Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Wytwarzanie węglowych systemów mikroelektromechanicznych 3D (C-MEMS)

11K wyświetleń

DOI:

10.3791/55649

17 czerwca 2017

W tym artykule

Podsumowanie

Długie i puste w środku szkliste mikrowłókna węglowe zostały wytworzone w oparciu o pirolizę naturalnego produktu, ludzkiego włosa. Dwa etapy wytwarzania węglowych systemów mikroelektromechanicznych i nanoelektromechanicznych węglowych, czyli C-MEMS i C-NEMS, to: (i) fotolitografia prekursora polimeru bogatego w węgiel oraz (ii) piroliza prekursora polimeru o wzorzystym wzorze.

Streszczenie

W naturze dostępny jest szeroki zakres źródeł węgla, z różnorodnymi konfiguracjami mikro-/nanostruktur. Tutaj wprowadzono nowatorską technikę wytwarzania długich i pustych w środku szklistych mikrowłókien węglowych pochodzących z ludzkich włosów. Długie i puste w środku struktury węglowe powstały w wyniku pirolizy ludzkich włosów w temperaturze 900 °C w atmosferzeN2. Morfologię i skład chemiczny naturalnych i pirolizowanych włosów ludzkich badano odpowiednio za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją elektronów (EDX), aby oszacować zmiany fizyczne i chemiczne spowodowane pirolizą. Spektroskopia Ramana została wykorzystana do potwierdzenia szklistej natury mikrostruktur węglowych. Pyrolizowany węgiel do włosów został wprowadzony w celu modyfikacji elektrod węglowych drukowanych metodą sitodruku; Zmodyfikowane elektrody zostały następnie zastosowane do elektrochemicznego wykrywania dopaminy i kwasu askorbinowego. Wydajność wykrywania zmodyfikowanych czujników została poprawiona w porównaniu z niezmodyfikowanymi czujnikami. Aby uzyskać pożądany projekt struktury węglowej, opracowano technologię węglowego systemu mikro-/nanoelektromechanicznego (C-MEMS/C-NEMS). Najpowszechniejszy proces wytwarzania C-MEMS/C-NEMS składa się z dwóch etapów: (i) modelowania materiału bazowego bogatego w węgiel, takiego jak polimer światłoczuły, przy użyciu fotolitografii; oraz (ii) karbonizacja poprzez pirolizę wzorzystego polimeru w środowisku beztlenowym. Proces C-MEMS/NEMS jest szeroko stosowany do opracowywania urządzeń mikroelektronicznych do różnych zastosowań, w tym w mikrobateriach, superkondensatorach, czujnikach glukozy, czujnikach gazu, ogniwach paliwowych i nanogeneratorach tryboelektrycznych. W tym miejscu omówiono najnowsze osiągnięcia w zakresie mikrostruktur węglowych o wysokim współczynniku kształtu z fotorezystami SU8. Skurcz strukturalny podczas pirolizy badano za pomocą mikroskopii konfokalnej i SEM. Spektroskopii Ramana użyto do potwierdzenia krystaliczności struktury, a procentową zawartość atomową pierwiastków obecnych w materiale przed i po pirolizie zmierzono za pomocą EDX.

Wprowadzenie

Węgiel ma wiele alotropów i, w zależności od konkretnego zastosowania, można wybrać jeden z następujących alotropów: nanorurki węglowe (CNT), grafit, diament, węgiel amorficzny, lonsdaleit, buckminsterfulleren (C60), fuleryt (C540), fuleren (C70) i węgiel szklisty1,2,3,4. Węgiel szklisty jest jednym z najczęściej stosowanych alotropów ze względu na swoje właściwości fizyczne, w tym wysoką izotropię. Posiada również następujące właściwości: dobrą przewodność elektryczną, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej i nieprzepuszczalność gazów.

Nieustannie poszukuje się bogatych w węgiel materiałów prekursorowych do uzyskania struktur węglowych. Prekursorami tymi mogą być materiały wytworzone przez człowieka lub produkty naturalne, które są dostępne w określonych kształtach, a nawet zawierają produkty odpadowe. Szeroka gama mikro/nanostruktur powstaje w wyniku procesów biologicznych lub środowiskowych zachodzących w przyrodzie, co skutkuje unikalnymi cechami, które są niezwykle trudne do stworzenia przy użyciu konwencjonalnych narzędzi produkcyjnych. Ponieważ w tym przypadku tworzenie wzorów odbywało się naturalnie, synteza nanomateriałów przy użyciu naturalnych i odpadowych prekursorów węglowodorów mogła być przeprowadzona przy użyciu łatwego, jednoetapowego procesu rozkładu termicznego w atmosferze obojętnej lub próżniowej, zwanego pirolizą5. Wysokiej jakości grafen, jednościenne CNT, wielościenne CNT i kropki węglowe zostały wytworzone w wyniku rozkładu termicznego lub pirolizy prekursorów i odpadów pochodzenia roślinnego, w tym nasion, włókien i olejów, takich jak olej terpentynowy, olej sezamowy, olej neem (Azadirachta indica), olejek eukaliptusowy, olej palmowy i olejek z jatrofy. Wykorzystano również produkty kamforowe, ekstrakty z drzewa herbacianego, odpady żywnościowe, owady, odpady agro i produkty spożywcze6,7,8,9 Ostatnio naukowcy wykorzystali nawet kokony jedwabne jako materiał prekursorowy do przygotowania porowatych mikrowłókien węglowych10. Ludzki włos, zwykle uważany za materiał odpadowy, został niedawno wykorzystany przez ten zespół. Składa się z około 91% polipeptydów, które zawierają ponad 50% węgla; Reszta to pierwiastki takie jak tlen, wodór, azot i siarka11. Włosy mają również kilka interesujących właściwości, takich jak bardzo powolna degradacja, wysoka wytrzymałość na rozciąganie, wysoka izolacyjność termiczna i wysoka elastyczna regeneracja. Ostatnio został wykorzystany do przygotowania płatków węglowych stosowanych w superkondensatorach12 oraz do tworzenia pustych mikrowłókien węglowych do wykrywania elektrochemicznego13.

Obróbka materiału węglowego do produkcji trójwymiarowych (3D) struktur jest trudnym zadaniem, ponieważ materiał ten jest bardzo kruchy. Skupiona wiązka jonów14,15 lub reaktywne trawienie jonowe16 mogą być przydatne w tym kontekście, ale są to kosztowne i czasochłonne procesy. Technologia węglowego systemu mikroelektromechanicznego (C-MEMS), która opiera się na pirolizie wzorzystych struktur polimerowych, stanowi wszechstronną alternatywę. W ciągu ostatnich dwóch dekad C-MEMS i węglowe systemy nanoelektromechaniczne (C-NEMS) cieszyły się dużym zainteresowaniem ze względu na proste i niedrogie etapy produkcji. Konwencjonalny proces wytwarzania C-MEMS odbywa się w dwóch etapach: (i) modelowanie prekursora polimerowego (np. fotorezystu) za pomocą fotolitografii oraz (ii) piroliza wzorzystych struktur. Prekursory polimerowe utwardzane promieniowaniem ultrafioletowym (UV), takie jak fotorezystuły SU8, są często używane do modelowania struktur opartych na fotolitografii. Ogólnie rzecz biorąc, proces fotolitografii obejmuje etapy powlekania wirowego, miękkiego wypalania, ekspozycji na promieniowanie UV, po wypalaniu i wywoływania. W przypadku C-MEMS; krzem; krzemionka; azotek krzemu; kwarc; A ostatnio szafir został użyty jako podłoże. Fotowzorzyste struktury polimerowe są karbonizowane w wysokiej temperaturze (800-1 100 °C) w środowisku beztlenowym. W tych podwyższonych temperaturach w próżni lub atmosferze obojętnej wszystkie pierwiastki niewęglowe są usuwane, pozostawiając tylko węgiel. Technika ta pozwala na uzyskanie wysokiej jakości, szklistych struktur węglowych, które są bardzo przydatne w wielu zastosowaniach, w tym w wykrywaniu elektrochemicznym17, magazynowaniu energii18, triboelektrycznej nanogeneracji19 oraz elektrokinetycznej manipulacji cząstkami20. Ponadto wytwarzanie mikrostruktur 3D o wysokich proporcjach przy użyciu C-MEMS stało się stosunkowo łatwe i doprowadziło do szerokiej gamy zastosowań elektrod węglowych18,21,22,23, często zastępując elektrody z metali szlachetnych.

W tej pracy przedstawiono niedawny rozwój prostego i opłacalnego sposobu wytwarzania pustych mikrowłókien węglowych z ludzkich włosów przy użyciu niekonwencjonalnej technologii C-MEMS13. Opisano tu również konwencjonalny proces C-MEMS oparty na polimerach SU8. W szczególności opisano procedurę wytwarzania brył o wysokim współczynniku kształtu i pustych struktur SU824.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. 3D Wytwarzanie struktury węglowej pochodzącej z ludzkich włosów

UWAGA: Używaj środków ochrony osobistej. Postępuj zgodnie z instrukcjami laboratoryjnymi, aby korzystać z przyrządów i pracować w laboratorium.

  1. Przygotuj zebrane ludzkie włosy, myjąc je wodą DI i susząc gazemN2.
  2. Ułóż włosy według uznania, na przykład w równoległe pasma, skrzyżowane, z dwoma włosami zwiniętymi razem itp.
  3. Przymocuj włosy do podłoża silikonowego za pomocą SU8 lub przechowuj je bezpośrednio w ceramicznej łódce.
  4. Umieść przymocowane do włosów silikonowe podłoże lub łódkę w piecu.
  5. Włączyć piec i otworzyć zawór zbiornika gazu obojętnego (N2).
    UWAGA: Optymalne natężenie przepływu gazu zależy od objętości rury pieca. Dla objętości rury o pojemności 6 l zastosowano natężenie przepływu 6 l/min. Aby stworzyć całkowicie obojętne środowisko w rurze pieca, przez pierwsze 15 minut zastosowano natężenie przepływu gazu 1,5 raza wyższe niż optymalne natężenie przepływu gazu.
  6. Ustaw parametry, w tym maksymalną temperaturę pirolizy, szybkość narastania temperatury i natężenie przepływu gazu obojętnego, a następnie uruchom piec.
    1. Na przykład zwiększ temperaturę z temperatury pokojowej do 300 °C z prędkością 5 °C/min. Przechowywać w temperaturze 300 °C przez 1 godzinę w celu stabilizacji. Następnie zwiększ temperaturę do 900 °C i utrzymuj ją jeszcze przez 1 godzinę w celu karbonizacji.
    2. Schłodzić piec do temperatury 300 °C z szybkością 10 °C/min i wyłączyć grzałkę pieca, ponieważ kontrolowane chłodzenie nie jest konieczne po osiągnięciu temperatury 300 °C. Pozostawić próbki w piecu do momentu, gdy temperatura osiągnie temperaturę pokojową tylko przy przepływie N2.
  7. Wyłącz piec i przepływ gazu po zakończeniu procesu pirolizy.
  8. Próbki należy wyjąć z pieca.

2. 3D Wytwarzanie struktury polimeru: Fotolitografia

  1. Zaprojektuj układ 2D pożądanej struktury fotorezystu 3D za pomocą odpowiedniego pakietu oprogramowania i przygotuj wydrukowaną maskę (tj. maskę z polietylenowej folii fotograficznej).
    UWAGA: Do wydrukowania projektu skorzystano z usługi komercyjnej. Rozmiar maski generalnie zależy od projektu.
  2. W czystym laboratorium włącz dwie płyty grzejne i ustaw temperaturę odpowiednio na 65 °C i 95 °C.
  3. Włącz powlekarkę wirową i pompę próżniową. Upewnij się, że pompa próżniowa jest podłączona rurką do głowicy obrotowej.
  4. Ustaw parametry wirowania dwuetapowego, takie jak prędkość wirowania, rampa i czas trwania. W pierwszym kroku ustaw prędkość wirowania na 500 obr./min, rampę na 100 obr./min, a czas wirowania na 10 s, aby rozpocząć cykl wirowania. W następnym kroku ustaw prędkość wirowania na 1,000 obr./min, rampę na 100 obr./min, a czas wirowania na 30 s, aby równomiernie rozłożyć fotorezystor.
  5. Umieść podłoże (tj. płytkę Si o wymiarach 4 cale x 4 cale i 550 μm ± grubości 25 μm z warstwą SiO2 o grubości 1 μm) na środku uchwytu.
  6. Polimer światłoczuły (tj. fotorezystor SU8) należy osadzić bezpośrednio na środku podłoża. Użyj tyle, aby pokryć powierzchnię.
  7. Naciśnij przycisk "odkurzanie", aby przytrzymać podłoże.
  8. Naciśnij przycisk "run", aby pokryć podłoże SU8 i uzyskać ostateczną grubość 250 μm.
  9. Po zakończeniu procesu wirowania należy ponownie nacisnąć przycisk "próżnia", aby zwolnić powlekane podłoże z uchwytu.
  10. Ostrożnie trzymaj powlekane podłoże za pomocą pęsety, aby powierzchnia była gładka i czysta. Przenieść podłoże bezpośrednio na płytę grzejną o temperaturze 65 °C na 6 minut, a następnie na płytę grzejną o temperaturze 95 °C na 40 minut (pieczenie na miękko).
    UWAGA: Pieczenie w temperaturze 65 °C jest wymagane, aby zapewnić powolne odparowywanie rozpuszczalnika, co skutkuje lepszą powłoką i lepszą przyczepnością do podłoża, podczas gdy pieczenie w temperaturze 95 °C dodatkowo zagęszcza SU8.
  11. W międzyczasie naciśnij przełącznik, aby włączyć system naświetlania UV i ustaw czas ekspozycji na "12 s" za pomocą przycisku set w systemie.
    UWAGA: W przypadku warstwy SU8 o grubości 250 μm energia ekspozycji musi wynosić 360 mJ/cm2.
  12. Po zakończeniu etapu pieczenia (krok 2.10) umieść podłoże w systemie naświetlania UV i umieść na nim zadrukowaną stronę fotomaski (z kroku 2.1). Użyj całej powierzchni maski, aby pokryć powlekane podłoże i delikatnie dociśnij, aby upewnić się, że między maską a podłożem nie ma szczeliny.
  13. Wystaw podłoże pokryte powłoką SU8 na działanie promieniowania UV przez fotomaskę przy użyciu predefiniowanych ustawień UV.
  14. Ponownie podgrzej podłoże, umieszczając je bezpośrednio na płycie grzejnej w temperaturze 65 °C przez 5 minut i w temperaturze 95 °C przez 14 minut w celu wypieku poekspozycyjnego (PEB).
    UWAGA: PEB zwiększa stopień usieciowania w obszarach naświetlonych promieniami UV i sprawia, że powłoka jest bardziej odporna na rozpuszczalniki na etapie rozwoju.
  15. Usuń nienaświetlone obszary fotorezystu, zanurzając podłoże w dedykowanym roztworze wywoływacza, umieszczonym w zlewce, na 20 minut. Ciągle potrząsaj roztworem (ostrożnie), aby zapewnić całkowite usunięcie nienaświetlonych obszarów rezystancji.
  16. Osusz rozwinięte struktury, przytrzymując podłoże i wdmuchując na nie azot lub sprężone powietrze.
  17. Zbadaj płytkę pod mikroskopem z 50-krotnym powiększeniem, aby porównać wzory przeniesione na fotorezystor z pożądanymi wzorami.

3. 3D Wytwarzanie struktury węglowej: Piroliza

  1. Próbki przygotowane za pomocą fotolitografii (kroki 2.1-2.17) umieścić w ciśnieniowym, otwartym piecu rurowym.
  2. Włącz piec i ustaw parametry pirolizy, jak wspomniano powyżej w kroku 1. Powtórz proces od kroku 1.6-1.8.
  3. Z próbkami należy obchodzić się ostrożnie za pomocą pęsety i przystąpić do charakteryzacji.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Schemat procesu wytwarzania pustych węglowych mikrowłókien pochodzących z ludzkich włosów pokazano na Rysunku 1. Zwęglone ludzkie włosy scharakteryzowano za pomocą SEM w celu oszacowania stopnia kurczenia się. Średnica włosa zmniejszyła się z 82,88 ± 0,003 µm do 31,42 ± 0,003 µm wskutek pirolizy. Obrazy z mikroskopu elektronowego przesuwnego (SEM) różnych wzorów wykonanych z węglowych mikrowłókien pochodzących z włosów przedstawiono na Ry...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W artykule przedstawiono metody wytwarzania różnorodnych mikrostruktur węglowych opartych na pirolizie naturalnych materiałów prekursorowych lub fotowzorzystych struktur polimerowych. Materiały węglowe powstające zarówno w tradycyjnych, jak i niekonwencjonalnych procesach C-MEMS/C-NEMS są zazwyczaj węglami szklistymi. Węgiel szklisty jest szeroko stosowanym materiałem elektrodowym w elektrochemii, a także w zastosowaniach wysokotemperaturowych. Mikrostruktura szklistego węgla składa się zarówno z obszarów krystalicznych,...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez Technologico de Monterrey i Uniwersytet Kalifornijski w Irvine.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
SU8-2100MicrochemNumer produktu-Y1110750500L
SpinnerLaurell Technologies CorporationModel-WS650HZB-23NPP/UD3
Płyta grzejnaTorrey Pines ScientificHS61
Lampa rtęciowanaświetlaczem UVH44GS-100M, P / N-34-0054-01
Maska fotograficznaCAD/Artnr numer
Deweloper MicrochemY020100 4000L 
System wodny DIMilli QZOOQOVOTO
IPACTR SientificCTR 01244
N2 gasAOC MeksykBrak numeru
PiecPEO 601, ATV Technologie GMBHModel-PEO 601, nr seryjny-195
Si/SiO2Noel Technologies
z, SYLVANIA

Bibliografia

  1. Wang, C., Jia, G., Taherabadi, L. H., Madou, M. J. A novel method for the fabrication of high-aspect ratio C-MEMS structures. J Microelectromech Syst. 14 (2), 348-358 (2005).
  2. Jong, K. P. D., Geus, J. W. Carbon nanofibers: catalytic synthesis and applications. Catal Rev Sci Eng. 42, 481-510 (2000).
  3. Elrouby, M. Electrochemical applications of carbon nanotube. J Nano Adv Mat. 1 (1), 23-38 (2013).
  4. Baughman, R. H., Zakhidov, A. A., Heer, W. A. D. Carbon nanotubes-the route toward applications. Science. 297, 787-792 (2002).
  5. Kumar, R., Singh, R. K., Singh, D. P. Natural and waste hydrocarbon precursors for the synthesis of carbon based nanomaterials: graphene and CNTs. Renew Sustain Energy Rev. 58, 976-1006 (2016).
  6. Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T., Kumar, M., Ando, Y., Sharon, M. Carbon nanotubes by spray pyrolysis of turpentine oil at different temperatures and their studies. Micropor Mesopor Mater. (1-3), 184-190 (2006).
  7. Sharma, S., Kalita, G., Hirano, R., Hayashi, Y., Tanemura, M. Influence of gas composition on the formation of graphene domain synthesized from camphor. Mater Lett. 93 (0), 258-262 (2013).
  8. Ghosh, P., Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T. A simple method of producing single-walled carbon nanotubes from a natural precursor: eucalyptus oil. Mater Lett. 61 (17), 3768-3770 (2007).
  9. Kumar, R., Tiwari, R., Srivastava, O. Scalable synthesis of aligned carbon nanotubes bundles using green natural precursor: neem oil. Nanoscale Res Lett. 6 (1), 92-97 (2011).
  10. Liang, Y., Wu, D., Fu, R. Carbon microfibers with hierarchical porous structure from electrospun fiber-like natural biopolymer. Sci Rep. 3, 1-5 (2013).
  11. Gupta, A. Human hair "waste" and its utilization: gaps and possibilities. J Waste Manag. 2014, 1-17 (2014).
  12. Qian, W., Sun, F., Xu, Y., Qiu, L., Liu, C., Wang, S., Yan, F. Human hair-derived carbon flakes for electrochemical supercapacitors. Energy Environ Sci. 7, 379-386 (2014).
  13. Pramanick, B., Cadenas, L. B., Kim, D. M., Lee, W., Shim, Y. B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. J., Hwang, H. Human hair-derived hollow carbon microfibers for electrochemical sensing. Carbon. 107, 872-877 (2016).
  14. Miura, N., Numaguchi, T., Yamada, A., Konagai, M., Shirakashi, J. Room temperature operation of amorphous carbon-based single-electron transistors fabricated by beam-induced deposition techniques. Jpn J Appl Phys. 37 (2), L423-L425 (1998).
  15. Irie, M., Endo, S., Wang, C. L., Ito, T. Fabrication and properties of lateral p-i-p structures using single crystalline CVD diamond layers for high electric field applications. Diamond Rel Mater. 12, 1563-1568 (2003).
  16. Tay, B. K., Sheeja, D., Yu, L. J. On stress reduction of tetrahedral amorphous carbon films for moving mechanical assemblies. Diamond Rel Mater. 12 (2), 185-194 (2003).
  17. Kamath, R. R., Madou, M. J. Three-dimensional carbon interdigitated electrode arrays for redox-amplification. Anal Chem. 86 (6), 2963-2971 (2014).
  18. Sharma, S., Khalajhedayati, A., Rupert, T. J., Madou, M. J. SU8 derived glassy carbon for lithium ion batteries. ECS Trans. 61 (7), 75-84 (2014).
  19. Kim, D., Pramanick, B., Salazar, A., Tcho, I. -W., Madou, M. J., Jung, E. S., Choi, Y. -K., Hwang, H. 3D carbon electrode based triboelectric nanogenerator. Adv Mater Technol. 1 (8), 1-7 (2016).
  20. Duarte, R. M., Gorkin, R. A., Samra, K. B., Madou, M. J. The integration of 3D carbon-electrode dielectrophoresis on a CD-like centrifugal microfluidic platform. Lab Chip. 10 (8), 1030-1043 (2010).
  21. Mund, K., Richter, G., Weidlich, E., Fahlstrom, U. Electrochemical properties of platinum, glassy carbon, and pyrographite as stimulating electrodes. Pacing Clin Electrophysiol. 9 (6), 1225-1229 (1986).
  22. Xua, H., Malladi, K., Wang, C., Kulinsky, L., Song, M., Madou, M. Carbon post-microarrays for glucose sensors. Biosens Bioelectron. 23 (11), 1637-1644 (2008).
  23. Sharma, S., Madou, M. Micro and nano patterning of carbon electrodes for bioMEMS. Bioinspir Biomim Nanobiomat. 1, 252-265 (2012).
  24. Pramanick, B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. Fabrication of biocompatible hollow microneedles using the C-MEMS process for transdermal drug delivery. ECS Trans. 72 (1), 45-50 (2016).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

W glowe MEMSproces pirolizyfotorezyst SU 8w giel z ludzkich w os ww giel szklistyspektroskopia Ramanowskaanaliza EDXczujniki elektrochemicznedetekcja dopaminydetekcja kwasu askorbinowego