Name: Fabricage van 3D Koolstof Micro-Elektromechanische Systemen (C-MEMS) (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-17T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 1 s
Description: Leer de fabricage van 3D koolstofstructuren via C-MEMS met fotolithografie en pyrolyse van SU-8-polymeer en menselijk haar. Deze methode biedt een duurzaam alternatief voor silicium in micro-elektromechanische systemen.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dit werk werd ondersteund door Technologico de Monterrey en de Universiteit van Californië in Irvine.

1. 3D Human Hair-afgeleide Koolstof Structuur Fabricage OPMERKING: Gebruik persoonlijke beschermingsmiddelen. Volg de instructies van de laboratorium om de instrumenten te gebruiken en in het laboratorium te werken. <ol><li> Bereid het verzamelde menselijke haar op door het met DI water te wassen en met N 2 gas te drogen. </li><li> Rangschik de haren zoals gewenst, zoals in parallelle strengen, overkruist, met twee haren gewikkeld, enz. </li><li> Bevestig de haren op een siliconen substraat met SU8 of houd ze direct in een keramische boot. </li><li> Plaats het haarbevestigde silicium substraat of boot in een oven. </li><li> Zet de oven aan en open de klep van een inertgas (N 2 ) tank. OPMERKING: De optimale gasstroomsnelheid is afhankelijk van het volume van de ovenbuis. Een 6 L / min stromingssnelheid werd toegepast voor een buisvolume van 6 L. Om een ​​volledig inerte omgeving in de ovenbuis te vestigen, was een gasstroming van 1,5 keer hoger dan het optimale gas fHet lage tarief werd toegepast voor de eerste 15 minuten. </li><li> Stel de parameters in, met inbegrip van de maximale pyrolytemperatuur, temperatuurverschuivingssnelheid, en inertgas stromingssnelheid, en voer de oven. <ol><li> Bijvoorbeeld, verhoging van de temperatuur van kamertemperatuur tot 300 ° C bij een snelheid van 5 ° C / min. Houd het bij 300 ° C gedurende 1 uur voor stabilisatie. Verhoog de temperatuur verder tot 900 ° C en houd het gedurende 1 uur meer voor de verbranding. </li><li> Koel de oven tot 300 ° C bij een snelheid van 10 ° C / min en zet de verwarming van de oven uit, aangezien de gecontroleerde koeling niet nodig is na 300 ° C. Laat de monsters in de oven zitten totdat de temperatuur de kamertemperatuur bereikt door alleen N 2- stroming. </li></ol></li><li> Zet de oven en de gasstroom uit bij het afronden van het pyrolyseproces. </li><li> Neem de monsters uit de oven. </li></ol> 2. 3D Polymer Structuur Fabricage: Photolithography <ol><li> desIgnoreer een 2D-indeling van de gewenste 3D-fotoresiststructuur met behulp van een geschikt softwarepakket en berei het gedrukte masker voor (bijvoorbeeld een polyethyleenfotofilmsmasker). OPMERKING: een commerciële dienst werd gebruikt om het ontwerp af te drukken. De grootte van het masker hangt meestal af van het ontwerp. </li><li> Schakel in twee laboratoriumfaciliteiten twee kookplaten in en stel de temperaturen in op respectievelijk 65 ° C en 95 ° C. </li><li> Zet een spincoater en een vacuümpomp aan. Zorg ervoor dat de vacuümpomp via een buis aan de spinnerkop is aangesloten. </li><li> Stel de parameters van de tweestapspinning in, zoals de draaisnelheid, de oprit en de duur. Voor de eerste stap zet u de draaisnelheid tot 500 rpm, de helling naar 100 rpm / s, en de draaitijd tot 10 s om de spincyclus te starten. Voor de volgende stap zet u de draaisnelheid op 1.000 rpm, de helling naar 100 rpm / s en de draaitijd tot 30 s om de fotoresist gelijkmatig te verspreiden. </li><li> Plaats een substraat ( dwz een 4 inch x 4 inch en 5501; m ± 25 μm dikke Si wafer met een 1 μm dikke SiO 2 laag) in het midden van de houder. </li><li> Deponeer lichtgevoelig polymeer (dwz SU8 fotoresist) direct in het midden van het substraat. Gebruik genoeg om het oppervlak te bedekken. </li><li> Druk op de &quot;vacuum&quot; knop om het substraat vast te houden. </li><li> Druk op de knop &quot;Run&quot; om het substraat te bedekken met SU8 en om een ​​uiteindelijke dikte van 250 μm te bereiken. </li><li> Na het afronden van het draaiproces, druk opnieuw op de &quot;vacuum&quot; knop om het gecoate substraat van de houder los te laten. </li><li> Houd het gecoate substraat voorzichtig met een pincet om het oppervlak glad en schoon te houden. Breng het substraat direct over op de hete plaat bij 65 ° C temperatuur gedurende 6 minuten en dan op de kookplaat bij 95 ° C temperatuur gedurende 40 minuten (zachte bakken). OPMERKING: Bakken bij 65 ° C is nodig om de langzame verdamping van het oplosmiddel te waarborgen, wat resulteert in een betere coating en betere adhesie tO het substraat, terwijl het bakken bij 95 ° C de SU8 verder verdicht. </li><li> Druk ondertussen op de schakelaar om het UV-belichtingssysteem in te schakelen en de belichtingstijd in te stellen op &quot;12 s&quot; met de ingestelde knop in het systeem. OPMERKING: Voor een 250 μm dikke SU8 laag moet de belichtingsenergie 360 ​​mJ / cm 2 zijn . </li><li> Zodra de bakstap (stap 2.10) is voltooid, zet het substraat in het UV-belichtingssysteem en plaats de afgedrukte zijde van een fotomask (van stap 2.1) erop. Gebruik het hele maskergebied om het gecoate substraat te bedekken en druk voorzichtig om te voorkomen dat er sprake is van een kloof tussen het masker en het substraat. </li><li> Stel het SU8-gecoate substraat bloot aan UV-straling door het fotomasker met vooraf gedefinieerde UV-instellingen. </li><li> Verhit het substraat opnieuw door het gedurende 5 minuten rechtstreeks op de kookplaat bij 65 ° C en bij 14 ° C bij 95 ° C te plaatsen voor een postbloembake (PEB). OPMERKING: De PEB verhoogt de mate van verknoping in de UV-blootgestelde gebieden en maakt deCoating meer bestand tegen oplosmiddelen in de ontwikkelingsstap. </li><li> Verwijder de onbelichte fotoresistregio&#39;s door het substraat in de toegewijde ontwikkelaaroplossing te plukken die gedurende 20 minuten in een beker geplaatst wordt. Schud de oplossing voortdurend (zorgvuldig) om te zorgen voor een volledige verwijdering van de niet blootgestelde weerstandsgebieden. </li><li> Droog de ontwikkelde structuren door het substraat vast te houden en stikstof of perslucht op te blazen. </li><li> Controleer de wafer onder een microscoop met 50X vergroting om de patronen die met de gewenste patronen zijn overgedragen aan de fotoresist te vergelijken. </li></ol> 3. 3D Koolstof Structuur Fabricage: Pyrolyse <ol><li> Plaats de monsters die zijn bereid met fotolithografie (stappen 2.1-2.17) in een onder druk staande buisoven. </li><li> Zet de oven aan en stel de parameters voor pyrolyse in, zoals hierboven vermeld in stap 1. Herhaal het proces van stap 1.6-1.8. </li><li> Hanteer de monsters zorgvuldig met behulp van een pincet en ga verder naar karakteratie. </li></ol>

<ol><li>Wang, C., Jia, G., Taherabadi, L. H., Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/1416911/">A novel method for the fabrication of high-aspect ratio C-MEMS structures.</a> J Microelectromech Syst. 14 (2), 348-358 (2005).</li>
<li>Jong, K. P. D., Geus, J. W. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1081/CR-100101954">Carbon nanoﬁbers: catalytic synthesis and applications.</a> Catal Rev Sci Eng. 42, 481-510 (2000).</li>
<li>Elrouby, M. <a target="_blank" href="http://www.naturalspublishing.com/files/published/q362wbx78c133j.pdf">Electrochemical applications of carbon nanotube.</a> J Nano Adv Mat. 1 (1), 23-38 (2013).</li>
<li>Baughman, R. H., Zakhidov, A. A., Heer, W. A. D. <a target="_blank" href="http://science.sciencemag.org/content/297/5582/787.full">Carbon nanotubes-the route toward applications.</a> Science. 297, 787-792 (2002).</li>
<li>Kumar, R., Singh, R. K., Singh, D. P. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032115015038">Natural and waste hydrocarbon precursors for the synthesis of carbon based nanomaterials: graphene and CNTs.</a> Renew Sustain Energy Rev. 58, 976-1006 (2016).</li>
<li>Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T., Kumar, M., Ando, Y., Sharon, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1387181106002514">Carbon nanotubes by spray pyrolysis of turpentine oil at different temperatures and their studies.</a> Micropor Mesopor Mater. (1-3), 184-190 (2006).</li>
<li>Sharma, S., Kalita, G., Hirano, R., Hayashi, Y., Tanemura, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167577X12016692">Influence of gas composition on the formation of graphene domain synthesized from camphor.</a> Mater Lett. 93 (0), 258-262 (2013).</li>
<li>Ghosh, P., Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167577X06015084">A simple method of producing single-walled carbon nanotubes from a natural precursor: eucalyptus oil.</a> Mater Lett. 61 (17), 3768-3770 (2007).</li>
<li>Kumar, R., Tiwari, R., Srivastava, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scalable+synthesis+of+aligned+carbon+nanotubes+bundles+using+green+natural+precursor%3A+neem+oil%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale+Res+Lett%22%5BJournal%5D)">Scalable synthesis of aligned carbon nanotubes bundles using green natural precursor: neem oil.</a> Nanoscale Res Lett. 6 (1), 92-97 (2011).</li>
<li>Liang, Y., Wu, D., Fu, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+microfibers+with+hierarchical+porous+structure+from+electrospun+fiber-like+natural+biopolymer%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Carbon microfibers with hierarchical porous structure from electrospun fiber-like natural biopolymer.</a> Sci Rep. 3, 1-5 (2013).</li>
<li>Gupta, A. <a target="_blank" href="https://www.hindawi.com/archive/2014/498018/">Human hair "waste" and its utilization: gaps and possibilities.</a> J Waste Manag. 2014, 1-17 (2014).</li>
<li>Qian, W., Sun, F., Xu, Y., Qiu, L., Liu, C., Wang, S., Yan, F. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2014/EE/c3ee43111h">Human hair-derived carbon flakes for electrochemical supercapacitors.</a> Energy Environ Sci. 7, 379-386 (2014).</li>
<li>Pramanick, B., Cadenas, L. B., Kim, D. M., Lee, W., Shim, Y. B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. J., Hwang, H. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622316305504">Human hair-derived hollow carbon microfibers for electrochemical sensing.</a> Carbon. 107, 872-877 (2016).</li>
<li>Miura, N., Numaguchi, T., Yamada, A., Konagai, M., Shirakashi, J. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1143/JJAP.37.L423/meta">Room temperature operation of amorphous carbon-based single-electron transistors fabricated by beam-induced deposition techniques.</a> Jpn J Appl Phys. 37 (2), L423-L425 (1998).</li>
<li>Irie, M., Endo, S., Wang, C. L., Ito, T. <a target="_blank" href="https://www.deepdyve.com/lp/elsevier/fabrication-and-properties-of-lateral-p-i-p-structures-using-single-03o6EWw2pN">Fabrication and properties of lateral p-i-p structures using single crystalline CVD diamond layers for high electric ﬁeld applications.</a> Diamond Rel Mater. 12, 1563-1568 (2003).</li>
<li>Tay, B. K., Sheeja, D., Yu, L. J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925963503000219">On stress reduction of tetrahedral amorphous carbon ﬁlms for moving mechanical assemblies.</a> Diamond Rel Mater. 12 (2), 185-194 (2003).</li>
<li>Kamath, R. R., Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+carbon+interdigitated+electrode+arrays+for+redox-amplification%5BTitle%5D)+AND+%22Anal+Chem%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional carbon interdigitated electrode arrays for redox-amplification.</a> Anal Chem. 86 (6), 2963-2971 (2014).</li>
<li>Sharma, S., Khalajhedayati, A., Rupert, T. J., Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://ecst.ecsdl.org/content/61/7/75.short">SU8 derived glassy carbon for lithium ion batteries.</a> ECS Trans. 61 (7), 75-84 (2014).</li>
<li>Kim, D., Pramanick, B., Salazar, A., Tcho, I. -W., Madou, M. J., Jung, E. S., Choi, Y. -K., Hwang, H. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.201600160/abstract">3D carbon electrode based triboelectric nanogenerator.</a> Adv Mater Technol. 1 (8), 1-7 (2016).</li>
<li>Duarte, R. M., Gorkin, R. A., Samra, K. B., Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+integration+of+3D+carbon-electrode+dielectrophoresis+on+a+CD-like+centrifugal+microfluidic+platform%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">The integration of 3D carbon-electrode dielectrophoresis on a CD-like centrifugal microfluidic platform.</a> Lab Chip. 10 (8), 1030-1043 (2010).</li>
<li>Mund, K., Richter, G., Weidlich, E., Fahlstrom, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+properties+of+platinum%2C+glassy+carbon%2C+and+pyrographite+as+stimulating+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Pacing+Clin+Electrophysiol%22%5BJournal%5D)">Electrochemical properties of platinum, glassy carbon, and pyrographite as stimulating electrodes.</a> Pacing Clin Electrophysiol. 9 (6), 1225-1229 (1986).</li>
<li>Xua, H., Malladi, K., Wang, C., Kulinsky, L., Song, M., Madou, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+post-microarrays+for+glucose+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">Carbon post-microarrays for glucose sensors.</a> Biosens Bioelectron. 23 (11), 1637-1644 (2008).</li>
<li>Sharma, S., Madou, M. <a target="_blank" href="https://pdfs.semanticscholar.org/ec37/4aa01e80c6e923d61ea1294216ad1929d64d.pdf">Micro and nano patterning of carbon electrodes for bioMEMS.</a> Bioinspir Biomim Nanobiomat. 1, 252-265 (2012).</li>
<li>Pramanick, B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. <a target="_blank" href="http://ma.ecsdl.org/content/MA2016-01/14/902.abstract">Fabrication of biocompatible hollow microneedles using the C-MEMS process for transdermal drug delivery.</a> ECS Trans. 72 (1), 45-50 (2016).</li>
</ol>

De auteurs hebben niets te onthullen.

In deze paper werden de methoden voor het vervaardigen van een verscheidenheid van koolstofmicrostructuren gebaseerd op de pyrolyse van natuurlijke voorlopermaterialen of fotomonsterde polymeerstructuren gerapporteerd. De koolstofmaterialen die voortvloeien uit zowel de traditionele als niet-conventionele C-MEMS / C-NEMS-processen worden doorgaans gevonden als glaskarbonaten. Glazen koolstof is een veel gebruikte elektrode materiaal voor elektrochemie en ook voor toepassingen met hoge temperaturen. De microstructuur van...

Koolstof heeft veel allotropes en afhankelijk van de specifieke toepassing kan één van de volgende allotropes gekozen worden: koolstofnitobuizen (CNT&#39;s), grafiet, diamant, amorfe koolstof, lonsdaleite, buckminsterfullerene (C 60 ), fulleriet (C 540 ), fullereen C 70 ) en glasachtige koolstof 1 , 2 , 3 , 4 . Glazen koolstof is een van de meest gebruikte allotropes vanwege zijn fysieke eigenschappen, waaronder hoge isotropie. Het heeft ook de volgende eigenschappen: goede elektrische geleidbaarheid, lage thermische uitzettingscoëfficiënt en gasdoorlaatbaarheid. Er is doorlopend gezocht naar koolstofrijke voorloper materialen om koolstofstructuren te verkrijgen. Deze precursoren kunnen kunstmatige materialen of natuurlijke producten zijn die in bepaalde vormen beschikbaar zijn en zelfs afvalstoffen bevatten. Een grote verscheidenheid aan micr<html> O / nanostructuren worden gevormd door biologische of milieuprocessen in de natuur, wat resulteert in unieke eigenschappen die uiterst moeilijk zijn te creëren met behulp van conventionele fabricage-instrumenten. Aangezien patronen in dit geval natuurlijk plaatsvonden, zou de synthese van nanomaterialen die natuurlijke en afvalwaterkoolstofprecursoren gebruiken, kunnen worden uitgevoerd met behulp van een eenvoudig, een-stappen proces van thermische afbraak in een inerte of vacuümatmosfeer, genaamd pyrolyse 5 . Hoge kwaliteit grafeen, enkelwandige CNT&#39;s, multiwandige CNT&#39;s en koolstofstippen zijn geproduceerd door thermische afbraak of de pyrolyse van plantaardige precursoren en afvalstoffen, waaronder zaden, vezels en oliën, zoals terpentijnolie, sesamolie , Neem olie ( Azadirachta indica ), eucalyptusolie, palmolie en jatropha olie. Ook zijn kamferproducten, thee-boom-extracten, afvalvoedsel, insecten, agro-afval en voedingsmiddelen gebruikt 6 , 7 ,Ass = &quot;xref&quot;&gt; 8 , 9 Onlangs hebben onderzoekers zelfs zijdecocons gebruikt als voorlopermateriaal om poreuze koolstofmicrofibers 10 op te zetten . Menselijk haar, meestal beschouwd als afvalmateriaal, werd onlangs door dit team gebruikt. Het bestaat uit ongeveer 91% polypeptiden, die meer dan 50% koolstof bevatten; De rest zijn elementen zoals zuurstof, waterstof, stikstof en zwavel 11 . Haar komt ook met verschillende interessante eigenschappen, zoals zeer langzame afbraak, hoge treksterkte, hoge thermische isolatie en hoge elastische herstel. Onlangs is het gebruikt om koolstofvlokken te bereiden die in supercapacitors 12 gebruikt worden en om holle koolstofmicrovezels te creëren voor elektrochemische detectie 13 . Het bewerken van een massief koolstofmateriaal om driedimensionale (3D) structuren te vervaardigen is een moeilijke taak, omdat het materiaal zeer bros is. Gerichte ion zijnAm 14 , 15 of reactief ionen etsen 16 kunnen nuttig zijn in deze context, maar ze zijn dure en tijdrovende processen. Koolstofmicro-elektromechanische systeem (C-MEMS) technologie, die is gebaseerd op de pyrolyse van patroonvormige polymere structuren, is een veelzijdig alternatief. In de afgelopen twee decennia hebben C-MEMS en carbon nanoelectromechanical systems (C-NEMS) veel aandacht gekregen vanwege de eenvoudige en goedkope fabricage stappen die hierbij betrokken zijn. Het conventionele C-MEMS fabricageproces wordt uitgevoerd in twee stappen: (i) het verduisteren van een polymeervoorloper (bijvoorbeeld een fotoresist) met fotolithografie en (ii) pyrolyse van de patroonstructuren. Ultraviolette (UV) -curable polymeervoorlopers, zoals SU8 fotoresists, worden vaak gebruikt voor patroonstructuren op basis van fotolithografie. In het algemeen omvat het fotolithografieproces stappen voor spincoating, zachte bakken, UV-blootstelling, postbake en devewikkeling. In het geval van C-MEMS; silicium; Siliciumdioxide; Siliciumnitride; kwarts; En recentelijk zijn saffier gebruikt als substraten. De foto-patroon polymeerstructuren worden bij een hoge temperatuur (800-1,100 ° C) in een zuurstofvrije omgeving gecarboniseerd. Bij die verhoogde temperaturen in een vacuüm of inerte atmosfeer worden alle niet-koolstofelementen verwijderd, waardoor alleen koolstof wordt gelaten. Deze techniek zorgt voor het bereiken van hoogwaardige glasachtige koolstofstructuren die zeer geschikt zijn voor vele toepassingen, waaronder elektrochemische detectie 17 , energieopslag 18 , triboelectrische nanogeneratie 19 en elektrokinetische partikelmanipulatie 20. Ook de fabricage van 3D-microstructuren met Hoge aspect ratio&#39;s met behulp van C-MEMS is relatief makkelijk geworden en heeft geleid tot een grote verscheidenheid aan toepassingen van kool-elektroden 18 , 21 , </sup&gt; 22 , 23 , vervangen vaak edele metalen elektroden. In dit werk wordt de recente ontwikkeling van een eenvoudige en kosteneffectieve manier om holle koolstofmicrofibers van menselijk haar te vervaardigen met behulp van niet-conventionele C-MEMS-technologie 13 geïntroduceerd. Het conventionele SU8-polymer-gebaseerde C-MEMS-proces wordt hier ook beschreven. Specifiek wordt de fabricageprocedure voor vaste deeltjesverhouding en holle SU8 structuren beschreven 24.

<table><tbody><tr><td>SU8-2100</td><td>Microchem</td><td>Product number-Y1110750500L</td><td></td></tr><tr><td>Spinner</td><td>Laurell Technologies Corporation</td><td>Model-WS650HZB-23NPP/UD3</td><td></td></tr><tr><td>Hotplate</td><td>Torrey Pines Scientific</td><td>HS61</td><td></td></tr><tr><td>UV-exposer</td><td>Mercury Lamp, SYLVANIA</td><td>H44GS-100M, P/N-34-0054-01</td><td></td></tr><tr><td>Photomask</td><td>CAD/Art</td><td></td><td>Geen nummer</td></tr><tr><td>Developer&nbsp;</td><td>Microchem</td><td>Y020100 4000L&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>DI water system</td><td>Milli Q</td><td>ZOOQOVOTO</td><td></td></tr><tr><td>IPA</td><td>CTR Sientific</td><td>CTR 01244</td><td></td></tr><tr><td>N2 gas</td><td>AOC Mexico</td><td></td><td>Geen nummer</td></tr><tr><td>Furnace</td><td>PEO 601, ATV Technologie GMBH</td><td>Model-PEO 601, Serial no.-195</td><td></td></tr><tr><td>Si/SiO2</td><td>Noel Technologies</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

fabricage van 3d koolstof micro-elektromechanische systemen (c-mems)

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems (C-MEMS)

Een breed scala aan koolstofbronnen zijn beschikbaar in de natuur, met een verscheidenheid aan micro- / nanostructuurconfiguraties. Hier wordt een nieuwe techniek voor het vervaardigen van lange en holle glasachtige koolstofmicrofibers afgeleid van menselijke haren geïntroduceerd. De lange en holle koolstofstructuren werden gemaakt door de pyrolyse van menselijk haar bij 900 ° C in een N2-atmosfeer. De morfologie en de chemische samenstelling van natuurlijke en pyrolyseerde menselijke haren werden onderzocht met behulp van scanningelektronmicroscopie (SEM) en elektronisch-dispersieve röntgenspectroscopie (EDX) om de fysische en chemische veranderingen als gevolg van pyrolyse te schatten. Raman spectroscopie werd gebruikt om de glasachtige aard van de koolstofmicrostructuren te bevestigen. Pyrolyseerde haarkoolstof werd geïntroduceerd om schermdrukkoolelektroden te wijzigen; De gemodificeerde elektroden werden vervolgens toegepast op de elektrochemische detectie van dopamine en ascorbinezuur. Sensorprestaties van de gemodificeerde sensoren werden verbeterd in vergelijking met de unmodiFied sensoren. Om het gewenste koolstofstructuurontwerp te verkrijgen, werd het koolstofmicro- / nanoelectromechanische systeem (C-MEMS / C-NEMS) technologie ontwikkeld. Het meest voorkomende C-MEMS / C-NEMS fabricageproces bestaat uit twee stappen: (i) het patroon van een koolstofrijk basismateriaal, zoals een lichtgevoelig polymeer, met behulp van fotolithografie; En (ii) carbonisatie door middel van de pyrolyse van het gevormde polymeer in een zuurstofvrije omgeving. Het C-MEMS / NEMS-proces is veel gebruikt om micro-elektronische apparaten te ontwikkelen voor diverse toepassingen, zoals in microbatterijen, supercapacitors, glucosesensoren, gassensoren, brandstofcellen en triboelektrische nanogeneratoren. Hier worden de recente ontwikkelingen van een hoge aspect ratio vaste en holle koolstofmicrostructuren met SU8 fotoresists besproken. De structurele krimp tijdens pyrolyse werd onderzocht met behulp van confocale microscopie en SEM. Raman spectroscopie werd gebruikt om de kristalliniteit van de structuur te bevestigen en het atoompercentage van de elementen preeseNt in het materiaal voor en na pyrolyse gemeten met behulp van EDX.

Een schematische weergave van het fabricageproces voor microfibers uit menselijk haar afgeleide holle koolstofvezels is weergegeven in figuur 1 . Het gekarboniseerde menselijk haar werd gekenmerkt door gebruik te maken van SEM om de krimp te schatten. De haardiameter daalde van 82,88 ± 0,003 μm tot 31,42 ± 0,003 μm door de pyrolyse. Scanning-elektronenmicroscopische (SEM) afbeeldingen van verschillende patronen gemaakt met behulp van met haar afgeleide kools...

Lange en holle glasachtige koolstofmicrofibers werden vervaardigd op basis van de pyrolyse van een natuurlijk product, menselijk haar. De twee fabricage stappen van koolstofmicro-elektromechanische en koolstofnanoelectromechanische systemen, of C-MEMS en C-NEMS, zijn: (i) fotolithografie van een koolstofrijke polymeervoorloper en (ii) pyrolyse van de gevormde polymeervoorloper.

Fabricage van 3D Koolstof Micro-Elektromechanische Systemen (C-MEMS)

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long ...

Het algemene doel van deze procedure is het vervaardigen van 3D-koolstofstructuren met behulp van conventionele en niet-conventionele koolstof-micro-elektromechanische systeemprocessen, waarbij respectievelijk SU-8-polymeer en menselijk haar als koolstofbronnen worden gebruikt. Twintig jaar geleden zijn we begonnen met een volledig nieuw proces waarbij we silicium vervangen als het belangrijkste materiaal voor het maken van MEMS-apparaten, micro-elektromechanische systemen. Ons idee is dat koolstof een beter materiaal is dan silicium voor het maken van deze driedimensionale vormen.Specifiek nemen we een polymeerprecursor, brengen we hierop een patroon aan en zetten we deze vervolgens bij een hoge temperatuur, rond de 900 tot 1.000 °C, in een inerte atmosfeer om in koolstof. Wat er tijdens dat proces gebeurt, is dat de vorm behouden blijft, maar dat deze krimpt. Met andere woorden is er sprake van isometrische krimp, waardoor u elke denkbare 3D-koolstofvorm kunt verkrijgen.Dat wordt koolstof-MEMS genoemd. Het is veel goedkoper omdat ik enkel een koolstofprecursor, een polymeer, neem, dit in drie dimensies structureer en vervolgens omzet in koolstof. Koolstof komt voor in vele allotropen, van diamant en grafiet tot glasachtig koolstof.Afhankelijk van hoe ik de ketens van het polymeer voorbehandel, kan ik uiteindelijk een 3D-koolstofstructuur verkrijgen die meer grafietachtig, diamantachtig of als glasachtig koolstof is. Vandaag zal het proces van koolstof-MEMS voor u worden gedemonstreerd door mijn promovendus, Esham Shomloo. Om te beginnen met de procedure voor de fabricage van de polymeerstructuur, stelt u eerst een warmteplaat in op 95 °C.Zet een spin-coater en de aangesloten vacuümpomp aan. Programmeer een spin-coatingsequentie in twee stappen met een eerste stap van 10 seconden bij 500 rpm en een tweede stap van 30 seconden bij 1.000 rpm, beide met een versnellingssnelheid van 100 rpm per seconde. Plaats een siliciumwafer of een ander substraat op de vacuümhouder van de spin-coater.Schakel het vacuüm in om het substraat aan de houder te bevestigen. Breng voldoende negatieve fotoresist op basis van epoxyhars aan om het oppervlak van het substraat te bedekken. Voer de tweestaps spin-coatingvolgorde uit om een uiteindelijke resistdikte van 1 tot 250 micron te bereiken.Verwijder het substraat uit de houder. Breng het substraat met een pincet voorzichtig over naar de warmteplaat van 95 °C zonder de dunne film te verstoren. Bak het substraat gedurende één tot 40 minuten bij 95 °C, afhankelijk van de dikte van de fotoresist.Schakel tijdens het voorbakken het UV-fotolithografiesysteem in en stel de belichtingstijd in op 12 seconden. Zodra het voorbakken is voltooid, brengt u het substraat over naar het UV-systeem. Klem het patroonmasker vast met een vacuümaskerhouder.Plaats de maskhouder met het masker op het UV-belichtingssysteem. Plaats het met fotoresist gecoate substraat op de tafel van het UV-belichtingssysteem. Bedek het substraat met het gepatroneerde masker en druk het masker voorzichtig tegen het substraat aan.Stel het substraat voor de ingestelde duur bloot aan UV-licht en scheid vervolgens het masker van het substraat. Voer een post-exposure bake uit bij 95 °C gedurende één tot 15 minuten, afhankelijk van de dikte van de fotolak. Dompel het substraat gedurende één tot 20 minuten onder in de geschikte ontwikkelaarsoplossing terwijl de houder zachtjes wordt geschud. Droog de gepatronde wafer onder een stroom stikstofgas of perslucht.Inspecteer de wafer onder een microscoop bij een vergroting van 50x om te verifiëren dat het gewenste patroon een goede vorm heeft. Plaats de gepatroneerde wafer vervolgens in een onder druk staande buisoven met open uiteinden. Stel de stroomsnelheid voor de eerste 15 minuten van de sequentie in op 1,5 keer het volume van de ovenbuis per minuut en vervolgens op het volume van de ovenbuis per minuut voor de rest van de sequentie.Stel een reeks op van opwarming naar 300 °C met een snelheid van vijf °C per minuut, gevolgd door een plateau van één uur op 300 °C, opwarming naar 900 °C met dezelfde snelheid en een plateau van één uur, en vervolgens afkoeling tot 300 °C met een snelheid van 10 °C per minuut. Voer daarna de verwarmings- en afkoelingscyclus uit. Zodra de cyclus is voltooid, dient men te wachten tot het gepyrolyseerde monster is afgekoeld tot kamertemperatuur onder een stroom stikstofgas.Schakel vervolgens de oven en de gasstroom uit. Verwijder daarna voorzichtig het gepyrolyseerde monster uit de oven en ga over tot de karakterisering. Om te beginnen met het vervaardigen van een 3D-koolstofstructuur afgeleid van haar, wast u een monster van menselijk haar met gedeïoniseerd water.Droog het haarmonster onder een stroom nitrogengas. Neem een siliciumwafer of een keramisch bootje. Plaats de afzonderlijke haren in de gewenste configuratie op de wafer of in het bootje.Indien er een siliciumwafer wordt gebruikt, fixeer de haren dan aan de wafer met een polymeer op epoxybasis. Plaats de sample vervolgens in een onder druk gezette, aan één zijde open buizoven. Voer de pyrolyse-sequentie uit om de sample eerst te stabiliseren en vervolgens te carboniseren.Laat het monster afkoelen tot kamertemperatuur onder een stroom stikstof. Verwijder vervolgens het monster voorzichtig uit de oven, indien nodig met een pincet, en ga over tot karakterisering. Uit haar afgeleide koolstofmicrovezels werden in verschillende patronen geprepareerd, afhankelijk van de initiële rangschikking van het haarmonster.Energie-dispersieve röntgenspectroscopie en Raman-spectroscopie werden uitgevoerd vóór en na pyrolyse. In het Raman-spectrum verschenen na pyrolyse slechts twee pieken die overeenkwamen met de D- en G-banden. De intensiteitsverhouding tussen de pieken gaf aan dat de microstructuren hoofdzakelijk bestonden uit glasachtig koolstof.Elektrochemische sensoren werden vervaardigd met gebruik van onbehandeld koolstof, koolstofnanobuisjes of de uit haar afgeleide koolstofvezels. Cyclische voltammetrie van dopamine- en ascorbinezuuroplossingen toonde aan dat de elektrode met de uit haar afgeleide koolstofvezels een verbeterde prestatie vertoonde in vergelijking met het onbehandelde koolstof, hoewel ze niet konden tippen aan de prestaties van de koolstofnanobuisjes. Ik hoop dat deze korte video over koolstof-MEMS velen van u inspireert om dit proces zelf te verkennen.Er zijn inderdaad nog veel meer toepassingen denkbaar die voortvloeien uit dit eenvoudige proces. Dit kan variëren van innovatieve batterijen, nieuwe brandstofcellen, nieuwe sensoren, enzovoort. Misschien zal het silicium zelfs verdringen als het belangrijkste MEMS-materiaal.

fabrication-of-3d-carbon-microelectromechanical-systems-c-mems

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Met behulp van Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) voor diagnostische instrumenten te ontwikkelen

We presenteren twee processen voor de microfabricage van poreuze polymeer chips voor drie-dimensionale celkweek. De eerste is hot embossing gecombineerd met een damp van oplosmiddelen lasproces. De tweede maakt gebruik van een recent ontwikkelde microthermoforming proces in combinatie met ion-Track technologie leidt tot een aanzienlijke vereenvoudiging van de productie.

Microfabricage van Chip-en kleinbedrijf Stellingen voor drie-dimensionale celkweek

In dit protocol, tonen we de fabricage van een Microactuator reeks van verticaal verschoven berichten op de technologie gebaseerd is, en hoe deze basistechnologie kunnen worden gewijzigd om high-throughput mechanisch dynamische celkweek te voeren in zowel twee-dimensionale en drie-dimensionale cultuur paradigma's.

Microfabricated Platforms voor Mechanisch Dynamic Cel Cultuur

We presenteren methoden voor de productie van een patroon microstructuren van verticaal uitgelijnde koolstof nanobuisjes (CNTs), en hun gebruik als master mallen voor de productie van polymeer microstructuren met georganiseerde nanoschaal oppervlaktestructuur. De CNT bossen verdicht door condensatie van oplosmiddel op het substraat, die aanzienlijk verhoogt de pakkingsdichtheid en maakt zelfsturend vorming van 3D-vormen.

Fabrication, verdichting, en Replica Molding van 3D Carbon Nanotube Microstructuren

Het robuuste apparaat ontwerp van fringing-veld elektrostatische MEMS actuatoren resultaten in inherent lage squeeze-film demping omstandigheden en lange afwikkeling keer bij het uitvoeren van schakelingen met behulp van conventionele stap voorspanning. Real-time schakeltijd verbetering met DC-dynamische golfvormen vermindert de afwikkeling van de tijd van fringing-veld MEMS aandrijvingen bij de overgang tussen de up-to-down en down-to-up toestanden.

Real-Time DC-dynamische Biasing Methode voor het omschakelen Tijd Verbetering Ernstig Underdamped Fringing-veld elektrostatische MEMS Aandrijvingen

Dit artikel introduceert een 3D additief micromanufacturing strategie (zogenaamde "micro-metselwerk ') voor de flexibele productie van micro-elektromechanische systeem (MEMS) structuren en apparaten. Deze benadering houdt in transfer-printing gebaseerd assemblage van micro / nanoschaal materialen in combinatie met een snelle thermische-gloeien ingeschakeld materiaal verbindingstechnieken.

Micro-metselwerk voor 3D Additive micromanufacturing

We presenteren een compact reflectie digitale holografische systeem (CDHM) voor inspectie en karakterisering van MEMS. Een lens-less ontwerp met behulp van een divergerende ingang golf verstrekken van natuurlijke geometrische vergroting wordt aangetoond. Zowel statische als dynamische studies worden gepresenteerd.

Compact Lens-less Digitale Holografische Microscoop voor MEMS Inspectie en karakterisering

Een protocol voor een vaste-fixed beam-ontwerpen met behulp van een laser Doppler vibrometer (LDV), met inbegrip van de meting van de frequentie afstemmen, wijziging van tuning mogelijkheden, en het vermijden van apparaatfout en stiction, wordt gepresenteerd. De superioriteit van de LDV-methode over de netwerkanalyse blijkt toe te schrijven aan zijn hogere modus vermogen.

Design en karakterisatie methodologie voor efficiënte Wide Range afstembare MEMS Filters

Een additief productie-strategie voor de verwerking van UV-crosslinkable hydrogels heeft ontwikkeld. Deze strategie voorziet in de vergadering van de laag-voor-laag van de microfabricated hydrogel structuren, alsook de vergadering van onafhankelijke onderdelen, levert geïntegreerde apparaten met bewegende onderdelen die inspelen op de magnetische aandrijving.

Additief fabricage techniek voor de Facile en snelle fabricage van Hydrogel gebaseerde Micromachines met magnetisch responsieve onderdelen

Dit artikel beschrijft een snel en eenvoudig productieproces van ionische elektromechanisch actieve composietmaterialen voor actuatoren in biomedische, biomimetische en zachte robotica toepassingen. De belangrijkste fabricagestappen, hun belang voor de uiteindelijke eigenschappen van de actuatoren en enkele van de belangrijkste karakteriseringstechnieken worden in detail beschreven.

Fabricage van carbon-based Ionische elektromechanisch actieve zachte actuatoren

Leer de fabricage van 3D koolstofstructuren via C-MEMS met fotolithografie en pyrolyse van SU-8-polymeer en menselijk haar. Deze methode biedt een duurzaam alternatief voor silicium in micro-elektromechanische systemen.

Fabricage van 3D Koolstof Micro-Elektromechanische Systemen (C-MEMS)

Meer video's verkennen