3D碳微机电系统（C-MEMS）的制造

碳具有许多同素异形体，并且根据具体应用，可以选择以下同素异形体之一：碳纳米管（CNT），石墨，金刚石，无定形碳，代斯尼石，勃姆斯特富勒烯（C ₆₀ ），充铁矿（C ₅₄₀ ），富勒烯C ₇₀ ）和玻璃碳^1,2,3,4 。玻璃碳是最广泛使用的同素异形体之一，因为它的物理性质，包括高各向同性。它还具有以下性能：良好的导电性，低热膨胀系数和气体不渗透性。

已经不断地寻找富含碳的前体材料来获得碳结构。这些前体可以是具有特定形状的人造材料或天然产物，甚至包括废物。各种微型 o /纳米结构本质上是通过生物或环境过程形成的，产生了使用常规制造工具极难创造的独特特征。由于在这种情况下自然发生了图案化，使用天然和废碳氢化合物前体的纳米材料的合成可以在惰性或真空气氛中使用简单的一步热分解方法进行，称为热解⁵ 。已经通过热分解或植物来源的前体和废物（包括种子，纤维和油类）的热分解产生了高质量的石墨烯，单壁CNT，多壁碳纳米管和碳点，例如松节油，芝麻油，楝树油（ Azadirachta indica ），桉树油，棕榈油和麻疯树油。此外，茉莉花产品，茶树提取物，废物食品，昆虫，农业废物和食品已被利用^{6，7 ，}最近，研究人员甚至使用丝茧作为前体材料来制备多孔碳微纤维¹⁰ 。这个团队最近使用人造毛，通常被认为是废料。它由约91％的多肽组成，含多于50％的碳;其余的元素如氧，氢，氮和硫¹¹ 。头发还具有许多有趣的性质，例如非常缓慢的降解，高抗拉强度，高绝热性和高弹性恢复性。最近，它已经被用于制备超级电容器^12中使用的碳薄片^，并且为电化学传感¹³创建中空碳微纤维¹³ 。

用于制造三维（3D）结构的散装碳材料的加工是一项困难的任务，因为该材料非常脆弱。聚焦离子在这种情况下，am ^14,15或反应离子蚀刻¹⁶可能是有用的，但是它们是昂贵和耗时的过程。基于图案化聚合物结构的热解的碳微机电系统（C-MEMS）技术代表了多功能的替代方案。在过去二十年中，C-MEMS和碳纳米机电系统（C-NEMS）由于涉及简单且廉价的制造步骤而受到很多关注。传统的C-MEMS制造工艺分两个步骤进行：（i）通过光刻图案化聚合物前体（ 例如，光致抗蚀剂）和（ii）图案化结构的热解。通常使用紫外（UV）可固化的聚合物前体，例如SU8光致抗蚀剂，以基于光刻法来图案化结构。通常，光刻工艺包括旋涂，软烘烤，紫外线曝光，后烘烤和烘烤的步骤lopment。在C-MEMS的情况下;硅;二氧化硅;氮化硅;石英;并且最近，蓝宝石已被用作底物。在无氧环境中，光图案化聚合物结构在高温（800-1100℃）下碳化。在真空或惰性气氛中的这些高温下，除去所有非碳元素，仅留下碳。这种技术允许实现高质量的玻璃碳结构，其对于许多应用非常有用，包括电化学传感¹⁷ ，能量存储¹⁸ ，摩擦电纳米发生¹⁹和电动粒子操作^20.此外，制造具有使用C-MEMS的高纵横比变得相对容易，并且已经导致各种各样的碳电极应用18,21 ^， </sup> ^{22,23 ，}经常代替贵金属电极。

在这项工作中，引入了使用非常规C-MEMS技术¹³从人发制造中空碳微纤维的简单和成本有效的方法的最新发展。这里也描述了常规的基于SU8聚合物的C-MEMS工艺。具体来说，高纵横比固体和中空SU8结构的制造程序描述^24。