Herstellung von 3D-Carbon-Mikroelektromechanischen Systemen (C-MEMS)

Zusammenfassung

Lange und hohle glasartige Kohlenstoffmikrofasern wurden auf der Basis der Pyrolyse eines Naturproduktes, menschliches Haar, hergestellt. Die beiden Herstellungsschritte von kohlenstoffmikroelektromechanischen und kohlenstoff-nanoelektromechanischen Systemen oder C-MEMS und C-NEMS sind: (i) Photolithographie eines kohlenstoffreichen Polymervorläufers und (ii) Pyrolyse des gemusterten Polymervorläufers.

Zusammenfassung

Eine breite Palette von Kohlenstoffquellen gibt es in der Natur, mit einer Vielzahl von Mikro- / Nanostruktur-Konfigurationen. Hier wird eine neuartige Technik zur Herstellung von langen und hohlen glasartigen Kohlenstoffmikrofasern aus menschlichen Haaren eingeführt. Die langen und hohlen Kohlenstoffstrukturen wurden durch die Pyrolyse von menschlichem Haar bei 900 ° C in einer N ₂ -Atmosphäre hergestellt. Die Morphologie und die chemische Zusammensetzung der natürlichen und pyrolysierten menschlichen Haare wurden unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie (SEM) bzw. elektronendispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) untersucht, um die physikalischen und chemischen Veränderungen aufgrund der Pyrolyse zu schätzen. Raman-Spektroskopie wurde verwendet, um die glasartige Natur der Kohlenstoff-Mikrostrukturen zu bestätigen. Pyrolysierter Haarkohlenstoff wurde eingeführt, um die bedruckten Kohlenstoffelektroden zu modifizieren; Die modifizierten Elektroden wurden dann auf die elektrochemische Erfassung von Dopamin und Ascorbinsäure aufgebracht. Die Erfassungsleistung der modifizierten Sensoren wurde im Vergleich zum Unmodi verbessertFied Sensoren. Um die gewünschte Kohlenstoffstrukturkonstruktion zu erhalten, wurde eine Kohlenstoff-Mikro- / Nanoelektromechanische System- (C-MEMS / C-NEMS) -Technologie entwickelt. Das häufigste C-MEMS / C-NEMS-Herstellungsverfahren besteht aus zwei Schritten: (i) der Strukturierung eines kohlenstoffreichen Basismaterials, wie eines lichtempfindlichen Polymers, unter Verwendung von Photolithographie; Und (ii) Karbonisierung durch die Pyrolyse des gemusterten Polymers in einer sauerstofffreien Umgebung. Das C-MEMS / NEMS-Verfahren wurde weitgehend zur Entwicklung von mikroelektronischen Bauelementen für verschiedene Anwendungen eingesetzt, ua in Mikrobatterien, Superkondensatoren, Glukosesensoren, Gassensoren, Brennstoffzellen und triboelektrischen Nanogeneratoren. Hier werden die jüngsten Entwicklungen eines hochauflösenden Feststoff- und Hohlkohlenstoff-Mikrostrukturen mit SU8-Photoresists diskutiert. Die strukturelle Schrumpfung während der Pyrolyse wurde mittels konfokaler Mikroskopie und SEM untersucht. Raman-Spektroskopie wurde verwendet, um die Kristallinität der Struktur zu bestätigen, und der atomare Prozentsatz der Elemente preseNt im Material vor und nach der Pyrolyse wurde mit EDX gemessen.

Einleitung

Carbon hat viele Allotrope und kann je nach Anwendungsfall eines der folgenden Allotrope ausgewählt werden: Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs), Graphit, Diamant, amorpher Kohlenstoff, Lonsdalion, Buckminsterfulleren (C ₆₀ ), Fullerit (C ₅₄₀ ), Fulleren ( C ₇₀ ) und glasartigem Kohlenstoff ^{1 , 2 , 3 , 4} . Glasiger Kohlenstoff ist einer der am häufigsten verwendeten Allotrope wegen seiner physikalischen Eigenschaften, einschließlich der hohen Isotropie. Es hat auch folgende Eigenschaften: gute elektrische Leitfäh....

Protokoll

1. 3D Mensch-Haar-abgeleitete Kohlenstoff-Struktur-Herstellung

HINWEIS: Persönliche Schutzausrüstung verwenden. Befolgen Sie die Laboranweisungen, um die Instrumente zu benutzen und im Labor zu arbeiten.

1. Bereiten Sie gesammeltes menschliches Haar vor, indem Sie es mit DI-Wasser waschen und es mit N ₂ -Gas trocknen.
2. Die Haare wie gewünscht anordnen, wie z. B. in parallelen Strängen, kreuzen, mit zwei zusammengewickelten Haaren usw.
3. Befestigen Sie die Haare auf einem Siliziumsubstrat mit SU8 oder halten Sie sie direkt in einem keramischen Boot.
4. Legen Sie das mit Haaren versehene S....

Ergebnisse

Ein Schema des Herstellungsverfahrens für Menschenhaar-abgeleitete Hohlkohlenstoff-Mikrofasern ist in Fig. 1 gezeigt . Das karbonisierte menschliche Haar wurde durch SEM charakterisiert, um die Schrumpfung zu schätzen. Der Haardurchmesser schrumpfte von 82,88 ± 0,003 μm auf 31,42 ± 0,003 μm aufgrund der Pyrolyse. Rasterelektronenmikroskopische (SEM) -Bilder von verschiedenen Mustern, die mit Haaren abgeleitete Kohlenstoffmikrofasern hergestellt wurden, sind .......

Diskussion

In dieser Arbeit wurden die Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Kohlenstoff-Mikrostrukturen auf der Basis der Pyrolyse von natürlichen Vorläufermaterialien oder photomusterisierten Polymerstrukturen beschrieben. Die Kohlenstoffmaterialien, die sowohl aus den herkömmlichen als auch aus nicht konventionellen C-MEMS / C-NEMS-Verfahren resultieren, sind typischerweise glasartige Kohlenstoffe. Glassy Carbon ist ein weit verbreitetes Elektrodenmaterial für die Elektrochemie und auch für Hochtemperaturanwendungen. Die.......

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
SU8-2100	Microchem	Artikelnummer-Y1110750500L
Spinner	Laurell Technologies Corporation	Modell-WS650HZB-23NPP/UD3
Heizplatte	Torrey Pines Scientific	HS61
UV-Exposer	Quecksilberlampe, SYLVANIA	H44GS-100M, P/N-34-0054-01
Fotomaske	CAD/Art		Keine Anzahl
Entwickler	Microchem	Y020100 4000L
DI Wassersystem	Milli Q	ZOOQOVOTO
IPA	CTR Sientific	CTR 01244
N2 gas	AOC Mexiko		Keine Nummer
Ofen	PEO 601, ATV Technologie GMBH	Modell-PEO 601, Serien-Nr.-195
Si/SiO2	Noel Technologies