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方法論記事

3Dカーボンマイクロエレクトロメカニカルシステム（C-MEMS）の製作

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DOI:

10.3791/55649

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2017年6月17日

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

この記事について

サマリー

天然の生成物であるヒトの毛髪の熱分解に基づいて、長くて中空のガラス状炭素マイクロファイバーが製造された。カーボンマイクロエレクトロメカニカルおよびカーボンナノエレクトロメカニカルシステム、またはC-MEMSおよびC-NEMSの2つの製造工程は、（i）炭素リッチなポリマー前駆体のフォトリソグラフィおよび（ii）パターン化ポリマー前駆体の熱分解である。

要約

様々なマイクロ/ナノ構造構成を有する広範囲の炭素源が本質的に利用可能である。ここでは、人の毛髪に由来する長く中空のガラス状炭素マイクロファイバーを製造するための新規な技術が導入されている。長い中空炭素構造は、N 2雰囲気中で900℃で人毛の熱分解によって作製された。熱分解に起因する物理的および化学的変化を推定するために、走査型電子顕微鏡（SEM）および電子分散型X線分光法（EDX）を用いて、天然および熱分解されたヒトの毛髪の形態および化学組成を調べた。ラマン分光法を用いて、炭素微細構造のガラス質性を確認した。熱分解した毛髪の炭素を導入してスクリーン印刷した炭素電極を改質した。修飾された電極を、ドーパミンおよびアスコルビン酸の電気化学的検出に適用した。変形されたセンサの感知性能は、fiedセンサー。所望の炭素構造設計を得るために、カーボンマイクロ/ナノ電気機械システム（C-MEMS / C-NEMS）技術が開発された。最も一般的なC-MEMS / C-NEMS製造プロセスは、（i）フォトリソグラフィを用いて感光性ポリマーのような炭素に富むベース材料のパターニング; （ii）無酸素環境下でのパターン化ポリマーの熱分解による炭化。 C-MEMS / NEMSプロセスは、マイクロバッテリ、スーパーキャパシタ、グルコースセンサ、ガスセンサ、燃料電池、および摩擦電気ナノ発電機を含む様々な用途のためのマイクロ電子デバイスを開発するために広く使用されてきた。ここでは、SU8フォトレジストを用いた高アスペクト比の中実カーボンおよび中空炭素微細構造の最近の発展が議論されている。共焦点顕微鏡法およびSEMを用いて、熱分解中の構造収縮を調べた。ラマン分光法を用いて構造の結晶化度を確認し、元素の原子百分率熱分解前後の物質中のntをEDXを用いて測定した。

概要

カーボンナノチューブ（CNT）、グラファイト、ダイヤモンド、アモルファスカーボン、ロンズデライト、バックミンスターフラーレン（C 60 ）、フルメライト（C 540 ）、フラーレン（C 540 ）、およびこれらの混合物からなる群から選択される、 C 70 ）、およびガラス状炭素1,2,3,4が含まれる 。ガラス状炭素は、高い等方性を含むその物理的性質のために最も広く使用される同素体の1つである。また、良好な導電性、低い熱膨張係数、およびガス不透過性の特性を有する。

炭素構造を得るために、炭素に富む前駆物質を連続的に探索してきた。これらの前駆体は、人工材料または特定の形状で利用可能であり、廃棄物を含む天然製品であってもよい。様々なmicr o /ナノ構造は、自然界の生物学的または環境的プロセスによって形成され、従来の製造ツールを使用して作成することが極めて困難な独自の特徴をもたらす。この場合自然にパターニングが行われるので、天然および廃水炭化水素前駆体を用いたナノ材料の合成は、熱分解と呼ばれる不活性または真空雰囲気中での熱分解の簡単な一段階プロセスを用いて行うことができる。植物由来の前駆体および廃棄物（種子、繊維、および油、例えば、テレピン油、ゴマ油など）の熱分解または熱分解によって、高品質のグラフェン、単層CNT、多層CNTおよび炭素ドットが製造されている、ニーム油（ Azadirachta indica ）、ユーカリ油、パーム油、およびジャトロファ油が挙げられる。また、樟脳製品、茶樹抽出物、老廃物、昆虫、農作物、および食品が6,7 、最近、研究者たちは、多孔質カーボンマイクロファイバーを調製するための前駆体材料としてシルクコクーンを使用しています10 。人間の髪は、通常廃棄物とみなされ、このチームによって最近使用されました。これは、約50％の炭素を含む約91％のポリペプチドで構成されている。残りは酸素、水素、窒素、硫黄などの元素である11 。髪にはまた、非常に遅い劣化、高い引張強さ、高い断熱性、および高い弾性回復などのいくつかの興味深い特性がある。最近、スーパーキャパシタ12に使用されるカーボンフレークを調製し、電気化学的センシング13のための中空炭素マイクロファイバーを生成するために使用されている。

材料が非常に脆いので、三次元（3D）構造を製造するためのバルク炭素材料の機械加工は困難な作業である。フォーカスされたイオンam14,15または反応性イオンエッチング16は、この文脈において有用であり得るが、それらは高価で時間のかかるプロセスである。パターニングされたポリマー構造の熱分解に基づいたカーボンマイクロエレクトロメカニカルシステム（C-MEMS）技術は、多目的な代替法である。過去20年間で、C-MEMSおよびカーボンナノエレクトロメカニカルシステム（C-NEMS）は、簡単で安価な製造工程が必要とされたことから注目を集めている。従来のC-MEMS製造プロセスは、（i）フォトリソグラフィを用いてポリマー前駆体（ 例えばフォトレジスト）をパターニングし、（ii）パターニングされた構造の熱分解の2つのステップで実施される。 SU8フォトレジストのような紫外線（UV）硬化性ポリマー前駆体は、フォトリソグラフィーに基づいて構造をパターン形成するためにしばしば使用される。一般に、フォトリソグラフィプロセスは、スピンコーティング、ソフトベーク、UV露光、ポストベーク、およびデベロップlopment。 C-MEMSの場合、シリコン;二酸化ケイ素;窒化ケイ素;石英;最近では、サファイアが基板として使用されている。光パターニングされたポリマー構造体は、無酸素環境下で高温（800〜1100℃）で炭化される。真空または不活性雰囲気中のそれらの高温では、非炭素元素の全てが除去され、炭素のみが残る。この技術は、電気化学的検出17 、エネルギー貯蔵18 、摩擦電​​気ナノ発電19 、および動電学的粒子操作20を含む多くの用途に非常に有用な高品質のガラス状炭素構造の達成を可能にする。 C-MEMSを使用した高アスペクト比は比較的容易になり、幅広い種類の炭素電極用途18,21 、 22,23 、しばしば貴金属電極を置き換える。

この研究では、非従来のC-MEMS技術13を使用して人間の毛髪から中空カーボンマイクロファイバーを製造する簡単かつ費用効果の高い方法の最近の開発が紹介されている。従来のSU8ポリマーベースのC-MEMSプロセスについてもここで説明します。具体的には、高アスペクト比の固体および中空SU8構造の製造手順が記載されている24。

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プロトコル

1.三次元人毛由来炭素構造体の作製

注記：個人用保護具を使用してください。機器を使用し、検査室の内部で作業するために、検査室の指示に従ってください。

  1. 採取した人毛を脱イオン水で洗浄し、N 2ガスで乾燥させて準備する。
  2. 平行な撚り線、クロスオーバー、2本の髪の毛を巻きつけるなど、必要に応じて髪を整えます。
  3. SU8を使用してシリコン基板に毛を付けたり、セラミックボートに直接入れてください。
  4. 髪に付着したシリコン基板またはボートを炉に入れる。
  5. 炉の電源を入れ、不活性ガス（N 2 ）タンクのバルブを開きます。
    注：最適なガス流量はファーネスチューブの容積に依存します。 6Lの管容積に対して6L /分の流速を適用した。炉管内に完全に不活性な環境を確立するために、最適ガスfの1.5倍のガス流量低速を最初の15分間適用した。
  6. 最大熱分解温度、温度上昇率、不活性ガス流量などのパラメータを設定し、炉を運転します。
    1. たとえば、室温から300℃まで5℃/分の上昇率で温度を上げます。安定化のために300℃で1時間保持する。さらに温度を900℃に上げ、炭化のために1時間以上維持します。
    2. 炉を300℃まで10℃/分の速度で冷却し、炉のヒーターを止めます。300℃後に冷却を制御する必要はありません。温度がN 2フローのみによって室温に達するまで、試料を炉内に放置する。
  7. 熱分解プロセスの完了時に炉とガスの流れを止めてください。
  8. サンプルを炉から取り出します。

2. 3Dポリマー構造作製：フォトリソグラフィー

  1. デス適切なソフトウェアパッケージを使用して所望の3Dフォトレジスト構造の2Dレイアウトを無視し、印刷されたマスク（ すなわち、ポリエチレンフォトマスクマスク）を準備する。
    注：商業サービスを使用してデザインを印刷しました。マスクのサイズは、一般に設計に依存する。
  2. 清潔な実験施設では、2枚のホットプレートをオンにし、温度をそれぞれ65℃と95℃に設定します。
  3. スピンコーターと真空ポンプを入れます。真空ポンプがチューブを通してスピナーヘッドに接続されていることを確認します。
  4. 回転スピード、ランプ、継続時間などの2ステップスピンのパラメータを設定します。最初のステップでは、スピンサイクルを開始するためにスピンスピードを500 rpmに、ランプを100 rpm / sに、スピンタイムを10秒に設定します。次のステップでは、回転速度を1000rpmに、ランプを100rpmに、回転時間を30sに設定して、フォトレジストを均一に広げます。
  5. 基板（ すなわち、 4インチ×4インチおよび5501;厚さ1μmのSiO 2層を有する厚さm±25μmのSiウェハ）をホルダの中央に配置する。
  6. 感光性ポリマー（すなわち、 SU8フォトレジスト）を基板の中心に直接堆積させる。表面を十分に覆うように使用してください。
  7. 基板を保持するために「真空」ボタンを押します。
  8. 「実行」ボタンを押して基板をSU8でコーティングし、250μmの最終厚さを達成する。
  9. 紡糸プロセスの完了後、再び「真空」ボタンを押して、被覆された基材をホルダーから解放する。
  10. ピンセットを使用してコーティングされた基材を注意深く保持し、表面を滑らかできれいに保つ。ホットプレート上に直接65℃の温度で6分間、その後ホットプレート上で95℃の温度で40分間（ソフトベーク）転写します。
    注：65℃でのベーキングは、溶媒の蒸発を遅くするために必要であり、その結果、より良好なコーティングおよびより良好な接着性が得られる95℃で焼成しながらSU8をさらに緻密化する。
  11. その間に、スイッチを押してUV露光システムをオンにし、システムの設定ボタンを使用して露光時間を「12秒」に設定します。
    注：厚さ250μmのSU8層の場合、露光エネルギーは360 mJ / cm 2でなければなりません。
  12. ベーキングステップ（ステップ2.10）が完了したら、基板をUV露光システムに入れ、フォトマスク（ステップ2.1からの）の印刷面をその上に置く。コーティングされた基板を覆うマスク領域全体を使用し、マスクと基板の間に隙間がないように静かに押してください。
  13. 所定のUV設定を使用して、フォトマスクを介してSU8被覆基板をUV放射に暴露する。
  14. 露光後ベーク（PEB）のためにホットプレート上にホットプレート上に直接65℃で5分間、95℃で14分間置くことにより、基板を再び加熱する。
    注：PEBは、紫外線にさらされた領域の架橋度を高め、現像工程において、より耐溶剤性の高い塗膜を形成する。
  15. ビーカーに入れた専用の現像液に基質を20分間浸漬することにより未露光のフォトレジスト領域を除去する。露光されていないレジスト領域が完全に除去されるように、溶液を（慎重に）連続的に振とうする。
  16. 基板を保持し、窒素または圧縮空気をその上に吹き付けることによって、現像された構造体を乾燥させる。
  17. 50倍の倍率で顕微鏡下でウェーハを検査して、フォトレジストに転写されたパターンを所望のパターンと比較する。

3. 3Dカーボン構造作製：熱分解

  1. フォトリソグラフィー（ステップ2.1~2.17）を用いて調製した試料を、加圧された開放端の管状炉内に配置する。
  2. ステップ1で述べたように、炉の電源を入れ、熱分解のパラメータを設定します。ステップ1.6-1.8からのプロセスを繰り返します。
  3. ピンセットを使用してサンプルを注意深く取り扱い、characterizに進むation。

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結果

人毛由来中空炭素マイクロファイバーの製造プロセスの概略を図1に示す 。炭化されたヒトの毛髪を、SEMを用いて収縮を評価するために特徴付けた。毛の直径は、熱分解により82.88±0.003μmから31.42±0.003μmに縮小した。毛髪由来カーボンマイクロファイバーを用いて作製された様々なパターンの走査電子顕微鏡（SEM）画像を図2に示す。熱分解前後の毛髪に存在する元素の原子百分率を表1に示す 。この研究で使用された人間の髪は、炭素66.57％、酸素16.19％、窒素7.94％、硫黄9.14％、カルシウムなどの鉱物の割合が少なかった（原子百分率）。炭素および酸素の原子百分率は、熱分解後にそれぞれ80.84％および14.83％であることが判明した。毛髪bのラマン分光分析熱分解の前後に、 図3に示すように行った。熱分解後の毛髪には、DバンドおよびGバンドに対応する2...

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ディスカッション

この論文では、天然前駆体材料または光パターニングされたポリマー構造体の熱分解に基づいて様々な炭素微細構造を製造する方法が報告されている。従来のC-MEMS / C-NEMSプロセスの両方から得られる炭素材料は、典型的にはガラス状炭素であることが判明している。ガラス状炭素は、電気化学および高温用途に広く使用される電極材料である。ガラス状炭素の微細構造は、結晶質領域と非晶質領域の両方からなる。ガラス状炭素は、高い導電性、高温に対する良好な耐性、低密度、低い電気抵抗、および比較的高い硬度および化学的攻撃に対する高い耐性を有する。

我々は、人間の毛髪から中空のガラス状カーボンマイクロファイバーを製造する簡単で低コストの方法を提案し、アスコルビン酸とドーパミンの電気化学的検出への応用を記載した。長い、ホールの製造低、かつ導電性のカーボンマイクロファイバーが、廃棄物である人間の毛髪の低コスト、一段階熱処理で可能であった。髄質、皮質、キューティクルからなる人間の髪の毛は、熱分解後に中空炭素繊維を生成した。髄質は消え、キューティクルと皮質は一緒になって長くて中空の炭素繊維を作り出した。人間の毛髪の...

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開示事項

著者は何も開示することはない。

謝辞

この研究は、Technologico de Monterreyとカリフォルニア大学アーバイン校の支援を受けました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
SU8-2100Microchem品番-Y1110750500L
スピナーローレル・テクノロジーズModel-WS650HZB-23NPP/UD3
ホットプレートトーリーパインズサイエンティフィックHS61
紫外線露光器水銀ランプ シルバニアH44GS-100M, P/N-34-0054-01
フォトマスクCAD/Art番号なし
開発者 マイクロケムY020100 4000L 
DI水システムMilli QZooqovoto
IPACTR SientificCTR 01244
N2ガスAOC メキシコ番号なし
炉PEO 601、ATV Technologie GMBHモデル-PEO 601、シリアル番号-195
Si/SiO2>Noel Technologies

参考文献

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