Summary
여기, 선물이 3 차원 그래 핀 기반 polyhedrons을 통해 종이 접기 같은 자체 접는의 제조에 대 한 프로토콜.
Abstract
그래 핀의 우수한 고유의 특성을 유지 하면서 3 차원 (3D) 다면체 구조에 2 차원 (2D) 그래 핀의 어셈블리 소설 장치 응용 프로그램 개발에 대 한 큰 관심의 되었습니다. 여기, 3d, 눈금, 제조 polyhedrons (큐브) 2 차원 그래 핀 그래 핀 산화물 시트 또는 통해 종이 접기 같은 자체 접는 과정 설명의 몇 층으로 구성 된 투명. 이 방법은 때 2D 그물 3D 조각으로 변형 된다 폴리머 프레임 경첩, 그리고 인장, 공간, 감소 시키는 산화 알루미늄/크롬 보호 층 그래 핀 기반 세포 막에 표면 장력 응력의 사용을 포함 한다. 프로세스 구조 뿐만 아니라 병렬 생산의 형태와 크기의 컨트롤을 제공합니다. 또한, 금속 3D 입방체의 각 면에 패턴화이 이렇게 표면 수정 만들 수 있습니다. 라만 분광학 연구 메서드를 그래 핀 기반 세포 막의, 우리의 방법의 견고성을 보여주는 기본 속성의 보존 수 있습니다 보여줍니다.
Introduction
2 차원 (2D) 그래 핀 시트 보유 특별 한 광학, 전자, 및 기계적 속성, 다음-세대 전기, 전자, 광전자에 대 한 새로운 양자 현상의 관찰에 대 한 시스템 모델 들 전기 기계, 및 생물 의학 응용 프로그램1,2,3,4,,56. -생산 2D 계층된 구조의 그래 핀, 떨어져 최근, 다양 한 수정 접근 있다 조사 그래 핀의 새로운 기능을 관찰 하 고 새로운 응용 프로그램 기회를 추구 하. 예를 들어 변조 (튜닝)의 물리적 특성 (즉, 도 핑 레벨 및 밴드 갭) 모양에 맞게 또는 2D의 패턴화 하 여 1 차원 (1d) 또는 0 차원 (0d) 구조를 구조 (예., 그래 핀 nanoribbon 또는 그래 핀 양자 점) 새로운 현상과 양자 구속 효과, 지역화 된 plasmonic 모드, 지역화 된 전자 메일 및 스핀 편광 가장자리 상태7,8 공부 하고있다 ,,910,,1112. 또한, crumpling (kirigami 라고도 함), 박 리, 변형, 왜곡 하 고, 또는 여러 레이어 스태킹 또는 변경 하 여 3D 기능 (기판) 위에 2D 그래 전송 하 여 그래 핀 표면 모양이 하고있다 2 차원 그래 핀의 질감을 변화 그래 핀의 습윤, 기계적 특성, 및 광학 속성13,14변경 표시.
2 차원 그래 핀의 계층된 구조와 표면 형태 변화, 넘어 기능성, 잘 정의 된 3 차원 (3D) polyhedrons로 2 차원 그래 핀의 조립 되었습니다 새로운 물리를 그래 커뮤니티에 최근 큰 관심을 화학 현상15. 이론, 탄성, 정전기, 및 반 데르 발스 2D 그래 핀 기반 구조의 에너지 다양 한 3 차원 그래 핀 종이 접기 구성16,172D 그래 핀을 변환 하기 위해 활용 수 있습니다. 이 개념을 바탕으로, 이론적 모델링 연구는 3D 그래 핀 구조 디자인, 약물 전달 및 일반적인 분자 저장16,17가능한 사용으로 나노 2D 그래 막에서 형성 된 조사. 그러나,이 접근의 실험 진행 실현 이러한 응용 프로그램에서 멀리 아직도 이다. 다른 한편으로, 다양 한 화학 합성 방법 3D 구조를 통해 템플릿 기반 어셈블리, 흐름 감독 어셈블리, 어셈블리, 그리고 등각 성장 방법18,19 장작불을 달성 하기 위해 개발 되었습니다. , 20 , 21 , 그러나 22., 이러한 메서드는 현재 제한 된 그들은 그래 핀 시트의 본질적인 속성을 잃지 않고 3D, 빈, 밀폐 된 구조를 생산할 수 없습니다.
여기, 종이 접기 같은 자체 접는 사용 하 여 3D, 빈, 그래 핀 기반 microcubes (~ 200 µ m의 전반적인 차원)를 구축 하기 위한 전략 설명 하는; 무료 서, 빈, 3D, 다면체, 그래 핀 기반 재료의 건설에서 최우선 과제를 극복 하 고 종이 접기 처럼, 핸 즈 프리 각자 접는 기법에서 2D 있고 패턴화 된 평면 기능 (즉, 그래 핀 기반 막) 그로 인하여 경첩 (즉, 열에 민감한 폴리머, 감광 제) 다양 한 관절에 연결 되어 2D를 형성 하는 경첩은 녹는 온도23,,2425,26열 접을 그물. 그래 핀 기반 큐브 창 막 구성 요소 몇 가지 계층 화학 기상 증 착 (CVD)의 그래 그래 핀 산화물 (가) 막;를 성장으로 실현 됩니다. 둘 다 폴리머 프레임과 경첩 사용. 3D 그래 핀 기반 큐브 제작 포함 됩니다: (i) 보호 레이어, (ii) 그래 핀 멤브레인 전송 및 패턴, (iii) 금속 표면에 그래 막, (iv) 프레임 및 경첩 패턴화 및 증 착, 패턴화의 준비 (v) 자동 접이식, 및 (vi) 제거 보호 레이어 (그림 1). 이 문서는 3D 그래 핀 기반 큐브 제작의 자 접이식 측면에 주로 초점을 맞추고. 3 차원 그래 핀 기반 큐브의 물리적 및 광학 속성에 우리의 다른 최근 간행물27,28에서 찾을 수 있습니다.
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Protocol
주의: 몇이 종합에서 사용 하는 화학 물질의 독성은 고 자극과 감동 하거나 흡입 심각한 장기 손상을 일으킬 수 있습니다. 적절 한 안전 장비를 사용 하 고 화학 물질을 처리할 때 개인 보호 장비를 착용 하십시오.
1. 산화 알루미늄 및 구리 희생 레이어에 크롬 보호 레이어 준비
- 전자 빔 증발 기를 사용 하 여 10 nm 두꺼운 크롬 (Cr) 및 300 nm 두꺼운 구리 (Cu) 레이어 (희생 레이어) 실리콘 (Si) 기판 (그림 2a)에 입금.
- 스핀 코트 감광 제 (PR)-1 2500 rpm에서 60에 대 한 115 ° C에서 굽기 다음 s.
- 15에 대 한 연락처 마스크 aligner에 자외선 (UV)을 설계 2D net 영역 노출 s 60에 대 한 개발 및 솔루션 개발자-1 s. 이온된 (DI) 수와 함께 샘플을 헹 구 고는 공기 총 타격 건조.
- 보증금 10 nm 두꺼운 Cr 층 및 나머지 홍보-1에서 아세톤의 이륙. 디 물 샘플을 헹 구 고는 공기 총 (그림 2b)와 함께 타격 건조.
- 2D 그물을 6 알2O3/Cr 보호 레이어는 2D 그물, 스핀 코트에 115 ° C 60에서 굽기 다음 2500 rpm에서 홍보-1 패턴 s.
- 설계 된 6 평방 보호 레이어 15 연락처 마스크 aligner에 자외선에 노출 s 60에 대 한 개발 및 솔루션 개발자-1 s. 디 물 샘플을 헹 구 고는 공기 총 타격 건조.
- 100 nm 두께 Al2O3 층 및 10 nm 두꺼운 크롬 층을 예금 한다. 나머지 홍보-1에 아세톤을 제거 합니다. 디 물 샘플을 헹 구 고는 공기 총 (그림 2c)와 함께 타격 건조.
2. 그래 핀과 그래 핀 산화물 막의 준비
참고:이 연구에서 두 가지 유형의 그래 핀 기반 재료 사용 됩니다: (i) 화학 증기 증 착 (CVD) 그래 핀 및 그래 핀 (ii) 산화물 (이동) 성장.
-
다층 CVD 그래 핀 막의 준비
참고: 다층 그래 핀 막의 얻을, 단일 층 그래 핀은 전송 3 개의 별도 시간 여러 polymethyl 메타 크리 레이트 (PMMA) 코팅/제거 단계를 사용 하 여.- Cu 호 일 스핀-코트는 그래 핀의 표면에 3000 rpm에서 PMMA 박막에 준수 그래 ~ 15 m m 사각형 조각으로 시작 됩니다. 10 분 동안 180 ° C에서 구워.
- Cu 호 일 멀리 엣지를 24 h에 대 한 Cu 현상에 아래로 잘라내기-사이드 떠 있는 PMMA/그래/Cu 호 일 층 시트를 놓습니다.
- 후에 Cu 호 일 완전히 해산 (PMMA/그래 떠나), Cu 현상 잔여물을 제거 하는 현미경 슬라이드 유리를 사용 하 여 디 물 수영장의 표면에 떠 있는 PMMA 코팅 그래 전송 합니다. 적절 하 게 씻어 새로운 디 물 웅덩이에 아크릴 코팅 한 그래 핀의 전송을 여러 번을 반복 합니다.
- 전송 부동 아크릴 코팅 그래 그래 핀의 또 다른 작품 (아크릴/그래/그래/Cu 호 일 구조를 형성 하는) 이중 층 그래 핀 멤브레인을 Cu 호 일 (그래 핀/Cu)에 준수 됩니다.
- 이중 층 그래 핀은 Cu 열 치료 10 분 100 ° C에서 뜨거운 접시에 호 일.
- PMMA는 Cu에 이중 층 그래 핀 위에 디 물에 전송 하 여 뒤는 아세톤 목욕 (떠나 그래/그래/Cu 호 일 레이어 스택), 호 일 제거.
- 그래 전송을 반복 (2.1.1-2.1.5) 그래 핀 막의 3 스택된 레이어를 한 번 더. 단계 2.1.4 그래/Cu의 다른 조각에 새로운 아크릴 코팅 그래 핀 시트를 전송 하는 대신 반복 과정에 도달 하면 전송 이전 조작된 그래 두 번-레이어에 새 아크릴 코팅 그래 단계의 2.1.6 양식에 PMMA/그래/그래/그래/Cu 호 일 레이어 조합. 그런 다음 단계 2.1.5 수정 하지 않고 반복 합니다.
- Cu 호 일 멀리 엣지를 24 h에 대 한 Cu 현상에 아래로 잘라내기-사이드 떠 있는 PMMA/그래/그래/그래/Cu 호 일 층 시트를 놓습니다.
- 아크릴 코팅 3-레이어 조립식된 Al2O3/Cr 보호 레이어에 그래 막 (PMMA/그래/그래/그래)의 섹션 1에서에서 전송.
- 그래 핀의 이동, 후 아세톤과 PMMA을 제거 합니다. 그런 다음 디 물에 샘플와 건조 한 공기에.
- 열 1 시간에 100 ° C에서 뜨거운 접시에 기판에 다층 그래 핀을 취급 합니다.
- 2500 rpm 및 60 115 ˚C 구워 스핀 코트 홍보-1 s.
- UV 노출 15 연락처 마스크 동기 기를 사용 하 여 사각형 보호 레이어 영역 바로 위에 홍보-1의 영역의 60에 대 한 개발 및 솔루션 개발자-1 s.
- 그래 핀 분야 를 통해 15에 대 한 산소 플라즈마 처리 원치 않는 새로 발견 제거 s.
- 아세톤에 남은 홍보-1을 제거 합니다.
- 디 물 샘플을 헹 구 고 건조 한 공기 (그림 2d).
-
그래 핀 산화물 막의 준비
참고: 전통적인 사진 평판 홍수 노출을 통해 이륙 과정 뒤가 막 패턴에 사용 됩니다.- 60 1700 rpm 스핀 코트 홍보 2 이전 조작된 Al2O3/Cr 보호 레이어 10 µ m 두께 레이어를 위에 s. 구워 60 s 115 ° C 3 h에 대 한 다음 대기에서 홍보 2.
- Al2O3/Cr 보호 계층을 패턴화 사용 같은 마스크 UV 노출 80에 대 한 연락처 마스크 aligner에 샘플의 90에 대 한 개발 및 솔루션 개발자-2 s. 디 물 샘플을 헹 구 고는 공기 총 타격 건조.
- 80에 대 한 마스크 없이 전체 샘플의 UV 홍수 노출 수행 s.
- 스핀-코트 준비가 물 혼합물 (15 mg 디 물 15 ml에서가 가루) 60 1000 rpm에서 샘플에 수행 스핀-코팅 총 3 번의 s..
- 원치 않는 이동의 이륙 수 있도록 개발자 2 솔루션에서 샘플 찍어.
- 디 물 샘플을 린스 하 고 신중 하 게 한 공기 총으로 샘플을 타격 건조.
- 열 1 h (그림 2 h) 100 ° C에서 뜨거운 접시에 샘플을 처리 합니다.
3. 그래 핀 기반 세포 막에 금속 표면 패터 닝
참고: 일반적인 포토 리소 그래피 과정 UV 연락처 마스크 aligner 및 전자 빔 증발 (1.2-1.4 참조)를 사용 하 여 표면 패턴화를 달성 하기 위해 실시 됐다.
- 패턴화 된 그래 핀 기반 막 위에 20 nm 두꺼운 티타늄 (Ti) 패턴을 만듭니다.
- 열 1 h (그래 핀에 대 한그림 2e ) 및 그림 2i 가 100 ° C에서 뜨거운 접시에 샘플을 처리 합니다.
4입니다. 폴리머 프레임과 경첩의 제조
- Ti와 막 그래 핀 기반 위에 패턴, 양식 5 µ m의 두꺼운 층을 60 s 2500 rpm 스핀 코트 홍보-3와 2 분 동안 90 ° C에서 구워 표면.
- UV 노출 20 샘플 s, 3 분 동안 90 ° C에서 구워와 90에 대 한 개발 개발자 3 솔루션에서 s.
- 이소프로필 알코올 (IPA)와 디 물 샘플을 헹 구 고 신중 하 게 한 공기 총으로 샘플을 타격 건조.
- 후 구워 200 ° C (그래 핀에2f 그림 ) 및 이동에 대 한 그림 2j (홍보-3) 프레임의 기계적 강성을 향상 시키기 위해 15 분에서 샘플.
- 힌지 패턴, 60에 대 한 1000 rpm에서 스핀 코트 홍보-2 수 있도록 조립식된 기판 위에 10 µ m 두꺼운 막을 형성 하는 s. 60 s 115 ˚C 및 3 h에 대 한 대기에서 구워.
- UV 노출에 80에 대 한 연락처 마스크 aligner 샘플의 90에 대 한 개발 및 솔루션 개발자-2 s.
- 디 물 샘플을 린스 하 고 신중 하 게 (그래 핀에 대 한그림 2 g ) 및 이동에 대 한 그림 2 k 를 공기 총으로 샘플을 타격 건조.
5. 자체 디 물에 접는
참고: 홍보-2 경첩 녹아 (리플), 표면 장력 힘 생성 됩니다; 따라서, 2D 구조 (자체 접는 과정) 3 차원 구조로 변환.
- 2D 구조를 출시, Cu 현상 (그림 2 l)에서 2D 그물 아래 Cu 희생 레이어 디졸브.
- 신중 하 게를 피펫으로 사용 하 여 디 물 욕조에 풀어 놓인된 구조를 전송 하 고 몇 가지를 씻어 잔류 Cu 현상 제거 하는 시간.
- 디 물에 장소는 2D 구조는 폴리머의 용융 점 이상 (홍보-2) 경첩 (그림 2 m)를가 열.
- 실시간 을 통해 광학 현미경에서 자체 접는 모니터 하 고 닫힌된 조각으로 성공적인 어셈블리에 열원에서 제거.
6입니다. 보호 레이어 제거
- 자기를 접는 후, Cr 현상 (그림 2n)와 Al2O3/Cr 보호 레이어를 제거 합니다.
- 부드럽게 디 물 목욕으로 큐브를 전송 하 고 신중 하 게 린스.
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Representative Results
그림 2 는 2D 그래 핀의 이동 그물 구조 석판 과정과 후속 자체 접는 과정의 광학 이미지를 표시합니다. 자기 접는 과정은 모니터링 실시간 을 통해 고해상도 현미경. 두 가지 유형의 3 차원 그래 핀 기반 큐브 ~ 80 ° c.에 접혀 있다 그림 3 병렬 방식에서 3 차원 그래 핀 기반 큐브 자체 접는 보여주는 비디오 캡처 시퀀스를 낳는다. 최적화 된 프로세스에서이 이렇게 ~ 90%의 높은 수익률을 보여 줍니다.
그림 4 는 3D 조립 그래 핀 및 이동 기반 큐브 표면 패턴 없이 광학 이미지. 접힌된 자체 큐브의 전체 크기는 200 (폭) × 200 (길이) × 200 (높이) µ m3입니다. 표면 패턴화 능력을 보여, 20 nm 두꺼운 꽃무늬 Ti 기능 및 "UMN" 글자는 3D 그래 핀 기반 입방체의 각 면에 정의 됩니다.
구조상 평가 하 그래가 막 자기 접는 동안에 변화는 자체 접는 후 라만 스펙트럼 특징이 통해 는 고 하기 전에 구조를가 그래 핀의 속성을 처리. 그림 5a 와 5b 깨끗 한 그래 핀 기반 재료, 2 차원 그래 핀 기반 그물, 및 3 차원 그래 핀 기반 큐브 라만 분광학을 포함 됩니다. 결과 보여 눈에 띄는 변화가 없다 라에 피크 위치와 그래 핀을 이동 막 강도 자체 접는 후. 그러나, 사용 될 때 보호 레이어 되지 않습니다 (그림 5c), 상대 피크 농도에서 눈에 띄는 변화가 관찰 되었다, 자체 접는 동안 변경 또는 손해 그래 핀의 특성을 나타내는.
그림 1 : 3 차원 그래 핀 기반 큐브 자체 접는 과정의 개요 그림 (a) 모방 2D net 보호 계층입니다. (b) 그래 핀 기반 세포 막 보호 레이어 위에 전송합니다. (c) 금속 표면 패턴화 그래 핀 기반 세포 막에. (d) 패턴 프레임과 경첩. (e) 기판 및 높은 온도 통해 경첩의 리플로우에 의해 구동 접는 자체에서 2D 구조를 공개. (f) 3 차원 그래 핀 기반 큐브의 보호 층의 제거. 이 그림은 권한을28와 적응. 저작권 2017, 미국 화학 사회 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2 : 2D 그래 핀 및 이동 그물 구조와 후속 자체 접는의 석판 제조 과정의 광학 이미지 처리 (-c) 보호 레이어 제조. (a) 10 nm 두께 Cr 및 300 nm 두꺼운 Cu 희생 층 Si 웨이퍼에 입금 됩니다. (b) 10 nm 두꺼운 Cr 층 및 (c) 100 nm 두께 Al2O3/10 nm 두꺼운 Cr 보호 레이어는 정의 (160 × 160 µ m2). (d-g) CVD 그래 핀 멤브레인 및 Ti로 2D 그물. (d)는 다층 그래 핀 기판에 전송 하 고 산소 플라즈마 처리를 통해 패턴. (e)에 위에 꽃무늬 그래 막 20 nm 두꺼운 티 패턴 정의 됩니다. (f)는 5 µ m 두께 홍보-3 프레임 패턴은. (g) 힌지 패턴을, 10 µ m 두께 홍보 2 영화 패턴입니다. (h-k) 2D가 막 및 Ti로 그물. (h)가 물에 세 번 1000 rpm에서 스핀 코팅 60 초에 대 한 것입니다 ~ 10 nm 두께 막 생산. 가 막 패턴을 이륙 홍수 노출 프로세스를 통해 수행 됩니다. (i)에 위에 꽃무늬가 Ti 패턴 정의 됩니다. 다음, (j) 홍보-3 큐빅 프레임 및 (k) 홍보-2 경첩 패턴화 됩니다. (l n) 자체 접는 과정. (l)는 2D의 릴리스 희생 레이어에서 그물. (m) 자체의 폴딩 물에 서 있는 2D 그물 ~ 80 ° c.의 온도 적용 하 여 (n) 보호 계층의 제거입니다. 눈금 막대 = 200 µ m. 이 그림은 권한을28와 적응. 저작권 2017, 미국 화학 사회 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3 : 3 차원 그래 핀 기반 큐브 자체 접는 과정의 비디오 캡처 시퀀스 실시간 3 차원 그래 핀 기반 큐브 (a) 0, (보호 층을 에칭) 앞 (b) 30, (c) 60, 90 (d), (e) 120, 및 (f) 150 s 후 캡처한의 광학 이미지. 눈금 막대 = 200 µ m. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4 : 3 차원 그래 핀 기반 큐브 표면 패턴 없이 광학 이미지 CVD 그래 핀 필름의 3 개의 레이어와 확대 된 이미지의 3D CVD 그래 핀 기반 큐브의 위쪽 표면 (a-b) 3D 큐브. 금속 패턴 (c-d) 3D 큐브 (20 nm 두꺼운 Ti) CVD 그래 핀 멤브레인과 확대 된 이미지의 3 차원 그래 핀 기반 큐브 티 패턴의 위쪽 표면에. (e-f) 3D가 기반 큐브 고 확대 된 이미지의 3D가 기반 큐브의 위쪽 표면. (g-h) 자기 접힌된 3D가 기반 큐브 티 패턴 및 확대 된 이미지의 3D가 기반 큐브 티 패턴의 위쪽 표면. 눈금 막대 = 100 µ m. 이 그림은 권한을28와 적응. 저작권 2017, 미국 화학 사회 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5 : 라만 분광학 2 차원 그래 핀 기반 막 및 3 차원 그래 핀 기반 큐브 (Si 기판에 초기 CVD 그래 핀의 라만 a) 스펙트럼, 2D 패턴 CVD 그래 핀 (자체 접는 전에), 그리고 무료 서 3D 그래 큐브 (자동 접기) 후. 3 봉우리 근처 ~ 1340 cm-1 (D 밴드) ~ 1580 cm-1 (G 밴드)와 ~ 2690 cm-1 (2D 밴드) 관찰 된다. (b) 라만 스펙트럼의 ~ 10 층 (~ 10 nm 두께)가 영화의 시, 자동 접이식, 전후 자동 접이식 (무료 서 큐브). 4에서 봉우리 ~ 1360 cm-1 (D 밴드) ~ 1605 cm-1 (G 밴드), ~ 2715 cm-1와 ~ 2950 cm-1 (D + G 밴드) 관찰 된다. (구조의 3 차원 그래 핀 기반 (녹색)와 c) 라만 스펙트럼 (빨간색) 없이 알루미늄2O3/Cr 보호 레이어를 사용 하 여. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
CVD 그래 핀으로 가공 큐브에 대 한 각각의 얼굴 때문에 주어진된 큐브는 주변 ~ 160 × 160 µ m2 지역 무료 서 그래 핀의 외부 프레임으로 설계 되었습니다, 그리고 단층 그래 핀의 단일 시트에는 허용 하도록 필요한 강도 큐브의 병렬 처리입니다. 이러한 이유로 CVD 그래 핀 단층 시트는의 3 개의 층으로 이루어진 그래 핀 막을 통해 3 명의 별도 그래 핀 사용 하 여 전송을 여러 아크릴 코팅/제거 단계 생산. 다른 한편으로가 막 준비, 우리가 사용 하 여 개별 이동 시트 물에 수정된 험 머의 방법27 를 통해 얻은. 가 막 패턴, 전통적인 사진 평판 홍수 노출을 통해 이륙 과정 다음 사용 합니다. 전통적인 사진 평판 했지만 막 증 착 프로세스 홍수 노출을 사용합니다. 스핀 코팅 이동 후 이륙 과정 다음 원치 않는 이동 영역을 제거 하는 개발자에서 수행 됩니다. 일부 개발자는 수산화 나트륨 (NaOH) 알칼리 용액 알루미늄과 알루미늄2O3를 파 놓 았는 포함 되어 있습니다. 따라서, NaOH 무료 개발자는 사용 되어야 한다. 이 작품에 대 한이 요구 사항을 충족 하는 데 사용 하는 특정 개발자 개발자 2 솔루션입니다.
그래 핀 기반 막 지 원하는 3D 큐브 프레임 홍보-3의 높은 기계 및 열 안정성으로 높은 광 투명성29인해 만들어집니다. 그것은 홍보 3의 열 및 기계적 안정성 가교 과정30에 따라 그 알려져 있다. 홍보 3의 최대 cross-linking 경우 그것은 하드-구운 이상 ~ 200 ° c. 하드-제빵, 후 홍보-3의 동적 계수 향상, 구조 동적 모션 동안 더 기계적 강도가지고 하 고 따라서 더는 기계적으로 안정. 사실, 열 폴딩 자체에 대 한 큐브 (또는 견본)에 적용 될 때 홍보-3 프레임 그들의 원래 모양을 유지 합니다. 그래 막;에 응력을 생성할 수 있습니다 그들은 손상의 다른 소스 티 패턴의 증 착은 그러나, 손상 되지 않은 그래 핀 막 뒤 자기 하지 직접 접는 홍보-3의 기계적 안정성의 데모 그래 막 (그림 3, 그림 4)의 보존에 기여할 수 있습니다. 또한, 홍보 3의 사진 정의 속성 크기의 쉬운 통제와 세미-3D 구조를 포함 하 여 다양 한 3 차원 구조의 실현에 대 한 3 차원 구조의 접는 각도의 쉬운 통제 함께 3D 큐브 모양의 수 있습니다.
종이 접기 같은 자체 접는 원리에 표면 장력 토크는 2D 그물 구조를 통해 경첩 물자의 리플로우 접어 생산 (예., 얇은 금속 필름 또는 열에 민감한 고분자)26,31. 홍보 2 경첩 폴리머의 표면 장력은 (~0.03 N/m)는 금속 경첩 (예를 들어, 솔더 ~0.5 N/m)26,28보다 낮은. 적은 회전 토크 2D 그물은 2D에 비해 접었을 때 금속 그물 낮은 표면 장력 생산26,31경첩. 낮은 토크 자체 접는 과정 동안 트라이 층 그래 핀 기반 세포 막에 스트레스를 줄일 수 있습니다. 3 차원 그래 핀 기반 큐브 ~ 80 ° C (그림 3)는 경첩의 녹는점에 리플로우에 접혀 있다 (금속 경첩 솔더, 융 점은 ~ 230 ° C)26. 놀랍게도, 최적화 된 프로세스에서이 이렇게 ~ 90%의 높은 수익률을 보여줍니다.
리소 그래피 중 그래 핀 멤브레인에 공간 스트레스 유도 박 리, 변형, 균열, 또는 추출 과정과 자동 폴딩. 예를 들어 (i) 그래 핀 멤브레인과 2D 그물 희생 레이어, 그래 핀 및 희생 층 (를 포함 하 여 잘라내기 또는 다른 많은 기질) 간의 강한 반 데르 발스 힘에서 놓으면 생성할 수, 깨진 결과 그래 막; (2) 접는 액체에서 자체, 동안 표면 장력 힘, 유체 힘, 그리고 중력 발생 크래킹 하 고 그래 핀 막의 변형. Cu 층 희생 계층에 대 한 사용 되 고 패턴화 Al2O3/Cr 추가적인 그래 핀 기반 세포 막을 보호 하는 보호 레이어로 사용. 처음에, 얇은 (10 nm 두께) Cr 레이어 보호 계층으로 사용 되었습니다. 그러나, 얇은 Cr 레이어 쇼 Cr 층의 기계적 특성부터 구조 변형 구조 Cu 희생 층에서 출시 되 면 그래 핀 기반 막을 충분히 강한 되지 않습니다. 나중에,이 문제를 해결 하려면 100 nm 두께 Al2O3/10 nm 두꺼운 Cr 층 위에 10 nm 두께 Cr/300 nm 두꺼운 Cu 희생 레이어 위에서 설명한 대로 추가 됩니다. 결과적으로, 보호 레이어 제조 공정 및 자기-접는 그래 막의 보존을 허용. 그래 막에 손상 없이 적절 한 현상에 의해 자동 접이식 후 3D 큐브에 보호 레이어를 제거할 수 있습니다.
3D CVD 그래 핀 기반 큐브 이미지는 매우 투명 하 고, 무료 서, 동봉 된 아키텍처를 (그림 4a) 눈에 띄는 균열 없음, 잔물결, 구멍, 또는 기타 손상 (확대 이미지에서 그림 4b) 세포 막에 선물 한다. 위에서 설명한 대로 3D CVD 그래 핀 기반 큐브를 생성 하는 데 사용 하는 동일한 방식을 사용 하 여 우리 또한 성공적으로 보여 큐브 제작 ~ 10 층의 구성 하는 멤브레인과 (~ 10 nm 두께)가 시트 (그림 4e, 4 층). 또한, Ti 표면 패턴화 3D 큐브는 매우 안정적인 (그림 4c, 4d 그래 핀에 대 한) 및 그림 4 g, 4 h 이동,와 다른 얼굴에 서로 다른 디자인을 가진 다양 한 표면 수정 데모 나왔다를 재료의 서로 다른 조합의 이기종 통합 3D 다기능 장치 건설을 위한 다양 한 전략. 그 결과, 그래 핀 기반 3D 큐브 (i) 쇼 무료 서 CVD 그래 핀 및 이동 창 막 구성 계층된 구조 (복합 형성 없음); (ii) 포함 한 추가 지원 이나 기판; 필요 하지 않습니다 하지만 빈 구조 그리고 (iii) 표면 수정 통해 금속 패터 닝 그래 핀 이나 GO 표면에 어떤 원하는 패턴, 우리의 접근은 기존의 리소 프로세스와 호환 때문에.
라만 분광학은 그래 핀 및 관련된 자료의 특성을 효과적이 고, 비 침 투 적인 방법으로 확고 하 고 다양 한 두께도 핑, 장애, 가장자리 및 곡물 경계 그래 핀 기반 예제에 대 한 세부 정보를 제공할 수 있습니다. 열 전도도 그리고 긴장입니다. 또한,이 특성화 메서드는 유연한로 다양 한 환경 조건32,33,,3435에서 샘플에 적용할 수 있습니다. 따라서 그래 핀의 구조에서 중요 한 변화는 우리 자체 접는 후 라만 봉우리 위치 또는 농도에 변화를 볼 수 있어야 합니다. 와 같이 그림 5a-5b, Al2O3/Cr 보호 레이어 (두 CVD 그래 핀 기반 막 보호 하는 데 도움이 이후 자체 접는 후 피크 위치와 강도에 더 큰 변화를 볼 수 있습니다 그래가 서) 제작 중. 그러나, 같이 그림 5 c, 보호 레이어 사용 하지 않을 때, 그래 막은 손상 자체 접는 동안 결과 더 높은 D 밴드 (1340 ~ cm-1) 및 낮은 2D 악대 (2690 ~ cm-1). 그래 핀 결함에 양적 정보 D 밴드와 G 밴드의 피크 강도 비율에 의해 분석 될 수 있다 (ID/GI): 낮은 가치 나D/IG 의미 낮은 결함 그래. 그림 5a 에서 우리 ID/G I 값은 다른 CVD 그래 다층 시트36~0.65 될 3D 그래 핀의 계산 합니다. 따라서, 이러한 관측 자체 접는 과정은 CVD 그래 핀에가 서 막 (자료의 본질적인 속성을 유지 하 고 레이어 사이 아무 화학 윤 발생), 큰 변화를 만들지 않은 나타냅니다 시연은 보고 방법 견고성
빈, 무료 서, 다면체 큐브, 생산 뿐만 아니라 여기 자체 접는 방법이 있게 2D 그래 막에 금속, 절연체, 반도체 재료의 구성 된 표면 패턴화 동안 큐브에 적용 그래 핀의 기본 속성을 유지. 전자 및 광학 장치, 센서 등 3 차원 구성의 여러 가지 이점을 활용 하 여 전기 회로의 개발에 대 한 수 있습니다. 또한, 이후 사용 되는 프로세스만 그래 핀 기반 자료에 국한 되지 않습니다,이 방법에 적용할 수 있습니다 검은 인, 우리의 제조 접근에 다룰 수 있게 함으로써 전이 금속 dichalcogenides 등 다른 2D 자료 다음-세대 3D reincarnations 2D 재료의 개발.
높은-온도 (~ 80 ° C) 접는 메커니즘에 필요한 과정을 접는 온도 줄이기 위해 더 최적화 될 수 있습니다 하지 않는 한 생명 의학 어플리케이션에 문제가 될 수 있습니다. 또한, 홍보 2 힌지 (hinge) 소재 생체 재료가 아니다. 미래 연구는 생체 경첩 소재 폴리에스터 등의 합성 hydrogels 낮은 온도 (낮은 에너지)에 대응 하는 개발에 집중할 것 이다. 우리 최근 비슷한 구조 메커니즘을 통해 원격 제어 자동 접이식이 존중37에 도움이 될 수 있는 제조 수 있다.
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Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
이 자료는 미네소타의 대학, 트윈 도시와 NSF 경력 수상 (CMMI-1454293)에 개시 기금에서 지 원하는 작업을 기반으로 합니다. 이 작업의 네트워크의 구성원은 NSF 투자 자료 연구 시설 (프로그램을통해 MRSEC 미네소타 대학에서 특성화 시설에서 실시 했다. 이 작품의 일부는 국립 과학 재단 통해는 국가 나노 조정 인프라 네트워크 (NNCI) 수상 번호 ECCS-1542202에서 지원 되는 미네소타 나노 센터에서 실시 되었다. C. D. 인정 3 M 과학 및 기술 협력에서 지원 합니다.
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).
