שיער אנושי. שני השלבים ייצור של מערכות פחמן microelectromechanical ופחמן nanoelectromechanical, או C-MEMS ו- C-NEMS, הם: (1) photolithography של מבשר פולימר עשיר פחמן ו (2) פירוליזה של מבשר פולימר בדוגמת.
Abstract
מגוון רחב של מקורות פחמן זמינים בטבע, עם מגוון רחב של תצורות מיקרו / nanostructure. כאן, טכניקה חדשה כדי לפברק ארוך וחלול מזכוכית microfibers פחמן הנגזרות שערות האדם הוא הציג. מבנים פחמן ארוך וארוך נעשו על ידי פירוליזה של שיער האדם ב 900 מעלות צלזיוס באווירה N 2 . המורפולוגיה וההרכב הכימי של שערות אנושיות טבעיות ו פירוליזה נחקרו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) וסקטרוסקופיית רנטגן אלקטרו-רנטגן (EDX), בהתאמה, על מנת להעריך את השינויים הפיזיקליים והכימיים עקב פירוליזה. ראמאן ספקטרוסקופיה שימש כדי לאשר את הטבע מזוגגות של microstructures פחמן. Pyrolyzed שיער פחמן היה הציג לשנות מודפס פחמן אלקטרודות; האלקטרודות שונו לאחר מכן הוחלו על חישה אלקטרוכימית של דופמין וחומצה אסקורבית. ביצועים חישה של חיישנים שונה השתפר לעומת unmodiחיישנים. כדי להשיג את המבנה הרצוי פחמן עיצוב, פחמן מיקרו / מערכת nanoelectromechanical (C-MEMS / C-NEMS) הטכנולוגיה פותחה. תהליך הנפוץ ביותר של C-MEMS / C-NEMS מורכב משני שלבים: (1) הדפוס של חומר בסיס עשיר בפחמן, כגון פולימר רגיש, באמצעות פוטוליטוגרפיה; ו (ii) הפחמן דרך פירוליזה של פולימר בדוגמת בסביבה ללא חמצן. תהליך C-MEMS / NEMS נעשה שימוש נרחב בפיתוח התקנים מיקרואלקטרוניים ליישומים שונים, כולל מיקרו סוללות, supercapacitors, חיישני גלוקוז, חיישני גז, תאי דלק, nanogenerators triboelectric. הנה, ההתפתחויות האחרונות של יחס גבוה היבט מוצק חלול פחמן microstructures עם photoresists SU8 נדונים. הצטמקות המבנית במהלך פירוליזה נחקרה באמצעות מיקרוסקופיה confocal ו- SEM. ראמאן ספקטרוסקופיה שימש כדי לאשר את crystallinity של המבנה, ואת האחוז האטומי של היסודות preseNt בחומר לפני ואחרי פירוליזה נמדדה באמצעות EDX.
Introduction
לפחמן יש אלוטרופים רבים, ובהתאם ליישום המסוים, ניתן לבחור באחת מהאלוטרופים הבאים: צינורות פחמן (CNT), גרפיט, יהלום, פחמן אמורפי, lonsdaleite, buckminsterfullerene (C 60 ), fullerite (C 540 ), fullerene C 70 ), ופחמן מזוגג 1 , 2 , 3 , 4 . פחמן מזוגג הוא אחד allotropes הנפוץ ביותר בשל תכונות פיזיות, כולל isotropy גבוהה. כמו כן יש את המאפיינים הבאים: מוליכות חשמלית טובה, מקדם התפשטות תרמית נמוכה, ואטימות גז.
יש חיפושי מתמשך עבור חומרי מבשר עשיר פחמן כדי להשיג מבנים פחמן. אלה מבשרי יכול להיות חומרים מעשה ידי אדם או מוצרים טבעיים הזמינים בצורות מסוימות, ואפילו לכלול פסולת מוצרים. מגוון רחב של micr O / nanostructures נוצרים באמצעות תהליכים ביולוגיים או סביבתיים בטבע, וכתוצאה מכך תכונות ייחודיות כי הם מאוד קשה ליצור באמצעות כלי ייצור קונבנציונאלי. כמו דפוסים התקיים באופן טבעי במקרה זה, סינתזה של ננו באמצעות מבשרי הטבעי פסולת פחמימנים יכול להתבצע באמצעות תהליך קל, צעד אחד של פירוק תרמי באווירה אינרטי או ואקום, קרא pyrolysis 5 . גראפן באיכות גבוהה, CNTs חד-קירתיים, רשתות CNT מרובות קירות ונקודות פחמן יוצרו על ידי פירוק תרמי או פירוליזה של מבשרי ופסולת שמקורם בצמחים, כולל זרעים, סיבים ושמנים, כגון שמן טרפנטין, שמן שומשום , שמן נים ( Azadirachta אינדיאנה ), שמן אקליפטוס, שמן דקלים, שמן jatropha. כמו כן, מוצרים קמפור, תמציות עץ התה, פסולת מזון, חרקים, פסולת חקלאית, מוצרי מזון נוצלו 6 , 7 ,התחת = "xref"> 8 , 9 לאחרונה, חוקרים השתמשו אפילו פקעות משי כחומר מבשר להכין microfibers פחמן נקבובי 10 . שיער האדם, שנחשב בדרך כלל חומר פסולת, שימש לאחרונה צוות זה. זה מורכב של כ 91% polypptides, המכילים יותר מ 50% פחמן; השאר הם אלמנטים כגון חמצן, מימן, חנקן וגופרית 11 . השיער מגיע גם עם כמה תכונות מעניינות, כגון השפלה איטית מאוד, חוזק מתיחה גבוה, בידוד תרמי גבוהה, והתאוששות גמישה גבוהה. לאחרונה, הוא שימש להכנת פתיתי פחמן המועסקים supercapacitors 12 וליצור מיקרופירים חלול פחמן לחישה אלקטרוכימית 13 .
עיבוד שבבי של חומר פחמן בתפזורת לפברק תלת ממדי (3D) מבנים היא משימה קשה, כמו החומר הוא שביר מאוד. יון ממוקד להיותAm 14 , 15 או תגובתי יון תגובתי 16 עשוי להיות שימושי בהקשר זה, אבל הם יקרים זמן רב תהליכים. מערכת פחמן זעיר (C-MEMS) טכנולוגיה, אשר מבוססת על פירוליזה של מבנים פולימריים בדוגמת, מייצג חלופה מגוונת. בשני העשורים האחרונים, C-MEMS ומערכות פחמן ננו-אלקטרו-מכאניות (C-NEMS) קיבלו תשומת לב רבה בשל צעדי ייצור פשוטים וזולים. תהליך ייצור C-MEMS קונבנציונאלי מתבצע בשני שלבים: (1) דפוס של מבשר פולימרי ( למשל, photoresist) עם photolithography ו (ii) פירוליזה של מבנים בדוגמת. אולטרה סגול (UV) מבשרי פולימר מבשרי, כגון photoresists SU8, משמשים לעתים קרובות מבנים דפוס מבוסס על photolithography. באופן כללי, תהליך photolithography כולל צעדים ציפוי ספין, אופים רך, חשיפה UV, פוסט אופים, ו deveLopment. במקרה של C-MEMS; סִילִיקוֹן; דו תחמוצת הסיליקון; סיליקון ניטריד; קְוָרץ; ו, לאחרונה, ספיר שימשו מצעים. מבנים פולימר הדוגמת תמונה הם פחמן בטמפרטורה גבוהה (800-1,100 מעלות צלזיוס) בסביבה נטולת חמצן. בטמפרטורות גבוהות אלה באקום או באנרגיה אינרטית, כל האלמנטים שאינם פחמן מוסרים, ומשאירים רק פחמן. טכניקה זו מאפשרת להשיג באיכות גבוהה, מבנים פחמן מזוגגות, אשר שימושיים מאוד עבור יישומים רבים, כולל חישה אלקטרוכימית 17 , אחסון אנרגיה 18 , nanogeneration triboelectric 19 , ו electrokinetic חלקיקים מניפולציה 20. כמו כן, ייצור של microstructures 3D יחסי גובה גבוה באמצעות C-MEMS הפך קל יחסית והוביל למגוון רחב של אלקטרודות פחמן יישומים 18 , 21 , </sup> 22 , 23 , לעתים קרובות החלפת מתכות מתכת אצילי.
בעבודה זו, הפיתוח האחרון של דרך פשוטה וחסכונית כדי לפברק מיקרופירים חלול פחמן משיער האדם באמצעות טכנולוגיה קונבנציונלית C-MEMS 13 הוא הציג. קונבנציונאלי SU8 פולימר מבוסס C-MEMS התהליך מתואר גם כאן. באופן ספציפי, הליך ייצור עבור יחס גבוה היבט מוצקים מבנים חלולים SU8 מתואר 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
במאמר זה השיטות לייצור מגוון של microstructures פחמן מבוסס על פירוליזה של חומרים מבשר טבעי או מבנים דפוס פולימר דפוסים דווחו. חומרים פחמן הנובע הן המסורתית לא קונבנציונאלי C-MEMS / C-NEMS תהליכים נמצאים בדרך כלל להיות פחמן מזוגגות. Glassy פחמן הוא חומר אלקטרודה בשימוש נרחב עבור אלקט?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי Technologico דה מונטרי ואוניברסיטת קליפורניה ב Irvine.
Materials
| SU8-2100 | Microchem | Product number-Y1110750500L | |
| Spinner | Laurell Technologies Corporation | Model-WS650HZB-23NPP/UD3 | |
| Hotplate | Torrey Pines Scientific | HS61 | |
| UV-exposer | Mercury Lamp, SYLVANIA | H44GS-100M, P/N-34-0054-01 | |
| Photomask | CAD/Art | No number | |
| Developer | Microchem | Y020100 4000L | |
| DI water system | Milli Q | ZOOQOVOTO | |
| IPA | CTR Sientific | CTR 01244 | |
| N2 gas | AOC Mexico | No number | |
| Furnace | PEO 601, ATV Technologie GMBH | Model-PEO 601, Serial no.-195 | |
| Si/SiO2 | Noel Technologies |
References
- Wang, C., Jia, G., Taherabadi, L. H., Madou, M. J. A novel method for the fabrication of high-aspect ratio C-MEMS structures. J Microelectromech Syst. 14 (2), 348-358 (2005).
- Jong, K. P. D., Geus, J. W. Carbon nanofibers: catalytic synthesis and applications. Catal Rev Sci Eng. 42, 481-510 (2000).
- Elrouby, M. Electrochemical applications of carbon nanotube. J Nano Adv Mat. 1 (1), 23-38 (2013).
- Baughman, R. H., Zakhidov, A. A., Heer, W. A. D. Carbon nanotubes-the route toward applications. Science. 297, 787-792 (2002).
- Kumar, R., Singh, R. K., Singh, D. P. Natural and waste hydrocarbon precursors for the synthesis of carbon based nanomaterials: graphene and CNTs. Renew Sustain Energy Rev. 58, 976-1006 (2016).
- Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T., Kumar, M., Ando, Y., Sharon, M. Carbon nanotubes by spray pyrolysis of turpentine oil at different temperatures and their studies. Micropor Mesopor Mater. (1-3), 184-190 (2006).
- Sharma, S., Kalita, G., Hirano, R., Hayashi, Y., Tanemura, M. Influence of gas composition on the formation of graphene domain synthesized from camphor. Mater Lett. 93, 258-262 (2013).
- Ghosh, P., Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T. A simple method of producing single-walled carbon nanotubes from a natural precursor: eucalyptus oil. Mater Lett. 61 (17), 3768-3770 (2007).
- Kumar, R., Tiwari, R., Srivastava, O. Scalable synthesis of aligned carbon nanotubes bundles using green natural precursor: neem oil. Nanoscale Res Lett. 6 (1), 92-97 (2011).
- Liang, Y., Wu, D., Fu, R. Carbon microfibers with hierarchical porous structure from electrospun fiber-like natural biopolymer. Sci Rep. 3, 1-5 (2013).
- Gupta, A. Human hair “waste” and its utilization: gaps and possibilities. J Waste Manag. 2014, 1-17 (2014).
- Qian, W., Sun, F., Xu, Y., Qiu, L., Liu, C., Wang, S., Yan, F. Human hair-derived carbon flakes for electrochemical supercapacitors. Energy Environ Sci. 7, 379-386 (2014).
- Pramanick, B., Cadenas, L. B., Kim, D. M., Lee, W., Shim, Y. B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. J., Hwang, H. Human hair-derived hollow carbon microfibers for electrochemical sensing. Carbon. 107, 872-877 (2016).
- Miura, N., Numaguchi, T., Yamada, A., Konagai, M., Shirakashi, J. Room temperature operation of amorphous carbon-based single-electron transistors fabricated by beam-induced deposition techniques. Jpn J Appl Phys. 37 (2), L423-L425 (1998).
- Irie, M., Endo, S., Wang, C. L., Ito, T. Fabrication and properties of lateral p-i-p structures using single crystalline CVD diamond layers for high electric field applications. Diamond Rel Mater. 12, 1563-1568 (2003).
- Tay, B. K., Sheeja, D., Yu, L. J. On stress reduction of tetrahedral amorphous carbon films for moving mechanical assemblies. Diamond Rel Mater. 12 (2), 185-194 (2003).
- Kamath, R. R., Madou, M. J. Three-dimensional carbon interdigitated electrode arrays for redox-amplification. Anal Chem. 86 (6), 2963-2971 (2014).
- Sharma, S., Khalajhedayati, A., Rupert, T. J., Madou, M. J. SU8 derived glassy carbon for lithium ion batteries. ECS Trans. 61 (7), 75-84 (2014).
- Kim, D., Pramanick, B., Salazar, A., Tcho, I. -. W., Madou, M. J., Jung, E. S., Choi, Y. -. K., Hwang, H. 3D carbon electrode based triboelectric nanogenerator. Adv Mater Technol. 1 (8), 1-7 (2016).
- Duarte, R. M., Gorkin, R. A., Samra, K. B., Madou, M. J. The integration of 3D carbon-electrode dielectrophoresis on a CD-like centrifugal microfluidic platform. Lab Chip. 10 (8), 1030-1043 (2010).
- Mund, K., Richter, G., Weidlich, E., Fahlstrom, U. Electrochemical properties of platinum, glassy carbon, and pyrographite as stimulating electrodes. Pacing Clin Electrophysiol. 9 (6), 1225-1229 (1986).
- Xua, H., Malladi, K., Wang, C., Kulinsky, L., Song, M., Madou, M. Carbon post-microarrays for glucose sensors. Biosens Bioelectron. 23 (11), 1637-1644 (2008).
- Sharma, S., Madou, M. Micro and nano patterning of carbon electrodes for bioMEMS. Bioinspir Biomim Nanobiomat. 1, 252-265 (2012).
- Pramanick, B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. Fabrication of biocompatible hollow microneedles using the C-MEMS process for transdermal drug delivery. ECS Trans. 72 (1), 45-50 (2016).
