Herstellung von dreidimensionalen Graphen-basierte Polyeder über Falten Origami gefällt mir selbst
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
Representative Results
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…
Disclosures
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 |
References
- Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nature Materials. 6 (3), 183-191 (2007).
- Singh, V., et al. Graphene based materials: Past, present and future. Progress in Materials Science. 56 (8), 1178-1271 (2011).
- Bonaccorso, F., Sun, Z., Hasan, T., Ferrari, A. C. Graphene photonics and optoelectronics. Nature Photonics. 4 (9), 611-622 (2010).
- 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).
- Bunch, J. S., et al. Electromechanical resonators from graphene sheets. Science. 315 (5811), 490-493 (2007).
- 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).
- Han, M. Y., Özyilmaz, B., Zhang, Y., Kim, P. Energy band-gap engineering of graphene nanoribbons. Physical Review Letters. 98 (20), 206805 (2007).
- Son, Y. W., Cohen, M. L., Louie, S. G. Half-metallic graphene nanoribbons. Nature. 444 (7117), 347-349 (2006).
- Yan, Q., et al. Intrinsic current− voltage characteristics of graphene nanoribbon transistors and effect of edge doping. Nano Letters. 7 (6), 1469-1473 (2007).
- Fei, Z., et al. Gate-tuning of graphene plasmons revealed by infrared nano-imaging. Nature. 487 (7405), 82-85 (2012).
- Joung, D., Zhai, L., Khondaker, S. I. Coulomb blockade and hopping conduction in graphene quantum dots array. Physical Review. B. 83 (11), 115323 (2011).
- Bacon, M., Bradley, S. J., Nann, T. Graphene quantum dots. Particle & Particle Systems Characterization. 31 (4), 415-428 (2014).
- Blees, M. K., et al. Graphene kirigami. Nature. 524 (7564), 204-207 (2015).
- Michael Cai, W., et al. Mechanical instability driven self-assembly and architecturing of 2D materials. 2D Materials. 4 (2), 022002 (2017).
- Shenoy, V. B., Gracias, D. H. Self-folding thin-film materials: From nanopolyhedra to graphene origami. MRS Bulletin. 37 (9), 847-854 (2012).
- 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).
- Zhang, L., Zeng, X., Wang, X. Programmable hydrogenation of graphene for novel nanocages. Scientific Reports. 3, 3162 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Li, Y., et al. Growth of conformal graphene cages on micrometre-sized silicon particles as stable battery anodes. Nature Energy. 1 (2), (2016).
- Cho, J. H., Gracias, D. H. Self-Assembly of Lithographically Patterned Nanoparticles. Nano Letters. 9 (12), 4049-4052 (2009).
- Cho, J. H., Azam, A., Gracias, D. H. Three Dimensional Nanofabrication Using Surface Forces. Langmuir. 26 (21), 16534-16539 (2010).
- Dai, C., Cho, J. H. In Situ Monitored Self-Assembly of Three-Dimensional Polyhedral Nanostructures. Nano Letters. 16 (6), 3655-3660 (2016).
- Joung, D., et al. Self-Assembled Multifunctional 3D Microdevices. Advanced Electronic Materials. 2 (6), 1500459 (2016).
- 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).
- Joung, D., et al. Self-Assembled Three-Dimensional Graphene-Based Polyhedrons Inducing Volumetric Light Confinement. Nano Letters. 17 (3), 1987-1994 (2017).
- 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).
- Winterstein, T., et al. SU-8 electrothermal actuators: Optimization of fabrication and excitation for long-term use. Micromachines. 5 (4), 1310-1322 (2014).
- 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).
- Xie, X., et al. Controlled fabrication of high-quality carbon nanoscrolls from monolayer graphene. Nano Letters. 9 (7), 2565-2570 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
