Summary
Le microfibre di carbonio vetroso lungo e cavo sono state fabbricate sulla base della pirolisi di un prodotto naturale, capelli umani. Le due fasi di fabbricazione di sistemi microelettromeccanici e di nanoelettromeccanici in carbonio, o C-MEMS e C-NEMS, sono: (i) la fotolitografia di un precursore polimerico ricco di carbonio e (ii) la pirolisi del precursore polimerico modellato.
Abstract
Sono disponibili una vasta gamma di fonti di carbonio in natura, con una varietà di configurazioni micro / nanostrutture. Qui viene introdotta una tecnica innovativa per la fabbricazione di microfibre di carbonio vetroso lungo e cave provenienti dai peli umani. Le strutture lunghe e cave di carbonio sono state fatte dalla pirolisi dei capelli umani a 900 ° C in atmosfera N2. La morfologia e la composizione chimica dei peli umani naturali e pirolizzati sono stati studiati rispettivamente utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la spettroscopia a raggi X dispersivi a elettroni (EDX) per stimare i cambiamenti fisici e chimici dovuti alla pirolisi. La spettroscopia Raman è stata utilizzata per confermare la natura vetrosa delle microstrutture del carbonio. Il carbonio dei capelli pirolizzati è stato introdotto per modificare elettrodi di carbonio stampati a schermo; Gli elettrodi modificati sono stati quindi applicati al rilevamento elettrochimico della dopamina e dell'acido ascorbico. La prestazione sensoriale dei sensori modificati è stata migliorata rispetto agli unmodiSensori. Per ottenere la struttura desiderata del carbonio, è stata sviluppata la tecnologia del micro- / nanoelettromeccanico del carbonio (C-MEMS / C-NEMS). Il più comune processo di fabbricazione di C-MEMS / C-NEMS è costituito da due fasi: (i) il patterning di un materiale base ricco di carbonio, come un polimero fotosensibile, utilizzando fotolitografia; E (ii) carbonizzazione attraverso la pirolisi del polimero modellato in un ambiente senza ossigeno. Il processo C-MEMS / NEMS è stato ampiamente utilizzato per sviluppare dispositivi microelettronici per varie applicazioni, tra cui micro-batterie, supercapacitors, sensori di glucosio, sensori di gas, celle a combustibile e nanogeneratori triboelettrici. Qui vengono discussi i recenti sviluppi di microstrutture solide e microstrutture a carbonio con SU8 fotoresist. Il ritiro strutturale durante la pirolisi è stato studiato utilizzando microscopia confocale e SEM. La spettroscopia Raman è stata utilizzata per confermare la cristallinità della struttura e la percentuale atomica degli elementi presaNt nel materiale prima e dopo che la pirolisi è stata misurata usando EDX.
Introduction
Il carbonio ha molte allotropie e, a seconda della particolare applicazione, può essere scelto uno dei seguenti allotropi: nanotubi di carbonio (CNT), grafite, diamante, carbonio amorfo, lonsdaleite, buckminsterfullerene (C 60 ), fullerite (C 540 ), fullerene C 70 ) e carbonio vetroso 1 , 2 , 3 , 4 . Il carbonio glassy è una delle allotropes più utilizzate a causa delle sue proprietà fisiche, compresa l'alta isotropia. Ha anche le seguenti proprietà: buona conducibilità elettrica, basso coefficiente di espansione termica e impermeabilità del gas.
C'è stata una continua ricerca di materiali precursori ricchi di carbonio per ottenere strutture in carbonio. Questi precursori possono essere materiali artificiali o prodotti naturali disponibili in forme particolari e includere anche prodotti di scarto. Una vasta gamma di micr Le nanostrutture vengono formate in natura attraverso processi biologici o ambientali, dando origine a caratteristiche uniche che sono estremamente difficili da creare utilizzando strumenti di produzione convenzionali. In questo caso, naturalmente, il patterning avveniva, la sintesi di nanomateriali utilizzando precursori naturali e rifiuti di idrocarburi potrebbe essere effettuata usando un processo di decomposizione termica semplice in un solo passo in un'atmosfera inerte o sotto vuoto chiamata pirolisi 5 . Il grafene di alta qualità, le CNT a singolo muro, le CNT multi-walled e i punti di carbonio sono stati prodotti dalla decomposizione termica o dalla pirolisi di precursori e rifiuti derivanti da piante, compresi semi, fibre e olii, come olio di trementina, olio di sesamo , Olio di neem ( Azadirachta indica ), olio di eucalipto, olio di palma e olio di jatropha. Inoltre, sono stati utilizzati prodotti di canfora, estratti di tea tree, cibi di rifiuti, insetti, rifiuti agro e prodotti alimentari, 6 , 7 ,Recentemente, i ricercatori hanno addirittura utilizzato bozzoli di seta come materiale precursore per preparare microfibre di carbonio poroso 10 . I capelli umani, di solito considerati un materiale di scarto, sono stati recentemente utilizzati da questa squadra. È costituito da circa il 91% di polipeptidi, che contengono più del 50% di carbonio; Il resto sono elementi quali ossigeno, idrogeno, azoto e zolfo 11 . I capelli sono dotati anche di diverse proprietà interessanti, come il degrado molto lento, la resistenza alla trazione, l'elevato isolamento termico e l'elevato recupero elastico. Recentemente è stato utilizzato per preparare fiocchi di carbonio impiegati nei supercapacitori 12 e per creare microfibre di carbonio vuoto per il rilevamento elettrochimico 13 .
La lavorazione di un materiale di carbonio sfuso per la fabbricazione di strutture tridimensionali (3D) è un compito difficile, poiché il materiale è molto fragile. L'ioni focalizzato èSono 14 , 15 o l'etching di ioni reattivi 16 possono essere utili in questo contesto, ma sono costosi e che richiedono molto tempo. La tecnologia del microelettromeccanico del carbonio (C-MEMS), basata sulla pirolisi delle strutture polimeriche modellate, rappresenta un'alternativa versatile. Negli ultimi due decenni, i sistemi C-MEMS ei sistemi nanoelettromeccanici di carbonio (C-NEMS) hanno ricevuto molta attenzione a causa delle semplici e poco costose fasi di fabbricazione coinvolte. Il processo convenzionale di fabbricazione di C-MEMS viene effettuato in due fasi: (i) il patterning di un precursore polimero ( ad es. Un fotoresist) con fotolitografia e (ii) la pirolisi delle strutture modellate. I precursori polimerici ultravioletti (UV), come i fotoresistanti SU8, vengono spesso usati per strutturare strutture basate sulla fotolitografia. In generale, il processo di fotolitografia comprende i passaggi per il rivestimento a spin, la cottura morbida, l'esposizione a raggi UV, il post-cuocere e il cammelloluppo. Nel caso di C-MEMS; silicio; biossido di silicio; Nitruro di silicio; quarzo; E, più recentemente, zaffiri sono stati usati come substrati. Le strutture polimeriche a motivi fotografiche vengono carbonizzate ad alta temperatura (800-1,100 ° C) in un ambiente senza ossigeno. A quelle temperature elevate in vuoto o in atmosfera inerte, tutti gli elementi non carbonici vengono rimossi, lasciando solo carbonio. Questa tecnica consente la realizzazione di strutture di carbonio di alta qualità, vetrose, molto utili per molte applicazioni, tra cui la rilevazione elettrochimica 17 , l'accumulo di energia 18 , la nanogenerazione triboelettrica 19 e la manipolazione delle particelle elettriche 20. Inoltre, la fabbricazione di microstrutture 3D con Gli elevati rapporti degli aspetti con C-MEMS sono diventati relativamente facili e hanno portato ad una grande varietà di applicazioni di elettrodi di carbonio 18 , 21 , 22 , 23 , sostituendo spesso elettrodi nobili.
In questo lavoro viene introdotto il recente sviluppo di un modo semplice e conveniente di fabbricare microfibre di carbonio vuoto da capelli umani utilizzando la tecnologia C-MEMS non convenzionale 13 . Viene descritto anche il processo C-MEMS basato sul polimero convenzionale SU8. In particolare, viene descritta la procedura di fabbricazione per solidi a rapporto ad alta visibilità e per strutture cave SU8 24.
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Protocol
1. Fabbricazione 3D del tessuto carbonio derivato dai capelli umani
NOTA: utilizzare dispositivi di protezione individuale. Seguire le istruzioni di laboratorio per utilizzare gli strumenti e lavorare all'interno del laboratorio.
- Preparare i capelli umani raccolti lavandolo con acqua DI e asciugandolo con gas N 2 .
- Disporre i capelli come desiderato, ad esempio in fili paralleli, attraversare, con due peli avvolti, ecc.
- Fissare i capelli a un substrato di silicio utilizzando SU8 o tenerli direttamente in una barca in ceramica.
- Posizionare il substrato o la barca in silicone attaccato ai capelli in un forno.
- Accendere il forno e aprire la valvola di un serbatoio inerte (N 2 ).
NOTA: la portata ottimale del gas dipende dal volume del tubo del forno. È stata applicata una portata di 6 L / min per un volume di tubo di 6 L. Per creare un ambiente completamente inerte nel tubo del forno, una portata di gas 1,5 volte superiore al gas ottimale fBasso tasso è stato applicato per i primi 15 min. - Impostare i parametri, compresa la temperatura massima di pirolisi, la velocità di rampa di temperatura e la portata del gas inerte e eseguire il forno.
- Ad esempio, aumentare la temperatura da temperatura ambiente a 300 ° C ad una velocità di rampa di 5 ° C / min. Tenere a 300 ° C per 1 ora per la stabilizzazione. Aumentare ulteriormente la temperatura a 900 ° C e mantenerla per 1 ora di più per la carbonizzazione.
- Raffreddare la fornace fino a 300 ° C ad una velocità di 10 ° C / min e spegnere la stufa del forno, poiché il raffreddamento controllato non è necessario dopo 300 ° C. Lasciare i campioni nel forno fino a che la temperatura raggiunge la temperatura ambiente solo con il flusso N 2 .
- Spegnere il forno e il flusso del gas al completamento del processo di pirolisi.
- Prendi i campioni fuori dal forno.
2. Struttura del polimero 3D: Fotolitografia
- desInserire un layout 2D della struttura di fotoresistenza 3D desiderata utilizzando un pacchetto software appropriato e preparare la maschera stampata ( cioè una maschera fotofilm in polietilene).
NOTA: Un servizio commerciale è stato utilizzato per ottenere il disegno stampato. La dimensione della maschera dipende generalmente dal disegno. - In un impianto di laboratorio pulito, accendere due piastre calde e impostare le temperature a 65 ° C e 95 ° C rispettivamente.
- Accendere un rivestimento di spin e una pompa per vuoto. Assicurarsi che la pompa a vuoto sia collegata tramite un tubo alla testa del filatore.
- Impostare i parametri della rotazione a due fasi, come la velocità di rotazione, la rampa e la durata. Per il primo passo, impostare la velocità di rotazione a 500 rpm, la rampa a 100 rpm / s e il tempo di rotazione a 10 s per iniziare il ciclo di rotazione. Per il passo successivo, impostare la velocità di rotazione a 1.000 giri / min, la rampa a 100 giri / min e il tempo di rotazione a 30 s per distribuire uniformemente il fotoresist.
- Posizionare un substrato ( cioè un 4 pollici x 4 pollici e 5501; wafer di Si ± 25 μm con uno strato SiO 2 di 1 μm) al centro del supporto.
- Depurare il polimero fotosensibile (cioè il fotoresist SU8) direttamente sul centro del substrato. Utilizzate abbastanza per coprire la superficie.
- Spingere il pulsante "vuoto" per trattenere il substrato.
- Spingere il pulsante "Run" per rivestire il substrato con SU8 e per ottenere uno spessore finale di 250 μm.
- Dopo il completamento del processo di filatura, premere nuovamente il pulsante "vuoto" per rilasciare il substrato rivestito dal supporto.
- Mantenere attentamente il substrato rivestito con un tweezer per mantenere la superficie liscia e pulita. Trasferire il substrato direttamente sulla piastra calda a 65 ° C per 6 minuti e poi sulla piastra calda a 95 ° C per 40 minuti (soffice cuocere).
NOTA: La cottura a 65 ° C è necessaria per garantire l'evaporazione lenta del solvente, con conseguente migliore rivestimento e migliore adesioneO il substrato, mentre la cottura a 95 ° C densifica ulteriormente la SU8. - Nel frattempo, premere l'interruttore per attivare il sistema di esposizione UV e impostare il tempo di esposizione a "12 s" utilizzando il pulsante di impostazione nel sistema.
NOTA: per uno strato SU8 di 250 μm, l'energia di esposizione deve essere di 360 mJ / cm 2 . - Una volta completata la fase di cottura (passo 2.10), mettere il substrato nel sistema di esposizione UV e posizionare su di esso il lato stampato di un fotomassaggio (dal punto 2.1). Utilizzare l'intera area maschera per coprire il substrato rivestito e premere delicatamente per assicurare che non vi sia spazio tra la maschera e il substrato.
- Esporre il substrato rivestito di SU8 a radiazioni UV attraverso la maschera fotometrica usando impostazioni UV predefinite.
- Riscaldare nuovamente il substrato posizionandolo direttamente sulla piastra a 65 ° C per 5 minuti e a 95 ° C per 14 minuti per una torta (PEB) post-esposizione.
NOTA: Il PEB aumenta il grado di incrociatura nelle aree esposte ai raggi UV e fa ilRivestimento più resistente ai solventi nel passaggio di sviluppo. - Rimuovere le regioni di fotoresistenza non espositiva immersellando il substrato nella soluzione sviluppata dedicata, posta in un bicchiere, per 20 min. Continuare a scuotere la soluzione (attentamente) per garantire la completa rimozione delle aree resistenti non esposte.
- Asciugare le strutture sviluppate tenendo il substrato e soffiando l'azoto o l'aria compressa su di esso.
- Ispezionare la fetta sotto un microscopio con ingrandimento 50X per confrontare i modelli trasferiti al fotoresist con i modelli desiderati.
3. Fabbricazione della struttura del carbonio 3D: pirolisi
- Posizionare i campioni preparati usando la fotolitografia (punti 2.1-2.17) all'interno di un forno a tubo pressurizzato e aperto.
- Accendere il forno e impostare i parametri per la pirolisi, come indicato nel passaggio 1. Ripetere il processo dal punto 1.6-1.8.
- Maneggiare attentamente i campioni con le pinzette e procedere a caratterizzarezione.
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Representative Results
Uno schema del processo di fabbricazione per microfibre di carbonio vuoto derivato dai capelli umani è mostrato in Figura 1 . I capelli umani carbonizzati sono stati caratterizzati utilizzando SEM per stimare il ritiro. Il diametro dei capelli è diminuito da 82,88 ± 0,003 μm a 31,42 ± 0,003 μm a causa della pirolisi. Le immagini di scansione elettronica microscopica (SEM) di vari modelli realizzati utilizzando microfibre di carbonio derivate dai capelli sono mostrate in Figura 2 . Le percentuali atomiche degli elementi presenti nei capelli prima e dopo la pirolisi sono riportate nella Tabella 1 . I capelli umani utilizzati in questa ricerca sono stati (percentuale atomica) 66,57% carbonio, ossigeno 16,19%, azoto 7,94%, zucchero 9.14% e una piccola percentuale di minerali come il calcio. La percentuale atomica del carbonio e dell'ossigeno è stata rilevata rispettivamente al 80,84% e al 14,83% dopo la pirolisi. Raman analisi spettroscopica dei capelli bEfore e dopo la pirolisi è stata eseguita anche come mostrato in Figura 3 . Solo i due picchi di grandi dimensioni corrispondenti alle bande D e G sono stati trovati per i capelli dopo la pirolisi. Il rapporto tra le intensità della fascia D alla fascia di G nelle fibre di carbonio derivate dai capelli è stato calcolato a 0,99, indicando che le fibre derivate dai capelli sono per lo più carbonio vetroso.
Le fibre di carbonio derivate dai capelli sono state applicate per rilevare l'acido dopamina e ascorbica utilizzando un sensore elettrochimico. Un elettrodo di carbonio stampato a schermo è stato modificato con le fibre di carbonio derivate dai capelli e utilizzato come elettrodo di lavoro del sensore. Un diagramma schematico degli elettrodi di carbonio per il rilevamento elettrochimico è mostrato in Figura 4a . I voltammogrammi ciclici di 100 μM dopamina e 100 μM di acido ascorbico in una soluzione di tampone fosfato da 0,1 M di pH 7,4 sono mostrati in Figura 4b e c, respectivamente. Come elettrodo di lavoro dei sensori è stato utilizzato un elettrodo di carbonio nudo, un elettrodo di carbonio modificato con il carbonio derivato dai capelli e un elettrodo di carbonio modificato con le CNT per confrontare le prestazioni per la rilevazione di dopamina e acido ascorbico. I picchi di ossidazione per la dopamina sono stati misurati a 333 mV per l'elettrodo carbonio nudo, 266 mV per l'elettrodo di carbonio modificato con le fibre di carbonio derivate dai capelli e 96 mV per l'elettrodo modificato con le CNT. I picchi di ossidazione per l'acido ascorbico sono stati osservati rispettivamente a 414 mV, 455 mV e 297 mV per questi elettrodi.
Viene mostrato un diagramma schematico del processo convenzionale C-MEMS, il pattern fotolitografico di un precursore polimero e la successiva pirolisi, in figura 5 . Queste strutture fabbricate sono state caratterizzate mediante microscopia confocale e SEM per stimare il ritiro dovuto alla pirolisi. Cinque strutture cilindriche di tLa stessa altezza (250 μm) ed il diametro esterno (150 μm), ma con vari diametri interni ( cioè 0 (solido), 30, 50, 75 e 100 μm (cavo) sono stati fabbricati per questo studio. Sono stati misurati i cambiamenti geometrici delle strutture cilindriche dovute alla pirolisi. La percentuale di ritiro è stata variata per diverse strutture di diametro interno e esterno. Quando il diametro interno era di 0 μm (una microstruttura solida), il diametro esterno diminuì del 35%. Quando i diametri interni erano di 30, 50 e 75 μm, i diametri esterni ei diametri interni sono diminuiti rispettivamente del 42% e del 30-35%. Nel caso di un diametro interno di 100 μm, il diametro interno è aumentato del 12%, piuttosto che ridursi e il diametro esterno è diminuito solo del 15%. Nella figura 6 sono mostrate le immagini SEM delle microstrutture di carbonio solido e cavo, di cui i diametri interni originali erano di 30, 40 e 75 μm. Immagini ottiche 3D delle microstruzioni cave prima e dopo il pirolSono mostrati anche nella figura 7 . Tutte le microstrutture sono diminuite di circa il 30% in altezza (da 250 a 175 μm) secondo le immagini microscopiche confocali.
Figura 1: Diagramma Schema del processo di Fabbricazione per i microfibri a base di carbonio Hollow derivato dai capelli umani. Riprodotto con permesso di riferimento 13 . Copyright 2016, Elsevier Ltd. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Immagini SEM di diversi modelli di microfibre di carbonio derivate dai capelli. ( A e b ) Righe allineateMicrofibre di carbonio ht. Barra di scala = 50 μm. ( C e d ) Un microfibra in carbonio bobina. Barre scala = 20 e 100 μm, rispettivamente. ( E e f ) Un microfibra di carbonio cavo rotto . Riprodotto con permesso di riferimento 13 . Copyright 2016, Elsevier Ltd. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Raman Spectra dei capelli umani prima e dopo la pirolisi. Riprodotto con permesso di riferimento 13 . Copyright 2016, Elsevier Ltd. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Senso elettrochimico della dopamina e dell'acido ascorbico. ( A ) Schema schema di elettrodi di carbonio per rilevamento elettrochimico. Voltammogrammi ciclici di ( b ) 100 μM dopamina e ( c ) 100 μM acido ascorbico. Riprodotto con permesso di riferimento 13 . Copyright 2016, Elsevier Ltd. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Schema Schema del Processo C-MEMS convenzionale basato sulla fotolitografia e sulla pirolisi. ( A ) Spin co( B ) esposizione UV, ( c ) sviluppo e ( d ) pirolisi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Scansione di immagini elettroniche microscopiche delle microstrutture del carbonio Fabbricato dal processo C-MEMS convenzionale. ( A ) Solidi e ( b ) strutture cave con vari diametri interni. Barre di scala = 500 μm. Immagini ingrandite per (c) le solide e le strutture cave, di cui i diametri interni prima della pirolisi erano ( d ) 30, ( e ) 50 e ( f ) 75 μm. Barre di scala = 50 μm. Riprodotto con permesso di riferimento 24 . Copyright 2016, La Società Elettrochimica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: Immagini ottiche 3D delle microstruzioni cave. ( A ) Prima e ( b ) dopo la pirolisi. Riprodotto con autorizzazione da refernce 24 . Copyright 2016, La Società Elettrochimica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Elemento | Prima della pirolisi | Dopo la pirolisi | Atomica% | Atomica% |
| Carbonio | 66.57 | 80.84 |
| Ossigeno | 16.19 | 14.83 |
| Azoto | 7.94 | 0 |
| Zolfo | 9.14 | 0,21 |
| Calcio | 0.16 | 0,21 |
| Sodio | 0 | 0.22 |
| Silicio | 1.82 | 3.69 |
Tabella 1: Composizione chimica analizzata da EDX per capelli umani prima e dopo la pirolisi. Riprodotto con permesso di riferimento 13 . Copyright 2016, Elsevier Ltd.
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Discussion
In questo documento sono stati riportati i metodi per la fabbricazione di una varietà di microstrutture di carbonio basate sulla pirolisi dei materiali precursori naturali o strutture fotopolimerizzate. I materiali di carbonio risultanti sia dai processi C-MEMS / C-NEMS tradizionali che non convenzionali sono tipicamente riscontrabili come carboni vetrosi. Il carbonio Glassy è un materiale elettrodo molto usato per l'elettrochimica e per applicazioni ad alta temperatura. La microstruttura del carbonio vetroso è composta di regioni cristalline e amorfe. Il carbonio Glassy ha un'alta conducibilità, una buona resistenza alle alte temperature, a bassa densità, bassa resistenza elettrica e durezza relativamente elevata e alta resistenza all'attacco chimico.
Abbiamo proposto un metodo semplice e poco costoso per la fabbricazione di microfibre di vetro carbonio vuoto dai capelli umani e descritte la loro applicazione al rilevamento elettrochimico dell'acido ascorbico e della dopamina. La produzione di lunghe, oBasse e microfibre di carbonio elettricamente conduttive è stato possibile con il trattamento termico a basso costo, un solo passo dei capelli umani, che è un materiale di scarto. Un pelo umano composto da medulla, corteccia e cuticola, ha prodotto una fibra di carbonio vuota dopo la pirolisi. La medulla è scomparsa, mentre la cuticola e la corteccia si combinano insieme e creano lunghe fibre di carbonio vuote. L'anatomia unica dei capelli umani, in particolare la sua struttura cavo dopo la pirolisi, è caratterizzata da un significativo aumento della superficie, che porta al loro utilizzo in rilevazione elettrochimica. Per l'elettrodo di lavoro modificato con i carboni derivanti dai capelli, i potenziali di picco per la dopamina e l'acido ascorbico sono stati spostati rispettivamente verso valori più negativi e positivi. La superficie del carbonio derivato dai capelli è poco carica negativamente che attrae dopamina carica positiva e pertanto le correnti di picco sono aumentate per la dopamina e diminuite per l'acido ascorbico. Di conseguenza, il carbonio vuoto derivato dai capelli umani mLe microfibre possono essere utili per rilevare la dopamina in presenza di acido ascorbico. È stato condotto uno studio comparativo delle prestazioni elettrochimiche di rilevamento di elettrodi nude e di elettrodi modificati (con carbonio derivato dai capelli e CNT). L'elettrodo modificato a base di carbonio ottenuto dai capelli mostra migliori prestazioni di rilevamento rispetto all'elettrodo non modificato, ma gli elettrodi ricoperti da CNT hanno mostrato le migliori prestazioni per la rilevazione di dopamina e acido ascorbico in queste condizioni sperimentali, come previsto. Le CNT mostrano una maggiore sensibilità dovuta al loro maggiore rapporto tra superficie e volume rispetto alle fibre di carbonio delle fibre. Tuttavia, il vantaggio principale dell'utilizzo di microfibre di carbonio derivate dai capelli su CNT è il costo estremamente basso. La facilità di fabbricazione dei carboni derivanti dai capelli li rende inoltre dominanti sulle CNT. È possibile migliorare le prestazioni sensoriali mediante ulteriore modifica o funzionalizzazione dei peli umani prima o dopo la pirolisi.
L'effetto di restringimentoA causa della pirolisi è inevitabile, poiché gli atomi di non carbonio si staccano dai legami di carbonio a temperature elevate, causando una notevole perdita di massa. Prima di progettare una struttura desiderata, si dovrebbe avere una buona stima del restringimento previsto della struttura modellata. Qui è stato studiato il ritiro delle strutture in carbonio fabbricate con un processo convenzionale C-MEMS, che comprende due fasi per la foto-patterning e la pirolisi delle strutture polimeriche. Sono stati considerati cinque strucutri con diametri interni diversi (0, 30, 50, 75 e 100 μm) per lo studio di restringimento, mentre il diametro esterno è stato mantenuto costante a 150 μm per tutte le strutture. Le strutture con diametri interni di 0, 30, 50 e 75 μm hanno mostrato un maggiore ritiro sul diametro esterno del diametro interno dopo la pirolisi. In questi casi le superfici superficiali superiori alle superfici interne. Così, le superfici esterne erano dominanti durante il processo di restringimento, permettendo ad altri atomi non atomi di carbonio lAllontanare le strutture. Nella struttura con un diametro interno di 100 μm, dove la superficie interna costituiva anche una porzione significativa della superficie totale, il ritiro si verificava sia in superficie che in quello esterno.
I parametri per la pirolisi, quali il tempo di pirolisi, la massima temperatura di pirolisi e l'ambiente atmosferico, influenzano in modo significativo le proprietà della struttura del carbonio, come la conducibilità elettrica, la composizione chimica, la proprietà elettrochimica, ecc. Rivelando gli effetti delle condizioni di pirolisi sulle qualità e sulle proprietà delle strutture del carbonio. Nel caso dei tradizionali C-MEMS, possono essere fabbricati anche strutture di carbonio con diverse proprietà elettriche e meccaniche, con un'ampia varietà di applicazioni, modificando le condizioni di fotolitografia, quali i tempi di cottura, la temperatura di cottura, il tipo di fotoresist , E gli additivi. È nostroCredo che questa ricerca possa fornire informazioni sostanziali e utili ai ricercatori nel campo della struttura del carbonio nano / microfabbricazione per una varietà di applicazioni.
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Disclosures
Gli autori non hanno niente da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto da Technologico de Monterrey e dall'Università della California a Irvine.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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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