3D 탄소 미세 전자 기계 시스템 (C-MEMS) 제작

이 절차의 전반적인 목표는 각각 SU-8 폴리머와 인간의 머리카락 탄소원을 사용하여 기존 및 비전통적인 탄소 미세 전기 기계 시스템 프로세스를 사용하여 3D 탄소 구조를 제작하는 것입니다.20년 전, 우리는 실제로 MEMS 장치, 미세 전자 기계 시스템을 만들기 위한 주요 재료로 실리콘을 대체하는 완전히 새로운 프로세스를 시작했습니다. 우리의 생각은 탄소가 이러한 3차원 모양을 만드는 데 실리콘보다 더 나은 재료라는 것입니다.

구체적으로 말하자면, 우리는 고분자 전구체를 취하여 패턴화한 다음 불활성 분위기에서 약 900-1, 000°C의 고온에서 탄소로 변환합니다. 이 과정에서 일어나는 일은 모양은 유지되지만 축소된다는 것입니다. 즉, 등각 수축이 있고 상상할 수 있는 3D 탄소 모양으로 끝납니다.

이를 탄소 MEMS라고 합니다. 내가 하는 일은 탄소 전구체, 폴리머를 가져다가 3차원으로 패턴화한 다음 탄소로 변환하는 것이 전부이기 때문에 훨씬 저렴합니다. 탄소는 다이아몬드에서 흑연, 유리 탄소에 이르기까지 다양한 동소체로 제공됩니다.

폴리머의 사슬을 어떻게 전처리하느냐에 따라 실제로 더 흑연적이거나 다이아몬드와 같거나 유리질 탄소와 같은 3D 탄소 구조로 끝날 수 있습니다. 오늘, 탄소 MEMS의 과정은 제 대학원생인 Esham Shomloo가 여러분을 위해 시연할 것입니다. 폴리머 구조 제조 절차를 시작하려면 먼저 핫플레이트를 섭씨 95도로 설정합니다.

스핀 코터와 연결된 진공 펌프를 켭니다. 초당 100rpm의 램프 속도로 500rpm에서 10초의 첫 번째 단계와 1, 000rpm에서 30초의 두 번째 단계로 2단계 스핀 코팅 시퀀스를 프로그래밍합니다. 실리콘 웨이퍼 또는 기타 기판을 스핀 코팅기의 진공 홀더에 놓습니다.

기판을 홀더에 고정하기 위해 진공을 시작하십시오. 기판 표면을 덮기 위해 충분한 에폭시 수지 기반 네거티브 포토레지스트를 도포합니다. 2단계 스핀 코팅 시퀀스를 실행하여 1 - 250 미크론의 최종 포토레지스트 두께를 얻습니다.

홀더에서 기판을 분리합니다. 핀셋을 사용하여 박막을 방해하지 않고 기판을 섭씨 95도 열판으로 조심스럽게 옮깁니다. 포토레지스트의 두께에 따라 섭씨 95도에서 1분에서 40분 동안 기판을 굽습니다.

소프트 베이크하는 동안 포토리소그래피 UV 시스템을 켜고 노출 시간을 12초로 설정합니다. 소프트 베이크가 완료되면 기판을 UV 시스템으로 옮깁니다. 진공 마스크 홀더로 패턴이 있는 마스크를 고정합니다.

마스크와 함께 마스크 홀더를 UV 노출 시스템에 놓습니다. 포토레지스트 코팅된 기판을 UV 노광 시스템의 무대에 놓습니다. 패턴이 있는 마스크로 기판을 덮고 마스크를 기판에 부드럽게 누릅니다.

세트 내구를 위한 UV 광에 기질을 드러내고, 그 후에 기질에서 가면을 분리하고십시오, 포토레지스트의 간격에 따라서 1개에서 15 분 동안 95 섭씨 온도에 포스트 노출 굽기를, 실행하십시오. 용기를 부드럽게 흔들면서 1분에서 20분 동안 적절한 현상액에 기판을 담그십시오. 패턴화된 웨이퍼를 질소 가스 또는 압축 공기의 흐름으로 건조시킵니다.

50배 배율로 현미경으로 웨이퍼를 검사하여 원하는 패턴의 모양이 잘 형성되었는지 확인합니다. 그런 다음 패턴이 있는 웨이퍼를 가압된 개방형 관로에 놓습니다. 시퀀스의 처음 15분 동안의 유속을 분당 용광로 튜브 부피의 1.5배로 설정한 다음 나머지 시퀀스에 대해 분당 용광로 튜브 부피로 설정합니다.

분당 5°C에서 섭씨 300도로 램프하고, 1시간 동안 섭씨 300도로 유지하고, 동일한 속도로 섭씨 900도로 램프하고 1시간 동안 유지한 다음, 분당 섭씨 10도에서 섭씨 300도로 냉각하는 순서를 설정합니다. 그런 다음 가열 및 냉각 시퀀스를 실행합니다. 시퀀스가 완료되면 열분해된 샘플이 질소 가스 흐름 아래에서 실온으로 냉각될 때까지 기다립니다.

그런 다음 퍼니스와 가스 흐름을 끕니다. 그런 다음 가열로에서 열분해된 샘플을 조심스럽게 제거하고 특성화를 진행합니다. 모발 유래 3D 탄소 구조를 제작하려면 사람의 머리카락 샘플을 탈이온수로 씻으십시오.

모발 샘플을 질소 가스의 흐름으로 건조시킵니다. 실리콘 웨이퍼 또는 세라믹 보트를 얻습니다. 웨이퍼 또는 보트에서 원하는 구성으로 개별 hairs를 배열합니다.

실리콘 웨이퍼를 사용하는 경우 에폭시 기반 폴리머로 웨이퍼에 털을 고정하십시오. 그런 다음 샘플을 가압된 개방형 관형에 넣습니다. 열분해 시퀀스를 실행하여 먼저 샘플을 안정화한 다음 탄화합니다.

샘플을 질소의 흐름으로 실온으로 냉각시키십시오. 그런 다음 필요한 경우 핀셋을 사용하여 용광로에서 샘플을 조심스럽게 제거하고 특성화를 진행합니다. 모발 유래 탄소 마이크로 섬유는 모발 샘플의 초기 배열에 따라 다양한 패턴으로 제조되었습니다.

에너지 분산 X선 분광법과 라만 분광법은 열분해 전후에 수행되었습니다. D 및 G 대역에 해당하는 두 개의 피크만 열분해 후 라만 스펙트럼에 나타났습니다. 피크 사이의 강도 비율은 미세 구조가 주로 유리질 탄소로 구성되어 있음을 나타냅니다.

전기화학 센서는 베어 카본, 탄소 나노튜브 또는 모발 유래 탄소 섬유를 사용하여 제작되었습니다. 도파민과 아스코르브산 용액의 순환 전압전류법은 모발 유래 탄소 섬유를 통합한 전극이 탄소 나노튜브의 성능과 일치하지는 않았지만 베어 카본에 비해 향상된 성능을 보였다는 것을 보여주었습니다. 탄소 MEMS에 대한 이 짧은 비디오를 통해 많은 분들이 이 과정을 직접 체험할 수 있기를 바랍니다.

실제로, 이 간단한 과정에서 나오는 것을 볼 수 있는 더 많은 응용 프로그램이 있습니다. 여기에는 새로운 배터리, 새로운 연료 전지, 새로운 센서 등이 포함될 수 있습니다. 아마도 실리콘을 추월하여 가장 중요한 MEMS 재료가 될 것입니다.