Fabricage van driedimensionale grafeen gebaseerde Polyhedrons via Origami-achtige zelf vouwen

Dit protocol maakt gebruik van origami-achtige zelfvouwende methoden om 3D-grafeen-gebaseerde polyhedrons te maken. Tweedimensionale grafeenplaten bezitten buitengewone optische, elektronische en mechanische eigenschappen. Door de vorm van tweedimensionaal grafeen aan te passen, kunnen de fysische, chemische en optische eigenschappen worden afgestemd, wat nieuw materiaalgedrag kan introduceren, waardoor nieuwe toepassingsmogelijkheden mogelijk zijn.

In dit verband is de integratie van 2D-grafeen in de structuren van gefunctionaliseerde, goed gedefinieerde, driedimensionale polyhedrons de laatste tijd van groot belang geweest in de grafeengemeenschap. 3D grafeen polyhedrons kan gunstig zijn voor vele toepassingen. Voorbeelden hiervan zijn gas- en waterbestendige containers, moleculaire opslag, leveringssystemen, inkapseling van materialen op basis van vloeistof, voor gemakkelijk te observeren in elektronenmicroscopie, functionele opto-elektronische apparaten en materiematerialen.

Er zijn een aantal chemische routes voor de productie van op 3D-grafeen gebaseerde structuren ingevoerd. Deze methoden vereisen echter meestal sterke chemische reacties, die de intrinsieke eigenschappen van het grafeen beïnvloeden en uitdagingen opleveren bij de bouw van vrijstaande, holle, 3D-grafeen polyhedrons. Om deze beperkingen te overwinnen, toont deze studie een methodologie voor het realiseren van 3D-microcuben met 2D-grafeen en grafeenoxide met behulp van origami-achtige zelfvouwen.

Om context te geven aan het totale fabricageproces van de 3D-grafeenkubussen, wordt nu voorafgaand aan het gedetailleerde protocol een vereenvoudigd overzicht in zes stappen geïntroduceerd. Bereid eerst de beschermingslagen voor. Voer vervolgens grafeen-membraanoverdracht uit in patronen op de beschermingslagen.

Maak vervolgens metalen oppervlaktepatronen op de grafeenmembranen. Definieer vervolgens polymeerframes en scharnieren. Zet vervolgens de 2D-netten om in 3D-kubussen via zelfvouwen.

Verwijder ten slotte de beschermlagen. Met behulp van een elektronenbundel verdamper, deponeren 10 nanometer-dik chroom en 300 nanometer dikke koperlagen op het silicium substraat. Spin coat photoresist bij 2500 RPM gevolgd door bakken op 115 graden Celsius gedurende 60 seconden.

Stel de ontworpen 2D-netgebieden gedurende 15 seconden bloot aan UV-licht op een contactmasker aligner en ontwikkel je vervolgens gedurende 60 seconden in de ontwikkelaar. Spoel het monster met gedeïoniseerd water en föhn met een luchtbuks. Deponeren een 10 nanometer dikke chroomlaag en til de resterende fotoresist in aceton.

Spoel het monster met gedeïoniseerd water en föhn met een luchtbuks. Om patroon 2D netten met zes vierkante aluminiumoxide en chroom bescherming lagen op de netten, spin coat fotoresist op 2, 500 RPM, gevolgd door bakken op 115 graden Celsius gedurende 60 seconden. Stel de ontworpen zes vierkante beschermlagen gedurende 15 seconden bloot aan UV-licht op een contactmasker aligner en ontwikkel gedurende 60 seconden in de ontwikkelaar.

Spoel het monster af met gedeïsized water en föhn met een luchtbuks. Deponeren een 100 nanometer dikke aluminiumoxide laag in een 10 nanometer dikke chroomlaag. Verwijder de resterende fotoresist in aceton.

Spoel het monster af met gedeïsized water en föhn met een luchtbuks. Beginnend met het 15 millimeter vierkante stuk grafeen dat op koperfolie wordt vastgehouden, houdt spinlaag een dunne PMMA-laag bij 3000 RPM op het oppervlak van het grafeen. Bak op 180 graden Celsius gedurende 10 minuten.

Plaats het PMMA-grafeen in koperfolielaag, zwevend koperzijde naar beneden in koper etchant gedurende 24 uur om de koperfolie weg te etden. Nadat de koperfolie volledig is opgelost, waardoor PMMA in grafeen, breng het zwevende PMMA-gecoate grafeen op het oppervlak van een plas gedeïmiseerd water met behulp van een microscoop schuifglas om koper etchant residu te verwijderen. Herhaal de overdracht van het met PMMA bedekte grafeen meerdere malen op nieuwe gedeïioneerde waterpoelen om adequaat te spoelen.

Breng het zwevende PMMA-gecoate grafeen over op een ander stuk grafeen dat op koperfolie is bevestigd om een bilayer grafeenmembraan te verkrijgen. Behandel het dubbellaagse grafeen op koperfolie op een hete plaat op 100 graden Celsius gedurende 10 minuten. Verwijder de PMMA bovenop het dubbellaagse grafeen op de koperfolie in een acetonbad, waardoor een grafeen, grafeen en koperfolielaagstapel achterblijft, gevolgd door het overbrengen naar gedeïmiseerd water.

Herhaal de grafeenoverdracht nog één keer om drie gestapelde lagen grafeenmembranen te krijgen. Plaats de PMMA, grafeen, grafeen, grafeen, grafeen, en koperfolie gelaagde plaat, zwevende koper kant naar beneden in koper etchant voor 24 uur weg te etneren van de koperfolie. Breng de pmma-gecoate drie lagen grafeenmembranen over op de geprefabriceerde aluminiumoxide- en chroombeschermingslagen.

Verwijder na overdracht van het grafeen de PMMA met aceton. Vervolgens, dip het monster in gedeïstiseerd water en droog in de lucht. Behandel het meerlaagse grafeen op het substraat op een hete plaat op 100 graden Celsius gedurende een uur.

Draai jas fotoresist op 2500 RPM en bak op 115 graden Celsius gedurende 60 seconden. UV bloot de regio's van fotoresist direct boven de vierkante bescherming laag gebieden met behulp van een contactmasker aligner gedurende 15 seconden. Ontwikkel je dan 60 seconden.

Verwijder de nieuw ontdekte ongewenste grafeengebieden via een zuurstofplasmabehandeling gedurende 15 seconden. Verwijder de overgebleven fotoresist in aceton. Spoel het monster af met gedeïsized water en droog in de lucht.

Spin coat fotoresist op 1700 RPM gedurende 60 seconden op de top van de eerder vervaardigde aluminiumoxide en chroom bescherming lagen om een 10 micrometer dikke laag te verkrijgen. Bak de fotoresist op 115 graden Celsius gedurende 60 seconden en wacht dan drie uur. Met hetzelfde masker dat wordt gebruikt voor het patroon van de aluminiumoxide- en chroomlagen, legt UV het monster gedurende 80 seconden bloot op een contactmasker aligner en ontwikkelt het gedurende 90 seconden.

Spoel het monster met gedeïoniseerd water en föhn met een luchtbuks. Voer een UV-blootstelling aan overstromingen uit van het hele monster zonder masker gedurende 80 seconden. Spin coat de bereide grafeenoxide en water mengsel op het monster op 1000 RPM gedurende 60 seconden.

Voer de spincoating in totaal drie keer uit. Dip het monster in ontwikkelaar om het opstijgen van ongewenste grafeenoxide mogelijk te maken. Het lift-off proces onder een microscoop wordt hier getoond met de beelden versneld.

Spoel het monster met gedeïoniseerd water en blaas het monster voorzichtig op met een luchtbuks. Behandel het monster op een hete plaat op 100 graden Celsius gedurende een uur. Maak 20 nanometer dikke titanium patronen op de top van de patroon grafeen gebaseerde membranen.

Behandel het monster op een hete plaat op 100 graden Celsius gedurende een uur. Bovenop de membranen op basis van grafeen met titaniumoppervlaktepatronen, draai jas fotoresist op 2500 RPM gedurende 60 seconden om een vijf micrometer dikke laag te vormen en bak op 90 graden Celsius gedurende twee minuten. UV-bloot de monsters voor 20 seconden, bak op 90 graden Celsius gedurende drie minuten, en ontwikkelen voor 90 seconden.

Spoel het monster met gedeïoniseerd water en isopropylalcohol en blaas het monster voorzichtig op met een luchtbuks. Bak de monsters na 200 graden Celsius gedurende 15 minuten om de mechanische stijfheid van frames te verbeteren. Om het scharnierpatroon te maken, draait u gedurende 60 seconden 60 seconden met een fotoresist van 100 rpm om een 10 micrometer dikke film te vormen bovenop het geprefabriceerde substraat.

Bak op 115 graden Celsius gedurende 60 seconden en wacht drie uur. UV-bloot het monster op een contactmasker aligner voor 80 seconden en ontwikkelen gedurende 90 seconden. Spoel het monster met gedeïoniseerd water en blaas het monster voorzichtig op met een luchtbuks.

Los de koperofferte laag onder de 2D-netten in een koperen etchant op om de 2D-structuren vrij te geven. Breng de vrijgekomen structuren voorzichtig over in een gedeïstioneerd waterbad met behulp van een pipet en spoel een paar keer af om het resterende koper etchant te verwijderen. Plaats de 2D-structuren in gedeïioneerd water, verwarmd boven het smeltpunt van de polymeerscharnieren.

Monitor het zelfvouwen in real time via optische microscopie en haal uit de warmtebron bij succesvolle montage in gesloten kubussen. Na zelfvouwen, verwijder de aluminiumoxide en chroom bescherming lagen met chroom etchant. Breng de blokjes voorzichtig over in een gedeïsized waterbad en spoel voorzichtig af.

De optische beelden tonen de lithografische processen van het 2D grafeen en grafeenoxide netto structuren en de daaropvolgende zelfklapbare proces. Het zelfklapbare proces wordt in real time gemonitord via een microscoop met hoge resolutie. Beide soorten 3D grafeen gebaseerde kubussen zijn gevouwen op ongeveer 80 graden Celsius.

De cijfers leggen video-vastgelegde sequenties uit die het zelfvouwen van 3D-grafeenkubussen op een parallelle manier weergeven. Onder een geoptimaliseerd proces laat deze aanpak een hoogste opbrengst van ongeveer 90 procent zien. De cijfers tonen optische beelden van het 3D geassembleerde grafeen en grafeenoxide-gebaseerde kubussen met en zonder oppervlaktepatronen.

De totale grootte van de zelfgevouwen kubussen is 200 micrometer breed bij 200 micrometer lang bij 200 micrometer hoog. 20 nanometer-dikke titanium-patroon functies en UMN belettering worden gedefinieerd op elk gezicht van de 3D grafeen gebaseerde kubussen. De cijfers omvatten Raman spectroscopie van 2D grafeen-gebaseerde netten en 3D grafeen gebaseerde kubussen.

De resultaten tonen geen merkbare veranderingen in Raman piekpositie en intensiteit voor zowel grafeen en grafeenoxide membranen na de zelf-vouwen. Wanneer echter geen beschermingslagen worden gebruikt, werden merkbare veranderingen in relatieve piekintensiteiten waargenomen, wat wijst op veranderingen of schade aan de eigenschappen van het grafeen tijdens het zelfvouwen. Deze methode maakt de ontwikkeling van biomedische, elektronische en optische apparaten mogelijk, waaronder sensoren en elektrische circuits met behulp van de vele voordelen van 3D-configuraties.

Bovendien, aangezien het proces een vroeg beeld gebruikt om alleen op grafeen gebaseerde materialen, kan deze methode worden toegepast op andere tweedimensionale materiaal, zoals tren-ja-men-een ai chai-hus messen en zwarte paspoorten, waardoor deze mogelijkheid om te worden gebruikt bij de ontwikkeling van de volgende generatie 3D-configuraties van 2D-materialen.