Fabbricazione di sistemi microelettromeccanici a carbonio 3D (C-MEMS)
Summary
Le microfibre di carbonio vetroso lungo e cavo sono state fabbricate sulla base della pirolisi di un prodotto naturale, capelli umani. Le due fasi di fabbricazione di sistemi microelettromeccanici e di nanoelettromeccanici in carbonio, o C-MEMS e C-NEMS, sono: (i) la fotolitografia di un precursore polimerico ricco di carbonio e (ii) la pirolisi del precursore polimerico modellato.
Abstract
Sono disponibili una vasta gamma di fonti di carbonio in natura, con una varietà di configurazioni micro / nanostrutture. Qui viene introdotta una tecnica innovativa per la fabbricazione di microfibre di carbonio vetroso lungo e cave provenienti dai peli umani. Le strutture lunghe e cave di carbonio sono state fatte dalla pirolisi dei capelli umani a 900 ° C in atmosfera N2. La morfologia e la composizione chimica dei peli umani naturali e pirolizzati sono stati studiati rispettivamente utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la spettroscopia a raggi X dispersivi a elettroni (EDX) per stimare i cambiamenti fisici e chimici dovuti alla pirolisi. La spettroscopia Raman è stata utilizzata per confermare la natura vetrosa delle microstrutture del carbonio. Il carbonio dei capelli pirolizzati è stato introdotto per modificare elettrodi di carbonio stampati a schermo; Gli elettrodi modificati sono stati quindi applicati al rilevamento elettrochimico della dopamina e dell'acido ascorbico. La prestazione sensoriale dei sensori modificati è stata migliorata rispetto agli unmodiSensori. Per ottenere la struttura desiderata del carbonio, è stata sviluppata la tecnologia del micro- / nanoelettromeccanico del carbonio (C-MEMS / C-NEMS). Il più comune processo di fabbricazione di C-MEMS / C-NEMS è costituito da due fasi: (i) il patterning di un materiale base ricco di carbonio, come un polimero fotosensibile, utilizzando fotolitografia; E (ii) carbonizzazione attraverso la pirolisi del polimero modellato in un ambiente senza ossigeno. Il processo C-MEMS / NEMS è stato ampiamente utilizzato per sviluppare dispositivi microelettronici per varie applicazioni, tra cui micro-batterie, supercapacitors, sensori di glucosio, sensori di gas, celle a combustibile e nanogeneratori triboelettrici. Qui vengono discussi i recenti sviluppi di microstrutture solide e microstrutture a carbonio con SU8 fotoresist. Il ritiro strutturale durante la pirolisi è stato studiato utilizzando microscopia confocale e SEM. La spettroscopia Raman è stata utilizzata per confermare la cristallinità della struttura e la percentuale atomica degli elementi presaNt nel materiale prima e dopo che la pirolisi è stata misurata usando EDX.
Introduction
Il carbonio ha molte allotropie e, a seconda della particolare applicazione, può essere scelto uno dei seguenti allotropi: nanotubi di carbonio (CNT), grafite, diamante, carbonio amorfo, lonsdaleite, buckminsterfullerene (C 60 ), fullerite (C 540 ), fullerene C 70 ) e carbonio vetroso 1 , 2 , 3 , 4 . Il carbonio glassy è una delle allotropes più utilizzate a causa delle sue proprietà fisiche, compresa l'alta isotropia. Ha anche le seguenti proprietà: buona conducibilità elettrica, basso coefficiente di espansione termica e impermeabilità del gas.
C'è stata una continua ricerca di materiali precursori ricchi di carbonio per ottenere strutture in carbonio. Questi precursori possono essere materiali artificiali o prodotti naturali disponibili in forme particolari e includere anche prodotti di scarto. Una vasta gamma di micr Le nanostrutture vengono formate in natura attraverso processi biologici o ambientali, dando origine a caratteristiche uniche che sono estremamente difficili da creare utilizzando strumenti di produzione convenzionali. In questo caso, naturalmente, il patterning avveniva, la sintesi di nanomateriali utilizzando precursori naturali e rifiuti di idrocarburi potrebbe essere effettuata usando un processo di decomposizione termica semplice in un solo passo in un'atmosfera inerte o sotto vuoto chiamata pirolisi 5 . Il grafene di alta qualità, le CNT a singolo muro, le CNT multi-walled e i punti di carbonio sono stati prodotti dalla decomposizione termica o dalla pirolisi di precursori e rifiuti derivanti da piante, compresi semi, fibre e olii, come olio di trementina, olio di sesamo , Olio di neem ( Azadirachta indica ), olio di eucalipto, olio di palma e olio di jatropha. Inoltre, sono stati utilizzati prodotti di canfora, estratti di tea tree, cibi di rifiuti, insetti, rifiuti agro e prodotti alimentari, 6 , 7 ,Recentemente, i ricercatori hanno addirittura utilizzato bozzoli di seta come materiale precursore per preparare microfibre di carbonio poroso 10 . I capelli umani, di solito considerati un materiale di scarto, sono stati recentemente utilizzati da questa squadra. È costituito da circa il 91% di polipeptidi, che contengono più del 50% di carbonio; Il resto sono elementi quali ossigeno, idrogeno, azoto e zolfo 11 . I capelli sono dotati anche di diverse proprietà interessanti, come il degrado molto lento, la resistenza alla trazione, l'elevato isolamento termico e l'elevato recupero elastico. Recentemente è stato utilizzato per preparare fiocchi di carbonio impiegati nei supercapacitori 12 e per creare microfibre di carbonio vuoto per il rilevamento elettrochimico 13 .
La lavorazione di un materiale di carbonio sfuso per la fabbricazione di strutture tridimensionali (3D) è un compito difficile, poiché il materiale è molto fragile. L'ioni focalizzato èSono 14 , 15 o l'etching di ioni reattivi 16 possono essere utili in questo contesto, ma sono costosi e che richiedono molto tempo. La tecnologia del microelettromeccanico del carbonio (C-MEMS), basata sulla pirolisi delle strutture polimeriche modellate, rappresenta un'alternativa versatile. Negli ultimi due decenni, i sistemi C-MEMS ei sistemi nanoelettromeccanici di carbonio (C-NEMS) hanno ricevuto molta attenzione a causa delle semplici e poco costose fasi di fabbricazione coinvolte. Il processo convenzionale di fabbricazione di C-MEMS viene effettuato in due fasi: (i) il patterning di un precursore polimero ( ad es. Un fotoresist) con fotolitografia e (ii) la pirolisi delle strutture modellate. I precursori polimerici ultravioletti (UV), come i fotoresistanti SU8, vengono spesso usati per strutturare strutture basate sulla fotolitografia. In generale, il processo di fotolitografia comprende i passaggi per il rivestimento a spin, la cottura morbida, l'esposizione a raggi UV, il post-cuocere e il cammelloluppo. Nel caso di C-MEMS; silicio; biossido di silicio; Nitruro di silicio; quarzo; E, più recentemente, zaffiri sono stati usati come substrati. Le strutture polimeriche a motivi fotografiche vengono carbonizzate ad alta temperatura (800-1,100 ° C) in un ambiente senza ossigeno. A quelle temperature elevate in vuoto o in atmosfera inerte, tutti gli elementi non carbonici vengono rimossi, lasciando solo carbonio. Questa tecnica consente la realizzazione di strutture di carbonio di alta qualità, vetrose, molto utili per molte applicazioni, tra cui la rilevazione elettrochimica 17 , l'accumulo di energia 18 , la nanogenerazione triboelettrica 19 e la manipolazione delle particelle elettriche 20. Inoltre, la fabbricazione di microstrutture 3D con Gli elevati rapporti degli aspetti con C-MEMS sono diventati relativamente facili e hanno portato ad una grande varietà di applicazioni di elettrodi di carbonio 18 , 21 , </sup> 22 , 23 , sostituendo spesso elettrodi nobili.
In questo lavoro viene introdotto il recente sviluppo di un modo semplice e conveniente di fabbricare microfibre di carbonio vuoto da capelli umani utilizzando la tecnologia C-MEMS non convenzionale 13 . Viene descritto anche il processo C-MEMS basato sul polimero convenzionale SU8. In particolare, viene descritta la procedura di fabbricazione per solidi a rapporto ad alta visibilità e per strutture cave SU8 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
In questo documento sono stati riportati i metodi per la fabbricazione di una varietà di microstrutture di carbonio basate sulla pirolisi dei materiali precursori naturali o strutture fotopolimerizzate. I materiali di carbonio risultanti sia dai processi C-MEMS / C-NEMS tradizionali che non convenzionali sono tipicamente riscontrabili come carboni vetrosi. Il carbonio Glassy è un materiale elettrodo molto usato per l'elettrochimica e per applicazioni ad alta temperatura. La microstruttura del carbonio vetroso è c…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto da Technologico de Monterrey e dall'Università della California a 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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