三维石墨烯基多面体的制备 通过 折纸式自折叠

摘要

在此，我们介绍一种用于制备三维石墨烯基多面体的实验方案 通过 折纸式自折叠

摘要

将二维（2D）石墨烯组装成三维（3D）多面体结构，同时保持石墨烯优异的本征特性，对于新型器件应用的开发具有重要意义。本文介绍了由少数几层二维石墨烯或氧化石墨烯片构成的三维微米级中空多面体（立方体）的制备方法 通过 描述了一种类似折纸的自折叠过程。该方法利用聚合物框架和铰链，以及氧化铝/铬保护层，在二维网状结构转变为三维立方体时，降低石墨烯基薄膜所受的拉伸应力、空间应力和表面张力。该工艺可精确控制结构的尺寸与形状，并实现并行化生产。此外，该方法还可在三维立方体的每个面上通过金属图案化实现表面修饰。拉曼光谱研究表明，该方法能够保持石墨烯基薄膜的本征特性，验证了本方法的可靠性。

引言

二维（2D）石墨烯片具有卓越的光学、电子学和力学性能，使其成为观测新型量子现象的理想体系，可用于下一代电子、光电子、电化学、机电和生物医学应用^1,2,3,4,5,6除了石墨烯固有的二维层状结构外，近年来人们已研究了多种改性方法，以探索石墨烯的新功能并寻求新的应用机遇。例如，调控（或调节）其物理性质即， 通过将二维结构塑造成一维（1D）或零维（0D）结构，可调控其掺杂水平和/或带隙例如，已对石墨烯纳米带或石墨烯量子点等材料开展研究，以获得包括量子限域效应、局域等离激元模式、局域电子分布以及自旋极化的边缘态在内的新物理现象^7,8,9,10,11,

方案

警告：这些合成过程中使用的多种化学物质具有毒性，接触或吸入后可能引起刺激并导致严重的器官损伤。操作化学物质时，请使用适当的安全设备并穿戴个人防护装备。

1. 在铜牺牲层上制备氧化铝和铬保护层

1. 使用电子束蒸发仪，在硅（Si）衬底上沉积10 nm厚的铬（Cr）层和300 nm厚的铜（Cu）层（牺牲层）（图2a）。
2. 以2500 rpm的转速旋涂光刻胶（PR）-1，随后在115 °C下烘烤60 s。
3. 在接触式掩模对准仪上，用紫外（UV）光照射设计好的二维网状区域15 s，然后在显影剂-1溶液中显影60 s。用去离子（DI）水冲洗样品，并用气枪吹干。
4. 沉积10 nm厚的Cr层，并在丙酮中剥离剩余的PR-1。用去离子（DI）水冲洗样品，并用气枪吹干（图2b）。
5. 为在二维网状结构上制备六个方形的Al₂O₃/Cr保护层，以2500 rpm的转速旋涂PR-1，随后在115 °C下烘烤60 s。
6. 在接触式掩模对准仪上，用紫外（UV）光照射设计好的六个方形保护层区域15 s，然后在显影剂-1溶液中显影60 s。用去离子（DI）水冲洗样品，并用气枪吹干。
7. 沉积100 nm厚的Al₂

结果

图2 展示了二维石墨烯和氧化石墨烯网状结构的光刻过程及其后续自折叠过程的光学图像。自折叠过程通过实时监测进行观察 通过 高分辨率显微镜。两种类型的三维石墨烯基立方体均在约~80 °C. 图3 并列展示通过视频记录的基于石墨烯的三维立方体自折叠过程序列。在优化的工艺条件下，该方法的最高产率约为90%。

图4展示了具有和不具有表面图案的三维自组装石墨烯和氧化石墨烯（GO）基立方体的光学图像。自折叠立方体的整体尺寸为200（宽）× 200（长）× 200（高）µm³。为了展示表面图案化能力，在三维石墨烯基立方体的每个面上定义了20 nm厚的Ti图案结构以及“UMN”字母图案。

讨论

对于采用化学气相沉积石墨烯制备的立方体，由于每个立方体的每个面均设计有外框，包围着一个约160 × 160 µm的区域² 独立石墨烯区域的单层石墨烯不具备足够的强度以实现立方体的并行处理。因此，需制备由三层化学气相沉积（CVD）单层石墨烯片组成的石墨烯膜 通过 三次独立的石墨烯转移，涉及多次PMMA涂覆和去除步骤。另一方面，对于氧化石墨烯（GO）膜的制备，我们使用分散在水中的单层GO片状材料，通过获得 通过 改进的Hummer法²⁷通过传统光刻技术结合剥离工艺对氧化石墨烯（GO）膜进行图案化 通过 采用泛光曝光。该工艺在传统光刻之后、氧化石墨烯（GO）膜沉积之前进行泛光曝光。在GO旋涂之后，使用显影液进行剥离工艺，以去除不需要的GO区域。某些显影液含有氢氧化钠（NaOH）水性碱性溶液，会腐蚀铝和Al₂O₃因此，应使用不含氢氧化钠的显影液。本研究中为满足此要求所使用的特定显影液为显影液-2溶液。

用于支撑石墨烯基薄膜的.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
丙酮	Fisher Chemical	A18P-4	N/A
氧化铝	Kurt J. Lesker Company	EVMALO-1-2.5	99.99% 纯
APS Copper Etchant 100	Transene Company, Inc.	N/A	N/A
相机（用于3D图像）	Nikon	D5100	1080p 全高清，有效像素：1620万，传感器尺寸：23.6 mm × 15.6 mm
CE-5 M 铬掩模蚀刻液	Transene Company, Inc.	N/A	N/A
化学气相沉积系统（CVD）	定制	N/A	Lindberg/Blue 管式炉
铬	Kurt J. Lesker Company	EVMCR35J	99.95% 纯
铬蚀刻液 473	Transene Company, Inc.	N/A	N/A
铜	Kurt J. Lesker Company	EVMCU40QXQJ	99.99% 纯
显影液-1（MF319 显影液）	Microposit	10018042	N/A
显影液-2（AZ 显影液）	Merck performance Materials Corp.	1005422496	N/A
显影液-3（SU-8 显影液）	MicroChem	NC9901158	N/A
数字加热板	Thermo Scientific	HP131725	Super-Nuvoa 系列，最高温度：370 °C
电子束蒸发系统	Rocky Mountain Vacuum Tech.	N/A	RME-2000
氧化石墨烯	Goographene	N/A	纯度：约 99%；单层比例：约 99%；  厚度：0.7–1.2 nm
异丙醇	Fisher Chemical	A416-4	N/A
掩模对准器	Midas	MDA-400LJ	N/A
显微镜	Omax	NJF-120A	N/A
多聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）	MicroChem	950 PMMA A9	N/A
氧气等离子体	Technics Inc.	SERIES 800	微尺度反应离子蚀刻（RIE）
光刻胶-1（S1813 光刻胶）	Microposit	10018348	N/A
光刻胶-2（SPR220 光刻胶）	MicroChem	SPR00220-7G	N/A
光刻胶-3（SU-8 光刻胶）	MicroChem	SU-8-2010	N/A
台阶仪	Tencor Instruments	N/A	Alpha-Step 200
拉曼光谱仪	WITec Instruments Corp.	Alpha300R	共聚焦拉曼显微镜
硅片	Siltronic AG	N/A	直径 100 mm，N 型，单面抛光，电阻率：560–840 Ω•cm
匀胶机	Best Tools	S0114031123	SMART COATER 100
钛	Kurt J. Lesker Company	EVMTI45QXQA	99.99% 纯
超声波清洗机	Crest Ultrasonics	N/A	Powersonic 系列