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Engineering

Herstellung von dreidimensionalen Graphen-basierte Polyeder über Falten Origami gefällt mir selbst

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

Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll für die Herstellung von 3D Graphen-basierte Polyeder über Falten Origami gefällt mir selbst.

Abstract

Die Montage der zweidimensionalen (2D) Graphen in dreidimensionale (3D) polyedrischen Strukturen unter Beibehaltung der ausgezeichneten inhärenten Eigenschaften der Graphen ist von großem Interesse für die Entwicklung von Anwendungen für neuartige Geräte gewesen. Hier, Herstellung von 3D, Microscale, hohl Polyeder (Würfel), bestehend aus ein paar Schichten 2D Graphen oder Graphen oxid Blätter über eine Origami-wie selbst faltvorgang beschrieb. Diese Methode beinhaltet die Verwendung von Polymer-Rahmen und Scharniere, Aluminiumoxid/Chrom Schutzschichten, die Zugfestigkeit, räumliche reduzieren und Oberflächenspannung betont auf den Graphen-basierte Membranen, wenn die 2D Netze in 3D Würfel umgewandelt werden. Das Verfahren bietet Kontrolle über die Größe und Form der Strukturen sowie die parallele Fertigung. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz die Schaffung von Oberflächenmodifikationen von Metall auf jeder Seite der 3D Würfel-Strukturierung. Raman Spektroskopie Studien zeigen, dass die Methode ermöglicht die Erhaltung der inhärenten Eigenschaften der Graphen-basierte Membranen, demonstriert die Robustheit unserer Methode.

Introduction

Zweidimensionale (2D) Graphene Blätter besitzen außergewöhnliche optische, elektronische und mechanische Eigenschaften, so dass sie für die Beobachtung der neuartigen Quantenphänomene für die nächste Generation elektronischer, optoelektronische, elektrochemische Systeme zu modellieren, Elektromechanische und biomedizinische Anwendungen1,2,3,4,5,6. Neben als produziert 2D Schichtaufbau des Graphen vor kurzem wurden verschiedene Ansätze der Änderung um neue Funktionalitäten von Graphen zu beobachten und versuchen neue Anwendungsmöglichkeiten untersucht. Z. B. Modulation (oder tuning) seine physikalischen Eigenschaften (z. B. doping bzw. Band Gap) durch Anpassung der Formen oder Musterung der 2D auf eine eindimensionale (1D) oder nulldimensionale (0d) Struktur Struktur (zB., Graphen Nanoribbon oder Graphen Quantenpunkte) wurde untersucht, um neue physikalische Phänomene einschließlich Entbindung Quanteneffekte, lokalisierte plasmonische Modi, lokalisierte Elektronenverteilung und Spin-polarisierten Rand Staaten7,8 zu erhalten ,9,10,11,12. Darüber hinaus variieren die Textur von 2D Graphen durch zerknitterte (häufig genannt Kirigami), Delamination, Knicken, verdrehen, oder Stapeln von mehreren Schichten oder ändern die Oberflächenform des Graphen durch die Übertragung von 2D Graphen auf eine 3D-Funktion (Substrat) wurde gezeigt, dass die Graphen Benetzbarkeit, mechanischen Eigenschaften und optische Eigenschaften13,14ändern.

Darüber hinaus ändern die Oberflächenmorphologie und Schichtstruktur der 2D Graphen, Montage von 2D Graphen in funktionalisierten, genau definierten, dreidimensionalen (3D) Polyeder wurde vor kurzem in der Graphen-Gemeinschaft zu neuen physikalischen von großem Interesse und chemische Phänomene15. In Theorie, elastisch, elektrostatische, und van der Waals können Energien 2D Graphen-basierte Strukturen genutzt werden, um die 2D Graphen in verschiedenen Graphen 3D-Origami Konfigurationen16,17zu verwandeln. Basierend auf diesem Konzept, untersucht theoretische Modellierung Studien 3D Graphen Struktur Entwürfe, gebildet von nanoskaligen 2D Graphen Membranen mit Einsatzmöglichkeiten in Drug Delivery und allgemeine Molekulare Speicherung16,17. Die experimentelle Fortschritte dieses Ansatzes ist jedoch noch weit davon entfernt, diese Anwendungen zu realisieren. Auf der anderen Seite wurden eine Reihe von chemisch-synthetischen Methoden entwickelt, um 3D Strukturen über Vorlage-gestützte Montage, unter der Regie von Strömung, mit Treibmittel an Montage- und winkeltreue Wachstum Methoden18,19 zu erreichen , 20 , 21 , 22. diese Methoden sind jedoch derzeit beschränkt, dass sie eine 3D, hohle, geschlossene Struktur erzeugen können, ohne die wesentlichen Eigenschaften der Graphen Blätter.

Hier wird eine Strategie für den Aufbau von 3D, hohl, Graphen-basierte Microcubes (allgemeine Bemaßung von ~ 200 µm) mit Falten Origami-wie selbst beschrieben; die größten Herausforderungen beim Bau von freistehenden, hohl, 3D, polyedrischen, Graphen-basierte Materialien zu überwinden. In Origami-Like, Freisprech-Self Falttechniken sind 2D lithographically angeordneten flächige Elementen (z.B. Graphen-basierte Membranen) mit Scharnieren (d. h. thermisch empfindliche Polymer, Fotolack) an verschiedenen Gelenken, damit verbunden 2D bilden Netze die Hochklappen, wenn die Scharniere zu schmelzen Temperatur23,24,25,26erhitzt werden. Die Graphen-basierte Cubes sind mit Fenster Membran Komponenten bestehend aus ein paar Schichten der chemical Vapor Deposition (CVD) angebaut, Graphen oder Graphene oxid (GO) Membranen realisiert; beide mit dem Einsatz von Polymer-Rahmen und Scharniere. Die Herstellung der Graphen-basierte 3D Würfel beinhaltet: (i) Vorbereitung der Schutzschichten, (Ii) Graphen-Membran übertragen und Musterung, (Iii) Metalloberfläche Musterung auf Graphen-Membranen, (iv) Rahmen und Scharniere Musterung und Ablagerung, (V). selbst Falten, und (vi) Entfernung von Schutzschichten (Abbildung 1). Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf die selbst Falten Aspekte der 3D Graphen-basierte Würfel Fabrikation. Informationen über physikalische und optische Eigenschaften der Graphen-basierte 3D Würfel finden Sie in unseren anderen jüngsten Publikationen27,28.

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Protocol

Achtung: Einige der Chemikalien in diese Synthesen verwendet sind giftig und können zu Reizungen und schwere Organschäden wenn berührt oder inhaliert. Bitte verwenden Sie geeignete Sicherheitsausrüstung und tragen Sie persönlichen Schutzausrüstung zu, beim Umgang mit Chemikalien.

1. Vorbereitung von Aluminiumoxid und Chrom-Schutzschichten auf Kupfer Opferschicht

  1. Mit einem Elektronenstrahl Verdampfer, 10 nm Dicke Chrom (Cr) und 300 nm dicke Kupfer (Cu) Schichten (Opferschicht) Einzahlung auf das Siliziumsubstrat (Si) (Abbildung 2a).
  2. Spin-Mantel folgte ein Photoresist (PR)-1 bei 2500 u/Min backen bei 115 ° C für 60 s.
  3. Setzen Sie die gestalteten 2D net Bereiche ultraviolettes (UV) Licht auf einen Kontakt Mask Aligner für 15 s und entwickeln für 60 s in Entwickler-1-Lösung. Spülen Sie die Probe mit entionisiertem Wasser (DI) und Föhnen mit einem Luftgewehr.
  4. 10 nm Dicke Cr Schicht und Lift-Off die verbleibenden PR - 1 In Aceton zu hinterlegen. Die Probe mit VE-Wasser waschen und Föhnen mit einem Luftgewehr (Abb. 2 b).
  5. Muster 2D mit sechs Quadrat Al2O3/Cr Schutz Schichten auf das 2D net, Spin-Fell ein PR-1 bei 2500 u/min Netze, gefolgt von backen bei 115 ° C für 60 s.
  6. Setzen Sie die gestalteten sechs quadratische Schutzschichten gegen UV-Licht auf einen Kontakt Mask Aligner für 15 s und entwickeln für 60 s in Entwickler-1-Lösung. Die Probe mit VE-Wasser waschen und Föhnen mit einem Luftgewehr.
  7. Lege eine 100 nm Dicke Al2O3 Schicht und 10 nm Dicke Cr Schicht ab. Entfernen Sie verbleibenden PR - 1 In Aceton. Die Probe mit VE-Wasser waschen und Föhnen mit einem Luftgewehr (Abbildung 2 c).

2. Vorbereitung des Graphen und Graphene oxid Membranen

Hinweis: In dieser Studie werden zwei Arten von Graphen-basierte Materialien verwendet: (i) chemische Aufdampfen (CVD) angebaut, Graphen und Graphen (Ii) oxid (GO).

  1. Herstellung von mehrschichtigen CVD-Graphen-Membranen
    Hinweis: Um mehrschichtige Graphen Membranen zu erhalten, einschichtige Graphen wird übertragen, drei Mal mit mehreren Polymethyl Methacrylat (PMMA) Beschichtung/Entfernung Schritte.
    1. Beginnend mit einem ~ 15 mm quadratischen Stück Graphen auf Cu-Folie, Spin-Mantel eine dünne PMMA-Schicht bei 3000 u/min auf der Oberfläche der Graphen eingehalten. Backen Sie bei 180 ° C für 10 Minuten.
    2. Legen Sie das PMMA/Graphen/Cu Folie geschichteten Blatt in Cu Ätzmittel für 24 h Weg Ätzen der Cu-Folie Cu-Seite nach unten zu schweben.
    3. Nach der Cu Folie ist komplett aufgelöst (Abfahrt PMMA/Graphen), übertragen die schwimmenden PMMA-beschichtete Graphen auf die Oberfläche eines Pools von VE-Wasser mit einem Mikroskop Folie Glas um Cu Ätzmittel Rückstände zu entfernen. Wiederholen Sie die Übertragung von PMMA-beschichtete Graphen auf neue DI-Wasser-Pools mehrmals, um ausreichend zu spülen.
    4. Übertragung der schwimmenden PMMA-beschichtete Graphen auf ein weiteres Stück des graphens eingehalten auf Cu-Folie (Graphen/Cu), eine Bi-Ebene Graphen-Membran (bilden eine PMMA/Graphen/Graphen/Cu-Folie-Struktur) zu erhalten.
    5. Thermisch behandeln die Doppelschicht-Graphen auf der Cu-Folie auf einer heißen Platte bei 100 ° C für 10 Minuten.
    6. PMMA auf die Doppelschicht-Graphen auf der Cu Folie in einem Aceton-Bad (wobei ein Schichtstapel Graphen/Graphen/Cu-Folie), gefolgt von Übertragung auf DI Wasser entfernen.
    7. Wiederholen Sie die Übertragung von Graphen (2.1.1 - 2.1.5) noch einmal um drei gestapelten Schichten von Graphen Membranen zu erhalten. Wenn Schritt 2.1.4, bei der Wiederholung erreicht ist, anstatt zu übertragen das neue PMMA-beschichtete Graphene Blatt auf ein weiteres Stück des Graphen/Cu, übertragen Sie die neue PMMA-beschichtete Graphen auf bereits vorgefertigte Graphen Doppelschicht-Schritt 2.1.6 auf form PMMA/Graphen/Graphen/Graphen/Cu-Folie Schicht Kombination. Wiederholen Sie Schritt 2.1.5 ohne Modifikation.
    8. Legen Sie das PMMA/Graphen/Graphen/Graphen/Cu Folie geschichteten Blatt in Cu Ätzmittel für 24 h Weg Ätzen der Cu-Folie Cu-Seite nach unten zu schweben.
    9. Übertragen Sie die PMMA-beschichtet 3-Schichten des Graphen Membranen (PMMA/Graphen/Graphen/Graphen) auf die vorgefertigten Al2O3/Cr Schutzschichten von Abschnitt 1.
    10. Entfernen Sie nach Gefahrübergang die Graphen PMMA mit Aceton. Dann Tauchen Sie die Probe in VE-Wasser und an der Luft trocknen.
    11. Thermisch behandeln Sie die multi-Layer-Graphen auf dem Substrat auf einer heißen Platte bei 100 ° C für 1 h.
    12. Spin-Mantel PR-1 bei 2500 u/min und backen bei 115 ° c für 60 s.
    13. UV aussetzen der Regionen von PR-1 direkt oberhalb des quadratischen Schicht Schutzgebiete mit einem Kontakt Mask Aligner für 15 s und entwickeln für 60 s in Entwickler-1-Lösung.
    14. Entfernen der neu aufgedeckt, unerwünschte Graphen Bereichen über eine Sauerstoff-Plasmabehandlung für 15 s.
    15. Entfernen Sie die übrig gebliebenen PR-1 in Aceton.
    16. Die Probe mit VE-Wasser spülen und Trocknen in Luft (Abb. 2d).
  2. Vorbereitung von Graphene oxid Membranen
    Hinweis: Traditionelle Fotolithografie, gefolgt von einer Lift-Off-Prozess über Flut Exposition wird verwendet, um die GO-Membranen Muster.
    1. Spin-Mantel PR-2 bei 1700 u/min für 60 s über die zuvor gefertigten Al2O3/Cr Schutzschichten eine 10 µm dicke Schicht zu erhalten. Backen Sie die PR-2 bei 115 ° C für 60 s und dann auf 3 h warten.
    2. Mit der gleichen Maske zur Strukturierung der Al2O3/Cr Schutzschicht, UV aussetzen die Probe auf einem Kontakt Mask Aligner für 80 s und entwickeln für 90 s in Entwickler-2-Lösung. Die Probe mit VE-Wasser waschen und Föhnen mit einem Luftgewehr.
    3. Führen Sie eine Flut uvbelichtung der gesamten Probe ohne Maske für 80 s.
    4. Spin-Mantel vorbereitet unterwegs-Wasser-Gemisch (15 mg GO Pulver in 15 mL VE-Wasser) auf die Probe bei 1000 u/min für 60 s. Perform Spin-Coating insgesamt 3 Mal.
    5. Tauchen Sie die Probe im Entwickler-2-Lösung, Lift-Off unerwünschte Go ermöglicht.
    6. Spülen Sie die Probe mit VE-Wasser und Föhnen Sie sorgfältig die Probe mit einem Luftgewehr.
    7. Thermisch behandeln Sie die Probe auf einer heißen Platte bei 100 ° C für 1 h (Abb. 2 h).

3. Metall Oberfläche Musterung auf Graphen-basierte Membranen

Hinweis: Ein gemeinsames Fotolithografie-Verfahren wurde durchgeführt, um die Oberfläche Musterung unter Verwendung eines UV Kontakt Mask Aligner und Elektronenstrahl Verdampfer (siehe 1.2-1.4) zu erreichen.

  1. 20 nm dicken Titan (Ti) Muster auf der Oberseite der gemusterten Graphen-basierte Membranen zu schaffen.
  2. Thermisch behandeln Sie die Probe auf einer heißen Platte bei 100 ° C für 1 h (Abbildung 2e für Graphen) und Abbildung 2i für GO.

4. Herstellung von Polymer-Rahmen und Scharniere

  1. Auf Graphen-basierte Membranen mit Ti Oberfläche Muster, Spin-Mantel PR-3 bei 2500 u/min für 60 s zu bilden eine 5 µm dicke Schicht und bei 90 ° C für 2 min backen.
  2. UV entlarven die Proben für 20 s, bei 90 ° C für 3 min Backen und entwickeln für 90 s in Entwickler-3 Lösung.
  3. Spülen Sie die Probe mit VE-Wasser und Isopropylalkohol (IPA) und Föhnen Sie sorgfältig die Probe mit einem Luftgewehr.
  4. Nach dem Backen der Proben bei 200 ° C für 15 min, die mechanische Steifigkeit der Rahmen (PR-3) (Abbildung 2f für Graphen) und Abbildung 2j für GO zu verbessern.
  5. Um das Scharnier Muster, Spin-Mantel PR-2 1000 u/min für 60 s, ein 10 µm Dicke Folie auf der Oberseite der vorgefertigten Substrat zu bilden. Backen Sie bei 115 ° c für 60 s und warten Sie 3 h.
  6. UV aussetzen die Probe auf einem Kontakt Mask Aligner für 80 s und entwickeln für 90 s in Entwickler-2-Lösung.
  7. Spülen Sie die Probe mit VE-Wasser und Föhnen Sie sorgfältig die Probe mit einem Luftgewehr (Abbildung 2 g für Graphen) und Abbildung 2 k für unterwegs.

5. Falten selbst in VE-Wasser

Hinweis: Wenn die PR-2 Scharniere sind geschmolzen (oder reflow), entsteht eine Oberflächenspannung Kraft; Daher verwandeln die 2D Strukturen in 3D-Strukturen (Self faltvorgang).

  1. Um die 2D Struktur zu lösen, lösen sich die Cu Opferschicht unter 2D Netzen in einem Cu Ätzmittel (Abbildung 2 l).
  2. Sorgfältig die freigegebene Struktur in ein Wasserbad DI mithilfe einer pipettieren übertragen und spülen Sie ein paar Mal, die restlichen Cu Ätzmittel zu entfernen.
  3. Ort der 2D Struktur in VE-Wasser erhitzt über den Schmelzpunkt des Polymers (PR-2) Scharniere (Abbildung 2 m).
  4. Überwachen, die selbst Faltung in Echtzeit über optische Mikroskopie und Entfernen von der Wärmequelle auf erfolgreichen Montage in geschlossenen Würfel.

6. Entfernen des Schutzes "Layers"

  1. Entfernen Sie nach selbst Falten, die Al2O3/Cr Schutzschichten mit Cr Ätzmittel (Abbildung 2n).
  2. Sanft die Würfel in ein Wasserbad DI übertragen und sorgfältig ausspülen.

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Representative Results

Abbildung 2 zeigt optische Bilder von lithografischen Prozessen der 2D Graphen und GO Netzstrukturen und anschließende selbst faltvorgang. Der selbst faltvorgang wird überwacht in Echtzeit über eine hochauflösende Mikroskop. Beide Arten von 3D Graphen-basierte Würfel gefaltet sind bei ~ 80 ° C. Abbildung 3 legt aufgenommenen Videosequenzen zeigen, die selbst Faltung des 3D Graphen-basierte Würfel in einer parallelen Weise. Dieser Ansatz zeigt unter einem optimierten Prozess eine höchsten Ausbeute von ca. 90 %.

Abbildung 4 zeigt optische Bilder der 3D montierten Graphen und GO-basierten Würfel mit und ohne Oberflächenmuster. Die Gesamtgröße der selbst gefalteten Würfel beträgt 200 (Breite) × 200 (Länge) × 200 (Höhe) µm3. Um die Oberfläche Musterung Fähigkeit zeigen, sind 20 nm dicken Ti gemustert Funktionen und "UMN" Schriftzug auf jeder Seite der 3D Graphen-basierte Cubes definiert.

Auszuwertende die strukturellen Veränderungen in den Graphen und GO Membranen während die Self-Faltung verarbeiten, Eigenschaften der Graphen und gehen Strukturen vor und nach der Faltung selbst sind zeichnet sich durch Raman-Spektren. Abbildung 5a und 5 b gehören Raman-Spektroskopie der unberührten Graphen-basierte Materialien, 2D Graphen-basierte Netze und 3D Graphen-basierte Würfel. Die Ergebnisse zeigen keine spürbaren Veränderungen in Raman Peak-Position und Intensität für Graphen und GO Membranen nach dem selbst Falten. Jedoch wenn Schutz, die Schichten nicht sind (Abbildung 5 c) verwendet, wurden spürbare Veränderungen im relativen Höhepunkt Intensitäten beobachtet, zeigt die Veränderungen oder Schäden an den Eigenschaften von Graphen während der selbst Falten.

Figure 1
Abbildung 1 : Schematische Darstellung der selbst faltvorgang 3D Graphen-basierte Würfel (a) Musterung 2D net Schutzschicht. (b) Übertragung von Graphen-basierte Membranen auf der Schutzschicht. (c) Metalloberfläche Musterung auf Graphen-basierte Membranen. (d) Strukturierung Rahmen und Scharnier. (e) die Freigabe der 2D Strukturen aus dem Substrat und selbst Falten, angetrieben von der Reflow die Scharniere über hohe Temperatur. (f) Entfernen der Schutzschicht der 3D Graphen-basierte Würfel. Diese Zahl ist mit Erlaubnis28angepasst. Copyright 2017, American Chemical Society. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2 : Optische Bilder von den lithographischen Fertigungsprozess der 2D Graphen und GO Netzstrukturen und anschließende selbst Falten zu verarbeiten (c) Herstellung von Schutzschichten. (a) 10 nm Dicke Cr und 300 nm Dicke Cu Opferschichten sind auf einem Si-Wafer hinterlegt. (b) 10 nm Dicke Cr Schicht und (c) 100 nm Dicke Al2O310 nm Dicke Cr Schutzschichten sind definierte (160 × 160 µm2). (d-g) 2D Netze mit CVD Graphen Membranen und Ti Mustern. (d) die mehrschichtigen Graphen wird auf das Substrat übertragen und über eine Sauerstoff-Plasmabehandlung gemustert. (e) an den gemusterten Graphen-Membranen sind 20 nm dicken Ti Muster definiert. (f) die 5 µm dicken PR-3 Frames sind gemustert. (g) um das Scharnier-Muster zu machen, ist ein 10 µm dicken PR-2 Film gemustert. (h-k) 2D Netze mit GO-Membranen und Ti Mustern. (h) gehen im Wasser ist Spin-beschichtete dreimal bei 1000 u/min für 60 Sekunden, ~ 10 nm Dicke GO Membranen zu produzieren. Ein Lift-Off über Flut Belichtungsvorgang wird durchgeführt, um die GO-Membranen Muster. (i) über die gemusterten GO sind Ti-Muster definiert. Dann sind (j) der PR-3 kubischen Rahmen und (k) PR-2 Scharniere gemustert. (l-n) selbst faltungsprozess. (l) die Freigabe der 2D Netze aus die Opferschicht. (m) Falten selbst der freistehenden 2D Netze im Wasser mit einer Temperatur von ca. 80 ° C. (n) Entfernung von der Schutzschichten. Maßstabsleiste = 200 µm. Diese Zahl ist mit Erlaubnis28angepasst. Copyright 2017, American Chemical Society. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3 : Eine Video-capture Sequenz von der Self faltvorgang 3D Graphen-basierte Würfel Optische Bilder in Echtzeit 3D Graphen-basierte Würfel nach (a) 0, (b) 30, (c) 60 90 (d), 120 (e) und (f) 150 s (vor dem Ätzen der Schutzschicht) erfasst. Maßstabsleiste = 200 µm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4 : Optische Bilder 3D Graphen-basierte Würfel mit und ohne Oberflächenmuster (a-b) einen 3D Würfel mit drei Schichten von CVD-Graphen-Filmen und einem vergrößerten Bild von der Oberseite der CVD Graphen-basierte 3D-Würfel. (c-d) ein 3D Würfel mit Metall Muster (20 nm dicken Ti) auf den CVD-Graphen-Membranen und eine vergrößerte Bild von der oberen Fläche des Graphen-basierte 3D-Würfel mit den Ti-Mustern. (e-f) ein 3D GO-basierten Cube und einem vergrößerten Bild von der Oberseite des GO-basierten 3D Cube. (g-h) selbst gefalteten 3D GO-basierten Cube mit Ti Muster und einem vergrößerten Bild von der oberen Fläche des GO-basierte 3D-Würfel mit den Ti-Mustern. Maßstabsleiste = 100 µm. Diese Zahl ist mit Erlaubnis28angepasst. Copyright 2017, American Chemical Society. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5 : Raman-Spektroskopie von 2D Graphen-basierte Membranen und 3D Graphen-basierte Würfel (a) Raman-Spektrum von unberührten CVD-Graphen auf einem Si-Substrat, gemusterte 2D CVD-Graphen (Spielbetrieb selbst) und freistehende 3D Graphen Würfel (nach selbst Falten). Die drei Gipfel in der Nähe von ~ 1340 cm-1 (D-Band), ~ 1580 cm-1 (G-Band) und ~ 2690 cm-1 (2D Band) eingehalten werden. (b) Raman-Spektrum von ~ 10 Schichten (~ 10 nm dick) GO Filme auf Si, vor dem selbst zusammenklappen und nach selbst Falten (freistehende Würfel). Die vier peaks bei ~ 1360 cm-1 (D-Band), ~ 1605 cm-1 (G-Band), ~ 2715 cm-1, und ~ 2950 cm-1 (D + G Band) eingehalten werden. (c) Raman-Spektrum von 3D Graphen-basierte Strukturen mit (grün) und ohne (rot) die Verwendung von Al2O3/Cr Schutzschicht. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Für die Würfel fabriziert mit CVD-Graphen weil jedes Gesicht von ein bestimmter Cube soll mit einem äußeren Rahmen Umgebung ein ~ 160 × 160 µm2 freistehende Graphen, ein einzelnes Blatt Monolage Graphen muss nicht die nötige Kraft zu ermöglichen parallele Verarbeitung der Würfel. Aus diesem Grund produziert Graphen Membranen bestehend aus drei Schichten von CVD Graphen Monolage, die Blätter sind über drei getrennte Graphen Transfers mit mehreren PMMA Beschichtung/Entfernung Schritte. Auf der anderen Seite für GO Membran Vorbereitung, verwenden wir gehen Einzelblätter im Wasser, über einen modifizierten Hummer Methode27erhalten. Um die GO-Membranen Muster, wird traditionelle Fotolithografie, gefolgt von einer Lift-Off-Prozess über Flut Exposition verwendet. Das Verfahren nutzt eine Flut Belichtung nach traditionellen Fotolithografie aber vor GO Membran Ablagerung. Nach GO Spin-Coating erfolgt ein Lift-Off-Prozess dann im Developer, die unerwünschte GO-Bereiche zu entfernen. Einige Entwickler enthält Natriumhydroxid (NaOH) wässrigen alkalischen Lösung, der Aluminium und Al2O3ätzt. Daher sollte ein NaOH freier Entwickler verwendet werden. Für diese Arbeit ist der spezifische Entwickler verwendet, um diese Anforderung zu erfüllen Entwickler-2-Lösung.

Die Rahmen der 3D Würfel unterstützen die Graphen-basierte Membranen bestehen aus PR-3 durch seine hohe mechanische und thermische Stabilität sowie hohe optische Transparenz29. Es ist bekannt, dass die thermische und mechanische Stabilität des PR-3 von der Vernetzung Prozess30abhängt. Die maximale Vernetzung der PR-3 tritt ein, wenn es hart-über ~ 200 ° c gebacken Nach dem hart-Backen, die dynamischen e-Moduls von PR-3 verbessert, darauf hinweist, dass die Strukturen mehr mechanischen Festigkeit während der dynamischen Bewegung und somit mehr sind mechanisch stabil. In der Tat, wenn die Hitze auf den Würfel (oder Muster) zum selbst Falten angewendet wird, pflegen die PR-3 Frames ihre ursprüngliche Form. Eine weitere Quelle für mögliche Schäden ist die Ablagerung von Ti Muster, da sie Druckspannung auf den Graphen Membranen produzieren könnte; Allerdings könnte die Demonstration der unbeschädigten Graphen Membranen nach Faltung selbst indirekt die mechanische Stabilität des PR-3 zeigt für die Erhaltung der Graphen Membranen (Abbildung 3, Abbildung 4) beitragen. Darüber hinaus ermöglicht die Foto-definierbare Eigenschaft des PR-3 einfache Steuerung der Größen und Formen der 3D Würfel, sowie einfache Kontrolle der Knickwinkel der 3D Strukturen für die Realisierung der unterschiedlichen 3D Strukturen einschließlich halb-3D Strukturen.

Grundsätzlich selbst Falten Origami-wie entsteht eine Oberflächenspannung Drehmoment um ein 2D Netzstruktur per Reflow Scharnier Materialien Falten (zB., dünnen Metallfolien oder Thermo-Sensitive Polymere)26,31. Die Oberflächenspannung des Polymers PR-2 Scharniere (~0.03 N/m) zu senken, als das Metall (z. B. Lötzinn ~0.5 N/m)26,28 Scharniere. Der niedrigere Oberflächenspannung erzeugt, die weniger Drehzahl Drehmoment als die 2D Netze sind im Vergleich zu 2D gefaltet mit Metall Netze Scharniere26,31. Geringere Drehmoment könnte den Druck auf die Tri-Layer Graphen-basierte Membranen während des Prozesses selbst Falten reduzieren. Die 3D Graphen-basierte Würfel sind bei ~ 80 ° C (Abbildung 3), in dem die Scharniere an deren Schmelzpunkt reflow gefaltet (für Metall Löten Scharniere, wird der Schmelzpunkt ~ 230 ° C)26. Bemerkenswert ist, zeigt dieser Ansatz unter einen optimierten Prozess eine höchsten Ausbeute von ca. 90 %.

Während die Lithographie Prozess- und selbst Falten, die räumliche Stress auf Graphen Membranen induziert, Delamination, Beulen, Risse und/oder Rippen. Beispielsweise können (i) Wenn die 2D Netze mit Graphen Membranen, von der Opferschicht, starke Van der Waals -Kräfte zwischen den Graphen und Opferschicht veröffentlicht werden (einschließlich Cu oder auch viele andere Substrate) generiert werden wiederum gebrochen, Graphen-Membranen; und (Ii) während der selbst Falten in Flüssigkeit, Oberflächenspannung Kraft, fluidische Kraft und Gravitationskraft verursachen Risse und Beulen des Graphen Membranen. Eine Cu-Schicht dient eine Opferschicht und gemusterter Al2O3/Cr zusätzlichen dient als Schutzschicht, um die Graphen-basierte Membranen zu schützen. Zunächst eine dünne (10 nm dick) Cr Schicht wird als eine Schutzschicht. Die dünnen Cr Schicht zeigt Strukturen Knicken, da die mechanischen Eigenschaften des Cr-Layers sind jedoch nicht stark genug, um die Graphen-basierte Membranen zu halten, wenn die Struktur von Cu Opferschicht freigegeben wird. Später, um dieses Problem zu beheben, werden 100 nm Dicke Al2O310 nm Dicke Cr Schichten auf die 10 nm Dicke Cr/300 nm Dicke Cu Opferschicht wie oben beschrieben hinzugefügt. Dadurch erlaubt die Schutzschicht Aufbewahrung der Graphen Membranen in den Fertigungsprozess und selbst-Faltung. Die Schutzschichten auf dem 3D Cube können entfernt werden, nach der Faltung selbst durch eine entsprechende Ätzmittel ohne Schäden an den Graphen-Membranen.

Das 3D-Bild der CVD-Graphen-basierte Cube präsentiert eine sehr transparente, frei stehenden, geschlossene Architektur (Abbildung 4a) keine deutliche Risse, Wellen, Löcher oder andere Beschädigungen auf den Membranen (aus dem vergrößerten Bild, Abbildung 4 b). Wie oben beschrieben, mit dem gleichen Ansatz verwendet, um die 3D CVD Graphen-basierte Würfel produzieren auch erfolgreich zeigen wir die Herstellung von Würfel mit Membranen, bestehend aus ca. 10 Schichten (~ 10 nm dick) von GO-Bleche (Abbildung 4e, 4f). Darüber hinaus Ti Oberfläche gemusterte 3D Würfel sind sehr stabil (Abbildung 4 c, 4D für Graphen) und Abbildung 4 g, 4 h für GO und der Demonstration der vielfältigen Oberflächenmodifikationen mit unterschiedlichen Designs auf die verschiedenen Gesichter schlägt ein vielseitige Strategie für den Bau von 3D Multifunktionsgeräte mit heterogenen Integration verschiedener Kombinationen von Materialien. Infolgedessen Würfel die Graphen-basierte 3D, Show (i) freistehende CVD Graphen und GO Fenster Membranen bestehend aus geschichteten Strukturen (keine zusammengesetzte Bildung); (Ii) eingeschlossen aber hohle Strukturen, die ohne eine zusätzliche Unterstützung und Substrat auskommen; und (Iii) Oberflächenmodifikationen über Metall Musterung auf dem Graphen oder GO Oberflächen mit jeder gewünschten Muster, da unser Ansatz mit konventionellen lithografischen Prozessen kompatibel ist.

Raman-Spektroskopie hat sich etabliert als eine wirksame, nicht-invasive Methode, um Graphen und verwandte Materialien charakterisieren, und es kann eine Vielzahl von Details über Graphen-basierte Proben wie Dicke, doping, Störung, Rand und Korn Grenzen liefern, Wärmeleitfähigkeit und Belastung. Darüber hinaus ist diese Charakterisierung Methode flexibel, da sie zu einer Probe in verschiedenen Umweltbedingungen32,33,34,35angewendet werden kann. Daher gibt es erhebliche Veränderungen in der Struktur des Graphen, sollten wir Veränderungen in der Raman-Spitzen-Positionen oder Intensitäten nach der Faltung selbst sehen können. Wie in Abbildung 5a-5 b, keine wesentlichen Änderungen in den Spitzenzeiten Positionen und Intensitäten können nach dem selbst Falten gesehen werden, da die Al2O3/Cr Schutz "" Hilfe Layers, die Graphen-basierte Membranen (beide CVD zu schützen Graphen und gehen) während der Fertigung. Allerdings sind wie in Abbildung 5 c, dargestellt als Schutzschichten nicht verwendet werden, Graphen Membranen während die Self-Faltung, beschädigt, wodurch eine höhere D-Band (~ 1340 cm-1) und eine 2D unterband (~ 2690 cm-1). Die quantitative Informationen über die Graphen Mängel durch das Peak Intensitätsverhältnis die D und G Band analysiert werden kann (ichD/iG): niedrige Wert ID/iG bedeutet Low-defekt-Graphen. Aus Abbildung 5a berechnen wir die ichD/iG -Werte von der 3D Graphen, ~0.65, die vergleichbar mit anderen CVD Graphen mehrschichtigen Platten36ist. Daher diese Beobachtungen weisen darauf hin, der selbst faltvorgang erschuf nicht signifikante Veränderungen in der CVD-Graphen und GO Membranen (die Materialien behalten ihre inhärenten Eigenschaften und keine chemischen Interkalation zwischen Schichten auftritt), zeigen die Robustheit der gemeldeten Methode.

Neben der Produktion von hohlen, freistehende, polyedrischen Würfel, ermöglicht selbst gefaltet hier beschäftigt Oberfläche Musterung, bestehend aus Metall, Isolator und Halbleiter-Materialien auf den 2D Graphen Membranen auf den Würfeln während angewendet werden Aufrechterhaltung der inhärenten Eigenschaften der Graphen. Dies ermöglicht die Entwicklung von elektronischen und optischen Geräten, einschließlich Sensoren und elektrische Schaltungen, nutzen die zahlreichen Vorteile von 3D-Konfigurationen. Darüber hinaus da die Prozesse nicht nur Graphen-basierte Materialien begrenzt sind, kann diese Methode auf andere 2D Materialien wie Übergangsmetall-Dichalcogenides und schwarzen Phosphor, wodurch unsere Fertigung Ansatz in genutzt werden angewendet werden nächsten Generation 3D Reinkarnationen von 2D Materialien zu entwickeln.

Die hohen Temperaturen (~ 80 ° C) erforderlich, durch den Klappmechanismus könnte in biomedizinischen Anwendungen problematisch sein, es sei denn, das Verfahren weiter optimiert werden kann, um die Faltung Temperatur zu senken. Darüber hinaus ist das PR-2 Scharnier Material keine biokompatible Material. Zukunftsstudien konzentriert sich auf die Entwicklung von biokompatiblen Scharnier-Materialien, die bei niedrigen Temperaturen (oder niedrig-Energie) wie Polyester und synthetischen Hydrogelen reagieren. Wir haben in letzter Zeit ähnliche Strukturen über eine ferngesteuerte selbst Klappmechanismus herstellen, die in dieser Hinsicht37nützlich sein könnte.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Dieses Material basiert auf Arbeit vom Anschubfonds an der University of Minnesota, Twin Cities und ein NSF CAREER Award (CMMI-1454293) unterstützt. Teile dieser Arbeit erfolgten in der Charakterisierung-Anlage an der University of Minnesota, ein Mitglied des NSF finanzierte Materialien Einrichtungen Forschungsnetzes (über das MRSEC-Programm. Teile dieser Arbeit wurden in der Minnesota-Nano-Mitte durchgeführt, die von der National Science Foundation durch die nationalen Nano abgestimmte Infrastruktur Netzwerk (NNCI) unter Preis Anzahl ECCS-1542202 unterstützt wird. C. D. räumt Unterstützung vom 3 M-Wissenschaft und Technologie-Stipendium.

Materials

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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Engineering Ausgabe 139 Graphen Graphene oxid 3D Graphen-basierte Würfel Microcubes selbst Falten origami
Herstellung von dreidimensionalen Graphen-basierte Polyeder <em>über</em> Falten Origami gefällt mir selbst
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Joung, D., Wratkowski, D., Dai, C.,… More

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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