Изготовление трехмерных углеродных микроэлектромеханических систем (C-MEMS)
Summary
Длинные и полые стеклообразные углеродные микроволокна были изготовлены на основе пиролиза натурального продукта, человеческого волоса. Двумя стадиями изготовления углеродных микроэлектромеханических и углеродных наноэлектромеханических систем, или С-МЭМС и С-НЭМС, являются: (i) фотолитография богатого углеродом предшественника полимера и (ii) пиролиз предшественника узорчатого полимера.
Abstract
В природе имеется широкий спектр источников углерода с различными конфигурациями микро- / наноструктур. Здесь вводится новый способ изготовления длинных и полых стеклообразных углеродных микроволокон, полученных из человеческих волос. Длинные и полые углеродные структуры были получены путем пиролиза человеческого волоса при 900 ° С в атмосфере N 2 . Морфология и химический состав природных и пиролизированных человеческих волос исследовались с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и электронно-дисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) соответственно для оценки физических и химических изменений, вызванных пиролизом. Рамановская спектроскопия была использована для подтверждения стеклянной природы углеродных микроструктур. Пиролизированный углерод для волос вводили для изменения печатных углеродных электродов на экране; Модифицированные электроды затем наносят на электрохимическое зондирование допамина и аскорбиновой кислоты. Эффективность зондирования модифицированных датчиков была улучшена по сравнению с немодиС датчиками. Для получения желаемой структуры углеродной структуры была разработана технология углеродной микро- / наноэлектромеханической системы (C-MEMS / C-NEMS). Наиболее распространенный процесс изготовления C-MEMS / C-NEMS состоит из двух этапов: (i) структурирование богатого углеродом базового материала, такого как фоточувствительный полимер, с использованием фотолитографии; И (ii) карбонизация через пиролиз узорчатого полимера в бескислородной среде. Процесс C-MEMS / NEMS широко используется для разработки микроэлектронных устройств для различных применений, в том числе в микро-батареях, суперконденсаторах, датчиках глюкозы, датчиках газа, топливных элементах и трибоэлектрических наногенераторах. Здесь обсуждаются последние разработки высокопрочных соотношений твердых и полых микроструктур углерода с фоторезистами SU8. Структурную усадку при пиролизе исследовали с использованием конфокальной микроскопии и SEM. Рамановская спектроскопия была использована для подтверждения кристалличности структуры, а атомный процент элементовNt в материале до и после пиролиза измеряли с использованием EDX.
Introduction
Углерод имеет много аллотропов, и в зависимости от конкретного применения может быть выбран один из следующих аллотропов: углеродные нанотрубки (УНТ), графит, алмаз, аморфный углерод, Лонсдейлит, бакминстерфуллерен (С 60 ), фуллерит (С 540 ), фуллерен ( C 70 ) и стекловидного углерода 1 , 2 , 3 , 4 . Стеклянный углерод является одним из наиболее широко используемых аллотропов из-за его физических свойств, включая высокую изотропность. Он также обладает следующими свойствами: хорошей электропроводностью, низким коэффициентом теплового расширения и газонепроницаемостью.
Был непрерывный поиск богатых углеродом материалов-предшественников для получения углеродных структур. Эти предшественники могут быть искусственными материалами или натуральными продуктами, которые доступны в определенных формах, и даже включают отходы. Широкий спектр микрона O / nanostructures формируются с помощью биологических или экологических процессов в природе, что приводит к уникальным особенностям, которые чрезвычайно сложно создать с использованием традиционных производственных инструментов. Поскольку в этом случае закономерность формирования естественно происходила, синтез наноматериалов с использованием природных и отработанных углеводородных предшественников мог бы быть осуществлен с использованием простого одностадийного процесса термического разложения в инертной или вакуумной атмосфере, называемого пиролизом 5 . Высококачественные графены, одностенные УНТ, многостенные УНТ и углеродные точки были получены путем термического разложения или пиролиза исходных предшественников и отходов растений, включая семена, волокна и масла, такие как скипидарное масло, кунжутное масло , Масло нима ( Azadirachta indica ), масло эвкалипта, пальмовое масло и масло ятрофы. Кроме того, были использованы камфорные продукты, экстракты чайных деревьев, отходы, насекомые, сельскохозяйственные отходы и пищевые продукты 6 , 7 ,Ass = "xref"> 8 , 9 В последнее время исследователи даже использовали шелковые коконы в качестве материала-предшественника для получения пористых углеродных микроволокна 10 . Человеческие волосы, обычно считающиеся отходами, были недавно использованы этой командой. Он состоит из приблизительно 91% полипептидов, которые содержат более 50% углерода; Остальными являются такие элементы, как кислород, водород, азот и сера 11 . Волосы также обладают рядом интересных свойств, таких как очень медленное разложение, высокая прочность на растяжение, высокая теплоизоляция и высокая упругость. Недавно он был использован для приготовления углеродных хлопьев, используемых в суперконденсаторах 12, и для создания микроволокон с полым углеродом для электрохимического зондирования 13 .
Обработка объемного углеродного материала для изготовления трехмерных (3D) структур является трудной задачей, так как материал очень хрупкий. Фокусированный ионAm 14 , 15 или реактивное ионное травление 16 могут быть полезны в этом контексте, но они являются дорогостоящими и трудоемкими процессами. Технология углеродной микроэлектромеханической системы (C-MEMS), основанная на пиролизе структурированных полимерных структур, представляет собой универсальную альтернативу. За последние два десятилетия C-MEMS и углеродные наноэлектромеханические системы (C-NEMS) получили большое внимание из-за простых и недорогих этапов изготовления. Традиционный процесс изготовления С-МЭМС проводят в две стадии: (i) структурирование предшественника полимера ( например, фоторезиста) с фотолитографией и (ii) пиролиз узорчатых структур. Ультрафиолетовые (УФ) -контурные полимерные предшественники, такие как фоторезисты SU8, часто используются для структурирования структур на основе фотолитографии. В целом, процесс фотолитографии включает в себя этапы для покрытия спином, мягкого выпекания, воздействия ультрафиолетового излучения, пост-выпекания и разработкиlopment. В случае С-МЭМС; кремний; диоксид кремния; Нитрид кремния; кварц; И в последнее время сапфиры использовались в качестве субстратов. Полимерные структуры с фотографическим рисунком карбонизируются при высокой температуре (800-1100 ° C) в среде, свободной от кислорода. При этих повышенных температурах в вакуумной или инертной атмосфере все некарбоновые элементы удаляются, оставляя только углерод. Эта методика позволяет получить высококачественные, стеклообразные углеродные структуры, которые очень полезны для многих применений, включая электрохимическое зондирование 17 , хранение энергии 18 , трибоэлектрическое наногенерирование 19 и электрокинетические манипуляции с частицами 20. Кроме того, изготовление трехмерных микроструктур с Высокие пропорции с использованием C-MEMS стали относительно легкими и привели к широкому спектру применений углеродных электродов 18 , 21 , </sup> 22 , 23 , часто заменяя электроды благородных металлов.
В этой работе вводится недавняя разработка простого и экономически эффективного способа изготовления полых углеродных микроволокон от человеческого волоса с использованием нетрадиционной технологии 13 С-МЭМС. Здесь также описывается традиционный процесс С-МЭМС на основе полимера на основе SU8. В частности, описана процедура изготовления твердых веществ с высоким коэффициентом сжатия и полых структур SU8 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этой статье сообщалось о способах изготовления различных углеродных микроструктур на основе пиролиза природных материалов-предшественников или фотоструктурированных полимерных структур. Как правило, углеродные материалы, являющиеся результатом как традиционных, так и нетрадици?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Technologico de Monterrey и Калифорнийским университетом в Ирвине.
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 |
Riferimenti
- 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).
