3Dカーボンマイクロエレクトロメカニカルシステム（C-MEMS）の製作

カーボンナノチューブ（CNT）、グラファイト、ダイヤモンド、アモルファスカーボン、ロンズデライト、バックミンスターフラーレン（C ₆₀ ）、フルメライト（C ₅₄₀ ）、フラーレン（C ₅₄₀ ）、およびこれらの混合物からなる群から選択される、 C ₇₀ ）、およびガラス状炭素^{1,2,3,4が含まれる} 。ガラス状炭素は、高い等方性を含むその物理的性質のために最も広く使用される同素体の1つである。また、良好な導電性、低い熱膨張係数、およびガス不透過性の特性を有する。

炭素構造を得るために、炭素に富む前駆物質を連続的に探索してきた。これらの前駆体は、人工材料または特定の形状で利用可能であり、廃棄物を含む天然製品であってもよい。様々なmicr o /ナノ構造は、自然界の生物学的または環境的プロセスによって形成され、従来の製造ツールを使用して作成することが極めて困難な独自の特徴をもたらす。この場合自然にパターニングが行われるので、天然および廃水炭化水素前駆体を用いたナノ材料の合成は、熱分解と呼ばれる不活性または真空雰囲気中での熱分解の簡単な一段階プロセスを用いて行うことができる。植物由来の前駆体および廃棄物（種子、繊維、および油、例えば、テレピン油、ゴマ油など）の熱分解または熱分解によって、高品質のグラフェン、単層CNT、多層CNTおよび炭素ドットが製造されている、ニーム油（ Azadirachta indica ）、ユーカリ油、パーム油、およびジャトロファ油が挙げられる。また、樟脳製品、茶樹抽出物、老廃物、昆虫、農作物、および食品が^{6,7 、}最近、研究者たちは、多孔質カーボンマイクロファイバーを調製するための前駆体材料としてシルクコクーンを使用しています¹⁰ 。人間の髪は、通常廃棄物とみなされ、このチームによって最近使用されました。これは、約50％の炭素を含む約91％のポリペプチドで構成されている。残りは酸素、水素、窒素、硫黄などの元素である¹¹ 。髪にはまた、非常に遅い劣化、高い引張強さ、高い断熱性、および高い弾性回復などのいくつかの興味深い特性がある。最近、スーパーキャパシタ^12に使用されるカーボンフレークを調製し、電気化学的センシング^13のための中空炭素マイクロファイバーを生成するために使用されている。

材料が非常に脆いので、三次元（3D）構造を製造するためのバルク炭素材料の機械加工は困難な作業である。フォーカスされたイオンam14,15または反応性イオンエッチング¹⁶は、この文脈において有用であり得るが、それらは高価で時間のかかるプロセスである。パターニングされたポリマー構造の熱分解に基づいたカーボンマイクロエレクトロメカニカルシステム（C-MEMS）技術は、多目的な代替法である。過去20年間で、C-MEMSおよびカーボンナノエレクトロメカニカルシステム（C-NEMS）は、簡単で安価な製造工程が必要とされたことから注目を集めている。従来のC-MEMS製造プロセスは、（i）フォトリソグラフィを用いてポリマー前駆体（ 例えばフォトレジスト）をパターニングし、（ii）パターニングされた構造の熱分解の2つのステップで実施される。 SU8フォトレジストのような紫外線（UV）硬化性ポリマー前駆体は、フォトリソグラフィーに基づいて構造をパターン形成するためにしばしば使用される。一般に、フォトリソグラフィプロセスは、スピンコーティング、ソフトベーク、UV露光、ポストベーク、およびデベロップlopment。 C-MEMSの場合、シリコン;二酸化ケイ素;窒化ケイ素;石英;最近では、サファイアが基板として使用されている。光パターニングされたポリマー構造体は、無酸素環境下で高温（800〜1100℃）で炭化される。真空または不活性雰囲気中のそれらの高温では、非炭素元素の全てが除去され、炭素のみが残る。この技術は、電気化学的検出¹⁷ 、エネルギー貯蔵¹⁸ 、摩擦電​​気ナノ発電¹⁹ 、および動電学的粒子操作²⁰を含む多くの用途に非常に有用な高品質のガラス状炭素構造の達成を可能にする。 C-MEMSを使用した高アスペクト比は比較的容易になり、幅広い種類の炭素電極用途18,21 ^、 </sup> ^{22,23 、}しばしば貴金属電極を置き換える。

この研究では、非従来のC-MEMS技術¹³を使用して人間の毛髪から中空カーボンマイクロファイバーを製造する簡単かつ費用効果の高い方法の最近の開発が紹介されている。従来のSU8ポリマーベースのC-MEMSプロセスについてもここで説明します。具体的には、高アスペクト比の固体および中空SU8構造の製造手順が記載されている^24。