تصنيع بوليهيدرونس الجرافين-على أساس ثلاثي الأبعاد عبر أوريغامي--مثل ذاتية قابلة للطي

يستخدم هذا البروتوكول أساليب قابلة للطي الذاتية تشبه الأوريجامي لإنشاء بوليهيدرونات ثلاثية الأبعاد تعتمد على الجرافين. أوراق الجرافين ثنائية الأبعاد تمتلك خصائص بصرية، إلكترونية، وميكانيكية غير عادية. من خلال تفصيل شكل الجرافين ثنائي الأبعاد ، يمكن ضبط خصائصه الفيزيائية والكيميائية والبصرية ، والتي يمكن أن تقدم سلوكيات مادية جديدة ، مما يسمح بفرص تطبيق جديدة.

في هذا الصدد، دمج 2D الجرافين في هياكل وظيفية، محددة جيدا، ثلاثية الأبعاد polyhedrons كان موضع اهتمام كبير في الآونة الأخيرة في المجتمع الجرافين. 3D البوليهيدونات الجرافين قد تكون مفيدة للعديد من التطبيقات. ومن الأمثلة على ذلك الحاويات المحمية بالغاز والماء، والتخزين الجزيئي، ونظم التسليم، وتغليف المواد السائلة، ولسهولة المراقبة في المجهر الإلكتروني، والأجهزة البصرية البصرية الوظيفية، والمواد المادية.

وقد تم إدخال عدد من الطرق الكيميائية لإنتاج الهياكل القائمة على الجرافين ثلاثي الأبعاد. ومع ذلك ، تتطلب هذه الطرق عادة تفاعلات كيميائية قوية ، والتي تؤثر على الخصائص الجوهرية للجرافين ومواجهة التحديات في بناء بوليهيدرونات الجرافين ثلاثية الأبعاد ، والمجوفة . للتغلب على هذه القيود، تظهر هذه الدراسة منهجية لتحقيق ميكروكوب ثلاثي الأبعاد متعدد الوجهات مع الجرافين 2D وأكسيد الجرافين باستخدام طي ذاتي يشبه اوريغامي.

للمساعدة في إعطاء السياق لعملية التصنيع الشاملة للمكعبات ثلاثية الأبعاد القائمة على الجرافين ، سيتم الآن تقديم نظرة عامة مبسطة من ست خطوات قبل البروتوكول التفصيلي. أولاً، إعداد طبقات الحماية. ثم قم بإجراء نقل الجرافين الغشاء في النقش على طبقات الحماية.

ثم، إنشاء نقش سطح معدني على أغشية الجرافين. بعد ذلك، حدد إطارات البوليمرات والمفصلات. ثم، تحويل الشباك 2D إلى مكعبات 3D عن طريق طي الذاتي.

وأخيرا، إزالة طبقات الحماية. باستخدام المبخر شعاع إلكترون، إيداع 10 نانومتر سميكة الكروم و 300 نانومتر سميكة طبقات النحاس على الركيزة السيليكون. تدور معطف photoresist في 2500 دورة في الدقيقة تليها الخبز في 115 درجة مئوية لمدة 60 ثانية.

عرض المناطق 2D صافي مصممة للأشعة فوق البنفسجية على قناع الاتصال مصفح لمدة 15 ثانية ومن ثم تطوير لمدة 60 ثانية في المطور. شطف العينة مع المياه ديوند وضربة الجافة مع بندقية الهواء. إيداع طبقة الكروم 10 نانومتر سميكة ورفع قبالة photoresist المتبقية في الأسيتون.

شطف العينة مع المياه ديوند وضربة الجافة مع بندقية الهواء. لنمط 2D الشباك مع أكسيد الألومنيوم ستة مربع وطبقات الحماية من الكروم على الشباك، وتدور معطف photoresist في 2، 500 دورة في الدقيقة تليها الخبز في 115 درجة مئوية لمدة 60 ثانية. اعرض طبقات الحماية المصممة بستة مربعات على ضوء الأشعة فوق البنفسجية على مصفع قناع الاتصال لمدة 15 ثانية، ثم تطور لمدة 60 ثانية في المطور.

شطف العينة مع المياه ديوند وضربة الجافة مع بندقية هوائية. قم بإيداع طبقة أكسيد الألومنيوم 100 نانومتر سميكة في طبقة الكروم 10 نانومتر سميكة. إزالة ناسخة ضوئية المتبقية في الأسيتون.

شطف العينة مع المياه ديوند وضربة الجافة مع بندقية هوائية. بدءا من قطعة 15 ملليمتر مربع من الجرافين الالتزام على رقائق النحاس، تدور معطف طبقة PMMA رقيقة في 3000 دورة في الدقيقة على سطح الجرافين. خبز في 180 درجة مئوية لمدة 10 دقائق.

ضع الجرافين PMMA في ورقة نحاسية ذات طبقات، عائمة من جانب النحاس إلى الأسفل في ننق النحاس لمدة 24 ساعة لحفر رقائق النحاس. بعد أن يتم حل رقائق النحاس بالكامل ، مما يترك PMMA في الجرافين ، قم بنقل الجرافين العائم المغلف ب PMMA على سطح بركة من المياه الأيونية باستخدام زجاج شريحة المجهر لإزالة أي بقايا نحاسية. كرر نقل الجرافين المغلف بـ PMMA على برك المياه الجديدة ذات الأيونات عدة مرات لشطفه بشكل كافٍ.

نقل العائمة PMMA المغلفة الجرافين على قطعة أخرى من الجرافين الالتزام على رقائق النحاس للحصول على غشاء الجرافين ثنائي الطبقات. علاج حراريا الجرافين طبقة مزدوجة على رقائق النحاس على لوحة ساخنة في 100 درجة مئوية لمدة 10 دقائق. إزالة PMMA على رأس الجرافين طبقة مزدوجة على احباط النحاس في حمام الأسيتون، وترك الجرافين، الجرافين، والنحاس احباط كومة طبقة، تليها نقل إلى المياه غير المؤينة.

كرر نقل الجرافين مرة أخرى للحصول على ثلاث طبقات مكدسة من أغشية الجرافين. ضع PMMA ، الجرافين ، الجرافين ، الجرافين ، وورقة رقائق النحاس الطبقات ، وجانب النحاس العائم في نباح النحاس لمدة 24 ساعة لحفر رقائق النحاس. نقل الطبقات الثلاث المغلفة بـ PMMA من الأغشية الجرافينية إلى أكسيد الألومنيوم وطبقات الحماية من الكروم.

بعد نقل الجرافين، وإزالة PMMA مع الأسيتون. ثم، تراجع العينة في المياه الأيونية وجافة في الهواء. علاج حراريا الجرافين متعدد الطبقات على الركيزة على لوحة ساخنة في 100 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة.

تدور معطف photoresist في 2500 دورة في الدقيقة وخبز في 115 درجة مئوية لمدة 60 ثانية. الأشعة فوق البنفسجية فضح مناطق من photoresist مباشرة فوق مناطق طبقة حماية مربع باستخدام قناع الاتصال محاذير لمدة 15 ثانية. ثم تتطور لمدة 60 ثانية.

إزالة المناطق الجرافين غير المرغوب فيها كشفت حديثا عن طريق علاج البلازما الأكسجين لمدة 15 ثانية. إزالة بقايا photoresist في الأسيتون. شطف العينة بالماء الأيونية وجافة في الهواء.

تدور معطف ضوئي في 1700 دورة في الدقيقة لمدة 60 ثانية على رأس أكسيد الألومنيوم ملفقة سابقا وطبقات الحماية من الكروم للحصول على طبقة سميكة 10 ميكرومتر. خبز photoresist في 115 درجة مئوية لمدة 60 ثانية ثم انتظر لمدة ثلاث ساعات. مع نفس القناع المستخدمة لنمط أكسيد الألومنيوم وطبقات الكروم، الأشعة فوق البنفسجية فضح العينة على قناع الاتصال محاذير لمدة 80 ثانية وتطوير لمدة 90 ثانية.

شطف العينة مع المياه ديوند وضربة الجافة مع بندقية الهواء. إجراء التعرض للأشعة فوق البنفسجية الفيضانات من العينة بأكملها دون قناع لمدة 80 ثانية. تدور معطف أكسيد الجرافين أعدت وخليط الماء على العينة في 1000 دورة في الدقيقة لمدة 60 ثانية.

أداء طلاء تدور ما مجموعه ثلاث مرات. تراجع العينة في المطور للسماح رفع قبالة أكسيد الجرافين غير المرغوب فيها. تظهر عملية الإقلاع تحت المجهر هنا مع تسارع اللقطات.

شطف العينة مع المياه ديوند وبعناية ضربة الجافة العينة مع بندقية الهواء. علاج حراريا العينة على لوحة ساخنة في 100 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة. إنشاء 20 نانومتر سميكة من التيتانيوم أنماط على رأس الأغشية القائمة على الجرافين منقوشة.

علاج حراريا العينة على لوحة ساخنة في 100 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة. على رأس الأغشية القائمة على الجرافين مع أنماط سطح التيتانيوم، تدور معطف photoresist في 2500 دورة في الدقيقة لمدة 60 ثانية لتشكيل طبقة خمسة ميكرومتر سميكة وخبز في 90 درجة مئوية لمدة دقيقتين. الأشعة فوق البنفسجية تعرض العينات لمدة 20 ثانية، وتخبز في 90 درجة مئوية لمدة ثلاث دقائق، وتطور لمدة 90 ثانية.

شطف العينة مع الماء الأيون والكحول الأيزوبروبيل، وبعناية ضربة الجافة العينة مع بندقية الهواء. بعد خبز العينات في 200 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة لتعزيز صلابة الميكانيكية للإطارات. لجعل نمط المفصلي، تدور معطف photoresist في 1000 دورة في الدقيقة لمدة 60 ثانية لتشكيل فيلم 10 ميكرومتر سميكة على رأس الركيزة الجاهزة.

خبز في 115 درجة مئوية لمدة 60 ثانية وانتظر لمدة ثلاث ساعات. الأشعة فوق البنفسجية كشف العينة على مصفح قناع الاتصال لمدة 80 ثانية وتطوير لمدة 90 ثانية. شطف العينة مع المياه ديوند وبعناية ضربة الجافة العينة مع بندقية الهواء.

لإطلاق الهياكل ثنائية الأبعاد، قم بحل طبقة الذبيحة النحاسية تحت الشباك ثنائية الأبعاد في نُش نحاسي. نقل بعناية الهياكل الصادرة في حمام المياه ديوند باستخدام ماصة وشطف عدة مرات لإزالة النحاس المتبقية الحفر. ضع الهياكل 2D في المياه ديون، ساخنة فوق نقطة انصهار مفصلات البوليمر.

مراقبة الذاتي للطي في الوقت الحقيقي عن طريق المجهر البصرية وإزالة من مصدر الحرارة على التجميع الناجح في مكعبات مغلقة. بعد الذاتي للطي، وإزالة أكسيد الألومنيوم وطبقات الحماية من الكروم مع خنانت الكروم. نقل بلطف مكعبات في حمام الماء ديوند وشطف بعناية.

تُظهر الصور البصرية العمليات الحجرية لهياكل صافي الجرافين 2D وأكسيد الجرافين وعملية الطي الذاتي اللاحقة. يتم رصد عملية الطي الذاتي في الوقت الحقيقي عن طريق مجهر عالي الدقة. يتم طي كلا النوعين من المكعبات ثلاثية الأبعاد القائمة على الجرافين عند حوالي 80 درجة مئوية.

تحدد الأرقام تسلسلات ملتقطة بالفيديو تظهر الطي الذاتي للمكعبات ثلاثية الأبعاد المستندة إلى الجرافين بطريقة موازية. في إطار عملية محسنة، يظهر هذا النهج أعلى عائد يبلغ 90 بالمائة تقريباً. وتظهر الأرقام الصور البصرية للمكعبات الجرافين ثلاثية الأبعاد والمجمعة من أكسيد الجرافين مع أنماط سطحية وبدونها.

الحجم الإجمالي للمكعبات ذاتية مطوية هو 200 ميكرومتر واسعة من قبل 200 ميكرومتر طويلة من 200 ميكرومتر عالية. يتم تعريف 20 نانومتر سميكة منقوشة التيتانيوم وحروف UMN على كل وجه من مكعبات الجرافين ثلاثية الأبعاد. وتشمل الأرقام مطياف رامان من الشباك القائمة على الجرافين 2D ومكعبات الجرافين ثلاثية الأبعاد.

تظهر النتائج أي تغييرات ملحوظة في موقف الذروة رامان وكثافة لكل من الجرافين وأكسيد الجرافين أغشية بعد طي الذاتي. ومع ذلك، عندما لا يتم استخدام طبقات الحماية، لوحظت تغيرات ملحوظة في شدة الذروة النسبية، مما يشير إلى حدوث تغييرات أو تلف لخصائص الجرافين أثناء الطي الذاتي. هذه الطريقة تسمح بتطوير الأجهزة الطبية الحيوية والإلكترونية والبصرية، بما في ذلك أجهزة الاستشعار والدوائر الكهربائية باستخدام العديد من المزايا من تكوينات 3D.

وعلاوة على ذلك، منذ العملية يستخدم صورة مبكرة للمواد القائمة فقط الجرافين، يمكن تطبيق هذه الطريقة على مواد أخرى ثنائية الأبعاد، مثل tren-ja-men-a ai تشاي هوس سكاكين وجوازات سفر سوداء، مما يسمح هذه الفرصة لاستخدامها في تطوير تكوينات الجيل التالي 3D من المواد 2D.