3D 탄소 미세 전자 기계 시스템 (C-MEMS) 제작
Summary
길고 중공 유리질 탄소 미세 섬유는 천연물 인 인간의 머리카락을 열분해하여 제조되었습니다. 탄소 미세 전자 기계 및 탄소 나노 전자 기계 시스템, 또는 C-MEMS 및 C-NEMS의 두 제조 단계는 (i) 탄소가 풍부한 중합체 전구체의 포토 리소그래피 및 (ii) 패턴 화 된 중합체 전구체의 열분해이다.
Abstract
다양한 종류의 탄소 소스가 다양한 마이크로 / 나노 구조 구성으로 자연적으로 이용 가능합니다. 여기에 인간의 머리카락에서 유래 된 길고 중공 유리질 탄소 미세 섬유를 제조하는 새로운 기술이 도입되었습니다. 길고 중공 탄소 구조는 N 2 대기에서 900 ° C에서 인간의 머리카락을 열분해하여 만들었습니다. 자연 및 열분해 된 모발의 형태 및 화학적 조성을 열분해로 인한 물리적 및 화학적 변화를 평가하기 위해 각각 전자 현미경 (SEM) 및 전자 분산 X 선 분광법 (EDX)을 사용하여 조사했습니다. 라만 분광법을 사용하여 탄소 미세 구조의 유리질을 확인했습니다. 열처리 된 모발 탄소가 스크린 인쇄 된 탄소 전극을 개조하기 위해 도입되었다; 변형 된 전극을 도파민과 아스코르브 산의 전기 화학적 감지에 적용 하였다. unmodi에 비해 수정 된 센서의 감지 성능이 향상되었습니다.fied 센서. 원하는 탄소 구조 디자인을 얻기 위해 탄소 마이크로 / 나노 전자 기계 시스템 (C-MEMS / C-NEMS) 기술이 개발되었습니다. 가장 일반적인 C-MEMS / C-NEMS 제조 공정은 (i) 포토 리소그래피를 사용하여 감광성 폴리머와 같은 탄소가 풍부한 기본 재료의 패터닝; 및 (ii) 산소가없는 환경에서 패턴 화 된 중합체의 열분해를 통한 탄화. C-MEMS / NEMS 공정은 마이크로 배터리, 수퍼 커패시터, 포도당 센서, 가스 센서, 연료 전지 및 마찰 대전 형 나노 발전기를 비롯한 다양한 분야의 마이크로 전자 장치를 개발하는 데 널리 사용되고 있습니다. SU8 포토 레지스트를 사용한 고 종횡비 솔리드 및 중공 탄소 미세 구조의 최근 개발이 논의됩니다. 공 초점 현미경 및 SEM을 이용하여 열분해 동안 구조적 수축을 조사 하였다. 라만 분광기를 사용하여 구조의 결정 성을 확인하였고, 원소의 원자 백분율열분포 전후의 물질의 nt는 EDX를 사용하여 측정 하였다.
Introduction
카본 나노 튜브 (CNTs), 흑연, 다이아몬드, 비정질 탄소, 론 스달 라이트, 벅 민스터 풀러렌 (C60), 풀러 라이트 (C540), 풀러린 ( C 70 ) 및 유리질 탄소 1 , 2 , 3 , 4를 포함 한다. 유리 탄소는 높은 등방성을 포함하여 물리적 특성 때문에 가장 널리 사용되는 동소체 중 하나입니다. 또한 우수한 전기 전도성, 낮은 열팽창 계수 및 가스 불 투과성과 같은 특성을 가지고 있습니다.
탄소 구조를 얻기 위해 탄소가 풍부한 전구 물질에 대한 지속적인 연구가있었습니다. 이러한 전구 물질은 인조물 또는 특정 형태의 천연 제품 일 수 있으며 심지어는 폐기물을 포함 할 수도 있습니다. 다양한 micr o / 나노 구조는 자연적으로 생물학적 또는 환경 적 과정을 통해 형성되어 기존의 제조 도구를 사용하여 생성하기가 매우 어려운 고유 한 특징을 가져옵니다. 이 경우 자연적으로 패터닝이 진행됨에 따라 자연 및 폐 탄화 수소 전구 물질을 사용하는 나노 물질의 합성은 열분해 5 라 불리는 불활성 또는 진공 분위기에서 열분해가 용이 한 1 단계 공정을 사용하여 수행 될 수 있습니다. 식물성 유래 전구 물질 및 폐기물 (열매 유, 참깨 유 등의 씨앗, 섬유 및 오일을 포함)의 열분해 또는 열분해를 통해 고품질의 그래 핀, 단일 벽 CNT, 다중 벽 CNT 및 탄소 도트가 생성되었습니다 , neem 오일 ( Azadirachta indica ), 유칼립투스 오일, 야자 기름, 자트로파 오일. 또한 장뇌 제품, 녹차 추출물, 폐기물, 곤충, 농산물 폐기물, 식품 등은 6 , 7 ,최근 연구자들은 다공성 탄소 마이크로 섬유 10 을 제조하기위한 전구 물질로 실크 누에 고치를 사용하기 까지 했습니다. 일반적으로 폐기물로 간주되는 사람의 머리카락이 최근이 팀에서 사용되었습니다. 그것은 약 50 %의 탄소를 포함하는 약 91 %의 폴리 펩타이드로 이루어져 있습니다. 나머지는 산소, 수소, 질소 및 황과 같은 원소이다. 머리카락에는 또한 매우 느린 분해, 높은 인장 강도, 높은 단열 및 높은 탄성 회복과 같은 여러 가지 흥미로운 특성이 있습니다. 최근 수퍼 커패시터 12에 사용되는 탄소 플레이크를 제조하고 전기 화학적 감지를위한 중공 탄소 마이크로 섬유를 만드는 데 사용되어왔다.
소재가 매우 부서지기 때문에 3 차원 (3D) 구조물을 제조하기 위해 벌크 탄소 소재를 가공하는 것은 어려운 작업입니다. 집중 이온 수am14 , 15 또는 반응성 이온 에칭 ( 16 )이이 문맥에서 유용 할 수 있지만, 이들은 고가이며 시간 소모적 인 공정이다. 패턴 화 된 폴리머 구조의 열분해를 기반으로하는 탄소 미세 전자 기계 시스템 (C-MEMS) 기술은 다양한 대안을 제시합니다. 지난 20 년 간, C-MEMS와 탄소 나노 전자 기계 시스템 (C-NEMS)은 간단하고 저렴한 제작 단계로 인해 많은 주목을 받았다. 종래의 C-MEMS 제조 공정은 (i) 포토 리소그래피로 폴리머 전구체 ( 예 : 포토 레지스트)를 패터닝하고 , 패터닝 된 구조물을 열분해하는 2 단계로 수행된다. SU8 포토 레지스트와 같은 자외선 (UV) 경화 가능한 고분자 전구체는 종종 포토 리소그래피를 기반으로 한 구조물을 패턴 화하는 데 사용됩니다. 일반적으로, 포토 리소그래피 공정은 스핀 코팅, 소프트 베이크, UV 노출, 포스트 베이크 및 디브입양. C-MEMS의 경우; 규소; 이산화 규소; 실리콘 질화물; 석영; 최근에는 사파이어가 기판으로 사용되었습니다. 사진 패턴 화 된 폴리머 구조는 산소가없는 환경에서 고온 (800-1,100 ° C)에서 탄화됩니다. 진공 또는 불활성 분위기에서 승온 된 온도에서, 비 탄소 원소는 모두 제거되어 탄소 만 남는다. 이 기술은 전기 화학적 센싱 ( 17) , 에너지 저장 ( 18) , 마찰 대전 나노 발전 ( 19 ), 동 전기 입자 조작 (20) 을 포함한 많은 응용 분야에 매우 유용한 고품질의 유리 카본 구조를 가능하게합니다 . C-MEMS를 이용한 높은 종횡비 (aspect ratio)는 상대적으로 용이 해졌으며 다양한 종류의 탄소 전극 응용 분야 ( 18 , 21 , </sup> 22 , 23 , 종종 귀금속 전극을 대체합니다.
이 연구에서는 비 전통적인 C-MEMS 기술을 사용하여 인간의 모발에서 중공 탄소 마이크로 섬유를 제조하는 간단하고 비용 효율적인 방법의 최근 개발이 소개되었다. 기존의 SU8 폴리머 기반 C-MEMS 공정에 대해서도 설명합니다. 특히, 고 종횡비 고형물 및 중공 SU8 구조에 대한 제작 절차가 설명되어 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 논문에서는 천연 전구체 물질 또는 광 패턴 화 된 폴리머 구조의 열분해에 기반한 다양한 탄소 미세 구조물을 제조하는 방법이보고되었다. 전통적인 C-MEMS / C-NEMS 공정에서 발생하는 탄소 재료는 일반적으로 유리질 탄소 인 것으로 밝혀졌습니다. 유리 카본은 전기 화학 및 고온 응용 분야에서 널리 사용되는 전극 재료입니다. 유리질 탄소의 미세 구조는 결정질과 비정질 영역으로 구성됩니다. ?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 Technologico de Monterrey와 University of California Irvine에서 지원했습니다.
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 |
Referenzen
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