Name: Fabricación de Poliedros tridimensionales basados en grafeno mediante Origami-como uno mismo-plegable (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-09-23T14:30:00.000+00:00
Duration: 14 min 52 s
Description: Aprende a fabricar poliedros tridimensionales basados en grafeno mediante técnicas de auto-plegado tipo origami. Este método permite ajustar las propiedades físicas, químicas y ópticas del material para aplicaciones avanzadas.

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Este material está basado en trabajo apoyado por un fondo de puesta en marcha en la Universidad de Minnesota, ciudades gemelas y un premio de la carrera de NSF (CMMI-1454293). Partes de este trabajo se llevaron a cabo en las instalaciones de la caracterización de la Universidad de Minnesota, miembro de la NSF-financiado materiales instalaciones red de investigación (através del programa MRSEC. Porciones de este trabajo se llevaron a cabo en el centro de Nano de Minnesota, que es apoyado por la National Science Foundation a través de la nacional Nano coordinada infraestructura red (NNCI) bajo la concesión número ECCS-1542202. C. D. reconoce apoyo de la 3 M ciencia y tecnología becas.

Atención: Varios de los productos químicos utilizados en estas síntesis son tóxicos y pueden causar irritación y daño severo del órgano cuando toca o inhalado. Utilice equipo de seguridad apropiado y usar equipo de protección personal al manipular los productos químicos.
1. preparación de óxido de aluminio y capas de protección de cromo en una capa Sacrificial cobre
<ol><li>Utilizando un evaporador de haz de electrones, depositar 10 nm espesor de cromo (Cr) y 300 nm espesor cobre (Cu) de las capas (capa de sacrificio) en el substrato de silicio (Si) (Figura 2a).</li>
	<li>Capa de vuelta una fotoresistencia (PR) -1 a 2500 rpm seguido de horneado a 115 ° C por 60 s.</li>
	<li>Exponer las áreas netas 2D diseñadas a la luz ultravioleta (UV) en un alineador de contacto de la máscara durante 15 s y desarrollar por 60 s en la solución de revelador-1. Enjuague la muestra con agua desionizada (DI) y secar con una pistola de aire.</li>
	<li>10 nm espesor capa de Cr y despegue de lo restantes acetona PR - 1 en el depósito. Enjuague la muestra con agua desionizada y seque con una pistola de aire (figura 2b).</li>
	<li>A patrón 2D redes con seis cuadrados protección /Cr de Al2O3capas en la red, spin-capa 2D un PR 1 a 2500 rpm seguido de horneado a 115 ° C durante 60 s.</li>
	<li>Exponer las capas de protección cuadrados seis diseñado a la luz UV en un alineador de contacto de la máscara durante 15 s y desarrollar por 60 s en la solución de revelador-1. Enjuague la muestra con agua desionizada y seque con una pistola de aire.</li>
	<li>Depositar un 100 nm Al2O3 capa gruesa y capa Cr gruesa de 10 nm. Eliminar acetona PR - 1 en resto. Enjuague la muestra con agua desionizada y seque con una pistola de aire (figura 2C).</li>
</ol>2. preparación de membranas de oxido de grafeno y grafeno
Nota: En este estudio, se utilizan dos tipos de materiales basados en grafeno: deposición de vapor (i) químico (CVD) crecido grafeno y óxido de grafeno (ii) (ir).
<ol><li>
Preparación de membranas de grafeno de múltiples capas CVD Nota: Para obtener membranas de múltiples capas de grafeno, una capa de grafeno se transfiere tres veces separadas con múltiples pasos de recubrimiento/extracción de polimetil metacrilato (PMMA).<ol>
<li>A partir de una pieza cuadrada de ~ 15 m m de grafeno se adhirieron en hoja del Cu, spin-capa una capa delgada de PMMA en 3000 rpm en la superficie del grafeno. Hornear a 180 ° C durante 10 minutos.</li>
		<li>Coloque la hoja de grafeno/PMMA/Cu capas de hoja flotante Cu-lado abajo en Cu grabador por 24 h grabar a la hoja del Cu.</li>
		<li>Después de la Cu aluminio se haya disuelto completamente (dejando PMMA/grafeno), transferir el grafeno recubierto de PMMA flotante sobre la superficie de una piscina de agua DI usando un microscopio portaobjetos de vidrio para eliminar cualquier residuo de grabador Cu. Repita varias veces, el traspaso del grafeno recubierto de PMMA en piscinas de agua de nuevo DI enjuagar adecuadamente.</li>
		<li>Transferencia el grafeno recubierto de PMMA flotante sobre otro pedazo de grafeno se adhirieron en hoja del Cu (grafeno/Cu) para obtener una membrana de grafeno bicapa (formando una estructura de hoja PMMA/grafeno/grafeno/Cu).</li>
		<li>Tratar térmicamente el grafeno bicapa en el Cu de hoja en un plato caliente a 100 ° C durante 10 minutos.</li>
		<li>Quitar el PMMA en la parte superior del grafeno bicapa en el Cu de la hoja en un baño de acetona (dejando una pila de capas de papel de grafeno/grafeno/Cu), seguido por la transferencia al agua de DI.</li>
		<li>Repetir la transferencia de grafeno (2.1.1 - 2.1.5) una vez más para obtener tres capas apiladas de las membranas de grafeno. Cuando paso 2.1.4 se alcanza durante el proceso de repetición, en lugar de transferir la nueva hoja de grafeno recubierto de PMMA en otra pieza de grafeno/Cu, transferir el nuevo grafeno recubierto de PMMA en la doble capa de grafeno fabricado previamente de paso 2.1.6 para formar una combinación de capa de la hoja PMMA/grafeno/grafeno/grafeno/Cu. A continuación, repita el paso 2.1.5 sin modificación.</li>
		<li>Coloque la hoja PMMA/grafeno/grafeno/grafeno/Cu capas de hoja flotante Cu-lado abajo en Cu grabador por 24 h grabar a la hoja del Cu.</li>
		<li>Transferir las capas tres de PMMA revestido de las membranas de grafeno (PMMA, grafeno, grafeno/grafeno) en el prefabricado Al2O3/Cr protección capas de sección 1.</li>
		<li>Después de la transferencia del grafeno, retire el PMMA con acetona. Luego, sumergir la muestra en agua desionizada y secar en aire.</li>
		<li>Tratar térmicamente el grafeno de múltiples capas en el sustrato en un plato caliente a 100 ° C durante 1 hora.</li>
		<li>Spin-capa PR-1 en 2500 rpm y cocer a 115 ° c durante 60 s.</li>
		<li>UV expone las regiones de PR-1 directamente sobre las zonas de la capa de protección cuadrados mediante un alineador de contacto de la máscara durante 15 s y desarrollar por 60 s en la solución de revelador-1.</li>
		<li>Quitar la recién descubierta, no deseados grafeno áreas mediante un tratamiento plasma de oxígeno durante 15 s.</li>
		<li>Retire el sobrante PR-1 en acetona.</li>
		<li>La muestra con agua desionizada y seque en el aire (Figura 2d).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Preparación de membranas de óxido de grafeno Nota: Fotolitografía tradicional seguida por una despegue proceso mediante inundación exposición se utiliza para las membranas GO del patrón.<ol>
<li>Spin-coat PR-2 a 1700 rpm por 60 s en la cima de las previamente fabricado Al2O3/Cr protección capas para obtener una capa gruesa de 10 μm. Cueza al horno la PR-2 a 115 ° C por 60 s y luego espere 3 h.</li>
		<li>Con la misma máscara utilizada para patrones de la capa de protección de Al2O3/Cr UV exponer la muestra en un alineador de contacto de la máscara de 80 s y desarrollar por 90 s en la solución de revelador-2. Enjuague la muestra con agua desionizada y seque con una pistola de aire.</li>
		<li>Realizar una exposicion inundación de toda la muestra sin una máscara para 80 s.</li>
		<li>Spin-capa el ir preparado y mezcla de agua (15 mg de polvo de ir en 15 mL de agua desionizada) de la muestra a 1000 rpm por 60 s. realizar la capa de vuelta un total de 3 veces.</li>
		<li>Sumergir la muestra en solución de revelador-2 para permitir el despegue de GO no deseado.</li>
		<li>Enjuague la muestra con agua desionizada y secar cuidadosamente la muestra con una pistola de aire.</li>
		<li>Tratar térmicamente la muestra sobre una placa caliente a 100 ° C por 1 h (figura 2 h).</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. metal patrón superficial en las membranas de grafeno
Nota: Un común proceso de fotolitografía se llevó a cabo para alcanzar el patrón superficial mediante un alineador de máscara contacto UV y evaporador de haz de electrones (ver 1.2-1.4).
<ol><li>Crear patrones de espesor titanio (Ti) de 20 nm sobre las membranas con motivos basados en grafeno.</li>
	<li>Tratar térmicamente la muestra sobre una placa caliente a 100 ° C por 1 h (figura 2e de grafeno) y figura 2i para ir.</li>
</ol>4. fabricación de polímero Marcos y bisagras
<ol><li>En la parte superior las membranas basadas en grafeno con Ti superficie patrones, spin-capa PR-3 a 2500 rpm por 60 s para formar una capa gruesa de 5 μm y hornear a 90 ° C por 2 min.</li>
	<li>UV exponer las muestras a 20 s, hornear a 90 ° C por 3 min y desarrollar por 90 s en la solución de revelador-3.</li>
	<li>Enjuague la muestra con agua desionizada y alcohol isopropílico (IPA) y secar cuidadosamente la muestra con una pistola de aire.</li>
	<li>Después de hornear las muestras a 200 ° C durante 15 min mejorar la rigidez mecánica de los marcos (PR-3) (figura 2f de grafeno) y figura 2j para ir.</li>
	<li>Para hacer el patrón de la bisagra, spin-coat PR-2 a 1000 rpm por 60 s para formar una película gruesa de 10 μm en la parte superior del sustrato prefabricado. Cocer a 115 ° c por 60 s y espere 3 h.</li>
	<li>UV exponer la muestra en un alineador de contacto de la máscara de 80 s y desarrollar por 90 s en la solución de revelador-2.</li>
	<li>Enjuague la muestra con agua desionizada y secar cuidadosamente la muestra con una pistola de aire (figura 2 g de grafeno) y figura 2 k para ir.</li>
</ol>5. auto plegable en agua desionizada
Nota: Cuando las bisagras de la PR-2 se derritan (o refusión), se genera una fuerza de tensión superficial; por lo tanto, las estructuras 2D se transforman en estructuras 3D (un proceso auto plegable).
<ol><li>Para liberar la estructura 2D, disolver la capa sacrificial Cu bajo las redes 2D en un grabador de Cu (figura 2 l).</li>
	<li>Transferir la estructura liberada en un baño de agua DI utilizando una pipeta y enjuague algunas veces para quitar el grabador Cu residual.</li>
	<li>Estructura de lugar el 2D en agua desionizada había calentada por encima del punto de fusión del polímero (PR-2) bisagras (figura 2 m).</li>
	<li>Controlar el auto plegable en tiempo real a través de microscopía óptica y retire la fuente de calor en exitosa asamblea en cubos cerrados.</li>
</ol>6. eliminación de las capas de protección
<ol><li>Después de plegar uno, quitar las capas de protección /Cr de Al2O3con grabador Cr (figura 2n).</li>
	<li>Transferir suavemente los cubos en baño de agua DI y enjuague cuidadosamente.</li>
</ol>

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<li>Liu, C., Schauff, J., Joung, D., Cho, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Remotely+controlled+microscale+3D+self-assembly+using+microwave+energy%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials+Technologies%22%5BJournal%5D)">Remotely controlled microscale 3D self-assembly using microwave energy.</a> Advanced Materials Technologies. 2 (8), 1700035(2017).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

Para los cubos fabricados con grafeno de ECV, porque cada cara de un cubo dado está diseñado con un marco externo que rodea un área de2 ~ 160 × 160 μm de grafeno independiente, una sola hoja de grafeno monocapa no tiene la fuerza necesaria para permitir procesamiento en paralelo de los cubos. Por esta razón, las membranas de grafeno que consta de tres capas de monocapa de grafeno CVD hojas son producen mediante tres transferencias del grafeno separadas con múltiples pasos de la capa/extracción de PMMA...

Dos dimensiones (2D) graphene hojas poseen extraordinarias propiedades ópticas, electrónicas y mecánicas, que modelo de sistemas para la observación de fenómenos de quantum novela de última generación electrónicos, optoelectrónicos, electroquímica, aplicaciones electromecánicas y biomédica1,2,3,4,5,6. Recientemente, aparte de la estructura capas 2D como producción del grafeno, se han investigado diversos planteamientos de modificación para observar nuevas funcionalidades de grafeno y buscar nuevas oportunidades de aplicación. Por ejemplo, modulación (o ajuste) sus propiedades físicas (es decir, doping nivel o banda gap) adaptando las formas o patrones del 2D de la estructura unidimensional (1D) o estructura (0 D) cero-dimensional (e.g., grafeno nanoribbon o grafeno puntos cuánticos) ha sido estudiado para obtener nuevos fenómenos físicos incluyendo efectos de confinamiento cuántico, modos plasmónica localizados, distribución de electrones localizados y polarización de spin edge Estados7,8 ,9,10,11,12. Además, variando la textura del grafeno 2D arrugándose (a menudo llamado kirigami), delaminación, pandeo, torsión, o apilamiento de múltiples capas, o cambiando la forma superficial de grafeno mediante la transferencia de grafeno 2D en la parte superior una característica 3D (sustrato) ha sido demostrado para cambiar la mojabilidad del grafeno, características mecánicas y propiedades ópticas13,14.
Más allá de cambiar la morfología superficial y la estructura en capas de grafeno 2D, montaje de grafeno 2D en funcionalizados, bien definidos, tridimensionales (3D) poliedros ha sido de gran interés recientemente en la comunidad de grafeno para obtener la nueva física y fenómenos químicos15. En teoría, elástica, electrostática y van der Waals se pueden aprovechar las energías de estructuras 2D basados en grafeno para transformar el grafeno 2D en 3D origami de grafeno varias configuraciones de16,17. Partiendo de este concepto, estudios de Modelización teórica han investigado grafeno 3D diseños de estructura, formados a partir de las membranas de grafeno 2D a nanoescala, con posibles aplicaciones en el suministro de medicamentos y almacenamiento molecular general16,17. Sin embargo, los avances experimentales de este enfoque es aún muy lejos de darse cuenta de estas aplicaciones. Por otro lado, se han desarrollado varios métodos de síntesis química para lograr estructuras 3D a través de ayuda de plantilla Asamblea dirigido por flujo, emulgente Asamblea y crecimiento conformal métodos18,19 , 20 , 21 , 22. sin embargo, estos métodos son actualmente limitados en que no producen una estructura 3D, hueco, cerrada sin perder las propiedades intrínsecas de las hojas de grafeno.
Aquí, se describe una estrategia para la construcción de microcubes 3D, hueco, basada en el grafeno (dimensión total de ~ 200 μm) usando origami-como uno mismo-plegables; superación de los retos más importantes en la construcción de materiales libre de pie, hueco, 3D, poliédricos, basados en grafeno. En origami-como manos libres auto plegables técnicas, características planos litográfico modelados 2D (es decir, las membranas basadas en grafeno) son conectadas con bisagras (es decir, polímeros de termal-sensible, fotoresistencia) en varias articulaciones, de tal modo formación 2D redes que doblar para arriba cuando las bisagras se calientan para derretir temperatura23,24,25,26. Los cubos basados en grafeno se realizan con componentes de la membrana de ventana compuesto por unas pocas capas de deposición de vapor químico (CVD) crecido grafeno o membranas de grafeno óxido (ir); ambos con el uso de marcos del polímero y las bisagras. La fabricación de los cubos 3D basados en grafeno implica: (i) preparación de capas de protección, (ii) membrana de grafeno transferencia y patrones, (iii) superficie patrones en membranas de grafeno, (iv) marco y bisagras de patrones y la deposición, (v). uno plegable y (vi) eliminación de las capas de protección (figura 1). Este artículo se centra sobre todo en los aspectos auto plegables de la fabricación de cubos 3D basados en grafeno. Detalles sobre propiedades físicas y ópticas de los cubos 3D basados en el grafeno se pueden encontrar en nuestras otras recientes publicaciones27,28.

<table><tbody><tr><td>Acetona</td><td>Fisher Chemical</td><td>A18P-4</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Óxido de aluminio</td><td>Kurt J. Lesker Company</td><td>EVMALO-1-2.5</td><td>99.99%</td></tr><tr><td>Puro APS Copper Etchant 100</td><td>Transene Company, Inc.</td><td>N/A</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Cámara (para imagen 3D)</td><td>Nikon</td><td>D5100</td><td>1080p Full HD, Píxeles efectivos: 16,2 millones, Tamaño del sensor: 23,6 mm x 15,6 mm</td></tr><tr><td>CE-5 M Máscara de cromo Grabador</td><td>Transene Company, Inc.</td><td>N/A</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Sistema de crecimiento por deposición química (CVD)</td><td>Personalizado</td><td>N/A</td><td>Lindberg/Horno de tubo azul</td></tr><tr><td>Cromo</td><td>Kurt J. Lesker Company</td><td>EVMCR35J</td> Grabado de cromo <td>con pureza del 99,95%</td></tr><tr><td>473</td><td>Transene Company, Inc.</td><td>N/A</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Cobre</td><td>Kurt J. Lesker Company</td><td>EVMCU40QXQJ</td><td>99.99% puro</td></tr><tr><td>Developer-1 (desarrollador MF319)</td><td>Microposit</td><td>10018042</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Developer-2 (desarrollador AZ)</td><td>Merck performance Materials Corp.</td><td>1005422496</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Developer-3 (revelador SU-8)</td><td></td><td>Placa calefactora digital MicroChem</td> NC9901158 <td>N/A</td></tr><tr><td></td><td>serie Thermo Scientific</td><td>HP131725</td><td>Super-Nuvoa, temperatura máxima: 370 °C; C</td></tr><tr><td>Sistema de evaporador E-Beam</td><td>Tecnología de vacío de las Montañas Rocosas.</td><td>N/A</td><td>RME-2000</td></tr><tr><td>Óxido de grafeno</td><td>Goographene</td><td>N/A</td><td>Pureza: ~ 99%; Proporción de una sola capa: ~ 99%; &nbsp; 0,7-1,2 nm de espesor.</td></tr><tr><td>Alcohol isopropílico</td><td>Fisher Chemical</td><td>A416-4</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Alineador de mascarillas</td><td>Midas</td><td>MDA-400LJ</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Microscopio</td><td>Omax</td><td>NJF-120A</td><td>N/A</td></tr><tr><td>polimetilmetacrilato múltiple (PMMA)</td><td>MicroChem</td><td>950 PMMA A9</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Plasma de oxígeno&nbsp;</td><td>Técnicas Inc.</td><td>SERIE 800</td><td>Grabado iónico reactivo a microescala (RIE)</td></tr><tr><td>Photoresist-1 (S1813 Photoresist)</td><td>Microposit</td><td>10018348</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Photoresist-2 (SPR220 Photoresist)</td><td>MicroChem</td><td>SPR00220-7G</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Photoresist-3 (SU-8 Photoresist)</td><td>MicroChem</td><td>SU-8-2010</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Profilometer</td><td>Tencor Instruments</td><td>N/A</td><td>Alpha-Step 200</td></tr><tr><td>Raman</td><td>WITec Instruments Corp.</td><td>Microscopio Raman Confocal</td> <td>Alpha300R</td></tr><tr><td>Oblea</td> de <td>Silicio Siltronic AG</td> N<td>/A 100mm</td><td>de diámetro, tipo N, pulido de una cara, resistencia: 560-840 &Omega; y toro; cm</td></tr><tr><td>Spinner</td><td>Las mejores herramientas</td><td>S0114031123</td><td>SMART COATER 100</td></tr><tr><td>Titanio</td><td>Kurt J. Lesker Company</td><td>EVMTI45QXQA</td><td>99.99%</td></tr><tr><td>Limpiador ultrasónico</td> puro <td>Crest Ultrasonics</td><td>N/A</td><td>Serie Powersonic</td></tr></tbody></table>

fabricación de poliedros tridimensionales basados en grafeno mediante origami-como uno mismo-plegable

Fabrication of Three-Dimensional Graphene-Based Polyhedrons via Origami-Like Self-Folding

El montaje de dos dimensiones (2D) grafeno en tridimensionales (3D) estructuras poliédricas preservando excelentes propiedades inherentes de grafeno ha sido de gran interés para el desarrollo de aplicaciones para nuevos dispositivos. Aquí, fabricación de 3D, microescala, hueco de poliedros (cubos) que consiste en unas pocas capas de grafeno 2D o grafeno óxido hojas a través de un proceso de auto-plegado origami-como se describe. Este método implica el uso de marcos del polímero y las bisagras y capas de protección de óxido de aluminio/cromo que reducen la resistencia a la tracción, espacial y tensión superficial de tensiones en las membranas de grafeno basado cuando las redes 2D se transforman en cubos 3D. El proceso ofrece control del tamaño y la forma de las estructuras así como producción paralela. Además, este enfoque permite la creación de modificaciones superficiales de metal dibujos en cada cara de los cubos 3D. Estudios de Espectroscopía Raman muestran que el método permite la preservación de las propiedades intrínsecas de las membranas basadas en grafeno, demostrando la robustez de nuestro método.

La figura 2 muestra las imágenes ópticas de los procesos litográficos del grafeno 2D y las estructuras de GO red y posterior proceso auto plegable. El proceso de plegado automático se monitorea en tiempo real a través de un microscopio de alta resolución. Ambos tipos de cubos 3D basados en el grafeno se doblan a ~ 80 ° C. Figura 3 establece secuencias de vídeo capturadas con el plegamiento automático de cubos 3D basados ...

Aquí, presentamos un protocolo para la fabricación de poliedros 3D basados en el grafeno mediante origami-como uno mismo-plegable.

Fabricación de Poliedros tridimensionales basados en grafeno mediante Origami-como uno mismo-plegable

The assembly of two-dimensional (2D) graphene into three-dimensional (3D) polyhedral structures while preserving the graphene's excellent inherent ...

Este protocolo utiliza métodos de plegado automático similares al origami para crear poliedros basados en grafeno 3D. Las láminas bidimensionales de grafeno poseen extraordinarias propiedades ópticas, electrónicas y mecánicas. Al adaptar la forma del grafeno bidimensional, se pueden ajustar sus propiedades físicas, químicas y ópticas, lo que puede introducir nuevos comportamientos de materiales, lo que permite nuevas oportunidades de aplicación.En este sentido, la integración del grafeno 2D en las estructuras de poliedros funcionalizados, bien definidos y tridimensionales ha sido de gran interés recientemente en la comunidad del grafeno. Los poliedros de grafeno 3D pueden ser beneficiosos para muchas aplicaciones. Algunos ejemplos son los contenedores protegidos contra gas y agua, el almacenamiento molecular, los sistemas de entrega, la encapsulación de materiales a base de líquidos, para facilitar la observación en microscopía electrónica, dispositivos optoelectrónicos funcionales y materiales de materia.Se han introducido varias rutas químicas para la producción de estructuras 3D basadas en grafeno. Sin embargo, estos métodos suelen requerir fuertes reacciones químicas, que afectan a las propiedades intrínsecas del grafeno y presentan desafíos en la construcción de poliedros de grafeno 3D de pie, huecos. Para superar estas limitaciones, este estudio muestra una metodología para realizar microcubos 3D multifacrés con grafeno 2D y óxido de grafeno mediante el uso de plegado automático similar al origami.Para ayudar a dar contexto al proceso general de fabricación de los cubos basados en grafeno 3D, ahora se introducirá una visión general simplificada de seis pasos antes del protocolo detallado. En primer lugar, prepare las capas de protección. A continuación, realice la transferencia de membrana de grafeno en el patrón en las capas de protección.A continuación, cree patrones de superficie metálica en las membranas de grafeno. A continuación, defina marcos y bisagras de polímero. A continuación, transforme las redes 2D en cubos 3D a través de plegado automático.Por último, elimine las capas de protección. Usando un evaporador de haz de electrones, deposita capas de cobre de 10 nanómetros de espesor y 300 nanómetros de espesor en el sustrato de silicio. Fotorresisto de capa giratoria a 2500 RPM seguido de hornear a 115 grados Celsius durante 60 segundos.Exponga las áreas de red 2D diseñadas a la luz UV en un alineador de máscara de contacto durante 15 segundos y luego desarrolle durante 60 segundos en el desarrollador. Enjuague la muestra con agua desionizada y seque con una pistola de aire. Deposite una capa de cromo de 10 nanómetros de espesor y levante el fotorresistir restante en acetona.Enjuague la muestra con agua desionizada y seque con una pistola de aire. Para modelar redes 2D con óxido de aluminio de seis cuadrados y capas de protección de cromo en las redes, fotorresistetista de capa de centrifugado a 2.500 RPM seguido de hornear a 115 grados Celsius durante 60 segundos. Exponga las capas de protección de seis cuadrados diseñadas a la luz UV en un alineador de máscara de contacto durante 15 segundos y desarrolle durante 60 segundos en el desarrollador.Enjuague la muestra con agua desionizada y seque con una pistola de aire. Deposite una capa de óxido de aluminio de 100 nanómetros de espesor en una capa de cromo de 10 nanómetros de espesor. Retire el fotorresistir restante en acetona.Enjuague la muestra con agua desionizada y seque con una pistola de aire. A partir de la pieza cuadrada de grafeno de 15 milímetros adherida en papel de cobre, escarba una fina capa de PMMA a 3000 RPM en la superficie del grafeno. Hornee a 180 grados centígrados durante 10 minutos.Coloque el grafeno PMMA en láminas de lámina de cobre, flotando con el lado del cobre hacia abajo en el grabado de cobre durante 24 horas para grabar la lámina de cobre. Después de que la lámina de cobre se disuelva por completo, dejando PMMA en grafeno, transfiera el grafeno recubierto de PMMA flotante a la superficie de una piscina de agua desionizada utilizando un vidrio deslizante de microscopio para eliminar cualquier residuo de grabado de cobre. Repita la transferencia del grafeno recubierto de PMMA a nuevas piscinas de agua desionizada varias veces para enjuagar adecuadamente.Transfiera el grafeno recubierto de PMMA flotante a otra pieza de grafeno adherida a la lámina de cobre para obtener una membrana bicapial de grafeno. Tratar térmicamente el grafeno de doble capa en papel de cobre en una placa caliente a 100 grados Celsius durante 10 minutos. Retire el PMMA en la parte superior del grafeno de doble capa en la lámina de cobre en un baño de acetona, dejando una pila de capa de papel de grafeno, grafeno y cobre, seguida de la transferencia al agua desionizada.Repita la transferencia de grafeno una vez más para obtener tres capas apiladas de membranas de grafeno. Coloque el PMMA, el grafeno, el grafeno, el grafeno y la lámina de cobre en capas, el lado flotante de cobre hacia abajo en el grabado de cobre durante 24 horas para grabar la lámina de cobre. Transfiera las tres capas de membranas de grafeno recubiertas con PMMA a las capas de protección de óxido de aluminio y cromo prefabricadas.Después de la transferencia del grafeno, retire el PMMA con acetona. A continuación, sumerja la muestra en agua desionizada y séquela en el aire. Tratar térmicamente el grafeno multicapa en el sustrato en una placa caliente a 100 grados Celsius durante una hora.Gire el fotorresisto de la capa a 2500 RPM y hornee a 115 grados Celsius durante 60 segundos. Los rayos UV exponen las regiones de fotorresistir directamente sobre las áreas de la capa de protección cuadrada utilizando un alineador de máscara de contacto durante 15 segundos. Luego se desarrolla durante 60 segundos.Retire las áreas de grafeno no deseadas recién descubiertas a través de un tratamiento de plasma de oxígeno durante 15 segundos. Retire el fotorresista sobrante en acetona. Enjuague la muestra con agua desionizada y séquela al aire.Fotorresista de capa giratoria a 1700 RPM durante 60 segundos en la parte superior de las capas de protección de óxido de aluminio y cromo fabricadas anteriormente para obtener una capa de 10 micrómetros de espesor. Hornea el fotorresisí a 115 grados Centígrados durante 60 segundos y luego espera tres horas. Con la misma máscara utilizada para modelar las capas de óxido de aluminio y cromo, LOS rayos UV exponen la muestra en un alineador de máscara de contacto durante 80 segundos y se desarrollan durante 90 segundos.Enjuague la muestra con agua desionizada y seque con una pistola de aire. Realice una exposición a la inundación UV de toda la muestra sin máscara durante 80 segundos. Remuestra el óxido de grafeno preparado y la mezcla de agua en la muestra a 1000 RPM durante 60 segundos.Realice el recubrimiento de espín un total de tres veces. Sumerja la muestra en el desarrollador para permitir el despegue del óxido de grafeno no deseado. El proceso de despegue bajo un microscopio se muestra aquí con el material de archivo acelerado.Enjuague la muestra con agua desionizada y seque cuidadosamente la muestra con una pistola de aire. Tratar térmicamente la muestra en una placa caliente a 100 grados Celsius durante una hora. Cree patrones de titanio de 20 nanómetros de espesor en la parte superior de las membranas basadas en grafeno estampado.Tratar térmicamente la muestra en una placa caliente a 100 grados Celsius durante una hora. En la parte superior de las membranas a base de grafeno con patrones de superficie de titanio, fotorresistidor de capa de espinilla a 2500 RPM durante 60 segundos para formar una capa de cinco micrómetros de espesor y hornear a 90 grados Celsius durante dos minutos. Exponga los rayos UV las muestras durante 20 segundos, hornee a 90 grados Centígrados durante tres minutos y desarrolle durante 90 segundos.Enjuague la muestra con agua desionizada y alcohol isopropílico, y seque cuidadosamente la muestra con una pistola de aire. Post-bake las muestras a 200 grados Celsius durante 15 minutos para mejorar la rigidez mecánica de los marcos. Para hacer el patrón de bisagra, gire el fotorresistente de la capa a 1000 RPM durante 60 segundos para formar una película de 10 micrómetros de espesor en la parte superior del sustrato prefabricado.Hornea a 115 grados centígrados durante 60 segundos y espera tres horas. Exponga la muestra UV en un alineador de máscara de contacto durante 80 segundos y desarrolle durante 90 segundos. Enjuague la muestra con agua desionizada y seque cuidadosamente la muestra con una pistola de aire.Para liberar las estructuras 2D, disolver la capa de sacrificio de cobre debajo de las redes 2D en un grabador de cobre. Transfiera cuidadosamente las estructuras liberadas a un baño de agua desionizado utilizando una pipeta y enjuague varias veces para eliminar el grabador de cobre residual. Coloque las estructuras 2D en agua desionizada, calentada por encima del punto de fusión de las bisagras del polímero.Supervise el auto-plegado en tiempo real a través de una microscopía óptica y retírelo de la fuente de calor cuando el montaje sea exitoso en cubos cerrados. Después del auto-plegado, retire las capas de protección de óxido de aluminio y cromo con cromo etchant. Transfiera suavemente los cubos a un baño de agua desionizado y enjuague cuidadosamente.Las imágenes ópticas muestran los procesos litográficos de las estructuras netas de grafeno 2D y óxido de grafeno y el posterior proceso de auto-plegado. El proceso de auto-plegado se supervisa en tiempo real a través de un microscopio de alta resolución. Ambos tipos de cubos a base de grafeno 3D están plegados a unos 80 grados centígrados.Las figuras establecen secuencias capturadas por vídeo que muestran el auto-plegado de cubos basados en grafeno 3D de una manera paralela. Bajo un proceso optimizado, este enfoque muestra un rendimiento más alto de aproximadamente el 90 por ciento. Las figuras muestran imágenes ópticas de los cubos a base de grafeno y óxido de grafeno ensamblados en 3D con y sin patrones de superficie.El tamaño total de los cubos autodidagados es de 200 micrómetros de ancho por 200 micrómetros de largo por 200 micrómetros de alto. Las características con patrón de titanio de 20 nanómetros de espesor y las letras UMN se definen en cada cara de los cubos basados en grafeno 3D. Las figuras incluyen espectroscopia Raman de redes 2D a base de grafeno y cubos a base de grafeno 3D.Los resultados no muestran cambios notables en la posición del pico de Raman y la intensidad de las membranas de grafeno y óxido de grafeno después del auto-plegado. Sin embargo, cuando no se utilizan capas de protección, se observaron cambios notables en las intensidades máximas relativas, lo que indica cambios o daños en las propiedades del grafeno durante el auto-plegado. Este método permite el desarrollo de dispositivos biomédicos, electrónicos y ópticos, incluyendo sensores y circuitos eléctricos utilizando las numerosas ventajas de las configuraciones 3D.Además, dado que el proceso utiliza una imagen temprana sólo para materiales basados en grafeno, este método se puede aplicar a otro material bidimensional, como cuchillos tren-ja-men-ai chai-hus y pasaportes negros, lo que permite que esta oportunidad se utilice en el desarrollo de configuraciones 3D de próxima generación de materiales 2D.

fabrication-three-dimensional-graphene-based-polyhedrons-via-origami

Research

Investigación

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Engineering

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