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Engenharia

Fabrication de tridimensionnelles polyedres axée sur le graphène via Origami-Like se pliant

Published: September 23, 2018
doi:
10.3791/58500
, , , ,
1Department of Electrical and Computer Engineering,University of Minnesota, Minneapolis, United States

Summary

Nous présentons ici un protocole pour la fabrication de 3D basé sur le graphène polyedres via origami-comme se pliant.

Abstract

L’assemblage de deux dimensions (2D) graphène dans les structures polyédriques tridimensionnelles (3D) tout en conservant d’excellentes propriétés inhérentes du graphène a été d’un grand intérêt pour le développement d’applications smart device roman. Ici, fabrication de 3D, a petite Echelle, creusent les polyèdres (cubes), composé de plusieurs couches de graphène 2D ou graphène oxyde feuilles via un processus autonome pliage origami-like est décrite. Cette méthode implique l’utilisation de cadres de polymère et charnières et des couches de protection en oxyde d’aluminium/chrome qui réduisent la résistance à la traction, spatiales, des contraintes de tension superficielle sur les membranes axée sur le graphène lorsque les filets 2D sont transforment en cubes 3D. Le procédé offre le contrôle de la taille et la forme de la structures ainsi que la production parallèle. En outre, cette approche permet la création de modifications de surface en métal sur chaque face des cubes 3D le patterning. Études de spectroscopie de Raman montrent que la méthode permet la préservation des propriétés intrinsèques des membranes axée sur le graphène, ce qui démontre la solidité de notre méthode.

Introduction

Deux dimensions (2D) graphène feuilles possèdent des propriétés optiques, électroniques et mécaniques extraordinaires, ce qui les rend de modéliser des systèmes pour l’observation des phénomènes quantiques roman pour génération électronique, optoélectronique, électrochimique, les applications biomédicales et électromécanique1,2,3,4,5,6. En dehors de la production 2D structure en couches de graphène, récemment, diverses approches de modification ont été étudiés pour respecter les nouvelles fonctionnalités du graphène et chercher de nouvelles possibilités d’application. Par exemple, modulant (tuning) ses propriétés physiques (c.-à-d., dopage écart niveau et/ou bande) en adaptant les formes ou de structuration de la 2D des structurent ou à un unidimensionnelle (1D) ou sans dimension structure (0d) (e.g., graphène nanoribbon ou graphène points quantiques) a été étudiée pour obtenir de nouveaux phénomènes physiques, notamment des effets de confinement quantique modes plasmoniques localisées, distribution électron localisé et spin polarisé bord États7,8 ,9,10,11,12. En outre, variant la texture du graphène 2D par chiffonnant (souvent appelé kirigami), délaminage, flambage, torsion, superposition de plusieurs couches ou changer la forme de surface de graphène en transférant le graphène 2D sur le dessus une fonctionnalité 3D (substrat) a été démontré que pour changer du graphène mouillabilité, caractéristiques mécaniques et propriétés optiques13,14.

Au-delà de changer la morphologie de la surface et la structure en couches de graphène 2D, assemblage de graphène 2D dans des polyèdres (3D) fonctionnalisés, bien définies, en trois dimensions a été d’un grand intérêt récemment dans la communauté de graphène pour obtenir la nouvelle physique et phénomènes chimiques15. En théorie, l’élastique, électrostatique et de van der Waals, énergies de 2D structures axées sur le graphène peuvent être exploités pour transformer le graphène 2D en divers graphène-origami 3D configurations16,17. Basé sur ce concept, la modélisation théorique études ont examiné dessins de structure 3D de graphène, formés à partir de membranes de graphène 2D nanométriques, avec des utilisations possibles de médicaments et de stockage moléculaire générale16,17. Pourtant, l’évolution expérimentale de cette approche est encore loin de se rendre compte de ces demandes. En revanche, un certain nombre de méthodes de synthèse chimiques ont été développé pour réaliser des structures 3D via assistée par modèle assembly en anglais, flux-dirigé, levage assemblage et croissance des méthodes18,19 , 20 , 21 , 22. Toutefois, ces méthodes sont actuellement limitées qu’ils ne peuvent pas produire une structure 3D, creuse, clos sans perdre les propriétés intrinsèques des feuilles de graphène.

Ici, une stratégie pour la création 3D, creuse, axée sur le graphène microcubes (dimension hors-tout de ~ 200 µm) en utilisant comme origami pliage automatique est exposée ; surmonter les plus grands défis dans la construction de matériaux autoportantes, creux, 3D, polyédriques, axée sur le graphène. Dans les techniques de pliage automatique origami-like, mains-libres, caractéristiques planaires lithographically motifs 2D (c’est-à-dire, axée sur le graphène membranes) sont connectés avec charnières (c’est-à-dire thermique polymère, résine photosensible) à diverses articulations, ainsi formation 2D filets qui se replier lorsque les charnières sont chauffées à la température23,24,25,26de fusion. Les cubes axée sur le graphène sont réalisés avec des composants de membrane de fenêtre composées de quelques couches de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) cultivées graphène ou membranes de graphène oxyde (GO) ; a la fois avec l’utilisation de trames de polymère et charnières. La fabrication des cubes 3D basé sur le graphène implique : (i) préparation des couches de protection, le transfert de graphène (ii)-membrane et structuration, (iii) metal surface patterning sur graphène-membranes, cadre (iv) et charnières le patterning et le dépôt, (v). Pliage automatique et l’enlèvement (vi) les couches de protection (Figure 1). Cet article se concentre principalement sur les aspects se pliantes de la fabrication des cubes 3D basé sur le graphène. On trouvera des détails sur les propriétés physiques et optiques des cubes 3D basé sur le graphène dans nos autres récentes publications27,28.

Protocol

ATTENTION : Plusieurs des produits chimiques utilisés dans ces synthèses sont toxiques et peuvent causer des irritations et des dommages graves organes quand ils sont touchés ou inhalé. S’il vous plaît utiliser l’équipement de sécurité approprié et porter des équipements de protection individuelle lors de la manipulation de produits chimiques. 1. préparation de l’oxyde d’aluminium et de chrome Protection couches sur une couche sacrificielle cuivre À l’aide d’…

Representative Results

Figure 2 affiche les images optiques les procédés lithographiques du graphène 2D et GO nets structures et processus de pliage automatique subséquent. Le processus de pliage automatique est surveillé en temps réel via un microscope de haute résolution. Les deux types de 3D cubes axée sur le graphène sont pliées à ~ 80 ° C. Figure 3 présente les séquences capturées vidéo montrant le pliage automatique de 3D…

Discussion

Pour les glaçons fabriqués avec graphène CVD, car chaque face d’un cube donné est doté d’un cadre extérieur entourant une zone de2 ~ 160 × 160 µm de graphène autoportantes, une seule feuille de graphène monocouche n’a pas la force nécessaire pour permettre traitement parallèle des cubes. Pour cette raison, membranes de graphène constituée de trois couches de monocouche de graphène CVD feuilles sont produites via trois transferts de graphène distinct à l’aide de multiples étap…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce matériel est basé sur le travail soutenu par un fonds de lancement à l’Université du Minnesota, Twin Cities et une bourse de carrière de la NSF (CMMI-1454293). Certaines parties de ce travail ont été effectuées dans l’installation de caractérisation à l’Université du Minnesota, membre de la NSF-financé matériaux recherche installations réseau (via le programme MRSEC. Parties de ce document ont été menées dans le centre de Nano de Minnesota, qui est soutenu par la Fondation nationale des sciences à travers le National Nano coordonnée Infrastructure réseau (NNCI) sous attribution numéro ECCS-1542202. C. D. reconnaît le soutien des 3 M Science et Technology Fellowship.

Materials

Acetone Fisher Chemical A18P-4 N/A
Aluminium oxide Kurt J. Lesker Company EVMALO-1-2.5 99.99% Pure
APS Copper Etchant 100 Transene Company, Inc. N/A N/A
Camera (for 3D image) Nikon D5100 1080p Full HD, Effective pixels: 16.2 million, Sensorsize: 23.6 mm x 15.6 mm
CE-5 M Chromium Mask Etchant Transene Company, Inc. N/A N/A
Chemical deposition growth (CVD) system Customized N/A Lindberg/Blue Tube Furnace
Chromium Kurt J. Lesker Company EVMCR35J 99.95% pure
Chromium Etchant 473 Transene Company, Inc. N/A N/A
Copper Kurt J. Lesker Company EVMCU40QXQJ 99.99% pure
Developer-1 (MF319 developer) Microposit 10018042 N/A
Developer-2 (AZ developer) Merck performance Materials Corp. 1005422496 N/A
Developer-3 (SU-8 developer) MicroChem NC9901158 N/A
Digital Hot Plate Thermo Scientific HP131725 Super-Nuvoa series, maximum temperature: 370 °C
E-Beam Evaporator System Rocky Mountain Vacuum Tech. N/A RME-2000
Graphene oxide Goographene N/A Purity: ~ 99%; Single layer ratio: ~99%;  0.7-1.2 nm in thickness.
Isopropyl Alcohol Fisher Chemical A416-4 N/A
Mask Aligner Midas MDA-400LJ N/A
Microscope Omax NJF-120A N/A
multiple polymethyl methacrylate (PMMA) MicroChem 950 PMMA A9 N/A
Oxygen plasma  Technics Inc. SERIES 800 Microscale reactive ion etching (RIE)
Photoresist-1 (S1813 Photoresist) Microposit 10018348 N/A
Photoresist-2 (SPR220 Photoresist) MicroChem SPR00220-7G N/A
Photoresist-3 (SU-8 Photoresist) MicroChem SU-8-2010 N/A
Profilometer Tencor Instruments N/A Alpha-Step 200
Raman WITec Instruments Corp. Alpha300R Confocal Raman Microscope
Silicon Wafer Siltronic AG N/A 100mm diameter, N-type, one-side polish, resitivity: 560-840 Ω•cm
Spinner Best Tools S0114031123 SMART COATER 100
Titanium Kurt J. Lesker Company EVMTI45QXQA 99.99% Pure
Ultrasonic Cleaner Crest Ultrasonics N/A Powersonic series
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Referências

  1. Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nature Materials. 6 (3), 183-191 (2007).
  2. Singh, V., et al. Graphene based materials: Past, present and future. Progress in Materials Science. 56 (8), 1178-1271 (2011).
  3. Bonaccorso, F., Sun, Z., Hasan, T., Ferrari, A. C. Graphene photonics and optoelectronics. Nature Photonics. 4 (9), 611-622 (2010).
  4. Wang, C., Li, D., Too, C. O., Wallace, G. G. Electrochemical Properties of Graphene Paper Electrodes Used in Lithium Batteries. Chemistry of Materials. 21 (13), 2604-2606 (2009).
  5. Bunch, J. S., et al. Electromechanical resonators from graphene sheets. Science. 315 (5811), 490-493 (2007).
  6. Menaa, F., Abdelghani, A., Menaa, B. Graphene nanomaterials as biocompatible and conductive scaffolds for stem cells: impact for tissue engineering and regenerative medicine. Journal of Tissue Engineering and Regenerative. 9 (12), 1321-1338 (2015).
  7. Han, M. Y., Özyilmaz, B., Zhang, Y., Kim, P. Energy band-gap engineering of graphene nanoribbons. Physical Review Letters. 98 (20), 206805 (2007).
  8. Son, Y. W., Cohen, M. L., Louie, S. G. Half-metallic graphene nanoribbons. Nature. 444 (7117), 347-349 (2006).
  9. Yan, Q., et al. Intrinsic current− voltage characteristics of graphene nanoribbon transistors and effect of edge doping. Nano Letters. 7 (6), 1469-1473 (2007).
  10. Fei, Z., et al. Gate-tuning of graphene plasmons revealed by infrared nano-imaging. Nature. 487 (7405), 82-85 (2012).
  11. Joung, D., Zhai, L., Khondaker, S. I. Coulomb blockade and hopping conduction in graphene quantum dots array. Physical Review. B. 83 (11), 115323 (2011).
  12. Bacon, M., Bradley, S. J., Nann, T. Graphene quantum dots. Particle & Particle Systems Characterization. 31 (4), 415-428 (2014).
  13. Blees, M. K., et al. Graphene kirigami. Nature. 524 (7564), 204-207 (2015).
  14. Michael Cai, W., et al. Mechanical instability driven self-assembly and architecturing of 2D materials. 2D Materials. 4 (2), 022002 (2017).
  15. Shenoy, V. B., Gracias, D. H. Self-folding thin-film materials: From nanopolyhedra to graphene origami. MRS Bulletin. 37 (9), 847-854 (2012).
  16. Zhu, S., Li, T. Hydrogenation-Assisted Graphene Origami and Its Application in Programmable Molecular Mass Uptake, Storage, and Release. ACS Nano. 8 (3), 2864-2872 (2014).
  17. Zhang, L., Zeng, X., Wang, X. Programmable hydrogenation of graphene for novel nanocages. Scientific Reports. 3, 3162 (2013).
  18. Vickery, J. L., Patil, A. J., Mann, S. Fabrication of Graphene-Polymer Nanocomposites With Higher-Order Three-Dimensional Architectures. Advanced Materials. 21 (21), 2180-2184 (2009).
  19. Yang, X., Zhu, J., Qiu, L., Li, D. Bioinspired effective prevention of restacking in multilayered graphene films: towards the next generation of high-performance supercapacitors. Advanced Materials. 23 (25), 2833-2838 (2011).
  20. Choi, B. G., Yang, M., Hong, W. H., Choi, J. W., Huh, Y. S. 3D macroporous graphene frameworks for supercapacitors with high energy and power densities. ACS Nano. 6 (5), 4020-4028 (2012).
  21. Niu, Z., Chen, J., Hng, H. H., Ma, J., Chen, X. A leavening strategy to prepare reduced graphene oxide foams. Advanced Materials. 24 (30), 4144-4150 (2012).
  22. Li, Y., et al. Growth of conformal graphene cages on micrometre-sized silicon particles as stable battery anodes. Nature Energy. 1 (2), (2016).
  23. Cho, J. H., Gracias, D. H. Self-Assembly of Lithographically Patterned Nanoparticles. Nano Letters. 9 (12), 4049-4052 (2009).
  24. Cho, J. H., Azam, A., Gracias, D. H. Three Dimensional Nanofabrication Using Surface Forces. Langmuir. 26 (21), 16534-16539 (2010).
  25. Dai, C., Cho, J. H. In Situ Monitored Self-Assembly of Three-Dimensional Polyhedral Nanostructures. Nano Letters. 16 (6), 3655-3660 (2016).
  26. Joung, D., et al. Self-Assembled Multifunctional 3D Microdevices. Advanced Electronic Materials. 2 (6), 1500459 (2016).
  27. Joung, D., Gu, T., Cho, J. H. Tunable Optical Transparency in Self-Assembled Three-Dimensional Polyhedral Graphene Oxide. ACS Nano. 10 (10), 9586-9594 (2016).
  28. Joung, D., et al. Self-Assembled Three-Dimensional Graphene-Based Polyhedrons Inducing Volumetric Light Confinement. Nano Letters. 17 (3), 1987-1994 (2017).
  29. Lian, K., Ling, Z. G., Liu, C. Thermal stability of SU-8 fabricated microstructures as a function of photo initiator and exposure doses. Proceedings of SPIE. 4980, 209 (2003).
  30. Winterstein, T., et al. SU-8 electrothermal actuators: Optimization of fabrication and excitation for long-term use. Micromachines. 5 (4), 1310-1322 (2014).
  31. Syms, R. R. A., Yeatman, E. M., Bright, V. M., Whitesides, G. M. Surface tension-powered self-assembly of microstructures – the state-of-the-art. Journal of Microelectromechanical Systems. 12 (4), 387-417 (2003).
  32. Xie, X., et al. Controlled fabrication of high-quality carbon nanoscrolls from monolayer graphene. Nano Letters. 9 (7), 2565-2570 (2009).
  33. Ferrari, A. C., Basko, D. M. Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene. Nature Nanotechnology. 8 (4), 235-246 (2013).
  34. Childres, I., Jauregui, L. A., Park, W., Cao, H., Chen, Y. P., Jang, J. I. Raman spectroscopy of graphene and related materials. New developments in photon and materials research. , (2013).
  35. Polsen, E. S., McNerny, D. Q., Viswanath, B., Pattinson, S. W., Hart, A. J. High-speed roll-to-roll manufacturing of graphene using a concentric tube CVD reactor. Scientific Reports. , 5 (2015).
  36. Wu, T., Shen, H., Sun, L., You, J., Yue, Z. Three step fabrication of graphene at low temperature by remote plasma enhanced chemical vapor deposition. RSC Advances. 3 (24), 9544-9549 (2013).
  37. Liu, C., Schauff, J., Joung, D., Cho, J. H. Remotely controlled microscale 3D self-assembly using microwave energy. Advanced Materials Technologies. 2 (8), 1700035 (2017).

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Citar este artigo
Joung, D., Wratkowski, D., Dai, C., Lee, S., Cho, J. Fabrication of Three-Dimensional Graphene-Based Polyhedrons via Origami-Like Self-Folding. J. Vis. Exp. (139), e58500, doi:10.3791/58500 (2018).
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