Fabbricazione di poliedri tridimensionali basati sul grafene via come Origami auto-pieghevole

Questo protocollo utilizza metodi autopiedi simili a origami per creare poliedri basati sul grafene 3D. I fogli bidimensionali di grafene possiedono straordinarie proprietà ottiche, elettroniche e meccaniche. Adattando la forma del grafene bidimensionale, è possibile ottimizzarne le proprietà fisiche, chimiche e ottiche, che possono introdurre nuovi comportamenti materiali, consentendo nuove opportunità di applicazione.

A questo proposito, l'integrazione del grafene 2D nelle strutture di poliedri tridimensionali funzionalizzati, ben definiti è stata di grande interesse negli ultimi tempi nella comunità del grafene. I poliedri di grafene 3D possono essere utili per molte applicazioni. Esempi includono contenitori protetti da gas e acqua, stoccaggio molecolare, sistemi di consegna, incapsulamento di materiali a base liquida, per una facile osservazione in microscopia elettronica, dispositivi optoelettronici funzionali e materiali materiali.

Sono state introdotte diverse vie chimiche per la produzione di strutture a base di grafene 3D. Tuttavia, questi metodi richiedono tipicamente forti reazioni chimiche, che influenzano le proprietà intrinseche del grafene e presentano sfide nella costruzione di poliedri di grafene 3D liberi, cavi. Per superare questi limiti, questo studio mostra una metodologia per realizzare microcubi 3D multi-faccia con grafene 2D e ossido di grafene utilizzando auto-folding simile agli origami.

Per contribuire a dare contesto al processo di fabbricazione complessivo dei cubi basati sul grafene 3D, verrà ora introdotta una panoramica semplificata in sei passaggi prima del protocollo dettagliato. In primo luogo, preparare i livelli di protezione. Quindi, eseguire il trasferimento grafene-membrana nella creazione di modelli sugli strati di protezione.

Quindi, creare una serie di superfici metalliche sulle membrane di grafene. Successivamente, definire i telai e le cerniere in polimero. Quindi, trasforma le reti 2D in cubi 3D tramite auto-piegatura.

Infine, rimuovere i livelli di protezione. Utilizzando un evaporatore a fascio di elettroni, depositare 10 strati di cromo dello spessore di 10 nanometri e strati di rame spessi 300 nanometri sul substrato di silicio. Fotoresist spin coat a 2500 giri/min seguito da cottura a 115 gradi Celsius per 60 secondi.

Esporre le aree di rete 2D progettate alla luce UV su un allineatore di maschere di contatto per 15 secondi e quindi svilupparlo per 60 secondi nello sviluppatore. Risciacquare il campione con acqua deionizzata e asciugare con una pistola ad aria compressa. Deposita uno strato di cromo spesso 10 nanometri e solleva il fotoresist rimanente in acetone.

Risciacquare il campione con acqua deionizzata e asciugare con una pistola ad aria compressa. Per modellare reti 2D con ossido di alluminio a sei quadrati e strati di protezione del cromo sulle reti, spin coat fotoresist a 2.500 giri/min seguito da cottura a 115 gradi Celsius per 60 secondi. Esponi i livelli di protezione a sei quadrati progettati alla luce UV su un allineatore di maschere di contatto per 15 secondi e sviluppalo per 60 secondi nello sviluppatore.

Risciacquare il campione con acqua deionizzata e asciugare con una pistola ad aria compressa. Deposita uno strato di ossido di alluminio spesso 100 nanometri in uno strato di cromo spesso 10 nanometri. Rimuovere il fotoresist rimanente in acetone.

Risciacquare il campione con acqua deionizzata e asciugare con una pistola ad aria compressa. A partire dal pezzo quadrato di grafene di 15 millimetri aderito su un foglio di rame, girare rivestire un sottile strato di PMMA a 3000 giri/min sulla superficie del grafene. Cuocere a 180 gradi Celsius per 10 minuti.

Posizionare il grafene PMMA in lamiera stratificata in rame, galleggiante lato rame verso il basso in incisione di rame per 24 ore per incidere via la lamina di rame. Dopo che il foglio di rame è stato completamente sciolto, lasciando il PMMA in grafene, trasferire il grafene galleggiante rivestito di PMMA sulla superficie di una pozza di acqua deionizzata utilizzando un vetro scorrevole al microscopio per rimuovere eventuali residui di incisione di rame. Ripetere più volte il trasferimento del grafene rivestito di PMMA su nuove pozze d'acqua deionizzate per risciacquare adeguatamente.

Trasferire il grafene galleggiante rivestito di PMMA su un altro pezzo di grafene aderto su un foglio di rame per ottenere una membrana di grafene bistrato. Trattare termicamente il grafene a doppio strato su un foglio di rame su una piastra calda a 100 gradi Celsius per 10 minuti. Rimuovere il PMMA sopra il grafene a doppio strato sulla lamina di rame in un bagno di acetone, lasciando una pila di strati di grafene, grafene e foglio di rame, seguita dal trasferimento in acqua deionizzata.

Ripetere il trasferimento del grafene ancora una volta per ottenere tre strati impilati di membrane di grafene. Posizionare il foglio stratificato di PMMA, grafene, grafene, grafene e rame, lato rame galleggiante verso il basso in incisione di rame per 24 ore per incidere via la lamina di rame. Trasferire i tre strati di membrane di grafene rivestiti in PMMA sugli strati prefabbrico di ossido di alluminio e protezione del cromo.

Dopo il trasferimento del grafene, rimuovere il PMMA con acetone. Quindi, immergere il campione in acqua deionizzata e asciugare nell'aria. Trattare termicamente il grafene multistrato sul substrato su una piastra calda a 100 gradi Celsius per un'ora.

Girare il fotoresist a 2500 giri/min e cuocere a 115 gradi Celsius per 60 secondi. I raggi UV espongono le regioni del fotoresist direttamente sopra le aree del livello di protezione quadrata utilizzando un allineatore di maschere di contatto per 15 secondi. Quindi sviluppare per 60 secondi.

Rimuovere le aree di grafene indesiderate appena scoperte tramite un trattamento al plasma di ossigeno per 15 secondi. Rimuovere il fotoresist rimasto in acetone. Risciacquare il campione con acqua deionizzata e asciugare all'aria.

Fotoresist spin coat a 1700 giri/min per 60 secondi sopra gli strati di protezione dall'ossido di alluminio e dal cromo precedentemente fabbricati per ottenere uno strato spesso 10 micrometri. Cuocere il fotoresist a 115 gradi Celsius per 60 secondi e quindi attendere tre ore. Con la stessa maschera utilizzata per modellare gli strati di ossido di alluminio e cromo, i raggi UV espongono il campione su un allineatore di maschere di contatto per 80 secondi e si sviluppano per 90 secondi.

Risciacquare il campione con acqua deionizzata e asciugare con una pistola ad aria compressa. Eseguire un'esposizione alluvione UV dell'intero campione senza maschera per 80 secondi. Spin rivestire la miscela preparata di ossido di grafene e acqua sul campione a 1000 giri/min per 60 secondi.

Eseguire il rivestimento di rotazione per un totale di tre volte. Immergere il campione nello sviluppatore per consentire il decollo dell'ossido di grafene indesiderato. Il processo di decollo al microscopio viene mostrato qui con il metraggio accelerato.

Risciacquare il campione con acqua deionizzata e asciugare accuratamente il campione con una pistola ad aria compressa. Trattare termicamente il campione su una piastra calda a 100 gradi Celsius per un'ora. Crea modelli di titanio spessi 20 nanometri sopra le membrane a base di grafene modellate.

Trattare termicamente il campione su una piastra calda a 100 gradi Celsius per un'ora. Oltre alle membrane a base di grafene con motivi superficiali in titanio, spin coat photoresist a 2500 giri/min per 60 secondi per formare uno strato spesso cinque micrometri e cuocere a 90 gradi Celsius per due minuti. Esporre i campioni ai raggi UV per 20 secondi, cuocere a 90 gradi Celsius per tre minuti e svilupparlo per 90 secondi.

Risciacquare il campione con acqua deionizzata e alcol isopropile e asciugare accuratamente il campione con una pistola ad aria compressa. Post-cuocere i campioni a 200 gradi Celsius per 15 minuti per migliorare la rigidità meccanica dei telai. Per realizzare il motivo della cerniera, ruotare il fotoresist a 1000 giri/min per 60 secondi per formare un film spesso 10 micrometri sopra il substrato prefabbricato.

Cuocere a 115 gradi Celsius per 60 secondi e attendere tre ore. Esporre il campione ai raggi UV su un allineatore di maschere di contatto per 80 secondi e svilupparlo per 90 secondi. Risciacquare il campione con acqua deionizzata e asciugare accuratamente il campione con una pistola ad aria compressa.

Per rilasciare le strutture 2D, sciogliere lo strato sacrificale di rame sotto le reti 2D in un incisione di rame. Trasferire con cura le strutture rilasciate in un bagno d'acqua deionizzato utilizzando una pipetta e risciacquare alcune volte per rimuovere l'incisione residua di rame. Posizionare le strutture 2D in acqua deionizzata, riscaldata sopra il punto di fusione delle cerniere polimeriche.

Monitorare l'autopiegamento in tempo reale tramite microscopia ottica e rimuovere dalla fonte di calore dopo un assemblaggio riuscito in cubi chiusi. Dopo l'autopiegamento, rimuovere gli strati di ossido di alluminio e protezione del cromo con incisione al cromo. Trasferire delicatamente i cubetti in un bagno d'acqua deionizzato e risciacquare con cura.

Le immagini ottiche mostrano i processi litografici delle strutture a rete di grafene e ossido di grafene 2D e il successivo processo di auto-piegatura. Il processo di autopiegamento viene monitorato in tempo reale tramite un microscopio ad alta risoluzione. Entrambi i tipi di cubi a base di grafene 3D sono piegati a circa 80 gradi Celsius.

Le figure stabiliscono sequenze catturate da video che mostrano l'autopiegamento dei cubi basati sul grafene 3D in modo parallelo. In un processo ottimizzato, questo approccio mostra una resa più elevata di circa il 90%. Le figure mostrano immagini ottiche dei cubi assemblati in 3D a base di grafene e ossido di grafene con e senza motivi superficiali.

La dimensione complessiva dei cubi autopiegati è larga 200 micrometri per 200 micrometri di lunghezza per 200 micrometri di altezza. Su ogni faccia dei cubi a base di grafene 3D vengono definite caratteristiche a motivi di titanio spesse 20 nanometri e scritte UMN. Le figure includono la spettroscopia Raman di reti basate sul grafene 2D e cubi a base di grafene 3D.

I risultati non mostrano cambiamenti evidenti nella posizione di picco e nell'intensità di Raman sia per le membrane di ossido di grafene che di grafene dopo l'auto-piegatura. Tuttavia, quando gli strati di protezione non vengono utilizzati, sono stati osservati cambiamenti evidenti nelle intensità di picco relative, indicando cambiamenti o danni alle proprietà del grafene durante l'autopiegamento. Questo metodo consente lo sviluppo di dispositivi biomedici, elettronici e ottici, inclusi sensori e circuiti elettrici utilizzando i numerosi vantaggi delle configurazioni 3D.

Inoltre, poiché il processo utilizza un'immagine precoce solo per materiali a base di grafene, questo metodo può essere applicato ad altro materiale bidimensionale, come coltelli tren-ja-men-a ai chai-hus e passaporti neri, consentendo così di utilizzare questa opportunità nello sviluppo di configurazioni 3D di nuova generazione di materiali 2D.