Herstellung von 3D-Carbon-Mikroelektromechanischen Systemen (C-MEMS)
Summary
Lange und hohle glasartige Kohlenstoffmikrofasern wurden auf der Basis der Pyrolyse eines Naturproduktes, menschliches Haar, hergestellt. Die beiden Herstellungsschritte von kohlenstoffmikroelektromechanischen und kohlenstoff-nanoelektromechanischen Systemen oder C-MEMS und C-NEMS sind: (i) Photolithographie eines kohlenstoffreichen Polymervorläufers und (ii) Pyrolyse des gemusterten Polymervorläufers.
Abstract
Eine breite Palette von Kohlenstoffquellen gibt es in der Natur, mit einer Vielzahl von Mikro- / Nanostruktur-Konfigurationen. Hier wird eine neuartige Technik zur Herstellung von langen und hohlen glasartigen Kohlenstoffmikrofasern aus menschlichen Haaren eingeführt. Die langen und hohlen Kohlenstoffstrukturen wurden durch die Pyrolyse von menschlichem Haar bei 900 ° C in einer N 2 -Atmosphäre hergestellt. Die Morphologie und die chemische Zusammensetzung der natürlichen und pyrolysierten menschlichen Haare wurden unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie (SEM) bzw. elektronendispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) untersucht, um die physikalischen und chemischen Veränderungen aufgrund der Pyrolyse zu schätzen. Raman-Spektroskopie wurde verwendet, um die glasartige Natur der Kohlenstoff-Mikrostrukturen zu bestätigen. Pyrolysierter Haarkohlenstoff wurde eingeführt, um die bedruckten Kohlenstoffelektroden zu modifizieren; Die modifizierten Elektroden wurden dann auf die elektrochemische Erfassung von Dopamin und Ascorbinsäure aufgebracht. Die Erfassungsleistung der modifizierten Sensoren wurde im Vergleich zum Unmodi verbessertFied Sensoren. Um die gewünschte Kohlenstoffstrukturkonstruktion zu erhalten, wurde eine Kohlenstoff-Mikro- / Nanoelektromechanische System- (C-MEMS / C-NEMS) -Technologie entwickelt. Das häufigste C-MEMS / C-NEMS-Herstellungsverfahren besteht aus zwei Schritten: (i) der Strukturierung eines kohlenstoffreichen Basismaterials, wie eines lichtempfindlichen Polymers, unter Verwendung von Photolithographie; Und (ii) Karbonisierung durch die Pyrolyse des gemusterten Polymers in einer sauerstofffreien Umgebung. Das C-MEMS / NEMS-Verfahren wurde weitgehend zur Entwicklung von mikroelektronischen Bauelementen für verschiedene Anwendungen eingesetzt, ua in Mikrobatterien, Superkondensatoren, Glukosesensoren, Gassensoren, Brennstoffzellen und triboelektrischen Nanogeneratoren. Hier werden die jüngsten Entwicklungen eines hochauflösenden Feststoff- und Hohlkohlenstoff-Mikrostrukturen mit SU8-Photoresists diskutiert. Die strukturelle Schrumpfung während der Pyrolyse wurde mittels konfokaler Mikroskopie und SEM untersucht. Raman-Spektroskopie wurde verwendet, um die Kristallinität der Struktur zu bestätigen, und der atomare Prozentsatz der Elemente preseNt im Material vor und nach der Pyrolyse wurde mit EDX gemessen.
Introduction
Carbon hat viele Allotrope und kann je nach Anwendungsfall eines der folgenden Allotrope ausgewählt werden: Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs), Graphit, Diamant, amorpher Kohlenstoff, Lonsdalion, Buckminsterfulleren (C 60 ), Fullerit (C 540 ), Fulleren ( C 70 ) und glasartigem Kohlenstoff 1 , 2 , 3 , 4 . Glasiger Kohlenstoff ist einer der am häufigsten verwendeten Allotrope wegen seiner physikalischen Eigenschaften, einschließlich der hohen Isotropie. Es hat auch folgende Eigenschaften: gute elektrische Leitfähigkeit, geringer Wärmeausdehnungskoeffizient und Gasundurchlässigkeit.
Es wurde eine kontinuierliche Suche nach kohlenstoffreichen Vorläufermaterialien erhalten, um Kohlenstoffstrukturen zu erhalten. Diese Vorläufer können künstliche Materialien oder natürliche Produkte sein, die in bestimmten Formen verfügbar sind und sogar Abfallprodukte enthalten. Eine Vielzahl von micr O / nanostrukturen werden über biologische oder umwelttechnische Prozesse in der Natur gebildet, was zu einzigartigen Merkmalen führt, die mit herkömmlichen Fertigungswerkzeugen extrem schwierig zu erstellen sind. Da die Musterbildung in diesem Fall natürlich stattfand, konnte die Synthese von Nanomaterialien unter Verwendung von Natur- und Abfall-Kohlenwasserstoff-Vorläufern unter Verwendung eines einfachen, einstufigen thermischen Zersetzungsprozesses in einer Inert- oder Vakuumatmosphäre, der Pyrolyse 5 , durchgeführt werden. Hochwertige Graphen, einwandige CNTs, mehrwandige CNTs und Kohlenstoffpunkte wurden durch thermische Zersetzung oder die Pyrolyse von pflanzlichen Vorläufern und Abfällen, einschließlich Samen, Fasern und Ölen, wie Terpentinöl, Sesamöl, hergestellt , Neemöl ( Azadirachta indica ), Eukalyptusöl, Palmöl und Jatrophaöl. Auch Kampferprodukte, Teebaum-Extrakte, Abfallnahrungsmittel, Insekten, Agroabfälle und Nahrungsmittelprodukte wurden 6 , 7 ,Ass = "xref"> 8 , 9 Vor kurzem haben Forscher sogar Seidenkokons als Vorläufermaterial verwendet, um poröse Kohlenstoffmikrofasern herzustellen 10 . Das menschliche Haar, das gewöhnlich als Abfallmaterial angesehen wird, wurde vor kurzem von diesem Team benutzt. Es besteht aus etwa 91% Polypeptiden, die mehr als 50% Kohlenstoff enthalten; Der Rest sind Elemente wie Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel 11 . Haar kommt auch mit einigen interessanten Eigenschaften, wie sehr langsamer Abbau, hohe Zugfestigkeit, hohe Wärmedämmung und hohe elastische Erholung. In letzter Zeit wurde es verwendet, um in den Superkondensatoren 12 eingesetzte Kohlenstoffflocken herzustellen und Hohlkohlenstoffmikrofasern für die elektrochemische Erfassung 13 zu erzeugen.
Die Bearbeitung eines Schüttgutmaterials zur Herstellung dreidimensionaler (3D) Strukturen ist eine schwierige Aufgabe, da das Material sehr spröde ist. Fokussiertes IonAm 14 , 15 oder reaktives Ionenätzen 16 können in diesem Zusammenhang nützlich sein, aber es sind teure und zeitaufwändige Prozesse. Carbon-Mikroelektromechanik (C-MEMS) -Technologie, die auf der Pyrolyse von gemusterten Polymerstrukturen basiert, stellt eine vielseitige Alternative dar. In den vergangenen zwei Jahrzehnten haben C-MEMS und Carbon-Nanoelektromechanische Systeme (C-NEMS) aufgrund der einfachen und kostengünstigen Fertigungsschritte viel Aufmerksamkeit erlangt. Das herkömmliche C-MEMS-Herstellungsverfahren wird in zwei Schritten durchgeführt: (i) Strukturieren eines Polymervorläufers ( z. B. eines Photoresists) mit Photolithographie und (ii) Pyrolyse der gemusterten Strukturen. Ultraviolett (UV) -veränderbare Polymervorläufer, wie z. B. SU8-Photoresists, werden häufig verwendet, um Strukturen auf der Grundlage der Photolithographie zu bilden. Im Allgemeinen umfasst das Photolithographieverfahren Schritte für die Schleuderbeschichtung, das weiche Backen, die UV-Exposition, das Nachbacken und die EntwicklungLopment Im Fall von C-MEMS; Silizium; Siliciumdioxid; Siliciumnitrid; Quarz; Und in letzter Zeit wurden Saphir als Substrate verwendet. Die photostrukturierten Polymerstrukturen werden bei einer hohen Temperatur (800-1.100 ° C) in einer sauerstofffreien Umgebung carbonisiert. Bei diesen erhöhten Temperaturen in einem Vakuum oder einer inerten Atmosphäre werden alle Nicht-Kohlenstoff-Elemente entfernt, wobei nur Kohlenstoff übrig bleibt. Diese Technik ermöglicht die Erzielung hochwertiger, glasartiger Kohlenstoffstrukturen, die für viele Anwendungen sehr nützlich sind, einschließlich der elektrochemischen Erfassung 17 , des Energiespeichers 18 , der triboelektrischen Nanogenierung 19 und der elektrokinetischen Partikelmanipulation 20. Auch die Herstellung von 3D-Mikrostrukturen mit Hohe Aspektverhältnisse unter Verwendung von C-MEMS ist relativ einfach geworden und hat zu einer Vielzahl von Kohlenstoffelektrodenanwendungen 18 , 21 , </sup> 22 , 23 , die oft Edelmetallelektroden ersetzen.
In dieser Arbeit wird die jüngste Entwicklung eines einfachen und kostengünstigen Verfahrens zur Herstellung von Hohlkohlenstoff-Mikrofasern aus menschlichem Haar unter Verwendung nicht konventioneller C-MEMS-Technologie 13 eingeführt. Das herkömmliche SU8-Polymer-basierte C-MEMS-Verfahren wird hier ebenfalls beschrieben. Speziell wird das Herstellungsverfahren für hoch-Seitenverhältnis-Feststoffe und hohle SU8-Strukturen beschrieben 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dieser Arbeit wurden die Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Kohlenstoff-Mikrostrukturen auf der Basis der Pyrolyse von natürlichen Vorläufermaterialien oder photomusterisierten Polymerstrukturen beschrieben. Die Kohlenstoffmaterialien, die sowohl aus den herkömmlichen als auch aus nicht konventionellen C-MEMS / C-NEMS-Verfahren resultieren, sind typischerweise glasartige Kohlenstoffe. Glassy Carbon ist ein weit verbreitetes Elektrodenmaterial für die Elektrochemie und auch für Hochtemperaturanwendungen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von Technologico de Monterrey und der University of California in Irvine unterstützt.
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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