Name: Wytwarzanie węglowych systemów mikroelektromechanicznych 3D (C-MEMS) (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-17T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 1 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania trójwymiarowych struktur węglowych C-MEMS z użyciem fotolitografii polimeru i pirolizy włosów ludzkich przy 900-1000°C. Technika ta umożliwia tworzenie mikrowłókien szklistego węgla.

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

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

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.
<ol>
	<li>Przygotuj zebrane ludzkie włosy, myjąc je wodą DI i susząc gazemN2.</li>
	<li>Ułóż włosy według uznania, na przykład w równoległe pasma, skrzyżowane, z dwoma włosami zwiniętymi razem itp.</li>
	<li>Przymocuj włosy do podłoża silikonowego za pomocą SU8 lub przechowuj je bezpośrednio w ceramicznej łódce.</li>
	<li>Umieść przymocowane do włosów silikonowe podłoże lub łódkę w piecu.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Ustaw parametry, w tym maksymalną temperaturę pirolizy, szybkość narastania temperatury i natężenie przepływu gazu obojętnego, a następnie uruchom piec.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyłącz piec i przepływ gazu po zakończeniu procesu pirolizy.</li>
	<li>Próbki należy wyjąć z pieca.</li>
</ol>
2. 3D Wytwarzanie struktury polimeru: Fotolitografia
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>W czystym laboratorium włącz dwie płyty grzejne i ustaw temperaturę odpowiednio na 65 °C i 95 °C.</li>
	<li>Włącz powlekarkę wirową i pompę próżniową. Upewnij się, że pompa próżniowa jest podłączona rurką do głowicy obrotowej.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Polimer światłoczuły (tj. fotorezystor SU8) należy osadzić bezpośrednio na środku podłoża. Użyj tyle, aby pokryć powierzchnię.</li>
	<li>Naciśnij przycisk "odkurzanie", aby przytrzymać podłoże.</li>
	<li>Naciśnij przycisk "run", aby pokryć podłoże SU8 i uzyskać ostateczną grubość 250 μm.</li>
	<li>Po zakończeniu procesu wirowania należy ponownie nacisnąć przycisk "próżnia", aby zwolnić powlekane podłoże z uchwytu.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Wystaw podłoże pokryte powłoką SU8 na działanie promieniowania UV przez fotomaskę przy użyciu predefiniowanych ustawień UV.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Osusz rozwinięte struktury, przytrzymując podłoże i wdmuchując na nie azot lub sprężone powietrze.</li>
	<li>Zbadaj płytkę pod mikroskopem z 50-krotnym powiększeniem, aby porównać wzory przeniesione na fotorezystor z pożądanymi wzorami.</li>
</ol>
3. 3D Wytwarzanie struktury węglowej: Piroliza
<ol>
	<li>Próbki przygotowane za pomocą fotolitografii (kroki 2.1-2.17) umieścić w ciśnieniowym, otwartym piecu rurowym.</li>
	<li>Włącz piec i ustaw parametry pirolizy, jak wspomniano powyżej w kroku 1. Powtórz proces od kroku 1.6-1.8.</li>
	<li>Z próbkami należy obchodzić się ostrożnie za pomocą pęsety i przystąpić do charakteryzacji.</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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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,...

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.

<table><tbody><tr><td>SU8-2100</td><td>Microchem</td><td>Numer produktu-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>Płyta grzejna</td><td>Torrey Pines Scientific</td><td>HS61</td><td></td></tr><tr><td>Lampa rtęciowa</td> z<td>naświetlaczem UV</td>, SYLVANIA <td>H44GS-100M, P / N-34-0054-01</td><td></td></tr><tr><td>Maska fotograficzna</td><td>CAD/Art</td><td></td><td>nr numer</td></tr><tr><td>Deweloper&nbsp;</td><td>Microchem</td><td>Y020100 4000L&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>System wodny DI</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 Meksyk</td><td></td><td>Brak numeru</td></tr><tr><td>Piec</td><td>PEO 601, ATV Technologie GMBH</td><td>Model-PEO 601, nr seryjny-195</td><td></td></tr><tr><td>Si/SiO2</td><td>Noel Technologies</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

wytwarzanie węglowych systemów mikroelektromechanicznych 3d (c-mems)

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

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.

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...

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)

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

Ogólnym celem tej procedury jest wytwarzanie trójwymiarowych struktur węglowych przy użyciu konwencjonalnych i niekonwencjonalnych procesów mikroelektromechanicznych (MEMS) z wykorzystaniem odpowiednio polimeru SU-8 oraz ludzkich włosów jako źródeł węgla. 20 lat temu rozpoczęliśmy opracowywanie całkowicie nowego procesu, w którym krzem jako główny materiał do produkcji urządzeń MEMS (mikrosystemów elektromechanicznych) zostaje zastąpiony węglem. Nasza koncepcja zakłada, że węgiel jest lepszym materiałem niż krzem do tworzenia takich trójwymiarowych kształtów.W szczególności wykorzystujemy prekursor polimerowy, poddajemy go wzorcowaniu, a następnie przekształcamy w węgiel w wysokiej temperaturze, około 900 do 1 000 °C, w atmosferze obojętnej. W wyniku tego procesu kształt zostaje zachowany, ale następuje jego zmniejszenie. Innymi słowy, zachodzi skurcz izometryczny, w efekcie czego otrzymujemy dowolny trójwymiarowy kształt węglowy, jaki można sobie wyobrazić.Nazywa się to węglowymi MEMS. Jest to rozwiązanie znacznie tańsze, ponieważ proces polega jedynie na wykorzystaniu prekursora węglowego, czyli polimeru, nadaniu mu trójwymiarowego wzoru, a następnie przekształceniu go w węgiel. Węgiel występuje w wielu alotropach, od diamentu i grafitu po węgiel szklisty.W zależności od tego, w jaki sposób poddam wstępnej obróbce łańcuchy polimeru, mogę uzyskać trójwymiarową strukturę węglową o charakterze bardziej grafitowym, diamentopodobnym lub przypominającym węgiel szklisty. Dzisiaj proces wytwarzania MEMS z węgla zostanie zaprezentowany przez mojego doktoranta, Eshama Shomloo. Aby rozpocząć procedurę wytwarzania struktury polimerowej, należy najpierw ustawić płytę grzewczą na 95 °C.Włącz urządzenie do nanoszenia warstw wirujących (spin coater) oraz podłączoną pompę próżniową. Zaprogramuj dwuetapową sekwencję nanoszenia: pierwszy etap trwający 10 sekund przy 500 rpm i drugi etap trwający 30 sekund przy 1 000 rpm, przy czym w obu przypadkach prędkość narastania powinna wynosić 100 rpm na sekundę. Umieść wafele krzemowe lub inny podłoże na uchwycie próżniowym urządzenia.Włącz próżnię, aby przymocować podłoże do uchwytu. Nanieś odpowiednią ilość negatywowego fotorezystu na bazie żywicy epoksydowej, aby pokryć powierzchnię podłoża. Przeprowadź dwuetapowy cykl powlekania wirowego, aby uzyskać końcową grubość fotorezystu od 1 do 250 micron.Zwolnij podłoże z uchwytu. Za pomocą pincety ostrożnie przenieś podłoże na płytkę grzewczą rozgrzaną do 95 °C, uważając, aby nie naruszyć cienkiej warstwy. Wypalaj podłoże w temperaturze 95 °C przez czas od 1 do 40 minut, w zależności od grubości fotorezystu.Podczas wstępnego wygrzewania (soft bake) włącz system fotolitograficzny UV i ustaw czas naświetlania na 12 sekund. Po zakończeniu wstępnego wygrzewania przenieś podłoże do systemu UV. Przymocuj maskę wzoru za pomocą podkładki maskującej z podciśnieniem.Umieść uchwyt maski z maską w systemie naświetlania UV. Połóż podłoże pokryte fotorezystem na stole systemu naświetlania UV. Przykryj podłoże maską z wzorem i delikatnie dociśnij maskę do podłoża.Naświetlaj podłoże światłem UV przez określony czas, a następnie oddziel maskę od podłoża. Przeprowadź wygrzewanie po naświetlaniu w temperaturze 95 °C przez okres od 1 do 15 minut, w zależności od grubości fotorezystu. Zanurz podłoże w odpowiednim roztworze wywoływacza na 1 do 20 minut, delikatnie wstrząsając naczyniem. Osusz wzorowany wafla pod strumieniem azotu lub sprężonego powietrza.Obejrzyj wafela pod mikroskopem przy 50-krotnym powiększeniu, aby sprawdzić, czy uzyskany wzór ma odpowiedni kształt. Następnie umieść wafle ze wzorem w ciśnieniowym piecu rurkowym z otwartymi końcami. Ustaw natężenie przepływu przez pierwsze 15 minut sekwencji na 1,5 objętości rury pieca na minutę, a następnie na wartość równą objętości rury pieca na minutę przez resztę sekwencji.Ustaw sekwencję rampowania do 300 °C z prędkością 5 °C na minutę, utrzymując temperaturę 300 °C przez jedną godzinę, następnie rampowanie do 900 °C z tą samą prędkością i utrzymanie jej przez jedną godzinę, a następnie chłodzenie do 300 °C z prędkością 10 °C na minutę. Następnie uruchom sekwencję grzania i chłodzenia. Po zakończeniu sekwencji odczekaj, aż pirolizowana próbka ochłonie do temperatury pokojowej w strumieniu azotu.Następnie wyłącz piec oraz przepływ gazu. Po tym ostrożnie wyjmij spirolizowaną próbkę z pieca i przystąp do charakterystyki. Aby rozpocząć wytwarzanie trójwymiarowej struktury węglowej pochodzącej z włosa, umyj próbkę ludzkiego włosa wodą dejonizowaną.Osusz próbkę włosa strumieniem gazu azotowego. Przygotuj podłoże krzemowe lub łódzkę ceramiczną. Ułóż poszczególne włosy w pożądanej konfiguracji na podłożu lub w łódzce.W przypadku użycia wafla krzemowego, należy przymocować włosy do wafla za pomocą polimeru na bazie epoksydowej. Następnie próbkę umieszcza się w ciśnieniowym piecu rurowym z otwartymi końcami. Należy przeprowadzić sekwencję pirolizy, aby najpierw ustabilizować, a następnie skarbonizować próbkę.Pozostaw próbkę do ochłodzenia do temperatury pokojowej w strumieniu azotu. Następnie ostrożnie wyjmij próbkę z pieca, w razie potrzeby używając pęsety, i przystąp do charakterystyki. Węglowe mikrowłókna pochodzące z włosów zostały przygotowane w różnych wzorach, w zależności od początkowego ułożenia próbki włosa.Przed i po pirolizie przeprowadzono spektroskopię rentgenowską z dyspersją energii oraz spektroskopię Ramanowską. W widmie Ramanowskim po pirolizie pojawiły się tylko dwa piki odpowiadające pasmom D i G. Stosunek intensywności tych pików wskazał, że mikrostruktury składały się głównie z węgla szklistego.Czujniki elektrochemiczne wykonano z czystego węgla, nanorurek węglowych lub włókien węglowych pochodzących z włosa. Woltametria cykliczna roztworów dopaminy i kwasu askorbinowego wykazała, że elektroda zawierająca włókna węglowe pochodzące z włosa charakteryzowała się lepszymi parametrami w porównaniu z czystym węglem, choć nie dorównywała wydajności nanorurek węglowych. Mam nadzieję, że ten krótki film o węglowych systemach MEMS zainspiruje wielu z Państwa do samodzielnego zgłębienia tego procesu.W rzeczywistości dostrzegam znacznie więcej zastosowań wynikających z tego prostego procesu. Mogą one obejmować nowatorskie baterie, nowe ogniwa paliwowe, nowe czujniki i tym podobne. Być może materiał ten wyprze krzem jako najważniejszy materiał stosowany w technologii MEMS.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Wykorzystanie mikroelektromechanicznych systemów (MEMS) do opracowywania narzędzi diagnostycznych

Przedstawiamy dwa procesy mikrofabrykacji porowatych polimerowych chipów do trójwymiarowej hodowli komórek. Pierwszy z nich to tłoczenie na gorąco w połączeniu z procesem spawania oparami rozpuszczalnika. Drugi wykorzystuje niedawno opracowany proces mikrotermoformowania w połączeniu z technologią śladów jonowych, co prowadzi do znacznego uproszczenia produkcji.

Mikrofabrykacja rusztowań w skali chipa do trójwymiarowej hodowli komórek

W niniejszym protokole prezentujemy proces wytwarzania macierzy mikroaktuatorów z pionowo przesuniętymi słupkami, na której opiera się ta technologia, oraz sposób, w jaki technologia bazowa ta może zostać zmodyfikowana w celu prowadzenia wysokoprzepustowych dynamicznych mechanicznie hodweli komórkowych w dwu- i trójwymiarowych paradygmatach hodowli.

Mikrofabrykowane platformy do mechanicznie dynamicznej hodowli komórek

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

Solidna konstrukcja elektrostatycznych siłowników MEMS z obrzeżami pola skutkuje z natury niskimi warunkami tłumienia filmu ściskającego i długimi czasami stabilizacji podczas wykonywania operacji przełączania przy użyciu konwencjonalnego polaryzacji krokowej. Poprawa czasu przełączania w czasie rzeczywistym dzięki przebiegom dynamicznym prądu stałego skraca czas ustalania siłowników MEMS z polem obwódkowym podczas przechodzenia między stanami góra-dół i dół-dół-górę.

Metoda dynamicznego polaryzowania prądu stałego w czasie rzeczywistym w celu poprawy czasu przełączania w mocno niedotłumionych elektrostatycznych siłownikach MEMS z polem obrzeżnym

Ten artykuł przedstawia strategię mikroprodukcji 3D addytywnej (określanej jako 'mikromurarstwo') do elastycznego wytwarzania struktur i urządzeń systemów mikroelektromechanicznych (MEMS). Podejście to obejmuje montaż materiałów w mikro i nanoskali w oparciu o druk transferowy w połączeniu z technikami szybkiego łączenia materiałów z wykorzystaniem wyżarzania termicznego.

Mikromurarstwo do mikroprodukcji addytywnej 3D

Prezentujemy kompaktowy cyfrowy system holograficzny (CDHM) do inspekcji i charakteryzacji urządzeń MEMS. Zademonstrowano konstrukcję bez soczewek wykorzystującą rozbieżną falę wejściową zapewniającą naturalne powiększenie geometryczne. Prezentowane są zarówno badania statyczne, jak i dynamiczne.

Kompaktowy cyfrowy mikroskop holograficzny bez soczewek do kontroli i charakteryzacji MEMS

Przedstawiono protokół dla projektowania wiązki o stałej i stałej wiązce za pomocą laserowego wibrometru dopplerowskiego (LDV), w tym pomiar strojenia częstotliwości, modyfikację możliwości strojenia oraz unikanie awarii i problemów urządzenia. Wyższość metody LDV nad analizatorem sieci wynika z jej wyższej zdolności modalnej.

Metodologia projektowania i charakteryzacji wydajnych filtrów MEMS o szerokim zakresie

Opracowano strategię wytwarzania przyrostowego do przetwarzania hydrożeli sieciowanych UV. Strategia ta pozwala na montaż warstwa po warstwie mikroprefabrykowanych struktur hydrożelowych, a także na montaż niezależnych komponentów, co pozwala na uzyskanie zintegrowanych urządzeń zawierających ruchome elementy, które reagują na aktywację magnetyczną.

Technika wytwarzania przyrostowego do łatwego i szybkiego wytwarzania mikromaszyn na bazie hydrożelu z komponentami reagującymi magnetycznie

Ten artykuł opisuje szybki i prosty proces produkcji jonowych, elektromechanicznie aktywnych materiałów kompozytowych do siłowników w zastosowaniach biomedycznych, biomimetycznych i miękkiej robotyki. Szczegółowo opisano kluczowe etapy wytwarzania, ich znaczenie dla końcowych właściwości siłowników oraz niektóre z głównych technik charakteryzacji.

Produkcja jonowych, elektromechanicznie aktywnych miękkich siłowników na bazie węgla

Poznaj metodę wytwarzania trójwymiarowych struktur węglowych C-MEMS z użyciem fotolitografii polimeru i pirolizy włosów ludzkich przy 900-1000°C. Technika ta umożliwia tworzenie mikrowłókien szklistego węgla.

Wytwarzanie węglowych systemów mikroelektromechanicznych 3D (C-MEMS)

Przeglądaj więcej filmów