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Engenharia

Herstellung von dreidimensionalen Graphen-basierte Polyeder über Falten Origami gefällt mir selbst

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

Summary

Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll für die Herstellung von 3D Graphen-basierte Polyeder über Falten Origami gefällt mir selbst.

Abstract

Die Montage der zweidimensionalen (2D) Graphen in dreidimensionale (3D) polyedrischen Strukturen unter Beibehaltung der ausgezeichneten inhärenten Eigenschaften der Graphen ist von großem Interesse für die Entwicklung von Anwendungen für neuartige Geräte gewesen. Hier, Herstellung von 3D, Microscale, hohl Polyeder (Würfel), bestehend aus ein paar Schichten 2D Graphen oder Graphen oxid Blätter über eine Origami-wie selbst faltvorgang beschrieb. Diese Methode beinhaltet die Verwendung von Polymer-Rahmen und Scharniere, Aluminiumoxid/Chrom Schutzschichten, die Zugfestigkeit, räumliche reduzieren und Oberflächenspannung betont auf den Graphen-basierte Membranen, wenn die 2D Netze in 3D Würfel umgewandelt werden. Das Verfahren bietet Kontrolle über die Größe und Form der Strukturen sowie die parallele Fertigung. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz die Schaffung von Oberflächenmodifikationen von Metall auf jeder Seite der 3D Würfel-Strukturierung. Raman Spektroskopie Studien zeigen, dass die Methode ermöglicht die Erhaltung der inhärenten Eigenschaften der Graphen-basierte Membranen, demonstriert die Robustheit unserer Methode.

Introduction

Zweidimensionale (2D) Graphene Blätter besitzen außergewöhnliche optische, elektronische und mechanische Eigenschaften, so dass sie für die Beobachtung der neuartigen Quantenphänomene für die nächste Generation elektronischer, optoelektronische, elektrochemische Systeme zu modellieren, Elektromechanische und biomedizinische Anwendungen1,2,3,4,5,6. Neben als produziert 2D Schichtaufbau des Graphen vor kurzem wurden verschiedene Ansätze der Änderung um neue Funktionalitäten von Graphen zu beobachten und versuchen neue Anwendungsmöglichkeiten untersucht. Z. B. Modulation (oder tuning) seine physikalischen Eigenschaften (z. B. doping bzw. Band Gap) durch Anpassung der Formen oder Musterung der 2D auf eine eindimensionale (1D) oder nulldimensionale (0d) Struktur Struktur (zB., Graphen Nanoribbon oder Graphen Quantenpunkte) wurde untersucht, um neue physikalische Phänomene einschließlich Entbindung Quanteneffekte, lokalisierte plasmonische Modi, lokalisierte Elektronenverteilung und Spin-polarisierten Rand Staaten7,8 zu erhalten ,9,10,11,12. Darüber hinaus variieren die Textur von 2D Graphen durch zerknitterte (häufig genannt Kirigami), Delamination, Knicken, verdrehen, oder Stapeln von mehreren Schichten oder ändern die Oberflächenform des Graphen durch die Übertragung von 2D Graphen auf eine 3D-Funktion (Substrat) wurde gezeigt, dass die Graphen Benetzbarkeit, mechanischen Eigenschaften und optische Eigenschaften13,14ändern.

Darüber hinaus ändern die Oberflächenmorphologie und Schichtstruktur der 2D Graphen, Montage von 2D Graphen in funktionalisierten, genau definierten, dreidimensionalen (3D) Polyeder wurde vor kurzem in der Graphen-Gemeinschaft zu neuen physikalischen von großem Interesse und chemische Phänomene15. In Theorie, elastisch, elektrostatische, und van der Waals können Energien 2D Graphen-basierte Strukturen genutzt werden, um die 2D Graphen in verschiedenen Graphen 3D-Origami Konfigurationen16,17zu verwandeln. Basierend auf diesem Konzept, untersucht theoretische Modellierung Studien 3D Graphen Struktur Entwürfe, gebildet von nanoskaligen 2D Graphen Membranen mit Einsatzmöglichkeiten in Drug Delivery und allgemeine Molekulare Speicherung16,17. Die experimentelle Fortschritte dieses Ansatzes ist jedoch noch weit davon entfernt, diese Anwendungen zu realisieren. Auf der anderen Seite wurden eine Reihe von chemisch-synthetischen Methoden entwickelt, um 3D Strukturen über Vorlage-gestützte Montage, unter der Regie von Strömung, mit Treibmittel an Montage- und winkeltreue Wachstum Methoden18,19 zu erreichen , 20 , 21 , 22. diese Methoden sind jedoch derzeit beschränkt, dass sie eine 3D, hohle, geschlossene Struktur erzeugen können, ohne die wesentlichen Eigenschaften der Graphen Blätter.

Hier wird eine Strategie für den Aufbau von 3D, hohl, Graphen-basierte Microcubes (allgemeine Bemaßung von ~ 200 µm) mit Falten Origami-wie selbst beschrieben; die größten Herausforderungen beim Bau von freistehenden, hohl, 3D, polyedrischen, Graphen-basierte Materialien zu überwinden. In Origami-Like, Freisprech-Self Falttechniken sind 2D lithographically angeordneten flächige Elementen (z.B. Graphen-basierte Membranen) mit Scharnieren (d. h. thermisch empfindliche Polymer, Fotolack) an verschiedenen Gelenken, damit verbunden 2D bilden Netze die Hochklappen, wenn die Scharniere zu schmelzen Temperatur23,24,25,26erhitzt werden. Die Graphen-basierte Cubes sind mit Fenster Membran Komponenten bestehend aus ein paar Schichten der chemical Vapor Deposition (CVD) angebaut, Graphen oder Graphene oxid (GO) Membranen realisiert; beide mit dem Einsatz von Polymer-Rahmen und Scharniere. Die Herstellung der Graphen-basierte 3D Würfel beinhaltet: (i) Vorbereitung der Schutzschichten, (Ii) Graphen-Membran übertragen und Musterung, (Iii) Metalloberfläche Musterung auf Graphen-Membranen, (iv) Rahmen und Scharniere Musterung und Ablagerung, (V). selbst Falten, und (vi) Entfernung von Schutzschichten (Abbildung 1). Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf die selbst Falten Aspekte der 3D Graphen-basierte Würfel Fabrikation. Informationen über physikalische und optische Eigenschaften der Graphen-basierte 3D Würfel finden Sie in unseren anderen jüngsten Publikationen27,28.

Protocol

Achtung: Einige der Chemikalien in diese Synthesen verwendet sind giftig und können zu Reizungen und schwere Organschäden wenn berührt oder inhaliert. Bitte verwenden Sie geeignete Sicherheitsausrüstung und tragen Sie persönlichen Schutzausrüstung zu, beim Umgang mit Chemikalien. 1. Vorbereitung von Aluminiumoxid und Chrom-Schutzschichten auf Kupfer Opferschicht Mit einem Elektronenstrahl Verdampfer, 10 nm Dicke Chrom (Cr) und 300 nm dicke Kupfer (Cu) Schichten (Opferschicht) E…

Representative Results

Abbildung 2 zeigt optische Bilder von lithografischen Prozessen der 2D Graphen und GO Netzstrukturen und anschließende selbst faltvorgang. Der selbst faltvorgang wird überwacht in Echtzeit über eine hochauflösende Mikroskop. Beide Arten von 3D Graphen-basierte Würfel gefaltet sind bei ~ 80 ° C. Abbildung 3 legt aufgenommenen Videosequenzen zeigen, die selbst Faltung des 3D Graphen-basierte Würfel in einer parallel…

Discussion

Für die Würfel fabriziert mit CVD-Graphen weil jedes Gesicht von ein bestimmter Cube soll mit einem äußeren Rahmen Umgebung ein ~ 160 × 160 µm2 freistehende Graphen, ein einzelnes Blatt Monolage Graphen muss nicht die nötige Kraft zu ermöglichen parallele Verarbeitung der Würfel. Aus diesem Grund produziert Graphen Membranen bestehend aus drei Schichten von CVD Graphen Monolage, die Blätter sind über drei getrennte Graphen Transfers mit mehreren PMMA Beschichtung/Entfernung Schritte. Auf de…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dieses Material basiert auf Arbeit vom Anschubfonds an der University of Minnesota, Twin Cities und ein NSF CAREER Award (CMMI-1454293) unterstützt. Teile dieser Arbeit erfolgten in der Charakterisierung-Anlage an der University of Minnesota, ein Mitglied des NSF finanzierte Materialien Einrichtungen Forschungsnetzes (über das MRSEC-Programm. Teile dieser Arbeit wurden in der Minnesota-Nano-Mitte durchgeführt, die von der National Science Foundation durch die nationalen Nano abgestimmte Infrastruktur Netzwerk (NNCI) unter Preis Anzahl ECCS-1542202 unterstützt wird. C. D. räumt Unterstützung vom 3 M-Wissenschaft und Technologie-Stipendium.

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

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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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