Summary
ここでは、3 D グラフェンを用いた多面体を介して折り紙のような自己折りたたみの作製のためのプロトコルを提案する.
Abstract
二次元 (2 D) グラフェンのアセンブリは、グラフェンの優秀な固有の性質を維持しながら三次元 (3 D) 多面体構造を新しいデバイス アプリケーションの開発に大きな関心されています。ここでは、3 D、マイクロ スケールの作製は、多面体 (キューブ) 2 D グラフェンやグラフェン酸化物シートで折り紙のような自己折るプロセスの説明のいくつかの層から成る中空します。この方法は、ネットを 2 D、3 D キューブに変換されるときにグラフェンを用いた膜の表面張力応力引張、空間を減らす酸化アルミニウム/クロム保護層とヒンジ、ポリマー フレームの使用を含みます。プロセスでは、サイズのコントロールと平行生産と同様、構造の形状を提供しています。さらに、このアプローチでは、3 D キューブの各面でパターニング金属表面改質の作成ができます。ラマン分光は、メソッドにより、提案手法のロバスト性を示す膜をグラフェン ベースの組み込みのプロパティの保存を表示します。
Introduction
二次元 (2 D) グラフェン シート特別な光学的、電子的、および機械的特性モデル次世代電子、光、電気化学、新奇量子現象の観測システムを持っています。電気機械、および生物医学アプリケーション1,2,3,4,5,6。として生成される 2D の積層構造グラフェンから離れて最近では、様々 な修正アプローチのグラフェンの新しい機能を観察し、新しいアプリケーションの機会を求める検討されている.たとえば、変調 (チューニング) 図形の調整や、2 D のパターン化が物性 (すなわち、ドーピング レベルやバンド ギャップ) 構造 (0 D) 構造体 0 次元または 1 次元 (1 D) へ (e.g、グラフェン。グラフェンナノやグラフェン量子ドット) 量子閉じ込め効果、局在プラズモン モード、ローカライズされた電子分布、エッジのスピン偏極状態7,8 など新しい物理現象を取得を検討されています。 ,9,10、11,12。さらに、(切り紙とも呼ばれる) をくしゃくしゃ、はく離、座屈、ねじれるか、または複数の層を積層または変更によって 3 D 機能 (基板) の上に 2 D グラフェンを転送することによってグラフェン表面形状がされている 2D グラフェンの質感を変化させるグラフェンの光学特性13,14とぬれ性と機械的特性を変更するのに表示されます。
最近新しい身体を取得するグラフェンのコミュニティに大きな関心のされている 2D グラフェンの官能、明確に定義された、三次元 (3 D) 多面体にまとめた表面形態と 2 D グラフェンの階層構造を変更する、以外と化学現象の15。理論、弾性、静電、van der waals 力で様々 な 3 D グラフェン折り紙構成16,17に 2 D のグラフェンを変換する 2 D グラフェンを用いた構造物のエネルギーを活用できます。このコンセプトに基づき、理論的モデル化研究は、ナノスケール 2D グラフェン膜、ドラッグデリバリーや一般的な分子記憶16,17の用途から形成された、3 D グラフェン構造デザインを検討しました。しかし、このアプローチの実験の進展は、これらのアプリケーションの実現にはまだほど遠いです。その一方で、化学合成法の数は、3 D 構造を介してテンプレート支援アセンブリ、流監督、アセンブリ、および等角成長方法18,19を膨化を達成するために開発されました,20,21,22します。 ただし、これらのメソッドは、グラフェン シートの本質的な特性を失うことなく 3 d、中空、囲まれた構造を出すことができないという点で、制限されています。
ここでは、折り紙のような折り畳み式の自己を使用して 3 D、中空、グラフェンを用いた microcubes (〜 200 μ m の全体的な寸法) を構築するための戦略を説明します。フリースタンディング、中空、3 D、多面体、グラフェンを用いた材料の構築の最も重要な課題を克服します。折り紙のようなハンズフリーの自分を折り畳む技術の 2次元転写平面機能 (すなわちグラフェンを用いた膜) がそれにより様々 な関節にヒンジ (すなわち温度に敏感な高分子、フォトレジスト) を接続されています。ヒンジは加熱すると溶融温度23,24,25,26を畳むネットの 2 D を形成します。グラフェン ベース キューブ栽培グラフェン グラフェン酸化物 (GO) 膜の化学気相蒸着 (CVD) のいくつかの層から成る窓膜コンポーネントで実現します。ポリマー フレームとヒンジの使用の両方。3 D グラフェン ベース キューブの作製が含まれます: (i) (iii) 金属表面グラフェン膜、(iv) フレームとパターニングのヒンジ、蒸着、パターニング、パターニング (ii) グラフェン膜転送保護層の作製 (v)。折りたたみ自己と (vi) 脱保護層 (図 1)。この記事は、3 D グラフェン ベース キューブ製作の自己折り畳みの側面に主焦点を当てます。私たちの最近の出版物27,28でグラフェン ベースの 3 D キューブの物理的および光学的特性の詳細についてを見つけることができます。
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Protocol
注意: これらの合成に使用される化学物質のいくつかは毒性し、刺激と触れたり吸入するとき深刻な臓器障害を引き起こす可能性があります。ください適切な安全装置を使用し、化学物質を取り扱うときに個人用保護具を着用します。
1. 酸化アルミニウムとクロム銅犠牲層保護層の作製
- 電子ビーム蒸発器を使用して、シリコン (Si) 基板 (図 2 a) に 10 nm の厚さのクロム (Cr)、300 nm 厚銅 (Cu) の層 (犠牲層) を入金します。
- スピン コート フォトレジスト (PR)-1 2500 rpm で 60 115 ° C で焼成後 s。
- 15 連絡先マスクアに紫外線 (UV) に設計された 2 D ネット領域を公開 s 60 の開発と開発者 1 ソリューションで s。純水 (DI) でサンプルをすすいで空気銃でブロードライします。
- 10 nm 厚のクロム層とリフトオフ残り PR-1 でアセトンの沈殿物します。DI 水でサンプルをすすいで空気銃 (図 2 b) でブロードライします。
- 2 D ネット 6 スクエア Al2O3/Cr 保護と 2D 純、スピン コート層 60 115 ° C で焼成続いて 2500 rpm で PR 1 パターンに s。
- 15 連絡先マスクアに UV ライトに設計された 6 正方形保護層を公開 s 60 の開発と開発者 1 ソリューションで s。DI 水でサンプルをすすいで空気銃でブロードライします。
- 100 nm 厚い Al2O3層と 10 nm 厚 Cr を入金します。アセトン PR-1 の残りを削除します。DI 水でサンプルをすすいで空気銃 (図 2 c) でブロードライします。
2. グラフェンとグラフェン酸化物膜の作製
注: 本研究ではグラフェン系材料の 2 つのタイプは、使用: (i) 化学気相蒸着 (CVD) 成長グラフェンとグラフェン (ii) 酸化物 (GO)。
-
多層膜の CVD グラフェン膜の作製
注: 多層グラフェン膜を得るためには、単層グラフェンは転送別々 に 3 回複数ポリメタクリル酸メチル (PMMA) コーティング/取り外し手順を使用します。- 銅箔、スピンコート、グラフェン表面に 3000 rpm で PMMA 膜に付着するグラフェンの 〜 15 mm の正方形の部分から始まります。10 分間 180 度で焼きます。
- 銅エッチング液に銅箔をエッチングする 24 h で Cu 側を流れて PMMA/グラフェン/銅箔積層シートを配置します。
- 後、銅箔は (PMMA/グラフェンを残して) を完全に溶解は、顕微鏡のスライド ガラスを使用して任意の銅エッチング液の残渣を削除する・ ディ ・水のプールの表面に浮遊 PMMA コーティング グラフェンを転送します。新しい DI 水プールに PMMA コーティング グラフェンの転送を複数回繰り返して、十分にすすいでください。
- 転送浮動 PMMA コーティング グラフェン グラフェンの別の部分に (PMMA/グラフェン/グラフェン/銅箔構造形成) bi 層グラフェン膜を取得する銅箔 (グラフェン/Cu) に付着します。
- Cu 上二重層グラフェンの熱治療 10 分間 100 ° C でホット プレート上箔。
- Cu 上二重層グラフェン上に PMMA 箔・ ディ ・水を移すことによって続く (グラフェン/グラフェン/銅箔層スタックを残して) アセトン浴で削除。
- グラフェンの転送を繰り返す (2.1.1 - 2.1.5) グラフェン膜の 3 つの積層を取得する 1 つのより多くの時間。2.1.4 ステップに達するとグラフェン/銅の別の部分に新しいアクリル コーティング グラフェン シートを転送するのではなく、繰り返しのプロセス中にフォームにステップ 2.1.6 から以前作製したグラフェン二重層の上に新しいアクリル コーティング グラフェンを転送します。PMMA/グラフェン/グラフェン/グラフェン/銅箔層の組み合わせです。変更せず 2.1.5 ステップを繰り返します。
- 銅エッチング液に銅箔をエッチングする 24 h で Cu 側を流れて PMMA/グラフェン/グラフェン/グラフェン/銅箔積層シートを配置します。
- セクション 1 からプレハブ Al2O3/Cr 保護層にグラフェン膜 (PMMA、グラフェン グラフェン/グラフェン) PMMA コーティング 3 層を転送します。
- グラフェンの転送後、アセトンを含んだ pmma 材を取り外します。DI 水でサンプルを浸漬し、空気で乾燥します。
- 1 時間の 100 ° C でホット プレート上基板多層グラフェンを扱う熱。
- 2500 rpm で 60 115 ° C で焼くスピン コート PR 1 s。
- UV 公開 15 連絡先マスクアを用いた正方形保護層面積の上に直接 PR 1 の領域の 60 の開発と開発者 1 ソリューションで s。
- グラフェンの領域を介して15 酸素プラズマ処理不要な新しく発見削除 s。
- アセトンで残った PR 1 を削除します。
- DI 水でサンプルをすすいで乾燥空気 (図 d)。
-
グラフェン酸化物膜の作製
注: 洪水暴露経由でリフトオフ プロセスに続いて従来のフォトリソグラフィが行く膜をパターン化する使用されます。- 60 の 1700 rpm でスピンコート PR 2 s 10 μ m の厚膜を作製する、以前作製した Al2O3/Cr 保護層の上に。60 s の 115 ° C で 3 時間待つ PR 2 を焼きます。
- Al2O3/Cr 保護層の形成に使用される同じマスク、UV は、80 の連絡先マスクアのサンプルを公開 s 90 の開発と開発者 2 ソリューションで s。DI 水でサンプルをすすいで空気銃でブロードライします。
- 80 のマスクなしサンプル全体の露光洪水を実行 s。
- スピン コート準備ができて行くと水の混合物 (DI 水 15 mL で移動粉末の 15 mg) 60 1000 rpm でサンプルの s の実行スピン コーティング合計 3 回。
- 不要な外出先のリフトオフ用に開発者 2 ソリューションのサンプルを浸しなさい。
- DI 水でサンプルをすすいで空気銃を持つサンプルを慎重にブロードライします。
- 熱 1 h (図 2 h) のための 100 ° C でホット プレートのサンプルを処理します。
3. 金属表面パターニングを用いたグラフェンを用いた膜
注: 一般的なフォトリソグラフィ工程を UV コンタクト マスクア ライナーと電子ビーム蒸発器 (1.2-1.4 を参照) を使用して表面のパターニングを達成するために行った。
- パターン化されたグラフェンを用いた膜の上に 20 nm 厚チタン (Ti) パターンを作成します。
- 熱 (図 2 eグラフェン) と図 2i行くのために 1 時間の 100 ° C でホット プレートのサンプルを処理します。
4. ポリマー フレームとヒンジの作製
- Ti とグラフェンを用いた膜の上に表面のパターン、5 μ m の厚さの層を形成する 60 s 2500 rpm でスピンコート PR 3 と 2 分の 90 ° C で焼く。
- UV 公開 20 サンプル s、90 ° C、3 分で焼くし、90 の開発開発者 3 ソリューションで s。
- 純水とイソプロピル アルコール (IPA) サンプルをすすいで空気銃を持つサンプルを慎重にブロードライします。
- 後 (図 2fグラフェン) と行くのための図 2 j (PR-3) フレームの機械的剛性を強化する 15 分の 200 ° C のサンプルを焼きます。
- ヒンジのパターン、60 の 1000 rpm でスピンコート PR 2 s プレハブの基板上に 10 μ m の厚膜を形成します。60 s の 115 ° C、3 時間待機で焼きます。
- UV 80 連絡先マスクアのサンプルを公開 s 90 の開発と開発者 2 ソリューションで s。
- DI 水でサンプルを洗浄し、(図 2 gグラフェン) と図 2 k行く空気銃を持つサンプルを慎重にブロードライします。
5. 自己 DI 水で折りたたみ
注: PR 2 ヒンジが溶けている (またはリフロー)、表面張力の力が生成されます。したがって、2次元の構造は 3 D 構造 (自己折りたたみ過程) に変換します。
- 2 D の構造を解放するには、銅エッチング液 (図 2 l) で 2 D のネットの下に銅の犠牲層を溶解します。
- 慎重に、ピペットを使用して・ ディ ・水浴にリリースされた構造を転送し、いくつかをすすぎ残留銅エッチング液を除去する回。
- ポリマーの融点以上加熱純水の場所 2 D 構造 (PR 2) ヒンジ (図 2 m)。
- リアルタイムで光学顕微鏡検査で自己折りたたみを監視し、閉じたキューブにアセンブリが成功した熱源から削除します。
6. 保護層の除去
- 自己を折る後, Cr エッチング液 (図 2 n) と Al2O3/Cr 保護層を削除します。
- 優しく・ ディ ・水浴にキューブを転送し、慎重にすすいでください。
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Representative Results
図 2は、2 D グラフェンと移動・ ネット構造物の平版プロセスとその後自己折り畳み過程の光学イメージを表示します。自己折りたたみ過程がリアルタイムで監視高分解能顕微鏡。~ 80 ° C で 3 D グラフェン ベースのキューブの両方のタイプが折り畳まれています。図 3は、並列的に折りたたみ 3 D グラフェン ベース キューブの自己を示すビデオ キャプチャ シーケンスを産みます。最適化のプロセスの下では、このアプローチは、~ 90% の最高収量を示しています。
図 4は、3 D 組み立てグラフェンと行くベース キューブ表面パターンとの光のイメージを示しています。折り畳まれた自己のキューブの全体のサイズは、200 (幅) × 200 (長さ) × 200 (高さ) μ m3です。能力をパターニング表面を表示、3 D グラフェン ベース キューブの各面で 20 nm 厚柄 Ti 機能と「UMN」文字を定義します。
構造を評価するには、グラフェンと自己の折りたたみ時に行く膜の変化は、グラフェンの特性を処理し行く前に構造とラマン スペクトルの特徴経由で自己を折る後。図 5 a 5 b 、原始的なグラフェン材料、2 D のグラフェンを用いたネットと 3 D グラフェン ベース キューブのラマン分光法があります。結果を示し、顕著な変化はラマンのピーク位置グラフェンの行く膜強度自己折り畳み式の後。ただし、保護レイヤーが使用される (図 5 c) と、相対的なピーク強度の顕著な変化、観察された自己の折りたたみ時に変更またはグラフェンの特性への損傷を示します。
図 1: 3 D グラフェン ベース キューブの自己折り畳み過程の模式図(a) パターン 2 D 純保護層。(b) 保護層の上にグラフェンを用いた膜を転送します。(c) 金属表面グラフェンを用いた膜のパターニングします。(d) フレームとヒンジをパターニングします。(e) 自己折りたたみヒンジを介して高温のリフローによる駆動と基板から 2次元構造をリリースしました。(f) 3 D グラフェン ベース キューブの保護膜の除去。この図は、アクセス許可の28に適応。著作権 2017 年、アメリカの化学社会。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: 2 D グラフェンと行くネット構造物とそれに続く自己折りたたみのリソグラフィ工程光学画像処理保護層の (c) 作製。(a) 10 nm 厚の Cr と 300 nm 厚銅犠牲層 Si ウエハ上に堆積します。(b) 10 nm 厚のクロム層と (c) 100 nm 厚 Al2O310 nm 厚 Cr 保護層が定義された (160 × 160 μ m2)。CVD グラフェン膜と Ti パターン (d g) 2 D ネット。(d) の多層グラフェンは、基板上に転送され、酸素プラズマ処理によるパターン形成します。(e) パターンのグラフェン膜の上に 20 nm 厚 Ti パターンが定義されます。(f)、5 μ m 厚の PR 3 フレームがパターン化されています。(g) ヒンジ パターンに、10 μ m 厚 PR 2 膜をパターニングされています。(h k) 2 D ネット行く膜と Ti パターン。(h) 水の移動は 3 回 1000 rpm でスピンコート 60 秒 ~ 10 nm 厚行く膜を生成します。洪水露出プロセスを介してリフトオフは行く膜をパターン化する実行されます。(i) パターンの移動の上に Ti パターンが定義されます。その後、(j) PR 3 立方フレームと (k) PR 2 ヒンジがパターン化されています。(l n) 自己折るプロセス。(l) 2 D のリリースは、犠牲層からネットします。(m) 自己の折りたたみ水のフリースタンディング 2D ネット ~ 80 ° C の温度を適用することによって(n) 保護層の除去。スケール バー 200 μ m を =。この図は、アクセス許可の28に適応。著作権 2017 年、アメリカの化学社会。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: 3 D グラフェン ベース キューブの自己折り畳み過程のビデオ キャプチャ シーケンス(A) 0 の (前に保護層をエッチング) (b) 150 (f)、(e) 120、90 (d) (c) 60 30 秒後にキャプチャされた 3 D グラフェン ベース キューブのリアルタイム画像スケール バー = 200 μ m.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: 表面パターンと 3 D グラフェン ベース キューブの光の画像(a ~ b) 3 D キューブに CVD グラフェン膜の 3 層と CVD グラフェン ベースの 3 D キューブの上面の拡大像。金属パターン (c ・ d) 3 D キューブ (20 nm 厚の Ti) CVD グラフェン膜と Ti パターンと 3 D グラフェン ベース キューブの上面の拡大像。(e ・ f) 3 D 移動ベースのキューブと 3 D 移動ベース キューブの上面の拡大像。(g ・ h) 折り畳まれた自己の 3 D 移動ベース キューブに Ti パターンと Ti パターンと移動ベースの 3 D キューブの上面の拡大像。スケールバー = 100 μ m。この図は、アクセス許可の28に適応。著作権 2017 年、アメリカの化学社会。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5: 3 D グラフェン ベース キューブと 2 D グラフェンを用いた膜のラマン分光法(Si 基板上の原始的な CVD グラフェンの a) ラマン スペクトル、2 D にならって (自動フォールディング)、前に CVD グラフェンと自立 3 D グラフェン キューブ (自動フォールディング)。3 つのピークの近く ~ 1340 cm-1 (D バンド) ~ 1580 cm-1 (G バンド) と ~ 2690 cm-1 (2 D バンド) が観察されます。(b) ラマン スペクトル 〜 10 層 (〜 10 nm 厚) 行く薄膜 Si、自己折りたたみ前後自己折りたたみ (フリースタンディング キューブ) の。4 つのピーク 〜 1360 cm-1 (D バンド) ~ 1605 cm-1 (G バンド) ~ 2715 cm-1と 〜 2950 cm-1 (D + G バンド) が観察されます。(c) ラマン スペクトル (緑) と 3 D グラフェン構造 (赤) なし Al2O3/Cr 保護層の使用。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
CVD グラフェンの作製したキューブのそれぞれの直面するため特定のキューブは自立グラフェンの ~ 160 × 160 μ m2の領域を囲む外側のフレームを設計されて、単層グラフェンの単一シートに許可に必要な強度がないです。キューブの並列処理をします。このため、シートは、CVD グラフェン膜の 3 層からなるグラフェン膜生産複数の PMMA コーティング/除去手順を使用して 3 つ独立したグラフェン転送を介して。その一方で、行く膜準備のため個々 の移動シートを用いてを介して取得水に変更されたハマーの法27。行く膜のパターン、リフトオフ プロセスを介して洪水暴露に続いて従来のフォトリソグラフィを使用します。プロセスは、従来のフォトリソグラフィが行く膜堆積前に洪水の露出を使用します。行くのスピン コーティング後外出先の不要な部分を削除する開発者はリフトオフ プロセスが実行されます。一部の開発者には、アルミと Al2O3をエッチング、水酸化ナトリウム (NaOH) の水溶液中のアルカリ溶液が含まれています。したがって、NaOH の無償の開発者を使用する必要があります。この作品は、この要件を満たすために使用される特定の開発者は開発者 2 解決策です。
グラフェンを用いた膜をサポートする 3 D キューブのフレームは、高い機械的・熱的安定性と高い光透過性29による PR 3 から成っています。広報 3 の熱的・機械的安定性が架橋プロセス30に依存することが知られています。それはハード焼き 〜 200 ° C 以上場合に発生します広報 3 の最大の架橋ハード ディスクを焼く後、広報 3 の動的弾性率が向上、構造動的運動時より機械的強度がある、したがっていることを示す機械的に安定しました。実際には、折り畳み式の自己のキューブ (またはサンプル) に熱を適用すると、PR 3 フレームは、元の形状を維持します。潜在的な被害の別のソースは、グラフェン膜; 圧縮応力を生成可能性があります Ti パターンの蒸着ただし、無傷のグラフェン膜後直接ない折りたたみ自己 PR 3 力学的安定性のデモがグラフェン膜 (図 3図 4) の保全に貢献できます。さらに、PR 3 の写真定義可能なプロパティは、サイズを簡単に制御し、半 3 D 構造を含む多様な 3 D 構造の実現のための 3 D 構造の折れ角を簡単にコントロールと共に、3 D キューブの図形をできます。
自分を折り畳む折り紙のような原則として表面張力トルクの生産、2 D 構造を介してヒンジの材料のリフローを折る (e.g。、薄い金属薄膜や温度に敏感なポリマー)26,31。PR 2 ヒンジ ポリマーの表面張力が低い金属の蝶番を付ける (例えば、はんだ ~0.5 N/m)26,28(~0.03 N/m)。金属ネットの 2次元の網が 2 D と比較して折られるときより少ない回転トルク低い表面張力生成はヒンジ26,31です。下のトルクは、自己の折り畳み過程における三層グラフェンを用いた膜のストレスを減らすことができます。ヒンジが融点でリフロー処理 ~ 80 ° c (図 3)、3 D グラフェン ベース キューブが折り畳まれている (金属の蝶番をはんだ付け、融点は 〜 230 ° C)26。驚くことに、最適化のプロセスの下でこのアプローチは、~ 90% の最高収量を示しています。
露光中にリッピングや、座屈、割れ、はく離にグラフェン膜空間ストレスが誘導するプロセスと自己フォールディング。たとえば、(i) 犠牲層、グラフェンと犠牲層 (銅、またはさらに多くの他の基板を含む) との間の強いVan der waals 力力からグラフェン膜付き 2 D ネットがリリースされたとき、生成できます壊れた結果グラフェン膜;(ii) 自己液体で折り畳み、中に割れやグラフェン膜の座屈を表面張力力、流体力と重力引き起こします。犠牲層の Cu 層を使用し、追加パターン Al2O3/Cr 層、グラフェンを用いた膜を保護するための保護層として使用します。最初、薄い (10 nm 厚) Cr 層が保護層として使用されています。ただし、Cr 層の機械的特性から構造を座屈薄い Cr 層ショーは Cu の犠牲層から構造が解放されたときにグラフェンを用いた膜を保持するために十分な強さではありません。その後、この問題を解決する 100 nm 厚 Al2O310 nm 厚 Cr 層が 10 nm 厚 Cr/300 nm Cu 犠牲層が厚い上記の上に追加されます。結果として、保護層グラフェン膜作製プロセスと自己-折り畳み式の中の保存を許可しました。3 D キューブ上の保護層は、グラフェン膜を損傷することがなく適切なエッチング液によって自己を折る後削除できます。
3 D の CVD グラフェン ベースのキューブ イメージを呈する顕著な割れ目のない、波紋、穴、または他の損傷 (ズームイン画像から、図 4 b) 膜、高透明性、自立、囲まれたアーキテクチャ (図 4 a)。前述のように、3 D の CVD グラフェン ベース キューブを生成するために使用同じアプローチを使用しても正常に示すキューブの製作 〜 10 層から成る膜 (〜 10 nm 厚) 移動シート (図 4e、4 階)。さらに、Ti 表面パターン 3 D キューブは非常に安定した (図 4 c、4 dグラフェン) と図 4 g、4 hのために行くと別の顔で異なるデザインと様々 な表面改質のデモを示唆している、汎用性の高い材料のさまざまな組み合わせの異機種混在環境の統合 3 D 多機能デバイスの構築戦略。その結果、グラフェンを用いた 3 D キューブ (i) をフリースタンディング CVD グラフェンと層状構造 (ない複合形成) から成る移動ウィンドウ膜(ii) 追加のサポートまたは基板を必要としないが、中空の構造を囲む我々 のアプローチは従来のリソグラフィー プロセスと互換性があるので (iii) 表面改質による金属は任意の所望のパターンを持つグラフェンや移動表面上パターンと。
ラマン分光法によるグラフェンおよび関連材料を特徴付けるための効果的な非侵襲的方法として確立しているし、さまざまな厚さ、ドーピング、障害、エッジと結晶粒の境界などグラフェン ベースのサンプルの詳細についてを提供できます。熱伝導率及びひずみ。さらに、この評価方法は柔軟な各種環境条件32,33,34,35のサンプルに適用することができます。したがって、グラフェンの構造の重要な変更がある場合は、自己を折る後ラマン散乱ピーク位置や強度の変化を見ることができる私たちする必要があります。示すように図 5 a-5b、ピークの位置と強度の大幅な変化が見られない自己折る後 Al2O3/Cr 保護層グラフェンを用いた膜 (両方の CVD をシールドするのでグラフェンと行く) 製作中。ただし、保護層を使用しない場合に、図 5 cに示すとおり、グラフェン膜が破損している自己折りたたみ時に高い D バンド (~ 1340 cm-1) と下の 2 D バンド (~ 2690 cm-1) の結果します。G バンドと D バンドのピーク強度比によるグラフェンの欠陥の定量的な情報を分析できる (1D/IG): 低値私D/IG低欠陥グラフェンを意味します。図 5 aから我々 は、私の他の CVD グラフェン積層シート36と対等である ~0.65 に 3 D グラフェンのD/IG値を計算します。したがって、これらの観察を示す自己折りたたみの過程は、CVD グラフェンと行く膜 (材料の固有のプロパティを保持、層の間の化学的インターカレーションは発生しません)、大幅な変更を作成していないを示す、報告されたメソッドの堅牢性。
中空、フリースタンディング、多面体のキューブに加え、ここに採用自己折りたたみメソッドは 2 D グラフェン膜の金属・絶縁体・半導体材料から成る表面のパターニングの中キューブに適用することができます。グラフェンの本質的な特性を維持します。これにより、電子・光デバイス、センサー、3 D 構成の多数の利点を生かして、電気回路などの開発のため。さらに、使用されるプロセスはグラフェン ベースの材料のみに限定できないので、このメソッドに適用できます遷移金属ダイカルコゲナイドなどで活かされる作製取り組みにより、黒リン他の 2D の材料2 D 素材の次世代 3 D の再来を開発します。
折りたたみ機構に必要な耐熱 (~ 80 ° C) は、折り畳み式の温度を減らすためにプロセスをさらに最適化できる場合を除き、バイオメディカル分野で問題となるかもしれない。さらに、PR 2 ヒンジ素材は生体適合性材料ではないです。今後の研究はポリエステルなど合成ゲル低温 (または低エネルギー) で対応ヒンジの生体適合性材料の開発に焦点を当てます。最近、類似構造を介してこの点37で役に立つかもしれないリモート制御の自動折り畳み機構を製造できた。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この材料は、NSF のキャリア賞 (CMMI-1454293)、ツイン都市ミネソタ大学でスタートアップ資金に支えられて仕事に基づいています。この作業の一部は、NSF 資金を供給された材料研究施設ネットワーク (を介してMRSEC プログラムのメンバー ミネソタ大学で評価施設で実施されました。この作品の一部は国立科学財団を通じて、国立ナノ調整インフラストラクチャ ネットワーク (NNCI) 賞数 ECCS 1542202 の下でサポートされているミネソタ ナノ センターで実施されました。C. D. は、3 M の科学と技術の交わりからサポートを認めています。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Blees, M. K., et al.
- 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.
- 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.
- 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. Raman spectroscopy of graphene and related materials. New developments in photon and materials research. Jang, J. I. , Nova Science Publishers. Hauppauge NY. (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).
