Name: Wytwarzanie, zagęszczanie i formowanie replik mikrostruktur 3D nanorurek węglowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-07-02T08:01:00.000+00:00
Duration: 9 min 23 s
Description: Poznaj metody wytwarzania mikrostruktur 3D z nanorurek węglowych poprzez zagęszczanie kapilarne i formowanie replik polimerowych. Technika ta umożliwia tworzenie wytrzymałych form o złożonej geometrii.

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

Badania te były wspierane przez program Nanomanufacturing National Science Foundation (CMMI-0927634). Davor Copic był częściowo wspierany przez program Rackham Merit Fellowship na Uniwersytecie Michigan. Sameh Tawfick dziękuje za częściowe wsparcie z programu Rackham Predoctoral Fellowship. Michael De Volder był wspierany przez Belgijski Fundusz Badań Naukowych w Flandrii (FWO). Mikrofabrykacja została przeprowadzona w Lurie Nanofabrication Facility (LNF), która jest członkiem National Nanotechnology Infrastructure Network, a mikroskopia elektronowa została wykonana w Michigan Electron Microbeam Analysis Laboratory (EMAL).

1. Wzorcowanie katalizatora
<ol>
 <li> Przygotuj podłoże krzemowe (100) z warstwą dwutlenku krzemu o grubości 3000Å, z co najmniej jedną polerowaną stroną. Alternatywnie można użyć gołego podłoża krzemowego i wyhodować na nim warstwę dwutlenku krzemu o grubości 3000Å. Wszystkie opisane poniżej procesy wykonuje się na polerowanej stronie podłoża. </li>
 <li> Nanieś metodą spincoatingu warstwę HMDS przy 500rpm przez 4s, a następnie przy 3000rpm przez 30s. HMDS poprawia adhezję między podłożem a fotorezystem. </li>
 <li> Nanieś metodą spincoatingu warstwę SPR-220-3 przy 500rpm przez 4s, a następnie przy 3000rpm przez 30s. </li>
 <li> Wypal podłoże na płycie grzewczej w temperaturze 115°C przez 90s. </li>
 <li> Używając odpowiedniej maski do wzorowania katalizatora, naświetl podłoże światłem UV o natężeniu 20 mW/cm2 przy 405 nm przez 6s w trybie twardego kontaktu. 1.6) Ponownie wypal podłoże na płycie grzewczej w temperaturze 115°C przez 90s (wygrzewanie po naświetlaniu). </li>
 <li> Wywołaj naświetlony fotorezyst przez 60s, używając wywoływacza AZ-300 MIF. </li>
 <li> Płucz podłoże przez 60s w wodzie DI. </li>
 <li> Nanieś 10nm Al2O3, a następnie 1nm Fe za pomocą odparowywania elektronowym strumieniem (e-beam) lub rozpylania magnetronowego. </li>
 <li> Ręcznie nacinaj i łam podłoże na kawałki o wymiarach około 20×20 mm lub mniejsze. </li>
 <li> Przeprowadź proces lift-off fotorezystu, zanurzywszy kawałki podłoża w zlewce o pojemności 1L zawierającej 100ml acetonu, umieszczonej w kąpieli ultradźwiękowej przy mocy 6 przez 8min (CREST Ultrasonics 1100D). </li>
 <li> Wymień aceton i powtórz sonikację przy tych samych ustawieniach. </li>
 <li> Przenieś kawałki podłoża do zlewki z izopropanolem (IPA), a następnie mocz przez 2min. </li>
 <li> Wyjmij kawałki podłoża z IPA pojedynczo za pomocą pęsety. Osusz każdy kawałek delikatnym strumieniem azotu za pomocą ręcznej dyszy. </li>
</ol>
2. Wzrost CNT
<ol>
 <li> Pozyskać niepowleczony (lub powleczony tlenkiem) wafele krzemowy, a następnie ręcznie naciąć i odłamać fragment o wymiarach około 22×75 mm. Ten „uchwyt” (boat) będzie służył do podparcia i wprowadzania powleczonych katalizatorem fragmentów wafla do pieca rurkowego. Uchwyt jest bardzo użyteczny podczas ładowania i wyładowywania fragmentów wafla, ale nie bierze udziału w procesie wzrostu. W zasadzie uchwyt może być wykonany z dowolnego materiału, który jest chemicznie i termicznie stabilny w warunkach wzrostu CNT. </li>
 <li> Umieścić żądaną liczbę powleczonych katalizatorem fragmentów wafla (podłoży wzrostu) na uchwycie, 30 mm od jego przedniej krawędzi. </li>
 <li> Wprowadzić uchwyt z podłożami wzrostu do rury. Przesunąć uchwyt do wnętrza rury za pomocą pręta pchającego ze stali nierdzewnej lub kwarcu w taki sposób, aby przednia krawędź znajdowała się 30 mm za termoparą pieca. Ta pozycja (30 mm) to tzw. „sweetspot”, który zapewnia najwyższą szybkość wzrostu CNT w naszym piecu. Konieczne będzie wyznaczenie tej pozycji dla urządzenia użytkownika, w zależności od specyfikacji aparatury i celów (np. maksymalizacji szybkości wzrostu lub gęstości CNT). </li>
 <li> Podłączyć zaślepki końcowe, uszczelniając rurę. Należy uważać, aby nie naruszyć pozycji uchwytu ani wzorowanych fragmentów krzemu. Uwaga: wzrost CNT jest bardzo czuły na położenie wewnątrz rury. </li>
 <li> Przepłukać rurkę kwarcową hellem z przepływem 1000sccm przez 5 min w temperaturze pokojowej. </li>
 <li> Przy przepływie 400sccm wodoru i 100sccm helu zwiększyć temperaturę do 775°C w ciągu 10 min, a następnie utrzymać przepływy i temperaturę przez 10 min. Ten etap powoduje chemiczną redukcję filmu z tlenku żelaza do żelaza oraz jego rozwarstwienie (dewetting) do postaci nanocząstek. </li>
 <li> Zmienić natężenie przepływu wodoru na 100sccm, a helu na 400sccm, dodając 100sccm etylenu i utrzymując temperaturę pieca na poziomie 775°C w celu wzrostu CNT. Wysokość CNT jest kontrolowana przez czas trwania tego etapu. </li>
 <li> Aby zatrzymać wzrost CNT i schłodzić próbkę, ręcznie przesunąć rurkę kwarcową w dół strumienia, aż chipy z katalizatorem znajdą się około 1 cm za izolacją pieca. Należy zachować ostrożność, aby utrzymać te same przepływy i temperaturę nastawy pieca co w poprzednim kroku, przez 15 minut. </li>
 <li> Przepłukać rurę hellem z przepływem 1000sccm przez 5 min przed wyjęciem próbek i wyłączeniem pieca. </li>
</ol>
3. Zagęszczanie CNT
<ol>
 <li> Naklej kawałek dwustronnej taśmy na siatkę aluminiową o grubości 0,8mm z otworami o średnicy 6,25mm. Upewnij się, że siatka jest większa niż otwór zlewki o pojemności 1L, a taśma znajduje się mniej więcej w centrum siatki.</li>
 <li>Zamocuj fragment wafla krzemowego z CNT na taśmie w taki sposób, aby mikrostruktury CNT były skierowane ku górze.</li>
 <li>Wlej 100ml acetonu do zlewki 1L i postaw zlewkę na płycie grzewczej wewnątrz dygestorium. Ustaw płytę grzewczą tak, aby osiągnąć temperaturę powierzchni 110°C. Odczekaj, aż aceton zacznie wrzeć. Zauważyliśmy, że na naszej płycie grzewczej wymagane było ustawienie 150°C, aby osiągnąć 110°C na powierzchni. Temperatura wrzenia acetonu jest znacznie niższa (ok. 56 °C), ale stwierdziliśmy, że podwyższona temperatura pozwoliła acetonowi wrzeć szybciej oraz podgrzała ścianki boczne zlewki, zapobiegając kondensacji wewnątrz naczynia.</li>
 <li>Umieść siatkę aluminiową na zlewce tak, aby zamocowana próbka była skierowana w dół.</li>
 <li>Zwróć uwagę na wszelkie gwałtowne wahania frontu par unoszących się wzdłuż ścianki zlewki i dostosuj poziom szyby dygestorium, aby ustabilizować front par.</li>
 <li>Gdy front par zbliży się do górnej krawędzi zlewki, obserwuj widoczne zmiany barwy na powierzchni podłoża krzemowego. Pojawią się wzory przypominające tęczę, które będą przesuwać się po całej powierzchni. Oznacza to tworzenie się cienkiego filmu rozpuszczalnika na powierzchni w momencie, gdy para styka się z zimną powierzchnią.</li>
 <li>Po osadzeniu odpowiedniej ilości rozpuszczalnika podnieś siatkę i, nie zmieniając orientacji próbki, trzymaj ją z dala od wrzącego rozpuszczalnika, aż osadzony rozpuszczalnik odparuje. Czas ten określa się empirycznie na podstawie rozmiaru i rozmieszczenia struktur CNT. Kwestia ta jest dalej omówiona w dyskusji.</li>
 <li>Zdejmij siatkę ze zlewki i ostrożnie oddziel próbkę od dwustronnej taśmy za pomocą żyletki. Na tym etapie należy zachować najwyższą ostrożność, ponieważ próbka może łatwo ulec uszkodzeniu podczas zdejmowania.</li>
</ol>
4. Wykonanie formy głównej CNT
<ol>
 <li> Nanieś SU-8 2002 na zagęszczone mikrostruktury CNT. Wiruj próbkę przy 500rpm przez 10s, a następnie przy 3000rpm przez 30s. </li>
 <li> Wygrzej próbkę w temperaturze 65°C przez 2 min, a następnie w 95°C przez 4 min. </li>
 <li> Naświetl próbkę światłem UV o natężeniu 75mW/cm2 przez 20s. </li>
 <li> Ponownie wygrzej próbkę w temperaturze 65°C przez 2 min, a następnie w 95°C przez 4 min. </li>
</ol>
5. Odlewanie replik
<ol>
 <li> W przypadku powielania delikatnych struktur, umieść matrycę w deskrypcie wraz ze szklaną fiolką zawierającą 100μL (tridekafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooktylo)-trichlorosilanu w ciśnieniu 400mTorr przez 12h.</li>
 <li> Wymieszaj łącznie 1g PDMS (Sylgard 184), zachowując stosunek monomeru do sieciowania 10:1. Dla mikrostruktur o rozmiarze podstawy rzędu kilku mikrometrów i stosunku kształtu (aspect ratio) wynoszącym 10 lub więcej, zastosuj stosunek 8:1.</li>
 <li> Umieść matrycę z CNT w naczyniu z folii aluminiowej i wlej PDMS do naczynia, aż próbka zostanie całkowicie zanurzona.</li>
 <li> Umieść próbkę w próżni i odgazuj przy 400mTorr przez 15 min. Gdy w PDMS zaczną tworzyć się pęcherzyki (zwykle po około 3 minutach), okresowo i gwałtownie zwiększaj ciśnienie, aby rozbić duże pęcherzyki.</li>
 <li> Utwardzaj negatyw w temperaturze 120°C przez 20 min. Jeśli próbka zawiera struktury HAR, utwardzaj w 85°C przez 5h.</li>
 <li> Po utwardzeniu odchyl folię aluminiową i oddziel matrycę od miękkiego negatywu z PDMS ręcznie.</li>
 <li> W przypadku powielania delikatnych struktur, umieść negatyw w deskrypcie wraz ze szklaną fiolką zawierającą 100μL (tridekafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooktylo)-trichlorosilanu w ciśnieniu 400mTorr przez 12h.</li>
 <li> Wlej SU-8 2002 do negatywu z PDMS i odgazuj przy 400mTorr przez 10min.</li>
 <li> Wypal próbkę (negatyw wypełniony SU-8) w temperaturze 65°C przez 4min, a następnie w 95°C przez 6h, aby odparować rozpuszczalnik z grubej warstwy SU-8.</li>
 <li> Naświetl próbkę światłem UV o natężeniu promieniowania 75mW/cm2 przez 20s, a następnie wypal ponownie w 65°C przez 4min i w 95°C przez 8min.</li>
 <li> Na koniec ręcznie wyjmij replikę z SU-8 z negatywu z PDMS.</li>
</ol>
6. Reprezentatywne wyniki
Reprezentatywne macierze filarów CNT w stanie po wzroście wraz z ich zagęszczonymi kształtami przedstawiono na Rysunku 4 (obraz zmodyfikowany z De Volder et al. 4). Filary o wysokim stosunku wysokości do szerokości (HAR) o grubości 10μm lub mniejszej wykazują stopniowo mniejszą prostoliniowość, która ulega dalszemu zmniejszeniu podczas zagęszczania. Wykazano, że zagęszczanie filarów półkolistych prowadzi do powstania jednorodnie wygiętych filarów na dużych obszarach (Rys. 4c). Infiltracja SU-8 zachodzi pomiędzy i wewnątrz mikrostruktur CNT; w przypadku struktur o odstępach 30μm lub mniejszych pomiędzy strukturami może pozostać cienka warstwa SU-8. Fotografie kluczowych etapów procesu replikacji przedstawiono na Rysunku 5, natomiast obrazy SEM porównujące replikowane mikrostruktury z ich replikami w różnych skalach przedstawiono na Rysunku 6 (obraz zmodyfikowany z Copic et al. 5). Obecne ograniczenia w zakresie formowania struktur, w tym struktur skręconych (obraz zmodyfikowany z De Volder et al. 4), ścian o wysokim stosunku wysokości do szerokości oraz struktur wklęsłych (re-entrant), przedstawiono na Rysunku 7 (obraz zmodyfikowany z Copic et al. 5).
<img src="/files/ftp_upload/3980/3980fig1.jpg" alt="Schemat układu do chemicznego osadzania z fazy gazowej; rurka kwarcowa, kontrolery przepływu masy, katalizator na podłożach." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1. Układ pieca rurkowego do wzrostu CNT. (a) Schemat systemu. (b) Piec rurkowy (Thermo-Fisher Minimite) z otwartą pokrywą, ukazujący łódkę krzemową wewnątrz uszczelnionej rurki kwarcowej. (c) Łódka krzemowa z próbkami, przedstawiona przed i po wzroście. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/3980/3980fig1large.jpg" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą rycinę</a>.
<img src="/files/ftp_upload/3980/3980fig2.jpg" alt="Schemat osadzania z fazy gazowej i układ do wzrostu CNT z użyciem płyty grzewczej i siatki aluminiowej." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2. (a) Schemat układu z zlewkiem do kontrolowanej kondensacji par rozpuszczalnika na mikrostrukturach CNT (obraz zmodyfikowany z De Volder et al. 6). (b) Podłoże z próbką CNT przymocowane do siatki aluminiowej nad wrzącym acetonem.
<img src="/files/ftp_upload/3980/3980fig3.jpg" alt="Wytwarzanie filarów CNT, schemat procesu CNT/SU-8. Negatyw PDMS, tworzenie repliki SU-8." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3. Schemat procesu odlewania replik mikrostruktur CNT oraz obraz reprezentatywnej macierzy zreplikowanych mikrostruktur w porównaniu z amerykańską monetą o nominale 25 centów.
<img src="/files/ftp_upload/3980/3980fig4.jpg" alt="Obrazy SEM zagęszczania nanostruktur; porównanie w skali mikro i nano przed i po procesie." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4. Przykładowe mikrostruktury CNT przed i po formowaniu kapilarnym. Schemat i obrazy SEM macierzy cylindrycznych filarów CNT (a) przed formowaniem kapilarnym oraz (b) po formowaniu kapilarnym (obraz zmodyfikowany z De Volder et al. 6). Wstawki przedstawiają wyrównanie i gęstość CNT. (c) Półcylindryczne filary CNT zagęszczają się i przechylają podczas formowania kapilarnego, tworząc skośne belki (obraz zmodyfikowany z Zhao et al. 7). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/3980/3980fig4large.jpg" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą rycinię</a>.
<img src="/files/ftp_upload/3980/3980fig5.jpg" alt="Proces odlewania PDMS; odgazowywanie, wyjmowanie z formy i odlewanie repliki z SU8; schemat układu doświadczalnego." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5. Kluczowe etapy wytwarzania negatywowej formy z CNT oraz odlewania repliki. (a) Odlewanie negatywowej formy z PDMS. (b) Odgazowywanie formy negatywowej. (c) Ręczne wyjmowanie z formy negatywowej i odlewanie repliki z SU-8.
<img src="/files/ftp_upload/3980/3980fig6.jpg" alt="Obrazy SEM matrycy i repliki mikrostruktur; porównanie morfologii i szczegółów powierzchni w wysokiej rozdzielczości." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 6"> 
Rycina 6. Porównanie (a) matrycy CNT/SU-8 oraz (b) struktur mikrofilarkowych repliki, wykazujące wysoką wierność odwzorowania kształtu w skali mikro oraz tekstury w skali nano (tj. ścian bocznych i górnej powierzchni) na dużym obszarze (obraz zmodyfikowany z Copic et al. 5). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/3980/3980fig6large.jpg" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną rycina</a>.
<img src="/files/ftp_upload/3980/3980fig7.jpg" alt="Obrazy SEM struktur CNT; plaster miodu, studnia, skręty; matryca vs replika; szczegóły w mikroskali." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 7"> 
Rycina 7. Mikrostruktury CNT o wysokim stosunku kształtu (HAR) i strukturach wklęsłych (re-entrant) oraz ich polimerowe repliki. (a) Zagęszczony plaster miodu z CNT wraz z odpowiadającą mu matrycą SU8-CNT i repliką SU8. (b) Matryca i replika skośnej mikrostudni z CNT (obraz zmodyfikowany z Copic et al. 5). (c) Zagęszczone skręcone mikofilary z CNT, wraz z matrycą i repliką pojedynczej struktury (obraz zmodyfikowany z De Volder et al. 4). Plastry miodu w (a) mają szerokość ścianki 400 nm i wysokość 20 μm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/3980/3980fig7large.jpg" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną rycinę</a>.

<ol><li>Xia, Y. N., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft+lithography%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Materials+Science%22%5BJournal%5D)">Soft lithography.</a> Annual Review of Materials Science. 28, 153-184 (1998).</li>
<li>Xia, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Replica+molding+using+polymeric+materials%3A+A+practical+step+toward+nanomanufacturing%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Replica molding using polymeric materials: A practical step toward nanomanufacturing.</a> Advanced Materials. 9, 147-149 (1997).</li>
<li>Tasis, D., Tagmatarchis, N., Bianco, A., Prato, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemistry+of+Carbon+Nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Reviews%22%5BJournal%5D)">Chemistry of Carbon Nanotubes.</a> Chemical Reviews. 106, 1105-1136 (2006).</li>
<li>De Volder, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diverse+3D+Microarchitectures+Made+by+Capillary+Forming+of+Carbon+Nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Diverse 3D Microarchitectures Made by Capillary Forming of Carbon Nanotubes.</a> Advanced Materials. 22, 4384-4389 (2010).</li>
<li>Copic, D., Park, S. J., Tawfick, S., De Volder, M. F. L., Hart, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+high-aspect-ratio+polymer+microstructures+and+hierarchical+textures+using+carbon+nanotube+composite+master+molds%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Fabrication of high-aspect-ratio polymer microstructures and hierarchical textures using carbon nanotube composite master molds.</a> Lab on a Chip. 11, 1831-1837 (2011).</li>
<li>De Volder, M. F. L., Park, S. J., Tawfick, S. H., Vidaud, D. O., Hart, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+and+electrical+integration+of+robust+carbon+nanotube+micropillars+by+self-directed+elastocapillary+densification%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micromechanics+and+Microengineering%22%5BJournal%5D)">Fabrication and electrical integration of robust carbon nanotube micropillars by self-directed elastocapillary densification.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 21, 045033-04 (2011).</li>
<li>Zhao, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bending+of+nanoscale+filament+assemblies+by+elastocapillary+densification%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Bending of nanoscale filament assemblies by elastocapillary densification.</a> Physical Review E. 82, 041605(2010).</li>
<li>De Volder, M. F. L., Vidaud, D. O., Meshot, E. R., Tawfick, S., Hart, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-similar+organization+of+arrays+of+individual+carbon+nanotubes+and+carbon+nanotube+micropillars%5BTitle%5D)+AND+%22Microelectronic+Engineering%22%5BJournal%5D)">Self-similar organization of arrays of individual carbon nanotubes and carbon nanotube micropillars.</a> Microelectronic Engineering. 87, 1233-1238 (2010).</li>
<li>Nessim, G. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tuning+of+Vertically-Aligned+Carbon+Nanotube+Diameter+and+Areal+Density+through+Catalyst+Pre-Treatment%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Tuning of Vertically-Aligned Carbon Nanotube Diameter and Areal Density through Catalyst Pre-Treatment.</a> Nano Letters. 8, 3587-3593 (2008).</li>
<li>Pokroy, B., Epstein, A. K., Persson-Gulda, M. C. M., Aizenberg, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+Bioinspired+Actuated+Nanostructures+with+Arbitrary+Geometry+and+Stiffness%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Fabrication of Bioinspired Actuated Nanostructures with Arbitrary Geometry and Stiffness.</a> Advanced Materials. 21, 463-469 (2009).</li>
</ol>

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

Wzorowanie litograficzne i przygotowanie podłoży z katalizatorem CNT są proste i powtarzalne; jednak uzyskanie spójnego wzrostu CNT wymaga uważnego zwrócenia uwagi na to, jak wilgotność otoczenia oraz stan rurki wzrostowej wpływają na wysokość i gęstość lasów CNT. Z naszego doświadczenia wynika, że wzory o powierzchni większej niż 1000 μm2 są mniej wrażliwe na niewielkie wahania warunków procesu. Co więcej, gęstość wzorów wpływa na gęstość i wysokość wzrostu8. Gęstość i wysokość wzrostu są większe d...

<table><tbody><tr><td>Wafery krzemowe o średnicy 4&quot; &amp;lt;100&amp;gt; powlekane SiO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; (300 nm)</td><td>Silicon Quest</td><td>Własny</td><td></td></tr><tr><td>Pozytywowy fotorezyst</td><td>MicroChem</td><td>SPR 220-3.0</td><td></td></tr><tr><td>Heksametylodisilazan (HMDS)</td><td>MicroChem</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wywoływacz</td><td>AZ Electronic Materials USA Corp.</td><td>AZ 300 MIF</td><td></td></tr><tr><td>System do napylania</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>Lab 18</td><td>System do napylania do osadzania katalizatora</td></tr><tr><td>Thermo-Fisher Minimite</td><td>Fisher Scientific</td><td>TF55030A</td><td>Piec rurowy do wzrostu CNT</td></tr><tr><td>Rura kwarcowa</td><td>Technical Glass Products</td><td>Własny</td><td>ID 22 mm &amp;#215; OD 25 mm, długość 30&quot;</td></tr><tr><td>Hel</td><td>PurityPlus</td><td>He (PrePurified 300)</td><td></td></tr><tr><td>Wodór</td><td>PurityPlus</td><td>H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; (PrePurified 300)</td><td>UHP</td></tr><tr><td>Eten</td><td>PurityPlus</td><td>C&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;H&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt; (PrePurified 300)</td><td>UHP</td></tr><tr><td>Perforowana blacha aluminiowa</td><td>McMaster-Carr</td><td>9232T221</td><td>Do utrzymywania próbki nad zlewkiem do zagęszczania</td></tr><tr><td>Lampa UV</td><td>Dymax</td><td>Model 2000</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 2002</td><td>MicroChem</td><td>SU-8 2002</td><td></td></tr><tr><td>Polidimetylosiloksan (PDMS)</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit</td><td></td></tr></tbody></table>

wytwarzanie, zagęszczanie i odlewanie replik trójwymiarowych mikrostruktur z nanorurek węglowych

Fabrication, Densification, and Replica Molding of 3D Carbon Nanotube Microstructures

Wprowadzenie nowych materiałów i procesów do mikrofabrykacji w dużej mierze umożliwiło wiele istotnych postępów w dziedzinie mikrosystemów, urządzeń typu lab-on-a-chip oraz ich zastosowań. W szczególności możliwości kosztowo efektywnego wytwarzania polimerowych mikrostruktur zostały przekształcone przez pojawienie się miękkiej litografii i innych technik mikrotłoczenia 1, 2, co doprowadziło do rewolucji w zastosowaniach mikrofabrykacji w inżynierii biomedycznej i biologii. Niemniej jednak wyzwaniem pozostaje wytwarzanie mikrostruktur z precyzyjnie zdefiniowanymi nanostrukturami powierzchniowymi oraz tworzenie dowolnych kształtów 3D w skali mikro. Wytrzymałość formatek matrycowych oraz zachowanie integralności kształtu są szczególnie istotne dla uzyskania wysokiej wierności replikacji złożonych struktur i zachowania ich nanostruktury powierzchniowej. Połączenie tekstur hierarchicznych i heterogenicznych kształtów stanowi poważne wyzwanie dla istniejących metod mikrofabrykacji, które w dużej mierze opierają się na trawieniu odgórnym (top-down) z użyciem stałych szablonów masek. Z drugiej strony, synteza nanostruktur typu bottom-up, takich jak nanorurki i nanowłókna, może zaoferować nowe możliwości mikrofabrykacji, w szczególności poprzez wykorzystanie zbiorczej samoorganizacji nanostruktur oraz lokalnej kontroli ich wzrostu w odniesieniu do mikrofabrykowanych wzorów.
Naszym celem jest wprowadzenie pionowo uporządkowanych nanorurek węglowych (CNT), które określamy mianem „lasów” CNT, jako nowego materiału do mikrofabrykacji. Przedstawiamy szczegóły zestawu powiązanych metod opracowanych niedawno przez naszą grupę: wytwarzanie mikrostruktur z lasów CNT metodą termicznego CVD z litograficznie wzorowanych cienkich warstw katalizatora; samokierowaną elastokapilarną zagęszczanie mikrostruktur CNT; oraz odlewanie replik mikrostruktur polimerowych z wykorzystaniem matryc z kompozytu CNT. W szczególności nasza praca pokazuje, że samokierowane zagęszczanie kapilarne („formowanie kapilarne”), realizowane poprzez kondensację rozpuszczalnika na podłożu z mikrostrukturami CNT, znacznie zwiększa gęstość upakowania nanorurek. Proces ten umożliwia ukierunkowaną transformację pionowych mikrostruktur CNT w kształty proste, nachylone i skręcone, które wykazują trwałe właściwości mechaniczne przewyższające właściwości typowych polimerów stosowanych w mikrofabrykacji. Z kolei pozwala to na tworzenie nanokompozytowych matryc z CNT poprzez infiltrację polimerów napędzaną kapilarnie. Struktury replik wykazują anizotropową teksturę w nanoskali uporządkowanych CNT i mogą posiadać ścianki o grubości poniżej mikrona oraz współczynnikach kształtu przekraczających 50:1. Integracja mikrostruktur CNT w procesach fabrykacji stwarza dalsze możliwości wykorzystania właściwości elektrycznych i termicznych CNT, a także różnorodne możliwości funkcjonalizacji chemicznej i biochemicznej 3.

Przedstawiamy metody wytwarzania wzorowanych mikrostruktur z pionowo wyrównanych nanorurek węglowych (CNTs) oraz ich zastosowanie jako form macierzystych do produkcji polimerowych mikrostruktur z uporządkowaną nanostrukturą powierzchni. Las nanorurek CNT jest zagęszczany poprzez kondensację rozpuszczalnika na podłożu, co znacznie zwiększa ich gęstość upakowania i umożliwia samokierowane tworzenie kształtów 3D.

Wytwarzanie, zagęszczanie i odlewanie replik trójwymiarowych mikrostruktur z nanorurek węglowych

Wprowadzenie nowych materiałów i procesów do mikrofabrykacji w znacznym stopniu umożliwiło wiele istotnych postępów w dziedzinie mikrosystemów, układów lab-on-a-chip...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wprowadzenie lasów nanorurek węglowych jako materiału do mikrowytwarzania. Należy rozpocząć od wzrostu nanorurek węglowych wyrównanych pionowo w określonym wzorze, a następnie wykorzystać formowanie kapilarne w celu zagęszczenia filarów z nanorurek węglowych, co zwiększy ich wytrzymałość i pozwoli na modyfikację ich kształtów. Po infiltracji polimerem w celu utworzenia wytrzymałych nanokompozytowych mikrostruktur, należy zastosować odlewanie z repliką do wykonania polimerowych kopii. Ostatecznie wykorzystuje się skaningową mikroskopię elektronową, aby potwierdzić wierność replikacji między formą matrycą a polimerowymi replikami.Główną zaletą naszej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami mikrofabrykacji, takimi jak DPV i dodatkowa litografia, jest to, że formy matrycowe oparte na CNT charakteryzują się wysoką udarnością, mogą zawierać elementy o wysokich współczynnikach kształtu, a mikrofabrykacja CNT może zostać zaprojektowana w celu tworzenia złożonych struktur trójwymiarowych. Ponadto, w celu dokładnego zaprojektowania trójwymiarowego kształtu CNT, proces wzrostu CNT musi zostać dokładnie scharakteryzowany i zoptymalizowany. Wizualna demonstracja tej metody jest kluczowa.Ponieważ etapy zagęszczania nanorurek węglowych są trudne do opanowania, niniejszą metodę można wykorzystać do wytwarzania mikrostruktur z różnych polimerów. Dzisiaj zaprezentujemy SU-8, ale można ją również zastosować w przypadku PMMA, PDMS, poliuretanu, a być może nawet biomateriałów.Wykonaj te procedury na polerowanej stronie płytki krzemowej; najpierw nałóż metodą spin-coatingu warstwę HMDS, aby zwiększyć adhezję między płytką a fotorezystem. W podobny sposób nałóż metodą spin-coatingu warstwę SPR 2023. Po wypaleniu płytki na płycie grzejnej, umieść odpowiednią maskę do wzorowania katalizatora i naświetl płytkę światłem UV w trybie kontaktu twardego.Następnie umieść wafelek na płycie grzejnej w temperaturze 115 °C przez 90 sekund. Przystąp do wywoływania naświetlonego fotorezystu przez 60 sekund, a następnie płucz go przez jedną minutę w wodzie dejonizowanej. Teraz załaduj wafelek do systemu osadzania katalizatora.Następnie nanieś 10 nanometrów tlenku glinu, a następnie jeden nanometr żelaza, stosując naparowanie wiązką elektronową lub rozpylanie magnetronowe. Ręcznie narysuj i podziel płytek na kawałki o wymiarach około 20 na 20 milimetrów, a następnie przenieś fragmenty płytki do zlewki o pojemności jednego litra zawierającej 100 mililitrów acetonu w celu usunięcia fotorezystu; umieść naczynie w kąpieli ultradźwiękowej przy mocy sześć przez osiem minut. Wymień aceton na świeży i powtórz sonikację.Następnie kawałki wafla namaczamy w izopropanolu przez dwie minuty; kawałki wafla wyjmujemy pęsetą i każdy z nich osuszamy delikatnym strumieniem azotu za pomocą dyszy ręcznej przed każdym wzrostem CNT. Rurę wypala się. Przez rurę przepływa powietrze z natężeniem 100 SCCM, podczas gdy piec jest nagrzewany do 875 °C i utrzymywany w tej temperaturze przez 30 minut.Następnie za pomocą pręta ze stali nierdzewnej umieść w rurce łódkę z podłożami wzrostowymi, pozycjonując ją tak, aby krawędź przednia znajdowała się 30 mm za termoparą pieca. Zamknij końcówki rurki, uszczelniając ją w sposób, który nie zakłóci położenia łódki ani wzoru kawałków krzemu. Następnie zaprogramuj oprogramowanie, aby przepłukać rurkę kwarcową hellem przez pięć minut w temperaturze pokojowej.Następnie ustaw wzrost temperatury do 775 °C w ciągu 10 minut. Przy przepływie wodoru i helu utrzymuj oba przepływy oraz temperaturę przez 10 minut. Wyżarzanie powoduje chemiczną redukcję filmu z tlenku żelaza do żelaza i jego podział na nanocząstki.Aby wyhodować nanorurki węglowe, należy dostosować przepływy wodoru i helu, dodając etylen i utrzymując temperaturę pieca na poziomie 775 °C. Wysokość CNT jest kontrolowana przez czas trwania wzrostu. Aby zatrzymać wzrost CNT i schłodzić próbkę, należy ręcznie przesunąć rurkę kwarcową w dół strumienia, aż płytki z katalizatorem znajdą się około jednego centymetra za izolacją pieca.Należy dbać o zachowanie tych samych przepływów i pieca. Ustawić temperaturę zadaną na 15 minut po przepłukaniu rurki helem przez pięć minut, wyjąć próbki i wyłączyć piec. Nakleić kawałek dwustronnej taśmy na aluminiową siatkę o grubości 0,8 mm z otworami o średnicy 6,25 mm.Należy sprawdzić, czy siatka jest większa od otworu zlewki o pojemności jednego litra oraz czy taśma znajduje się mniej więcej na środku siatki. Na taśmie należy zamocować fragment płytki krzemowej z CNT. Ustawiając mikrostruktury CNT stroną górną, należy wlać 100 milliliters acetonu do zlewki o pojemności jednego litra umieszczonej na płycie grzejnej wewnątrz dygestorium. Płytę grzejną należy ustawić na 110 °C.Gdy aceton zacznie wrzeć, umieść siatkę aluminiową na zlewce tak, aby zamontowana próbka była skierowana w dół. Gdy front par zbliży się do górnej krawędzi zlewki, obserwuj widoczne zmiany barwy na powierzchni podłoża krzemowego.Pojawią się tęczowe wzory w kształcie nóg, które przesuną się przez całą powierzchnię. Następnie, po wyjęciu siatki z zlewki, należy ostrożnie oddzielić próbkę od taśmy dwustronnej za pomocą żyletki. Na tym etapie należy zachować najwyższą ostrożność, ponieważ próbka może łatwo ulec uszkodzeniu podczas usuwania.Aby wykonać pulę matryc głównych z CNT, na zagęszczone mikrostruktury CNT nanosi się SU-8 2002. Po wirowaniu próbki należy ją wyprać w temperaturze 65°C przez dwie minuty, a następnie w temperaturze 95°C przez cztery minuty. Próbkę naświetla się przez 20 sekund, a następnie poddaje wyprażaniu.W przypadku powielania delikatnych struktur, należy umieścić matrycę w eksykatore wraz ze szklaną fiolką środka utwardzającego w próżni 400 millitorr przez 12 godzin. Po wymieszaniu około dwóch gramów PDMS w stosunku monomeru do sieciującego 10:1, należy umieścić matrycę z CNT w naczyniu z folii aluminiowej i wlać PDMS tak, aby całkowicie przykryć próbkę. Próbkę należy umieścić w próżni i odgazować poniżej 20 tor przez 15 minut.W przypadku powstania pęcherzyków powietrza, okresowo i gwałtownie zwiększaj ciśnienie, aby rozbić duże pęcherzyki. Po utwardzeniu negatywu w temperaturze 120 °C przez 20 minut, odklej folię aluminiową i oddziel matrycę od miękkiego negatywu z PDMS. W przypadku replikowania delikatnych struktur, umieść negatyw wraz z czynnikiem wyciszającym w eksykatorem pod ciśnieniem 400 millitorr na 12 godzin. Wlej SU-8 2020 do negatywu z PDMS.Odparuj rozpuszczalnik z grubej warstwy SU-8 poprzez wygrzewanie przez sześć godzin w temperaturze 95 °C. Następnie naświetl próbkę, a potem wygrzewaj w temperaturze 95 °C przez osiem minut. Na koniec ręcznie oddziel replikę z SU-8 od negatywu z PDMS; pionowo wyrównane nanorurki węglowe lub lasy CNT stanowią nowy materiał do mikrowytwarzania.Te obrazy SEM przedstawiają macierz cylindrycznych filarów z CNT przed i po zagęszczaniu. Należy zwrócić uwagę na orientację i gęstość CNT. Można zauważyć, że filary z CNT o wyższym stosunku wysokości do średnicy są mniej proste, a ich prostoliniowość stopniowo maleje podczas zagęszczania i replikacji.Zagęszczenie półkolistych filarów prowadzi do powstania jednorodnych struktur nachylonych na dużych obszarach. Porównanie ośmiu matryc i replik mikrofilarów C-N-T-S-U wskazuje na wysoką wierność replikacji kształtu w skali mikro oraz tekstury w skali nano na dużym obszarze. Obecne ograniczenia w zakresie formowania struktur obejmują ściany o wysokim stosunku wysokości do szerokości, takie jak ta, struktury plastra miodu widoczne w tym nachylonym mikrowykopie z CNT oraz skręcone mikrofilary z CNT.W tym filmie zaprezentowaliśmy sposób wzorowania, wzrostu i zagęszczania mikrostruktur CNT, a następnie wykorzystaliśmy je jako matryce do odlewania replik polimerowych. Podczas powtarzania tej procedury należy pamiętać, aby nie zanieczyścić PDMS, ponieważ może to doprowadzić do niepełnego utwardzenia lub zmniejszenia wierności odtworzenia kształtu podczas replikacji. Ważne jest również precyzyjne kontrolowanie ilości rozpuszczalnika skraplającego się na podłożu, aby uniknąć uszkodzenia mikrostruktur CNT.Należy pamiętać, że praca z nanorurkami węglowymi może być niebezpieczna, dlatego należy podjąć odpowiednie środki ostrożności. Podczas pracy z próbkami należy zawsze nosić rękawiczki, a w przypadku usuwania lasów nanorurek węglowych z podłoża należy zawsze używać maski z respiratorem.

fabrication-densification-replica-molding-3d-carbon-nanotube

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Produkcja, gęstnienie i formowanie replikacji 3D mikrostruktur węglowych nanorur

W niniejszym materiale demonstrujemy sposób wytwarzania termoplastycznych chipów mikrofluidycznych z wykorzystaniem tłoczenia na gorąco i zgrzewania termicznego. Następnie pokazujemy, jak wykorzystać in situ szczepienie powierzchni sterowane światłem oraz polimeryzację przez zgrzany chip w celu utworzenia kompozytowych kolumn fazy stałej.

Wytwarzanie termoplastycznych kanałów mikroprzepływowych

Ten artykuł opisuje prostą metodę wytwarzania pionowo ustawionych matryc nanorurek węglowych za pomocą CVD, a następnie dostrajania ich właściwości zwilżania poprzez wystawienie ich na wyżarzanie próżniowe lub obróbkę utleniania na sucho.

Procesy utleniania na sucho i wyżarzania próżniowego w celu dostrojenia właściwości zwilżających matryc z nanorurek węglowych

Proces waporyzacji składnika ofiarnego (VaSC) jest używany do wytwarzania struktur mikronaczyniowych. Ta procedura wykorzystuje protektorowe włókna kwasu poli(mlekowego) do tworzenia pustych mikrokanalików z precyzyjnym pozycjonowaniem geometrycznym 3D zapewnianym przez laserowo obrabiane mikroobrabiane płytki prowadzące.

Proces wytwarzania trójwymiarowych mikrostruktur z wykorzystaniem parowania składnika protektorowego

Trójwymiarowe (3D) mikrostrukturalne wiązki kompozytowe są wytwarzane poprzez ukierunkowaną i zlokalizowaną infiltrację nanokompozytów do porowatych sieci mikroprzepływowych 3D. Elastyczność tej metody produkcji umożliwia wykorzystanie różnych materiałów termoutwardzalnych i nanowypełniaczy w celu uzyskania różnorodnych funkcjonalnych makroskopowych produktów nanokompozytowych wzmocnionych 3D.

Wytwarzanie trójwymiarowych mikrostrukturalnych nanokompozytów metodą infiltracji mikroprzepływowej

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania swobodnie zawieszonych, mikronowych/submikronowych włókien polimerowych i "pajęczynowych" struktur generowanych przez automatyczną procedurę bezpośredniego zapisu za pomocą 3-osiowego systemu dozowania.

Zalecany bezpośredni zapis 3D zawieszonych struktur włókien w skali mikronowej/submikronowej za pomocą zrobotyzowanego systemu dozowania

Przedstawiono metodę hodowli niskotemperaturowych, pionowo ustawionych nanorurek węglowych, a następnie wytwarzania pionowych struktur testowych połączeń elektrycznych przy użyciu wytwarzania półprzewodników.

Produkcja niskotemperaturowych pionowych połączeń z nanorurek węglowych kompatybilnych z technologią półprzewodnikową

Przedstawiono metodę funkcjonalizacji nanorurek węglowych z polimerowymi warstwami enkapsulacyjnymi o zmiennej strukturze oraz charakterystyki strukturalnej za pomocą rozpraszania neutronów pod małym kątem.

Funkcjonalizacja jednościennych nanorurek węglowych z termoodwracalnymi kopolimerami blokowymi i charakterystyka za pomocą rozpraszania neutronów pod małym kątem

Niskociśnieniowa skaningowa mikroskopia elektronowa w otoczeniu pary wodnej jest używana do obróbki cech nanoskali do mikroskali w lasach nanorurek węglowych.

Precyzyjne mielenie lasów nanorurek węglowych przy użyciu niskociśnieniowej skaningowej mikroskopii elektronowej

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.

Wytwarzanie węglowych systemów mikroelektromechanicznych 3D (C-MEMS)

Przedstawiono procedurę syntezy wielościennych nanorurek węglowych szczepionych polistyrenem przy użyciu kolejnych etapów modyfikacji chemicznej w celu selektywnego wprowadzania łańcuchów polimerowych do ścian bocznych i ich samoorganizacji poprzez anizotropową niejednolitość.

Szczepienie wielościennych nanorurek węglowych polistyrenem w celu umożliwienia samoorganizacji i niejednolitości anizotropowej

Tutaj opisujemy metody mikrofabrykacji pionowo ustawionych nanowłókien węglowych (VACNF), przenoszenia VACNFów na elastyczne podłoża i stosowania VACNFów zarówno na sztywnych, jak i elastycznych podłożach do roślin w celu dostarczania biomolekuł i barwników.

Stosowanie pionowo ustawionych układów nanowłókien węglowych na sztywnych lub elastycznych podłożach do dostarczania biomolekuł i barwników do roślin

Poznaj metody wytwarzania mikrostruktur 3D z nanorurek węglowych poprzez zagęszczanie kapilarne i formowanie replik polimerowych. Technika ta umożliwia tworzenie wytrzymałych form o złożonej geometrii.

Wytwarzanie, zagęszczanie i odlewanie replik trójwymiarowych mikrostruktur z nanorurek węglowych

Przeglądaj więcej filmów