3D碳微机电系统（C-MEMS）的制备

摘要

基于天然产物人发的热解，制备了长而中空的玻璃碳微纤维。碳微机电系统（C-MEMS）和碳纳米机电系统（C-NEMS）的两种制备步骤包括：（i）富碳聚合物前驱体的光刻，以及（ii）图案化聚合物前驱体的热解。

摘要

自然界中存在多种具有不同微/纳米结构构型的碳源。本文介绍一种由人发制备长而中空的玻璃碳微米纤维的新技术。通过在氮气氛围中于900 °C对人发进行热解，获得长而中空的碳结构。₂ 大气环境。采用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分别研究天然及热解人发的形貌和化学组成，以评估热解引起的物理和化学变化。采用拉曼光谱确认碳微结构的玻璃态特性。将热解头发碳用于修饰丝网印刷碳电极；修饰后的电极被应用于多巴胺和抗坏血酸的电化学传感。与未修饰的传感器相比，修饰后传感器的传感性能得到提升。为获得理想的碳结构设计，发展了碳微/纳米机电系统（C-MEMS/C-NEMS）技术。最常见的C-MEMS/C-NEMS制备工艺包括两个步骤：（i）利用光刻技术对富含碳的前驱材料（如光敏聚合物）进行图形化；（ii）在无氧环境中通过热解将图形化的聚合物碳化。C-MEMS/NEMS工艺已广泛用于开发多种应用的微电子器件，包括微型电池、超级电容器、葡萄糖传感器、气体传感器、燃料电池和摩擦纳米发电机。本文讨论了使用SU8光刻胶制备高纵横比实心和中空碳微结构的最新进展。利用共聚焦显微镜和SEM研究了热解过程中的结构收缩。采用拉曼光谱确认结构的结晶性，并通过EDX测定材料在热解前后各元素的原子百分比。

引言

碳具有多种同素异形体，根据具体应用需求，可选择以下同素异形体之一：碳纳米管（CNTs）、石墨、金刚石、无定形碳、六方晶系金刚石（lonsdaleite）、富勒烯（C₆₀）、富勒烯晶体（fullerite，C₅₄₀）、富勒烯（C₇₀）和玻璃碳^1,2,3,4。由于其物理特性，如高度各向同性，玻璃碳是应用最广泛的同素异形体之一。它还具有以下特性：良好的导电性、低热膨胀系数以及不透气性。

人们一直在持续寻找富含碳的前驱体材料以获得碳结构。这些前驱体可以是人造材料或天然产物，具有特定的形态，甚至包括废弃物。自然界中通过生物或环境过程形成了多种多样的微米/纳米结构，具有独特性质，而这些性质使用传统制造工具极难实现。由于在此情况下图案化过程是自然形成的，因此利用天然及含碳废弃物作为前驱体制备纳米材料可通过一种简单的一步热解法实现，即在惰性气氛或真空条件下进行热分解⁵。高质量石墨烯、单壁碳纳米管（CNTs）、多壁碳纳米管以及碳点已通过热分解或热解植物来源的前驱体及废弃物成功制备，这些前驱体包括种子、纤维和油脂，如松节油、芝麻油....

方案

1. 人发来源的三维碳结构制备

注意：使用个人防护装备。遵循实验室操作规程以使用仪器并在实验室内工作。

1. 用去离子水清洗收集的人类头发，并用氮气干燥₂ 气体
2. 根据需要排列毛发，例如将毛发排成平行的丝状、交叉排列，或将两根毛发缠绕在一起， 等等。
3. 使用SU8将毛发固定在硅基底上，或直接将其置于陶瓷舟中。
4. 将带有毛发的硅基底或舟放入炉中。
5. 打开炉子并开启惰性气体（N₂）阀门₂）储罐。
   注意：最佳气体流速取决于炉管的体积。对于体积为6 L的炉管，采用6 L/min的流速。为在炉管内建立完全惰性的环境，前15分钟的气体流速设为最佳流速的1.5倍。
6. 设置参数，包括最高热解温度、升温速率和惰性气体流速，然后运行炉子。
   1. 例如，以5 °C/min的升温速率将温度从室温升至300 °C，随后在300 °C下保持1 h以实现稳定。再将温度升至900 °C，并维持1 h以完成碳化。
   2. 以10 °C/min的速率将炉温冷却至300 °C，随后关闭炉体加热器，因为300 °C以下无需进行程序控温冷却。将样品保留在炉内，直至温度降至室温。₂ 仅限流动。
7. 在热解过程....

结果

人发衍生的中空碳微纤维制备过程的示意图如图1所示。通过扫描电镜（SEM）对碳化后的人发进行表征，以评估其收缩程度。由于热解作用，发丝直径从82.88 ± 0.003 µm缩小至31.42 ± 0.003 µm。使用人发衍生碳微纤维制备的各种图案的扫描电子显微镜（SEM）图像如图2所示。表1列出了热解前后人发中各元素的原子百分比。本研究所使用的人发在热解前含有（原子百分比）66.57%的碳、16.19%的氧、7.94%的氮、9.14%的硫，以及少量矿物质（如钙）。热解后，碳和氧的原子百分比分别为80.84%和14.83%。如图3所示，还对热解前后的人发进行了拉曼光谱分析。热解后的人发仅出现两个宽峰，分别对应D带和G带。人发衍生碳纤维中D带与G带的强度比值为0.99，表明该纤维主要成分为玻璃碳。

讨论

本文报道了基于天然前驱体材料或光图案化聚合物结构热解来制备多种碳微结构的方法。通过传统和非传统C-MEMS/C-NEMS工艺所得的碳材料通常为玻璃碳。玻璃碳是一种广泛用于电化学以及高温应用的电极材料。玻璃碳的微观结构由晶态区和非晶态区共同组成。玻璃碳具有高导电性、良好的耐高温性能、低密度、低电阻，以及相对较高的硬度和较强的耐化学腐蚀能力。

我们提出了一种简单且低成本的方法，利用人类毛发制备中空玻璃碳微纤维，并描述了其在抗坏血酸和多巴胺电化学传感中的应用。通过一步热处理这种低成本的废弃物材料——人类毛发，即可制得长而中空且具有导电性的碳微纤维。由髓质、皮质和毛小皮组成的人类毛发在热解后形成了中空的碳纤维：其中髓质消失，而毛小皮和皮质结合在一起，形成了长而中空的碳纤维结构。人类毛发独特的解剖结构，尤其是热解后形成的中空形态，显著增加了比表面积，使其适用于电化学传感。使用毛发衍生碳材料修饰的工作电极，其多巴胺和抗坏血酸的氧化峰电位分别向更负和更正的方向移动。毛发衍生碳表面带有轻微负电荷，有利于吸引带正电的多巴胺分子，因此多巴胺的峰电流增强，而抗坏血酸的峰电流减弱。结果表明，毛发衍生的中空.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
SU8-2100	Microchem	产品编号-Y1110750500L
匀胶机	Laurell Technologies Corporation	型号-WS650HZB-23NPP/UD3
加热板	Torrey Pines Scientific	HS61
紫外曝光仪	汞灯，SYLVANIA	H44GS-100M，部件号-34-0054-01
光掩模	CAD/Art		无编号
显影液	Microchem	Y020100 4000L
去离子水系统	Milli Q	ZOOQOVOTO
异丙醇（IPA）	CTR Sientific	CTR 01244
N2 气体	AOC Mexico		无编号
炉管	PEO 601, ATV Technologie GMBH	型号-PEO 601，序列号-195
Si/SiO2	Noel Technologies