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Engineering

Fabricación de Poliedros tridimensionales basados en grafeno mediante Origami-como uno mismo-plegable

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

Summary

Aquí, presentamos un protocolo para la fabricación de poliedros 3D basados en el grafeno mediante origami-como uno mismo-plegable.

Abstract

El montaje de dos dimensiones (2D) grafeno en tridimensionales (3D) estructuras poliédricas preservando excelentes propiedades inherentes de grafeno ha sido de gran interés para el desarrollo de aplicaciones para nuevos dispositivos. Aquí, fabricación de 3D, microescala, hueco de poliedros (cubos) que consiste en unas pocas capas de grafeno 2D o grafeno óxido hojas a través de un proceso de auto-plegado origami-como se describe. Este método implica el uso de marcos del polímero y las bisagras y capas de protección de óxido de aluminio/cromo que reducen la resistencia a la tracción, espacial y tensión superficial de tensiones en las membranas de grafeno basado cuando las redes 2D se transforman en cubos 3D. El proceso ofrece control del tamaño y la forma de las estructuras así como producción paralela. Además, este enfoque permite la creación de modificaciones superficiales de metal dibujos en cada cara de los cubos 3D. Estudios de Espectroscopía Raman muestran que el método permite la preservación de las propiedades intrínsecas de las membranas basadas en grafeno, demostrando la robustez de nuestro método.

Introduction

Dos dimensiones (2D) graphene hojas poseen extraordinarias propiedades ópticas, electrónicas y mecánicas, que modelo de sistemas para la observación de fenómenos de quantum novela de última generación electrónicos, optoelectrónicos, electroquímica, aplicaciones electromecánicas y biomédica1,2,3,4,5,6. Recientemente, aparte de la estructura capas 2D como producción del grafeno, se han investigado diversos planteamientos de modificación para observar nuevas funcionalidades de grafeno y buscar nuevas oportunidades de aplicación. Por ejemplo, modulación (o ajuste) sus propiedades físicas (es decir, doping nivel o banda gap) adaptando las formas o patrones del 2D de la estructura unidimensional (1D) o estructura (0 D) cero-dimensional (e.g., grafeno nanoribbon o grafeno puntos cuánticos) ha sido estudiado para obtener nuevos fenómenos físicos incluyendo efectos de confinamiento cuántico, modos plasmónica localizados, distribución de electrones localizados y polarización de spin edge Estados7,8 ,9,10,11,12. Además, variando la textura del grafeno 2D arrugándose (a menudo llamado kirigami), delaminación, pandeo, torsión, o apilamiento de múltiples capas, o cambiando la forma superficial de grafeno mediante la transferencia de grafeno 2D en la parte superior una característica 3D (sustrato) ha sido demostrado para cambiar la mojabilidad del grafeno, características mecánicas y propiedades ópticas13,14.

Más allá de cambiar la morfología superficial y la estructura en capas de grafeno 2D, montaje de grafeno 2D en funcionalizados, bien definidos, tridimensionales (3D) poliedros ha sido de gran interés recientemente en la comunidad de grafeno para obtener la nueva física y fenómenos químicos15. En teoría, elástica, electrostática y van der Waals se pueden aprovechar las energías de estructuras 2D basados en grafeno para transformar el grafeno 2D en 3D origami de grafeno varias configuraciones de16,17. Partiendo de este concepto, estudios de Modelización teórica han investigado grafeno 3D diseños de estructura, formados a partir de las membranas de grafeno 2D a nanoescala, con posibles aplicaciones en el suministro de medicamentos y almacenamiento molecular general16,17. Sin embargo, los avances experimentales de este enfoque es aún muy lejos de darse cuenta de estas aplicaciones. Por otro lado, se han desarrollado varios métodos de síntesis química para lograr estructuras 3D a través de ayuda de plantilla Asamblea dirigido por flujo, emulgente Asamblea y crecimiento conformal métodos18,19 , 20 , 21 , 22. sin embargo, estos métodos son actualmente limitados en que no producen una estructura 3D, hueco, cerrada sin perder las propiedades intrínsecas de las hojas de grafeno.

Aquí, se describe una estrategia para la construcción de microcubes 3D, hueco, basada en el grafeno (dimensión total de ~ 200 μm) usando origami-como uno mismo-plegables; superación de los retos más importantes en la construcción de materiales libre de pie, hueco, 3D, poliédricos, basados en grafeno. En origami-como manos libres auto plegables técnicas, características planos litográfico modelados 2D (es decir, las membranas basadas en grafeno) son conectadas con bisagras (es decir, polímeros de termal-sensible, fotoresistencia) en varias articulaciones, de tal modo formación 2D redes que doblar para arriba cuando las bisagras se calientan para derretir temperatura23,24,25,26. Los cubos basados en grafeno se realizan con componentes de la membrana de ventana compuesto por unas pocas capas de deposición de vapor químico (CVD) crecido grafeno o membranas de grafeno óxido (ir); ambos con el uso de marcos del polímero y las bisagras. La fabricación de los cubos 3D basados en grafeno implica: (i) preparación de capas de protección, (ii) membrana de grafeno transferencia y patrones, (iii) superficie patrones en membranas de grafeno, (iv) marco y bisagras de patrones y la deposición, (v). uno plegable y (vi) eliminación de las capas de protección (figura 1). Este artículo se centra sobre todo en los aspectos auto plegables de la fabricación de cubos 3D basados en grafeno. Detalles sobre propiedades físicas y ópticas de los cubos 3D basados en el grafeno se pueden encontrar en nuestras otras recientes publicaciones27,28.

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Protocol

Atención: Varios de los productos químicos utilizados en estas síntesis son tóxicos y pueden causar irritación y daño severo del órgano cuando toca o inhalado. Utilice equipo de seguridad apropiado y usar equipo de protección personal al manipular los productos químicos.

1. preparación de óxido de aluminio y capas de protección de cromo en una capa Sacrificial cobre

  1. Utilizando un evaporador de haz de electrones, depositar 10 nm espesor de cromo (Cr) y 300 nm espesor cobre (Cu) de las capas (capa de sacrificio) en el substrato de silicio (Si) (Figura 2a).
  2. Capa de vuelta una fotoresistencia (PR) -1 a 2500 rpm seguido de horneado a 115 ° C por 60 s.
  3. Exponer las áreas netas 2D diseñadas a la luz ultravioleta (UV) en un alineador de contacto de la máscara durante 15 s y desarrollar por 60 s en la solución de revelador-1. Enjuague la muestra con agua desionizada (DI) y secar con una pistola de aire.
  4. 10 nm espesor capa de Cr y despegue de lo restantes acetona PR - 1 en el depósito. Enjuague la muestra con agua desionizada y seque con una pistola de aire (figura 2b).
  5. A patrón 2D redes con seis cuadrados protección /Cr de Al2O3capas en la red, spin-capa 2D un PR 1 a 2500 rpm seguido de horneado a 115 ° C durante 60 s.
  6. Exponer las capas de protección cuadrados seis diseñado a la luz UV en un alineador de contacto de la máscara durante 15 s y desarrollar por 60 s en la solución de revelador-1. Enjuague la muestra con agua desionizada y seque con una pistola de aire.
  7. Depositar un 100 nm Al2O3 capa gruesa y capa Cr gruesa de 10 nm. Eliminar acetona PR - 1 en resto. Enjuague la muestra con agua desionizada y seque con una pistola de aire (figura 2C).

2. preparación de membranas de oxido de grafeno y grafeno

Nota: En este estudio, se utilizan dos tipos de materiales basados en grafeno: deposición de vapor (i) químico (CVD) crecido grafeno y óxido de grafeno (ii) (ir).

  1. Preparación de membranas de grafeno de múltiples capas CVD
    Nota: Para obtener membranas de múltiples capas de grafeno, una capa de grafeno se transfiere tres veces separadas con múltiples pasos de recubrimiento/extracción de polimetil metacrilato (PMMA).
    1. A partir de una pieza cuadrada de ~ 15 m m de grafeno se adhirieron en hoja del Cu, spin-capa una capa delgada de PMMA en 3000 rpm en la superficie del grafeno. Hornear a 180 ° C durante 10 minutos.
    2. Coloque la hoja de grafeno/PMMA/Cu capas de hoja flotante Cu-lado abajo en Cu grabador por 24 h grabar a la hoja del Cu.
    3. Después de la Cu aluminio se haya disuelto completamente (dejando PMMA/grafeno), transferir el grafeno recubierto de PMMA flotante sobre la superficie de una piscina de agua DI usando un microscopio portaobjetos de vidrio para eliminar cualquier residuo de grabador Cu. Repita varias veces, el traspaso del grafeno recubierto de PMMA en piscinas de agua de nuevo DI enjuagar adecuadamente.
    4. Transferencia el grafeno recubierto de PMMA flotante sobre otro pedazo de grafeno se adhirieron en hoja del Cu (grafeno/Cu) para obtener una membrana de grafeno bicapa (formando una estructura de hoja PMMA/grafeno/grafeno/Cu).
    5. Tratar térmicamente el grafeno bicapa en el Cu de hoja en un plato caliente a 100 ° C durante 10 minutos.
    6. Quitar el PMMA en la parte superior del grafeno bicapa en el Cu de la hoja en un baño de acetona (dejando una pila de capas de papel de grafeno/grafeno/Cu), seguido por la transferencia al agua de DI.
    7. Repetir la transferencia de grafeno (2.1.1 - 2.1.5) una vez más para obtener tres capas apiladas de las membranas de grafeno. Cuando paso 2.1.4 se alcanza durante el proceso de repetición, en lugar de transferir la nueva hoja de grafeno recubierto de PMMA en otra pieza de grafeno/Cu, transferir el nuevo grafeno recubierto de PMMA en la doble capa de grafeno fabricado previamente de paso 2.1.6 para formar una combinación de capa de la hoja PMMA/grafeno/grafeno/grafeno/Cu. A continuación, repita el paso 2.1.5 sin modificación.
    8. Coloque la hoja PMMA/grafeno/grafeno/grafeno/Cu capas de hoja flotante Cu-lado abajo en Cu grabador por 24 h grabar a la hoja del Cu.
    9. Transferir las capas tres de PMMA revestido de las membranas de grafeno (PMMA, grafeno, grafeno/grafeno) en el prefabricado Al2O3/Cr protección capas de sección 1.
    10. Después de la transferencia del grafeno, retire el PMMA con acetona. Luego, sumergir la muestra en agua desionizada y secar en aire.
    11. Tratar térmicamente el grafeno de múltiples capas en el sustrato en un plato caliente a 100 ° C durante 1 hora.
    12. Spin-capa PR-1 en 2500 rpm y cocer a 115 ° c durante 60 s.
    13. UV expone las regiones de PR-1 directamente sobre las zonas de la capa de protección cuadrados mediante un alineador de contacto de la máscara durante 15 s y desarrollar por 60 s en la solución de revelador-1.
    14. Quitar la recién descubierta, no deseados grafeno áreas mediante un tratamiento plasma de oxígeno durante 15 s.
    15. Retire el sobrante PR-1 en acetona.
    16. La muestra con agua desionizada y seque en el aire (Figura 2d).
  2. Preparación de membranas de óxido de grafeno
    Nota: Fotolitografía tradicional seguida por una despegue proceso mediante inundación exposición se utiliza para las membranas GO del patrón.
    1. Spin-coat PR-2 a 1700 rpm por 60 s en la cima de las previamente fabricado Al2O3/Cr protección capas para obtener una capa gruesa de 10 μm. Cueza al horno la PR-2 a 115 ° C por 60 s y luego espere 3 h.
    2. Con la misma máscara utilizada para patrones de la capa de protección de Al2O3/Cr UV exponer la muestra en un alineador de contacto de la máscara de 80 s y desarrollar por 90 s en la solución de revelador-2. Enjuague la muestra con agua desionizada y seque con una pistola de aire.
    3. Realizar una exposicion inundación de toda la muestra sin una máscara para 80 s.
    4. Spin-capa el ir preparado y mezcla de agua (15 mg de polvo de ir en 15 mL de agua desionizada) de la muestra a 1000 rpm por 60 s. realizar la capa de vuelta un total de 3 veces.
    5. Sumergir la muestra en solución de revelador-2 para permitir el despegue de GO no deseado.
    6. Enjuague la muestra con agua desionizada y secar cuidadosamente la muestra con una pistola de aire.
    7. Tratar térmicamente la muestra sobre una placa caliente a 100 ° C por 1 h (figura 2 h).

3. metal patrón superficial en las membranas de grafeno

Nota: Un común proceso de fotolitografía se llevó a cabo para alcanzar el patrón superficial mediante un alineador de máscara contacto UV y evaporador de haz de electrones (ver 1.2-1.4).

  1. Crear patrones de espesor titanio (Ti) de 20 nm sobre las membranas con motivos basados en grafeno.
  2. Tratar térmicamente la muestra sobre una placa caliente a 100 ° C por 1 h (figura 2e de grafeno) y figura 2i para ir.

4. fabricación de polímero Marcos y bisagras

  1. En la parte superior las membranas basadas en grafeno con Ti superficie patrones, spin-capa PR-3 a 2500 rpm por 60 s para formar una capa gruesa de 5 μm y hornear a 90 ° C por 2 min.
  2. UV exponer las muestras a 20 s, hornear a 90 ° C por 3 min y desarrollar por 90 s en la solución de revelador-3.
  3. Enjuague la muestra con agua desionizada y alcohol isopropílico (IPA) y secar cuidadosamente la muestra con una pistola de aire.
  4. Después de hornear las muestras a 200 ° C durante 15 min mejorar la rigidez mecánica de los marcos (PR-3) (figura 2f de grafeno) y figura 2j para ir.
  5. Para hacer el patrón de la bisagra, spin-coat PR-2 a 1000 rpm por 60 s para formar una película gruesa de 10 μm en la parte superior del sustrato prefabricado. Cocer a 115 ° c por 60 s y espere 3 h.
  6. UV exponer la muestra en un alineador de contacto de la máscara de 80 s y desarrollar por 90 s en la solución de revelador-2.
  7. Enjuague la muestra con agua desionizada y secar cuidadosamente la muestra con una pistola de aire (figura 2 g de grafeno) y figura 2 k para ir.

5. auto plegable en agua desionizada

Nota: Cuando las bisagras de la PR-2 se derritan (o refusión), se genera una fuerza de tensión superficial; por lo tanto, las estructuras 2D se transforman en estructuras 3D (un proceso auto plegable).

  1. Para liberar la estructura 2D, disolver la capa sacrificial Cu bajo las redes 2D en un grabador de Cu (figura 2 l).
  2. Transferir la estructura liberada en un baño de agua DI utilizando una pipeta y enjuague algunas veces para quitar el grabador Cu residual.
  3. Estructura de lugar el 2D en agua desionizada había calentada por encima del punto de fusión del polímero (PR-2) bisagras (figura 2 m).
  4. Controlar el auto plegable en tiempo real a través de microscopía óptica y retire la fuente de calor en exitosa asamblea en cubos cerrados.

6. eliminación de las capas de protección

  1. Después de plegar uno, quitar las capas de protección /Cr de Al2O3con grabador Cr (figura 2n).
  2. Transferir suavemente los cubos en baño de agua DI y enjuague cuidadosamente.

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Representative Results

La figura 2 muestra las imágenes ópticas de los procesos litográficos del grafeno 2D y las estructuras de GO red y posterior proceso auto plegable. El proceso de plegado automático se monitorea en tiempo real a través de un microscopio de alta resolución. Ambos tipos de cubos 3D basados en el grafeno se doblan a ~ 80 ° C. Figura 3 establece secuencias de vídeo capturadas con el plegamiento automático de cubos 3D basados en grafeno de manera paralela. Bajo un proceso optimizado, este enfoque muestra un mayor rendimiento de ~ 90%.

La figura 4 muestra las imágenes ópticas de los cubos 3D montado grafeno y GO-base con y sin patrones superficiales. El tamaño de los cubos uno doblados es 200 (ancho) × 200 (largo) × 200 (altura) μm3. Para mostrar la superficie de patrones de capacidad, 20 nm espesor Ti con características y rotulación "UMN" se definen en cada cara de los cubos 3D basados en grafeno.

Para evaluar la estructural cambios en el grafeno y membranas de ir durante el uno mismo-plegamiento de la procesan, propiedades del grafeno y van estructuras antes y después de doblar la son caracterizado por espectros Raman. Figura 5a y 5b son Espectroscopía Raman de prístinos materiales basados en grafeno, redes basadas en grafeno 2D y 3D cubos basados en grafeno. Los resultados no muestran cambios notables en Raman posición máxima y la intensidad para el grafeno y membranas de ir después del plegamiento automático. Sin embargo, cuando no son capas de protección (figura 5 c), cambios en intensidades pico relativo fueron observados, indicando los cambios o daños a las propiedades del grafeno durante el plegado automático.

Figure 1
Figura 1 : Ilustración esquemática del proceso auto plegable de cubos 3D basados en grafeno un capa de protección red 2D de dibujo. (b) transferencia de membranas basadas en grafeno encima de la capa de protección. (c) superficie patrones en membranas de grafeno. (d) patrones marco y bisagras. (e) la liberación de las estructuras 2D desde el sustrato y uno plegable conducido por el reflujo de las bisagras por alta temperatura. (f) remoción de la capa de protección de cubos 3D basados en grafeno. Esta figura está adaptada con permiso de28. Copyright 2017, American Chemical Society. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2 : Imágenes ópticas del proceso litográfico de la fabricación de grafeno 2D y las estructuras de GO red y posterior auto plegable procesan fabricación (-c) de capas de protección. (a) 10 nm Cr grueso y capas sacrificiales Cu gruesa de 300 nm se depositan sobre una oblea de Si. (b) 10 nm espesor capa de Cr y (c) 100 nm Al2O310 nm espesor Cr protección capas gruesas son definidos (160 × 160 μm2). redes 2D (d-g) con las membranas de grafeno CVD y los patrones de Ti. (d) el grafeno multicapa se transfiere sobre el sustrato y modelado mediante un tratamiento plasma de oxígeno. (e) de las membranas de grafeno con dibujos, 20 nm espesor Ti los patrones se definen. (f) tiene una forma los 5 μm espesor marcos de PR-3. (g) para hacer el patrón de la bisagra, una película gruesa de PR-2 de 10 μm es patrón. redes de 2D (h-k) con membranas GO y patrones Ti. (h) ir en agua está recubierto de vuelta tres veces a 1000 rpm durante 60 segundos para producir membranas ~ 10 nm de espesor ir. Un proceso de exposición de despegue por medio de inundación se realiza para las membranas GO del patrón. (i) encima del GO modelado, se definen patrones de Ti. Entonces, marcos cúbicos (j) la PR-3 y las bisagras (k) PR-2 tiene una forma. proceso auto plegable (l-n). (l) redes de lanzamiento del 2D de la capa de sacrificio. (m) uno mismo-plegamiento de las redes 2D independiente en agua mediante la aplicación de una temperatura de ~ 80 ° C. (n) eliminación de las capas de protección. Barra de escala = 200 μm. Esta figura está adaptada con permiso de28. Copyright 2017, American Chemical Society. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3 : Una secuencia de vídeo capturado del proceso auto plegable de cubos 3D basados en grafeno Imágenes ópticas en tiempo real de 3D cubos basados en grafeno, capturados después de (a) 0, (b) 30, (c) 60, (d) 90, 120 (e) y (f) 150 s (antes de la aguafuerte de la capa de protección). Barra de escala = 200 μm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4 : Las imágenes ópticas de los cubos 3D basados en grafeno con y sin patrones superficiales cubo (a-b) 3D con tres capas de películas de grafeno CVD y una imagen ampliada de la superficie superior del cubo 3D de basados en grafeno CVD. cube (c, d) un 3D con patrones de metal (20 nm espesor Ti) en las membranas de grafeno CVD y una imagen ampliada de la superficie superior del cubo 3D basados en grafeno con los patrones de Ti. (e-f) un 3D basados en GO cube y una imagen ampliada de la superficie superior del cubo 3D basados en GO. cubo de (g-h) un auto doblada 3D basado en ir con una imagen ampliada de la superficie superior del cubo 3D basado en ir con los patrones de Ti y Ti. Barra de escala = 100 μm. Esta figura está adaptada con permiso de28. Copyright 2017, American Chemical Society. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5 : Espectroscopía Raman de membranas de grafeno basado en 2D y 3D cubos basados en grafeno (a) espectro Raman de prístina CVD grafeno sobre un sustrato de Si, 2D Modelado CVD grafeno (antes de plegar el auto) y cubos de grafeno 3D independiente (después de plegado automático). Los tres picos cerca ~ 1340 cm-1 (Grupo D), ~ 1580 cm-1 (grupo G) y ~ 2690 cm-1 (grupo 2D) se observan. (b) espectro Raman de ~ 10 capas (~ 10 nm de espesor) de películas va en Si, antes de plegar el auto y después de auto plegables (cubos de exentas). Los cuatro picos en ~ 1360 cm-1 (Grupo D), ~ 1605 cm-1 (grupo G), ~ 2715 cm-1, y ~ 2950 cm-1 (banda D + G) se observan. (c) espectro de Raman de estructuras 3D basados en el grafeno (verde) y sin (rojo) el uso de la capa de protección de Al2O3/Cr. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Para los cubos fabricados con grafeno de ECV, porque cada cara de un cubo dado está diseñado con un marco externo que rodea un área de2 ~ 160 × 160 μm de grafeno independiente, una sola hoja de grafeno monocapa no tiene la fuerza necesaria para permitir procesamiento en paralelo de los cubos. Por esta razón, las membranas de grafeno que consta de tres capas de monocapa de grafeno CVD hojas son producen mediante tres transferencias del grafeno separadas con múltiples pasos de la capa/extracción de PMMA. Por otra parte, para la preparación de la membrana GO, usamos hojas individuales van en agua, obtenidos a través método27 de un Hummer modificado. Para el patrón de las membranas GO, se utiliza Fotolitografía tradicional seguida por una despegue proceso mediante inundación exposición. El proceso utiliza una exposición de inundación después de fotolitografía tradicional pero antes de la deposición de membrana GO. Después de ir spin-coating, un proceso de despegue se realiza en developer para quitar áreas no deseadas de GO. Algunos desarrolladores contienen hidróxido de sodio (NaOH) solución alcalina acuosa que graba al agua fuerte aluminio y Al2O3. Por lo tanto, debe utilizarse un desarrollador gratuito de NaOH. Para este trabajo, el desarrollador específico utilizado para cumplir con este requisito es desarrollador-2 solución.

Los marcos de los cubos 3D apoyando las membranas basadas en grafeno se hacen de la PR-3 debido a su alta estabilidad mecánica y térmica, así como alta transparencia óptica29. Es sabido que la estabilidad térmica y mecánica de la PR-3 depende del entrecruzamiento de proceso30. El cross-linking máxima de PR-3 se produce cuando se es duro al horno sobre ~ 200 ° C. Después de la dura-de la hornada, el módulo dinámico de la PR-3 mejora, indicando que las estructuras tienen resistencia más mecánica durante el movimiento dinámico y por lo tanto son más mecánicamente estable. De hecho, cuando el calor se aplica a los cubos (o muestras) para auto plegable, los marcos de la PR-3 mantienen su forma original. Otra fuente de daño potencial es la deposición de los patrones de Ti ya que podrían producir estrés compresivo en las membranas de grafeno; sin embargo, la demostración de las membranas de grafeno indemne después de auto plegable indirectamente indica la estabilidad mecánica de la PR-3 puede contribuir a la conservación de las membranas de grafeno (figura 3, figura 4). Además, la propiedad definible por la foto de la PR-3 permite fácil control de tamaños y formas de los cubos 3D, junto con control fácil del ángulo plegable de estructuras 3D para la realización de diversas estructuras 3D incluyendo estructuras semi-3D.

En el principio uno plegado de origami-como, un par de tensión superficial se produce para doblar una estructura neta 2D mediante el flujo de los materiales de la bisagra (e.g., delgadas películas de metal o polímeros termo-sensible)26,31. La tensión superficial del polímero depende de la PR-2 es más baja (~0.03 N/m) que la de metal bisagras (por ejemplo, soldadura ~0.5 N/m)26,28. La baja produce tensión superficial menos esfuerzo de torsión rotatorio cuando las redes 2D se doblan en comparación con 2D redes con metal bisagras26,31. El esfuerzo de torsión más bajo podría reducir el estrés en las membranas de grafeno basado en tri-capa durante el proceso de plegado automático. Los cubos 3D basados en el grafeno se doblan a ~ 80 ° C (figura 3), en el que las bisagras refusión en su punto de fusión (para el metal de la soldadura de las bisagras, el punto de fusión es de ~ 230 ° C)26. Sorprendentemente, bajo un proceso optimizado, este enfoque muestra un mayor rendimiento de ~ 90%.

En la litografía proceso y uno plegable, la tensión espacial en las membranas de grafeno induce la delaminación, deformaciones, grietas o ripeo. Por ejemplo, () cuando las redes 2D con las membranas de grafeno se liberan de la capa sacrificial, el fuertes fuerzas de Van der Waals entre el grafeno y la capa sacrificial (incluyendo Cu o incluso muchos otros substratos) puedo generar, dando por resultado roto membranas de grafeno; y (ii) durante el uno mismo-plegado en líquido, fuerza de tensión superficial, fuerza fluídica y fuerza gravitacional causan agrietamiento y deformación de las membranas de grafeno. Una capa de Cu se utiliza para una capa sacrificial y una modelado Al2O3/Cr capa adicional se utiliza como capa de protección para proteger las membranas basadas en grafeno. Inicialmente, delgadas (10 nm de espesor) capa de Cr se ha utilizado como una capa de protección. Sin embargo, no es bastante fuerte para sostener las membranas basadas en grafeno cuando se libera la estructura de la capa de sacrificio Cu fino Cr capa se muestra en el pandeo de las estructuras desde las propiedades mecánicas de la capa del Cr. Más adelante, para resolver este problema, se agregan 100 nm Al2O310 nm espesor Cr capas gruesas encima de los 10 nm Cr/300 nm espesor Cu sacrificio capa gruesa como se describe anteriormente. Como resultado, la capa de protección permitió la retención de las membranas de grafeno en todo el proceso de fabricación y uno mismo-plegable. Las capas de protección sobre el cubo 3D pueden eliminarse después de doblar la de un grabador adecuado sin daño a las membranas de grafeno.

La imagen 3D de cubo basada en grafeno CVD presenta una gran arquitectura transparente, independiente, cerrada (figura 4a) no notables grietas, ondulaciones, orificios u otros daños en las membranas (de la zoom en imagen, Figura 4b). Como se describió anteriormente, utilizando el mismo método utilizado para producir los cubos basados en grafeno de CVD 3D, también demostramos la fabricación de cubos con membranas de compuesto de capas de ~ 10 (~ 10 nm de espesor) de hojas GO (Figura 4e, 4f). Además, Ti superficie modelado 3D cubos son muy estable (figura 4C, 4D de grafeno) y figura 4 g, 4 h para ir y la demostración de variadas modificaciones superficiales con diferentes diseños en las diferentes caras sugiere un estrategia versátil para la construcción de dispositivos 3D con integración heterogénea de diferentes combinaciones de materiales. Como resultado, el 3D basados en grafeno cubos Mostrar (i) independiente CVD grafeno e ir ventana membranas compuestas de capas (no formación de compuesto); (ii) incluido estructuras huecas pero que no requieren un apoyo adicional o sustrato; y (iii) modificaciones superficiales a través de metal dibujo en el grafeno o ir con cualquier patrón deseado, porque nuestro enfoque es compatible con los procesos convencionales de litografía.

Espectroscopía Raman está bien establecido como un método no invasivo, eficaz para caracterizar materiales relacionados y grafeno, y puede suministrar una amplia variedad de detalles sobre las muestras basados en el grafeno como grueso, dopaje, desorden, límites de grano y borde, conductividad térmica y la tensión. Además, este método de caracterización es flexible, puede ser aplicado a una muestra en diferentes condiciones ambientales32,33,34,35. Por lo tanto, si hay cambios significativos en la estructura del grafeno, deberíamos podemos ver cambios en posiciones de picos Raman o intensidades después uno plegable. Como se muestra en figura 5a-5b, cambios significativos en las posiciones de máximo y la intensidad no pueden verse después de doblar el auto, desde la protección de /Cr Al2O3capas ayuda a proteger las membranas basadas en el grafeno (ambos CVD grafeno y) durante la fabricación. Sin embargo, como se muestra en la figura 5 c, cuando no se usan capas de protección, las membranas de grafeno se dañan durante el plegamiento automático, resultando en una mayor banda D (~ 1340 cm-1) y una banda inferior de 2D (~ 2690 cm-1). La información cuantitativa sobre los defectos de grafeno puede ser analizada por el ratio de intensidad de pico de las bandas D y G (ID/iG): bajo valor me/iDG significa bajo defecto grafeno. De la figura 5a la calculamos valores /IG Ddel grafeno 3D que ~0.65 que es comparable a otras enfermedades cardiovasculares grafeno láminas multicapa36. Por lo tanto, estas observaciones indican que el proceso de plegado automático no creó cambios importantes en el grafeno CVD y membranas de ir (los materiales de mantienen sus propiedades intrínsecas, y no químico intercalación entre las capas se produce), demostrando la robustez del método reportado.

Además de producir cubos huecos, independiente, poliédricos, el método auto plegable aquí permite modelar superficial, que consiste en materiales de metal, el aislador y el semiconductor en las membranas de grafeno 2D, que se aplicará a los cubos mientras mantenimiento de las propiedades intrínsecas de lo graphene. Esto permite el desarrollo de dispositivos electrónicos y ópticos, incluyendo sensores y circuitos eléctricos, utilizando las numerosas ventajas de configuraciones 3D. Además, puesto que los procesos no se limitan a solamente los materiales basados en grafeno, este método puede aplicarse a otros materiales 2D como metal de transición dichalcogenides y fósforo negro, permitiendo que nuestro enfoque de fabricación a ser aprovechado en desarrollo de reencarnaciones 3D de próxima generación de materiales 2D.

La temperatura alta (~ 80 ° C) requerida por el mecanismo de plegado podría ser problemática en aplicaciones biomédicas, a menos que el proceso puede optimizarse aún más para reducir la temperatura plegable. Además, el material de bisagra de la PR-2 no es un material biocompatible. Los estudios futuros se centrarán en el desarrollo de materiales biocompatibles bisagra que responden a baja temperatura (o de baja energía) tales como poliésteres e hidrogel sintético. Recientemente hemos sido capaces de fabricar similares estructuras a través de un mecanismo de auto plegable con mando a distancia que podría ser útil en este respeto37.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este material está basado en trabajo apoyado por un fondo de puesta en marcha en la Universidad de Minnesota, ciudades gemelas y un premio de la carrera de NSF (CMMI-1454293). Partes de este trabajo se llevaron a cabo en las instalaciones de la caracterización de la Universidad de Minnesota, miembro de la NSF-financiado materiales instalaciones red de investigación (através del programa MRSEC. Porciones de este trabajo se llevaron a cabo en el centro de Nano de Minnesota, que es apoyado por la National Science Foundation a través de la nacional Nano coordinada infraestructura red (NNCI) bajo la concesión número ECCS-1542202. C. D. reconoce apoyo de la 3 M ciencia y tecnología becas.

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

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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. Raman spectroscopy of graphene and related materials. New developments in photon and materials research. Jang, J. I. , Nova Science Publishers. Hauppauge NY. (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).

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Ingeniería número 139 grafeno de oxido de grafeno 3D cubos basados en grafeno microcubes auto plegable origami
Fabricación de Poliedros tridimensionales basados en grafeno <em>mediante</em> Origami-como uno mismo-plegable
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Joung, D., Wratkowski, D., Dai, C., Lee, S., Cho, J. H. Fabrication of Three-Dimensional Graphene-Based Polyhedrons via Origami-Like Self-Folding. J. Vis. Exp. (139), e58500, doi:10.3791/58500 (2018).

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