JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engenharia

Üç boyutlu grafen tabanlı Polyhedrons Origami gibi kendi kendine yolu ile katlama imalat

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

Summary

Burada, 3D grafen tabanlı polyhedrons origami gibi kendi kendine yolu ile katlama imalat için bir iletişim kuralı mevcut.

Abstract

İki boyutlu (2D) grafen Meclisi üç boyutlu (3D) yüzlü yapılarına grafen’ın mükemmel doğal özellikleri koruyarak süre roman cihaz uygulamalarının geliştirilmesi için büyük ilgi olmuştur. Burada, 3D, microscale, imalatı polyhedrons (küpleri) 2D grafen veya bir origami gibi kendi kendine katlama işlemi açıklanmıştır grafen oksit sayfaları üzerinden bir kaç kat oluşan içi boş. 2D ağlar 3D küp küp dönüştürülür zaman bu yöntem polimer çerçeve ve menteşeler ve azaltmak çekme dayanımı, mekansal alüminyum oksit/krom koruma katmanları ve yüzey gerilimi gerilmeler Grafin-esaslı membranlar üzerinde kullanımı içerir. Süreç Denetim boyutu ve şekli yapıları hem de paralel üretim sunmaktadır. Buna ek olarak, bu yaklaşım 3D küpleri her yüzünde biçimlenme metal tarafından yüzey modifikasyonlar oluşturulmasını sağlar. Raman spektroskopisi çalışmalar yöntemi bizim Yöntem sağlamlık gösteren Grafin-esaslı membranlar içsel özelliklerini koruma sağlar gösterir.

Introduction

İki boyutlu (2D) grafen yaprak yapım onları sistemler için yeni nesil elektronik, Optoelektronik, elektrokimyasal roman kuantum olayların gözlem için model olağanüstü optik, elektronik ve mekanik özelliklere sahip, Elektromekanik ve Biyomedikal uygulamaları1,2,3,4,5,6. Olarak üretilen 2D katmanlı yapısı grafen dışında son zamanlarda, çeşitli değişiklik yaklaşımlar yeni functionalities-in grafen gözlemlemek ve yeni uygulama fırsatları aramak araştırdı. Örneğin, oransal (veya ayarlama) şekilleri terzilik veya 2D biçimlenme fiziksel özellikleri (Yani, doping düzeyine ve/veya grup boşluk gibi) bir tek boyutlu (1 D) veya sıfır boyutlu (0 D) yapısı (Örn., Grafin kuantum nokta) nanoribbon veya grafen kuantum doğumdan etkileri, yerelleştirilmiş Plazmonik modları, yerelleştirilmiş elektron dağılımı ve spin polarize kenar Birleşik7,8 de dahil olmak üzere yeni fiziksel olaylar elde etmek için eğitimi ,9,10,11,12. Buna ek olarak, 2D grafen dokusuna (kirigami adı da verilir) görevlisinideponun, delaminasyon, çökertme, büküm, veya çoklu katmanlar yığınlama veya 2D grafen üstünde tepe-in 3D özelliği (substrat) aktarma tarafından grafen yüzey şekli olmuştur değiştirerek değişen grafen’ın wettability, mekanik özellikleri ve optik özellikleri13,14değiştirmek için gösterilen.

Yüzey morfolojisi ve 2D grafen katmanlı yapısı değişen ötesinde, 2D grafen derleme functionalized, iyi tanımlanmış, üç boyutlu (3D) polyhedrons içine son zamanlarda grafen toplumda yeni fizik elde etmek büyük ilgi olmuştur ve kimyasal olayları15. Teori, elastik, elektrostatik ve van der Waals 2D grafen alan yapıları enerjileri çeşitli 3D Grafin-origami yapılandırmaları16,172D grafen dönüştürmek amacıyla. Bu kavram üzerinde bağlı olarak, teorik modelleme çalışmaları 3D grafen yapı tasarımları, nano 2D grafen membranlar, ilaç dağıtım ve genel moleküler depolama16,17olası kullandığı ile oluşmuştur araştırdı. Henüz, hala bu uygulamaları fark çok uzak bu yaklaşımın deneysel devam ediyorum. Öte yandan, birkaç kimyasal sentetik Yöntem derleme ve Açıkorur büyüme yöntemleri18,19 mayalanma 3D yapılar üzerinden şablon destekli derleme, derleme, akış yönetmen elde etmek için geliştirilmiştir , 20 , 21 , 22. grafen sayfaları içsel özelliklerini kaybetmeden bir 3D, içi boş, kapalı yapısı üretemez ancak, bu yöntemler şu anda sınırlı bulunmaktadır.

Burada, origami gibi kendi kendine katlanır kullanarak 3D, içi boş, grafin tabanlı microcubes (genel boyutunu ~ 200 µm) oluşturmak için bir strateji özetlenen; Müstakil, içi boş, 3D, yüzlü, grafin-esaslı malzeme yapımında en önemli zorlukların üstesinden. Origami gibi yakışıklı-özgür kendi kendine katlama teknikleri, 2D lithographically desenli düzlemsel özellikleri (Yani, Grafin-esaslı membranlar) ile menteşe (Yani, termal duyarlı polimer, fotorezist) çeşitli eklemleri de böylece bağlı 2D şekillendirme sıcaklığı23,24,25,26erime için menteşeler ısıtıldığında hangi katlayın için ağlar. Grafin tabanlı küpleri grafen veya grafen oksit (GO) membranlar yetiştirilen bir kaç kat kimyasal buhar biriktirme (CVD) oluşan pencere membran bileşenleri ile gerçekleştirilmektedir; Polimer çerçeve ve menteşeler kullanımı ile her ikisi de. 3D grafen tabanlı küpleri imalatı içerir: (i) koruma katmanları, (ii) Grafin-membran transferi ve desenlendirme, (iii) metal yüzeylere grafen membranlar, (IV) çerçeve ve biçimlenme menteşeleri ve biriktirme, biçimlenme hazırlanması (v). kendi kendine katlanır ve koruma katmanları (Şekil 1) kaldırılması (VI). Bu makalede çoğunlukla kendi kendine katlanır 3D grafen tabanlı küpleri uydurma yönleri üzerinde duruluyor. 3D grafen tabanlı küpleri fiziksel ve optik özellikleri hakkında ayrıntılı bilgi bizim diğer son yayınlar27,28içinde bulunabilir.

Protocol

Dikkat: Bu immobilizasyonu kullanılan kimyasalların çeşitli toksik ve tahriş ve dokundu veya inhale şiddetli organ hasarına neden olabilir. Lütfen uygun güvenlik ekipmanları kullanın ve kimyasal işleme kişisel koruyucu ekipman giyerler. 1. Alüminyum oksit ve krom koruma katmanları bir bakır kurban katmandaki hazırlanması Bir elektron ışını evaporatör kullanarak, depozito 10 nm kalın krom (Cr) ve 300 nm kalın bakır (Cu) katmanları (kurban katman) silisyum (S…

Representative Results

Şekil 2 optik görüntüleri 2D grafen ve gitmek net yapıları tekniğinde süreçleri ve sonraki kendi kendine katlama işlemi görüntüler. Kendi kendine katlama işlemi gerçek zamanlı üzerinden izlenir yüksek çözünürlüklü mikroskop. Her iki tür 3D küp grafen tabanlı ~ 80 ° C’de katlanır Şekil 3 3D küp grafen tabanlı paralel bir şekilde kendi kendine katlanır gösterilen video yakalanan dizileri …

Discussion

CVD grafen ile fabrikasyon küpleri için her yüz çünkü verilen bir küp müstakil grafen ~ 160 × 160 µm2 alanı çevreleyen bir dış çerçeve ile tasarlanmıştır, monolayer grafen tek bir sayfaya izin vermek için gerekli gücü yok paralel işleme küp. Bu nedenle, birden çok PMMA kaplama/kaldırma adımları kullanarak üzerinden üç ayrı grafen aktarımları CVD grafen monolayer çarşaflar üç katmandan oluşan grafen membranlar üretti. Öte yandan, GO membran hazırlık için tek …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu malzeme Minnesota Üniversitesi, Kardes sehirleri ve bir NSF Kariyer Ödülü (CMMI-1454293) bir başlangıç Fonu tarafından desteklenen çalışma üzerine kuruludur. Bu eser bölümlerini karakterizasyonu tesisinde Minnesota Üniversitesi, NSF tarafından finanse edilen malzeme araştırma imkanları Network (yolu ile MRSEC programı. üyesi yapılmıştır Bu eser bölümlerini Ulusal Bilim Vakfı aracılığıyla Ulusal Nano koordine altyapı ağı (NNCI) ödül numarası ECCS-1542202 altında tarafından desteklenen Minnesota Nano merkezi yapılmıştır. C. ö. 3 M bilim ve Teknoloji Bursu destek kabul eder.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Tags

3D GrapheneGraphene PolyhedronsOrigami-like Self-folding2D Graphene3D MicrocubesGraphene Membrane TransferMetal Surface PatterningPolymer FramesHingesSelf-foldingProtection LayersElectron Beam EvaporationPhotolithography

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
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).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image