JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Fabricage van driedimensionale grafeen gebaseerde Polyhedrons via Origami-achtige zelf vouwen

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

Summary

Hier presenteren we een protocol voor de fabricage van 3D grafeen gebaseerde polyhedrons via origami-achtige zelf vouwen.

Abstract

De vergadering van tweedimensionale (2D) grafeen in driedimensionale (3D) polyedrale structuren met behoud van de grafeen uitstekende inherente eigenschappen is van groot belang voor de ontwikkeling van nieuwe apparaat toepassingen. Hier, fabricage van 3D, microscale, holle polyhedrons (blokjes) bestaande uit een paar lagen of 2D grafeen grafeen oxide bladen via een origami-achtige zelf vouwen proces wordt beschreven. Deze methode houdt het gebruik van polymeer frames en scharnieren, aluminium oxide/chroom bescherming lagen die treksterkte, ruimtelijke verminderen en oppervlaktespanning benadrukt op de membranen van grafeen gebaseerde wanneer de 2D netten worden omgezet in 3D-kubussen. Het proces biedt controle over de grootte en vorm van de structuren, evenals de parallelle productie. Deze benadering biedt daarnaast de oprichting van oppervlakte wijzigingen door metaal patronen op elke zijde van de 3D-kubussen. Raman spectroscopie studies tonen dat de methode maakt het mogelijk het behoud van de intrinsieke eigenschappen van de membranen van grafeen gebaseerde, demonstreren de robuustheid van onze methode.

Introduction

Tweedimensionale (2D) grafeen vellen bezitten een buitengewone optische, elektronische en mechanische eigenschappen, waardoor ze model van systemen voor de waarneming van roman quantum verschijnselen voor volgende-generatie elektronische, opto-elektronische, elektrochemische, elektromechanische en biomedische toepassingen1,2,3,4,5,6. Naast de als-geproduceerde 2D gelaagde structuur van grafeen, onlangs, zijn verschillende benaderingen van de wijziging onderzocht om te observeren van de nieuwe functionaliteiten van grafeen en zoeken naar nieuwe mogelijkheden van de toepassing. Bijvoorbeeld, modulerende (of tuning) zijn fysische eigenschappen (dat wil zeggen, een doping niveau en/of band gap) door afstemming van de shapes of patronen van de 2D structuur van een eendimensionale (1 D) of de nul-dimensionale (0 D) structuur (bijv., grafeen nanoribbon of grafeen quantumdots) is onderzocht met het oog op nieuwe fysische verschijnselen, waaronder quantumeffecten opsluiting, gelokaliseerde Enterprise modi, gelokaliseerde elektron distributie en spin-gepolariseerde rand Staten7,8 ,9,10,11,12. Bovendien variëren de textuur van 2D grafeen door verfrommelen (vaak genoemd kirigami), delaminatie, knik, draaien, of stapelen van meerdere lagen of het wijzigen van de vorm grafeen oppervlak door de overdracht van 2D grafeen op de top van een 3D-functie (substraat) geweest aangetoond dat het wijzigen van de grafeen bevochtigbaarheid, mechanische eigenschappen, en optische eigenschappen13,14.

Dan veranderen de bovengrondse morfologie en de gelaagde structuur van 2D grafeen, vergadering van 2D grafeen in matiemaatschappij, welomschreven, driedimensionale (3D) polyhedrons geweest van groot belang onlangs in de Gemeenschap van grafeen om nieuwe lichamelijke en chemische fenomenen15. In theorie, elastisch, elektrostatische, en van der Waals kunnen energieën van 2D grafeen gebaseerde structuren worden benut om te zetten van de 2D grafeen in verschillende 3D grafeen-origami configuraties16,17. Op basis van dit concept, hebben theoretische modellering studies onderzocht 3D grafeen structuur ontwerpen, gevormd uit de nanoschaal 2D grafeen membranen, met mogelijke toepassingen in drug delivery en algemene moleculaire opslag16,17. De experimentele vooruitgang van deze aanpak is echter nog verre van het realiseren van deze toepassingen. Aan de andere kant, hebben een aantal chemische synthetische methoden ontwikkeld om 3D structuren via sjabloon-bijgewoonde vergadering, de assemblage van de stroom-regie, rijzende vergadering en hoekgetrouwe groei methoden18,19 , 20 , 21 , 22. deze methoden zijn echter op dit moment beperkt in die zin dat zij een 3D, holle, gesloten structuur niet kunnen produceren zonder verlies van de intrinsieke eigenschappen van grafeen bladen.

Hier, is een strategie voor het bouwen van 3D, holle, grafeen gebaseerde microcubes (algemene dimensie van ~ 200 µm) met behulp van de origami-achtige zelf vouwen geschetst; het overwinnen van de belangrijkste uitdagingen bij de bouw van vrijstaande, holle, 3D, polyedrale, grafeen gebaseerde materialen. In origami-achtige, handsfree zelf vouwen technieken, zijn 2D lithographically patroon vlakke functies (dat wil zeggen, grafeen gebaseerde membranen) verbonden met scharnieren (dat wil zeggen, thermische-gevoelige polymeer, fotoresist) in diverse gewrichten, waardoor vorming van 2D netten die opvouwen wanneer de scharnieren zijn verwarmd tot het smelten temperatuur23,24,25,26. De grafeen gebaseerde kubussen worden gerealiseerd met membraan componenten van het venster bestaat uit een paar lagen van chemical vapor deposition (CVD) gegroeid grafeen of grafeen oxide (GO) membranen; zowel met het gebruik van polymeer frames en scharnieren. De fabricage van de 3D grafeen gebaseerde kubussen omvat: (i) voorbereiding van bescherming lagen, (ii) grafeen-membraan overdracht en patronen, (iii) metaaloppervlak patronen op grafeen-membranen, (iv) frame en scharnieren patronen en depositie, (v). zelf vouwen, en (vi) verwijdering van de lagen van bescherming (Figuur 1). Dit artikel richt zich voornamelijk op de zelfstandigen opvouwbare aspecten van de fabricage van 3D grafeen gebaseerde kubussen. Gegevens over de fysische en optische eigenschappen van de 3D grafeen gebaseerde kubussen vindt u in onze andere recente publicaties27,28.

Protocol

Let op: Enkele van de chemicaliën die worden gebruikt in deze syntheses zijn giftig en kunnen leiden tot irritatie en ernstige orgel schade wanneer aangeraakt of ingeademd. Gebruik van juiste veiligheidsuitrusting en persoonlijke beschermingsmiddelen dragen bij het verwerken van de chemische stoffen. 1. bereiding van aluminium Oxide en chroom bescherming lagen op een koperen opofferende laag Met behulp van een elektronenbundel verdamper, Kluisje 10 nm dikke chroom (Cr) en 300 nm kop…

Representative Results

Figuur 2 toont optische beelden van de lithografische processen van de 2D grafeen en GO netto structuren en latere zelf vouwen proces. Het zelf vouwen proces wordt toezicht gehouden in real-time via een hoge-resolutie Microscoop. Beide soorten 3D grafeen gebaseerde kubussen worden gevouwen bij ~ 80 ° C. Figuur 3 legt gevangen videofragmenten tonen de zelf vouwen van 3D grafeen gebaseerde kubussen op een parallelle manie…

Discussion

Voor de kubussen die zijn vervaardigd met CVD grafeen, omdat elk gezicht van een gegeven kubus is ontworpen met een buitenste frame omgeving een ~ 160 × 160 µm2 van vrijstaande grafeen, een vel enkelgelaagde grafeen hoeft niet de nodige kracht om toe te parallelle verwerking van de kubussen. Om deze reden, grafeen membranen die bestaat uit drie lagen van CVD grafeen enkelgelaagde sheets zijn geproduceerd via drie aparte grafeen overdrachten, met behulp van meerdere PMMA coating/verwijdering stappen….

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit materiaal is gebaseerd op werk gesteund door een startfonds, gevormd bij de Universiteit van Minnesota, Twin Cities en een NSF CAREER Award (CMMI-1454293). Delen van dit werk werden uitgevoerd in de karakterisering faciliteit aan de Universiteit van Minnesota, een lid van de NSF-gefinancierde materialen onderzoek faciliteiten netwerk (via het MRSEC programma. Delen van dit werk werden uitgevoerd in het centrum van Minnesota Nano, die wordt ondersteund door de National Science Foundation via de nationale Nano gecoördineerde infrastructuur netwerk (NNCI) onder nummer ECCS-1542202 van de Award. C. D. erkent steun van de 3 M wetenschap en technologie 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image