Fabrication de systèmes microélectromécaniques en carbone 3D (C-MEMS)

Le carbone a de nombreux allotropes et, selon l'application particulière, on peut choisir l'un des allotropes suivants: nanotubes de carbone (CNT), graphite, diamant, carbone amorphe, lonsdaleite, buckminsterfullerene (C ₆₀ ), fullerite (C ₅₄₀ ), fullerène ( C ₇₀ ), et du carbone vitreux ^{1 , 2 , 3 , 4} . Le carbone vitreux est l'un des allotropes les plus utilisés en raison de ses propriétés physiques, y compris l'isotropie élevée. Il possède également les propriétés suivantes: bonne conductivité électrique, faible coefficient de dilatation thermique et imperméabilité aux gaz.

Il y a eu une recherche continue de matériaux précurseurs riches en carbone pour obtenir des structures de carbone. Ces précurseurs peuvent être des matériaux artificiels ou des produits naturels qui sont disponibles dans des formes particulières, et même incluent des déchets. Une grande variété de micr Les o / nanostructures sont formées par des processus biologiques ou environnementaux dans la nature, ce qui se traduit par des caractéristiques uniques qui sont extrêmement difficiles à créer à l'aide d'outils de fabrication classiques. Comme le modelage a eu lieu naturellement dans ce cas, la synthèse des nanomatériaux utilisant des précurseurs d'hydrocarbures naturels et résiduaires pourrait être réalisée à l'aide d'un procédé simple de décomposition thermique dans une atmosphère inerte ou sous vide appelée pyrolyse ⁵ . Le graphène de haute qualité, les CNT à une seule paroi, les CNT à parois multiples et les points de carbone ont été produits par décomposition thermique ou la pyrolyse de précurseurs et de déchets dérivés de plantes, y compris les graines, les fibres et les huiles, comme l'huile de térébenthine, l'huile de sésame , L'huile de neem ( Azadirachta indica ), l'huile d'eucalyptus, l'huile de palme et l'huile de jatropha. En outre, les produits de camphère, les extraits de théiers, les déchets alimentaires, les insectes, les déchets agricoles et les produits alimentaires ont été utilisés ^{6 , 7 ,}Ass = "xref"> 8 ^{, 9} Récemment, les chercheurs ont même utilisé des cocons de soie comme matériau précurseur pour préparer des microfibres de carbone poreuses ¹⁰ . Les cheveux humains, généralement considérés comme des déchets, ont récemment été utilisés par cette équipe. Il est constitué d'environ 91% de polypeptides, qui contiennent plus de 50% de carbone; Le reste sont des éléments tels que l'oxygène, l'hydrogène, l'azote et le soufre ¹¹ . Les cheveux comportent également plusieurs propriétés intéressantes, telles qu'une dégradation très lente, une haute résistance à la traction, une isolation thermique élevée et une haute récupération élastique. Récemment, il a été utilisé pour préparer des flocons de carbone utilisés dans les supercondensateurs ¹² et pour créer des microfibres de carbone creuses pour la détection électrochimique ¹³ .

L'usinage d'un matériau carboné en vrac pour fabriquer des structures tridimensionnelles (3D) est une tâche difficile car le matériau est très fragile. L'ion focaliséAm ^{14 , 15} ou la gravure ionique réactive ¹⁶ peut être utile dans ce contexte, mais ce sont des processus coûteux et longs. La technologie du système microélectromécanique du carbone (C-MEMS), basée sur la pyrolyse des structures polymères à motifs, représente une alternative polyvalente. Au cours des deux dernières décennies, C-MEMS et les systèmes nanoélectromécaniques de carbone (C-NEMS) ont reçu beaucoup d'attention en raison des étapes de fabrication simples et peu coûteuses impliquées. Le procédé de fabrication C-MEMS classique se déroule en deux étapes: (i) la mise au point d'un précurseur polymère ( par exemple, un photorésist) avec une photolithographie et (ii) une pyrolyse des structures à motifs. Les précurseurs de polymères ultraviolets (UV), tels que les photorésines SU8, sont souvent utilisés pour structurer des structures basées sur la photolithographie. En général, le processus de photolithographie comprend des étapes pour le revêtement par centrifugation, le biscuit souple, l'exposition aux UV, le post-cuisson et le développementLopment. Dans le cas de C-MEMS; silicium; dioxyde de silicone; nitrure de silicium; quartz; Et, plus récemment, le saphir a été utilisé comme substrat. Les structures polymères à motifs photographiés sont carbonisées à une température élevée (800-1 100 ° C) dans un environnement exempt d'oxygène. À ces températures élevées dans un vide ou une atmosphère inerte, tous les éléments non-carbone sont enlevés, ne laissant que du carbone. Cette technique permet de réaliser des structures de carbone vitreux de haute qualité, qui sont très utiles pour de nombreuses applications, y compris la détection électrochimique ¹⁷ , le stockage d'énergie ¹⁸ , la nanogénération triboélectrique ¹⁹ et la manipulation de particules électrochimiques ^20. De même, la fabrication de microstructures 3D avec Les rapports d'aspect élevés en utilisant C-MEMS sont devenus relativement faciles et ont conduit à une grande variété d'applications d'électrodes de carbone ^{18 , 21 ,} </sup> ^{22 , 23} , remplaçant souvent les électrodes en métal noble.

Dans ce travail, le développement récent d'un moyen simple et rentable de fabriquer des microfibres de carbone creuses à partir de cheveux humains en utilisant la technologie C-MEMS non conventionnelle ¹³ est introduit. Le procédé C-MEMS classique à base de polymère SU8 est également décrit ici. Spécifiquement, la procédure de fabrication des solides à fort rapport et des structures SU8 creuses est décrite ^24.