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Methodenartikel

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

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DOI:

10.3791/55649

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17. Juni 2017

 ,  ,  , 
1School of Engineering and Sciences, Tecnologico de Monterrey, 2Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California, 3BBB Inc

In diesem Artikel

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 Leitfähigkeit, geringer Wärmeausdehnungskoeffizient und Gasundurchlässigkeit.

Es wurde eine kontinuierliche Suche nach kohlenstoffreichen Vorläufermaterialien erhalten, um Kohlenstoffstrukturen zu erhalten. Diese Vorläufer können künstliche Materialien oder natürliche Produkte sein, die in bestimmten Formen verfügbar sind und sogar Abfallprodukte enthalten. Eine Vielzahl von micr O / nanostrukturen werden über biologische oder umwelttechnische Prozesse in der Natur gebildet, was zu einzigartigen Merkmalen führt, die mit herkömmlichen Fertigungswerkzeugen extrem schwierig zu erstellen sind. Da die Musterbildung in diesem Fall natürlich stattfand, konnte die Synthese von Nanomaterialien unter Verwendung von Natur- und Abfall-Kohlenwasserstoff-Vorläufern unter Verwendung eines einfachen, einstufigen thermischen Zersetzungsprozesses in einer Inert- oder Vakuumatmosphäre, der Pyrolyse 5 , durchgeführt werden. Hochwertige Graphen, einwandige CNTs, mehrwandige CNTs und Kohlenstoffpunkte wurden durch thermische Zersetzung oder die Pyrolyse von pflanzlichen Vorläufern und Abfällen, einschließlich Samen, Fasern und Ölen, wie Terpentinöl, Sesamöl, hergestellt , Neemöl ( Azadirachta indica ), Eukalyptusöl, Palmöl und Jatrophaöl. Auch Kampferprodukte, Teebaum-Extrakte, Abfallnahrungsmittel, Insekten, Agroabfälle und Nahrungsmittelprodukte wurden 6 , 7 ,Ass = "xref"> 8 , 9 Vor kurzem haben Forscher sogar Seidenkokons als Vorläufermaterial verwendet, um poröse Kohlenstoffmikrofasern herzustellen 10 . Das menschliche Haar, das gewöhnlich als Abfallmaterial angesehen wird, wurde vor kurzem von diesem Team benutzt. Es besteht aus etwa 91% Polypeptiden, die mehr als 50% Kohlenstoff enthalten; Der Rest sind Elemente wie Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel 11 . Haar kommt auch mit einigen interessanten Eigenschaften, wie sehr langsamer Abbau, hohe Zugfestigkeit, hohe Wärmedämmung und hohe elastische Erholung. In letzter Zeit wurde es verwendet, um in den Superkondensatoren 12 eingesetzte Kohlenstoffflocken herzustellen und Hohlkohlenstoffmikrofasern für die elektrochemische Erfassung 13 zu erzeugen.

Die Bearbeitung eines Schüttgutmaterials zur Herstellung dreidimensionaler (3D) Strukturen ist eine schwierige Aufgabe, da das Material sehr spröde ist. Fokussiertes IonAm 14 , 15 oder reaktives Ionenätzen 16 können in diesem Zusammenhang nützlich sein, aber es sind teure und zeitaufwändige Prozesse. Carbon-Mikroelektromechanik (C-MEMS) -Technologie, die auf der Pyrolyse von gemusterten Polymerstrukturen basiert, stellt eine vielseitige Alternative dar. In den vergangenen zwei Jahrzehnten haben C-MEMS und Carbon-Nanoelektromechanische Systeme (C-NEMS) aufgrund der einfachen und kostengünstigen Fertigungsschritte viel Aufmerksamkeit erlangt. Das herkömmliche C-MEMS-Herstellungsverfahren wird in zwei Schritten durchgeführt: (i) Strukturieren eines Polymervorläufers ( z. B. eines Photoresists) mit Photolithographie und (ii) Pyrolyse der gemusterten Strukturen. Ultraviolett (UV) -veränderbare Polymervorläufer, wie z. B. SU8-Photoresists, werden häufig verwendet, um Strukturen auf der Grundlage der Photolithographie zu bilden. Im Allgemeinen umfasst das Photolithographieverfahren Schritte für die Schleuderbeschichtung, das weiche Backen, die UV-Exposition, das Nachbacken und die EntwicklungLopment Im Fall von C-MEMS; Silizium; Siliciumdioxid; Siliciumnitrid; Quarz; Und in letzter Zeit wurden Saphir als Substrate verwendet. Die photostrukturierten Polymerstrukturen werden bei einer hohen Temperatur (800-1.100 ° C) in einer sauerstofffreien Umgebung carbonisiert. Bei diesen erhöhten Temperaturen in einem Vakuum oder einer inerten Atmosphäre werden alle Nicht-Kohlenstoff-Elemente entfernt, wobei nur Kohlenstoff übrig bleibt. Diese Technik ermöglicht die Erzielung hochwertiger, glasartiger Kohlenstoffstrukturen, die für viele Anwendungen sehr nützlich sind, einschließlich der elektrochemischen Erfassung 17 , des Energiespeichers 18 , der triboelektrischen Nanogenierung 19 und der elektrokinetischen Partikelmanipulation 20. Auch die Herstellung von 3D-Mikrostrukturen mit Hohe Aspektverhältnisse unter Verwendung von C-MEMS ist relativ einfach geworden und hat zu einer Vielzahl von Kohlenstoffelektrodenanwendungen 18 , 21 , 22 , 23 , die oft Edelmetallelektroden ersetzen.

In dieser Arbeit wird die jüngste Entwicklung eines einfachen und kostengünstigen Verfahrens zur Herstellung von Hohlkohlenstoff-Mikrofasern aus menschlichem Haar unter Verwendung nicht konventioneller C-MEMS-Technologie 13 eingeführt. Das herkömmliche SU8-Polymer-basierte C-MEMS-Verfahren wird hier ebenfalls beschrieben. Speziell wird das Herstellungsverfahren für hoch-Seitenverhältnis-Feststoffe und hohle SU8-Strukturen beschrieben 24.

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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 Siliziumsubstrat oder Boot in einen Ofen.
  5. Schalten Sie den Ofen ein und öffnen Sie das Ventil eines Inertgases (N 2 ).
    HINWEIS: Die optimale Gasdurchflussmenge ist abhängig vom Volumen des Ofenrohres. Für ein Röhrenvolumen von 6 L wurde eine 6 L / min-Durchflussmenge angelegt. Um eine vollständig inerte Umgebung im Ofenrohr herzustellen, wurde eine Gasströmungsrate 1,5 mal höher als das optimale Gas fNiedrige Rate wurde für die ersten 15 min angewendet.
  6. Stellen Sie die Parameter ein, einschließlich der maximalen Pyrolysetemperatur, der Temperaturrampenrate und der Inertgasdurchflussrate und führen Sie den Ofen aus.
    1. Zum Beispiel erhöhen Sie die Temperatur von Raumtemperatur auf 300 ° C bei einer 5 ° C / min Rampenzahl. Halten Sie es bei 300 ° C für 1 h zur Stabilisierung. Weiterhin die Temperatur auf 900 ° C erhöhen und für 1 h mehr für die Karbonisierung aufrechterhalten.
    2. Den Ofen auf 300 ° C mit einer Geschwindigkeit von 10 ° C / min abkühlen und den Heizer ausschalten, da die kontrollierte Kühlung nach 300 ° C nicht erforderlich ist. Lassen Sie die Proben in den Ofen, bis die Temperatur Raumtemperatur nur durch N 2 fließt.
  7. Schalten Sie den Ofen und den Gasfluss nach Beendigung des Pyrolyseprozesses aus.
  8. Nehmen Sie die Proben aus dem Ofen.

2. 3D-Polymerstruktur-Fertigung: Photolithographie

  1. DesEntwerbe ein 2D-Layout der gewünschten 3D-Photoresiststruktur unter Verwendung eines geeigneten Softwarepakets und bereite die gedruckte Maske ( dh eine Polyethylen-Photofilmmaske) vor.
    HINWEIS: Ein kommerzieller Service wurde verwendet, um das Design gedruckt zu bekommen. Die Größe der Maske hängt in der Regel vom Design ab.
  2. In einem sauberen Laboratorium zwei Heizplatten einschalten und die Temperaturen auf 65 ° C bzw. 95 ° C einstellen.
  3. Schalten Sie einen Schleuderbeschichter und eine Vakuumpumpe ein. Stellen Sie sicher, dass die Vakuumpumpe über ein Rohr mit dem Spinnkopf verbunden ist.
  4. Legen Sie die Parameter des zweistufigen Spins fest, z. B. die Spinngeschwindigkeit, die Rampe und die Dauer. Für den ersten Schritt die Spinngeschwindigkeit auf 500 U / min, die Rampe auf 100 U / min und die Schleuderzeit auf 10 s einstellen, um den Schleuderzyklus zu beginnen. Für den nächsten Schritt die Spinngeschwindigkeit auf 1.000 U / min, die Rampe auf 100 U / min und die Spinzeit auf 30 s einstellen, um den Photoresist gleichmäßig zu verbreiten.
  5. Legen Sie ein Substrat ( dh ein 4 Zoll x 4 Zoll und 5501, m ± 25 μm dicker Si-Wafer mit einer 1 μm dicken SiO 2 -Schicht) in der Mitte des Halters.
  6. Setzen Sie das lichtempfindliche Polymer (dh den SU8-Photoresist) direkt auf die Mitte des Substrats ein. Verwenden Sie genug, um die Oberfläche zu bedecken.
  7. Drücken Sie die Taste "Vakuum", um das Substrat zu halten.
  8. Drücken Sie die "Run" -Taste, um das Substrat mit SU8 zu beschichten und eine Enddicke von 250 μm zu erreichen.
  9. Nach Beendigung des Spinnvorgangs drücken Sie erneut die Taste "Vakuum", um das beschichtete Substrat aus dem Halter zu lösen.
  10. Halten Sie das beschichtete Substrat sorgfältig mit einer Pinzette, um die Oberfläche glatt und sauber zu halten. Übertragen Sie das Substrat direkt auf die Heizplatte bei 65 ° C Temperatur für 6 min und dann auf die Heizplatte bei 95 ° C Temperatur für 40 min (weiches Backen).
    HINWEIS: Das Backen bei 65 ° C ist erforderlich, um die langsame Verdampfung des Lösungsmittels zu gewährleisten, was zu einer besseren Beschichtung und einer besseren Haftung führtO das Substrat, während das Backen bei 95 ° C das SU8 weiter verdichtet.
  11. Drücken Sie in der Zwischenzeit den Schalter, um das UV-Belichtungssystem einzuschalten und stellen Sie die Zeit der Belichtung mit "12 s" mit der Set-Taste im System ein.
    HINWEIS: Für eine 250 μm dicke SU8-Schicht muss die Belichtungsenergie 360 ​​mJ / cm 2 betragen.
  12. Sobald der Backschritt (Schritt 2.10) abgeschlossen ist, setzen Sie das Substrat in das UV-Belichtungssystem und legen Sie die bedruckte Seite einer Fotomaske (ab Schritt 2.1) darauf. Benutze den ganzen Maskenbereich, um das beschichtete Substrat zu bedecken und sanft zu drücken, um sicherzustellen, dass es keine Lücke zwischen Maske und Substrat gibt.
  13. Setzen Sie das SU8-beschichtete Substrat durch die Photomaske mit vordefinierten UV-Einstellungen auf UV-Strahlung aus.
  14. Das Substrat erneut erhitzen, indem man es direkt auf die Heizplatte bei 65 ° C für 5 min und bei 95 ° C für 14 min für einen Nachbelichtungs-Backen (PEB) platziert.
    HINWEIS: Der PEB erhöht den Vernetzungsgrad in den UV-exponierten Bereichen und macht denBeschichtung im Lösungsschritt widerstandsfähiger gegenüber Lösungsmitteln.
  15. Entfernen Sie die unbelichteten Photoresistregionen, indem Sie das Substrat in die dafür vorgesehene Entwicklerlösung tauchen, für 20 min in ein Becherglas gegeben. Die Lösung sorgfältig schütteln (sorgfältig), um die vollständige Entfernung der unbelichteten Resistbereiche zu gewährleisten.
  16. Trocknen Sie die entwickelten Strukturen, indem Sie das Substrat halten und Stickstoff oder Druckluft aufblasen.
  17. Untersuche den Wafer unter einem Mikroskop mit 50facher Vergrößerung, um die auf den Photoresist übertragenen Muster mit den gewünschten Mustern zu vergleichen.

3. 3D-Kohlenstoffstruktur-Herstellung: Pyrolyse

  1. Legen Sie die mit der Photolithographie hergestellten Proben (Schritte 2.1-2.17) in einen unter Druck stehenden, offenen Rohrofen.
  2. Schalten Sie den Ofen ein und stellen Sie die Parameter für die Pyrolyse ein, wie oben in Schritt 1 erwähnt. Wiederholen Sie den Vorgang ab Schritt 1.6-1.8.
  3. Behandeln Sie die Proben sorgfältig mit Pinzetten und gehen Sie zu charakterisierenAtion

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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 ...

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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...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde von Technologico de Monterrey und der University of California in Irvine unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
SU8-2100MicrochemArtikelnummer-Y1110750500L
SpinnerLaurell Technologies CorporationModell-WS650HZB-23NPP/UD3
HeizplatteTorrey Pines ScientificHS61
UV-ExposerQuecksilberlampe, SYLVANIAH44GS-100M, P/N-34-0054-01
FotomaskeCAD/ArtKeine Anzahl
Entwickler MicrochemY020100 4000L 
DI WassersystemMilli QZOOQOVOTO
IPACTR SientificCTR 01244
N2 gasAOC MexikoKeine Nummer
OfenPEO 601, ATV Technologie GMBHModell-PEO 601, Serien-Nr.-195
Si/SiO2Noel Technologies

Referenzen

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