Fabricação de sistemas 3D Microelectromecânicos de Carbono (C-MEMS)
Summary
As microfibras de carbono vítreas longas e vazias foram fabricadas com base na pirólise de um produto natural, cabelo humano. As duas etapas de fabricação de sistemas microelectromecânicos de carbono e nanoelectromecânicos de carbono, ou C-MEMS e C-NEMS, são: (i) fotolitografia de um precursor de polímero rico em carbono e (ii) pirólise do precursor de polímero padronizado.
Abstract
Uma ampla gama de fontes de carbono estão disponíveis na natureza, com uma variedade de configurações de micro-nanoestrutura. Aqui, é introduzida uma nova técnica para fabricar microfibras de carbono vítreas longas e vazias derivadas de cabelos humanos. As estruturas de carbono longas e vazias foram feitas por pirólise de cabelo humano a 900 ° C em atmosfera de N2. A morfologia e a composição química dos cabelos humanos naturais e pirolysados foram investigados utilizando microscopia eletrônica de varredura (SEM) e espectroscopia de raios-X elétron-dispersiva (EDX), respectivamente, para estimar as mudanças físicas e químicas devido à pirólise. A espectroscopia Raman foi utilizada para confirmar a natureza vítrea das microestruturas de carbono. O carbono do cabelo Pyrolyzed foi introduzido para modificar eletrodos de carbono impressos por tela; Os eletrodos modificados foram então aplicados ao sensor eletroquímico da dopamina e do ácido ascórbico. O desempenho sensitivo dos sensores modificados foi melhorado em comparação com o não modificadoFied sensores. Para obter o design desejado da estrutura de carbono, desenvolveu-se tecnologia de micro-nanoelectromecânica de carbono (C-MEMS / C-NEMS). O processo de fabricação C-MEMS / C-NEMS mais comum consiste em duas etapas: (i) o padrão de um material base rico em carbono, como um polímero fotossensível, usando fotolitografia; E (ii) carbonização através da pirólise do polímero padronizado em um ambiente livre de oxigênio. O processo C-MEMS / NEMS tem sido amplamente utilizado para desenvolver dispositivos microeletrônicos para várias aplicações, inclusive em micro baterias, supercondensadores, sensores de glicose, sensores de gás, células de combustível e nanogeneradores triboelétricos. Aqui, são discutidos os desenvolvimentos recentes de microestruturas de carbono sólido e oco de alta relação de aspecto com fotorresis SU8. O encolhimento estrutural durante a pirólise foi investigado usando microscopia confocal e SEM. A espectroscopia Raman foi utilizada para confirmar a cristalinidade da estrutura, e a porcentagem atômica dos elementos preseNt no material antes e depois da pirólise foi medida usando EDX.
Introduction
O carbono tem muitos alotrópios e, dependendo da aplicação específica, pode escolher-se um dos seguintes alotrópicos: nanotubos de carbono (CNTs), grafite, diamante, carbono amorfo, lonsdaleite, buckminsterfullerene (C 60 ), fullerite (C 540 ), fullereno ( C 70 ) e carbono vítreo 1 , 2 , 3 , 4 . O carbono transparente é um dos alototros mais utilizados devido às suas propriedades físicas, incluindo a alta isotropia. Ele também possui as seguintes propriedades: boa condutividade elétrica, baixo coeficiente de expansão térmica e impermeabilidade ao gás.
Houve uma busca contínua de materiais precursores ricos em carbono para obter estruturas de carbono. Esses precursores podem ser materiais artificiais ou produtos naturais que estão disponíveis em formas particulares, e até incluem produtos de resíduos. Uma grande variedade de micr O / nanoestruturas são formadas através de processos biológicos ou ambientais na natureza, resultando em características únicas que são extremamente difíceis de criar usando ferramentas de fabricação convencionais. Como o padrão ocorreu naturalmente neste caso, a síntese de nanomateriais que utilizam precursores de hidrocarbonetos naturais e de resíduos pode ser realizada usando um processo simples e de uma só etapa de decomposição térmica em atmosfera inerte ou vácuo, chamada pirólise 5 . O grafeno de alta qualidade, os CNT de parede única, os CNT de paredes múltiplas e os pontos de carbono foram produzidos por decomposição térmica ou a pirólise de precursores e resíduos derivados de plantas, incluindo sementes, fibras e óleos, como óleo de terebintina, óleo de gergelim , Óleo de neem ( Azadirachta indica ), óleo de eucalipto, óleo de palma e óleo de jatropha. Além disso, os produtos de cânfora, extratos de chá-árvore, desperdícios de alimentos, insetos, resíduos agropecuários e produtos alimentares foram utilizados 6 , 7 ,Asset = "xref"> 8 , 9 Recentemente, os pesquisadores já usaram casulos de seda como material precursor para preparar microfibras de carbono porosas 10 . O cabelo humano, geralmente considerado um material de resíduos, foi usado recentemente por essa equipe. É constituído por aproximadamente 91% de polipéptidos, que contêm mais de 50% de carbono; O resto são elementos como oxigênio, hidrogênio, nitrogênio e enxofre 11 . O cabelo também vem com várias propriedades interessantes, como degradação muito lenta, alta resistência à tração, alto isolamento térmico e alta recuperação elástica. Recentemente, utilizou-se para preparar flocos de carbono empregados em supercondensadores 12 e para criar microfibras de carbono oco para detecção eletroquímica 13 .
A usinagem de um material de carbono a granel para fabricar estruturas tridimensionais (3D) é uma tarefa difícil, pois o material é muito frágil. O íon focado sejaAm 14 , 15 ou gravura iónica reativa 16 pode ser útil neste contexto, mas eles são processos caros e demorados. A tecnologia do sistema microelectromecânico de carbono (C-MEMS), que se baseia na pirólise de estruturas poliméricas padronizadas, representa uma alternativa versátil. Nas duas últimas décadas, C-MEMS e sistemas nanoelectromecânicos de carbono (C-NEMS) receberam muita atenção devido às etapas de fabricação simples e baratas envolvidas. O processo convencional de fabricação de C-MEMS é realizado em duas etapas: (i) padronização de um precursor de polímero ( por exemplo, um fotorresistente) com fotolitografia e (ii) pirólise das estruturas padronizadas. Os precursores de polímeros duradouros ultravioleta (UV), como os fotoresistos SU8, são freqüentemente usados para modelar estruturas com base na fotolitografia. Em geral, o processo de fotolitografia inclui etapas para revestimento de rotação, cozimento suave, exposição UV, pós cozido e desenvolvimentoLopment. No caso de C-MEMS; silício; Dióxido de silício; Nitreto de silício; quartzo; E, mais recentemente, a safira tem sido usada como substratos. As estruturas de polímero com padrão de foto são carbonizadas a uma temperatura elevada (800-1,100 ° C) em um ambiente livre de oxigênio. Às temperaturas elevadas no vácuo ou atmosfera inerte, todos os elementos não-carbono são removidos, deixando apenas carbono. Esta técnica permite a obtenção de estruturas de carbono vítreo de alta qualidade, que são muito úteis para muitas aplicações, incluindo detecção eletroquímica 17 , armazenamento de energia 18 , nanogeneração triboelétrica 19 e manipulação de partículas eletroquimáticas 20. Além disso, a fabricação de microestruturas 3D com As altas relações de aspecto usando C-MEMS tornaram-se relativamente fáceis e levaram a uma grande variedade de aplicações de eletrodos de carbono 18 , 21 , </sup> 22 , 23 , substituindo frequentemente eletrodos de metal nobre.
Neste trabalho, o desenvolvimento recente de uma maneira simples e econômica de fabricar microfibras de carbono oco de cabelos humanos usando a tecnologia C-MEMS não convencional 13 é introduzida. O processo C-MEMS convencional baseado em polímero SU8 também é descrito aqui. Especificamente, o procedimento de fabricação para sólidos de alta relação de aspecto e estruturas SU8 ocas é descrito 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neste trabalho, foram relatados os métodos para a fabricação de uma variedade de microestruturas de carbono com base na pirólise de materiais precursores naturais ou estruturas de polímero com padrão de foto. Os materiais de carbono resultantes de processos convencionais e não convencionais C-MEMS / C-NEMS são normalmente encontrados como carbonos vítreos. O carbono transparente é um material de eletrodo amplamente utilizado para eletroquímica e também para aplicações de alta temperatura. A microestrutura …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo Technologico de Monterrey e pela Universidade da Califórnia em 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
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