Wytwarzanie trójwymiarowych wielościanów na bazie grafenu za pomocą samoczynnego składania podobnego do origami

Protokół ten wykorzystuje metody samoskładania podobne do origami do tworzenia wielościanów 3D na bazie grafenu. Dwuwymiarowe arkusze grafenu posiadają niezwykłe właściwości optyczne, elektroniczne i mechaniczne. Dostosowując kształt dwuwymiarowego grafenu, można dostroić jego właściwości fizyczne, chemiczne i optyczne, co może wprowadzić nowe zachowania materiału, stwarzając nowe możliwości zastosowań.

W związku z tym integracja grafenu 2D ze strukturami sfunkcjonalizowanych, dobrze zdefiniowanych, trójwymiarowych wielościanów cieszy się ostatnio dużym zainteresowaniem w grafenie community. 3D wielościany grafenowe mogą być korzystne dla wielu zastosowań. Przykłady obejmują pojemniki zabezpieczone przed gazem i wodą, magazynowanie molekularne, systemy dostarczania, enkapsulację materiałów na bazie cieczy, ułatwiające obserwację w mikroskopii elektronowej, funkcjonalne urządzenia optoelektroniczne i materiały materialne.

Wprowadzono szereg ścieżek chemicznych do produkcji struktur 3D na bazie grafenu. Jednak metody te zazwyczaj wymagają silnych reakcji chemicznych, które wpływają na wewnętrzne właściwości grafenu i stanowią wyzwanie w budowie wolnostojących, pustych, 3D wielościanów grafenowych. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, badanie to przedstawia metodologię realizacji wielopłaszczyznowych mikrosześcianów 3D z grafenem 2D i tlenkiem grafenu przy użyciu samoskładania przypominającego origami.

Aby pomóc w nadaniu kontekstu ogólnemu procesowi produkcji sześcianów 3D na bazie grafenu, przed szczegółowym protokołem zostanie teraz wprowadzony uproszczony sześcioetapowy przegląd. Najpierw przygotuj warstwy ochronne. Następnie należy wykonać transfer grafenowo-membranowy we wzorze na warstwy ochronne.

Następnie utwórz wzór metalowej powierzchni na membranach grafenowych. Następnie zdefiniuj ramy i zawiasy polimerowe. Następnie przekształć siatki 2D w kostki 3D za pomocą samodzielnego składania.

Na koniec usuń warstwy ochronne. Za pomocą parownika wiązki elektronów osadź warstwy chromu o grubości 10 nanometrów i warstwy miedzi o grubości 300 nanometrów na podłożu krzemowym. Wiruj fotorezystor z prędkością 2500 obr./min, a następnie piecz w temperaturze 115 stopni Celsjusza przez 60 sekund.

Wystaw zaprojektowane obszary siatki 2D na działanie światła UV na nakładce maski kontaktowej przez 15 sekund, a następnie wywołaj przez 60 sekund w wywoływaczu. Przepłukać próbkę wodą dejonizowaną i wysuszyć suszarką za pomocą pistoletu pneumatycznego. Umieść warstwę chromu o grubości 10 nanometrów i zdejmij pozostały fotorezyst w acetonie.

Przepłukać próbkę wodą dejonizowaną i wysuszyć suszarką za pomocą pistoletu pneumatycznego. Aby ułożyć siatki 2D z sześcioma kwadratowymi warstwami ochronnymi z tlenku glinu i chromu na siatkach, należy obrócić fotorezystor z prędkością 2 500 obr./min, a następnie piec w temperaturze 115 stopni Celsjusza przez 60 sekund. Wystaw zaprojektowane sześciokwadratowe warstwy ochronne na działanie światła UV na nakładce do masek kontaktowych przez 15 sekund i rozwijaj przez 60 sekund w wywoływaczu.

Wypłucz próbkę wodą dejonizowaną i wysusz suszarką wiatrówką. Umieść warstwę tlenku glinu o grubości 100 nanometrów w warstwie chromu o grubości 10 nanometrów. Usuń pozostały fotorezystor w acetonie.

Wypłucz próbkę wodą dejonizowaną i wysusz suszarką wiatrówką. Zaczynając od 15-milimetrowego kwadratowego kawałka grafenu przyklejonego do folii miedzianej, nałóż cienką warstwę PMMA z prędkością 3000 obr./min na powierzchnię grafenu. Piec w temperaturze 180 stopni Celsjusza przez 10 minut.

Umieść grafen PMMA w arkuszu pokrytym folią miedzianą, unosząc się miedzianą stroną do dołu w wytrawiaczu miedzianym na 24 godziny, aby wytrawić folię miedzianą. Po całkowitym rozpuszczeniu folii miedzianej, pozostawiając PMMA w grafenie, przenieś pływający grafen pokryty PMMA na powierzchnię basenu zdejonizowanej wody za pomocą szkła mikroskopowego, aby usunąć wszelkie pozostałości wytrawiacza miedzi. Powtórz kilkakrotnie przenoszenie grafenu pokrytego PMMA na nowe baseny z wodą dejonizowaną, aby odpowiednio spłukać.

Przenieś pływający grafen pokryty PMMA na inny kawałek grafenu przyklejony do folii miedzianej, aby uzyskać dwuwarstwową membranę grafenową. Dwuwarstwowy grafen na folii miedzianej poddać obróbce termicznej na płycie grzejnej w temperaturze 100 stopni Celsjusza przez 10 minut. Usuń PMMA z dwuwarstwowego grafenu na folii miedzianej w kąpieli acetonowej, pozostawiając stos warstw grafenu, grafenu i folii miedzianej, a następnie przenieś do wody dejonizowanej.

Powtórz transfer grafenu jeszcze raz, aby uzyskać trzy ułożone warstwy membran grafenowych. Umieść arkusz warstwowy PMMA, grafenu, grafenu, grafenu i folii miedzianej, pływającą miedzianą stroną do dołu w wytrawiaczu miedzianym na 24 godziny, aby wytrawić folię miedzianą. Przenieś trzy warstwy membran grafenowych pokrytych PMMA na prefabrykowane warstwy ochronne z tlenku glinu i chromu.

Po przeniesieniu grafenu usuń PMMA za pomocą acetonu. Następnie zanurz próbkę w wodzie dejonizowanej i wysusz na powietrzu. Wielowarstwowy grafen poddany obróbce termicznej na podłożu na płycie grzejnej w temperaturze 100 stopni Celsjusza przez godzinę.

Wiruj fotorezystor z prędkością 2500 obr./min i piecz w temperaturze 115 stopni Celsjusza przez 60 sekund. Promienie UV naświetlać obszary fotorezystu bezpośrednio nad kwadratowymi obszarami warstwy ochronnej za pomocą nakładki maski kontaktowej przez 15 sekund. Następnie rozwijaj przez 60 sekund.

Usuń nowo odkryte niechciane obszary grafenu za pomocą plazmy tlenowej przez 15 sekund. Usuń resztki fotorezystu w acetonie. Przepłukać próbkę wodą dejonizowaną i wysuszyć na powietrzu.

Wiruj fotorezystu z prędkością 1700 obr./min przez 60 sekund na wcześniej wytworzonych warstwach ochronnych z tlenku glinu i chromu, aby uzyskać warstwę o grubości 10 mikrometrów. Piecz fotokursor w temperaturze 115 stopni Celsjusza przez 60 sekund, a następnie odczekaj trzy godziny. W przypadku tej samej maski, która służy do modelowania warstw tlenku glinu i chromu, promieniowanie UV naświetla próbkę na nakładce maski kontaktowej przez 80 sekund i rozwija się przez 90 sekund.

Przepłukać próbkę wodą dejonizowaną i wysuszyć suszarką za pomocą pistoletu pneumatycznego. Wykonaj naświetlanie UV całej próbki bez maski przez 80 sekund. Przygotowany tlenek grafenu i mieszaninę wody należy obracać na próbce z prędkością 1000 obr./min przez 60 sekund.

Wykonaj powlekanie wirowe w sumie trzy razy. Zanurz próbkę w wywoływaczu, aby umożliwić uniesienie się niechcianego tlenku grafenu. Proces startu pod mikroskopem jest pokazany tutaj z przyspieszonym materiałem filmowym.

Przepłukać próbkę wodą dejonizowaną i ostrożnie wysuszyć próbkę za pomocą pistoletu pneumatycznego. Próbkę poddawać obróbce termicznej na płycie grzejnej w temperaturze 100 stopni Celsjusza przez godzinę. Twórz tytanowe wzory o grubości 20 nanometrów na wzorzystych membranach na bazie grafenu.

Próbkę poddawać obróbce termicznej na płycie grzejnej w temperaturze 100 stopni Celsjusza przez godzinę. Na wierzchu membran na bazie grafenu z tytanowymi wzorami powierzchni, wiruj fotorezyst z prędkością 2500 obr./min przez 60 sekund, aby utworzyć warstwę o grubości pięciu mikrometrów i piecz w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez dwie minuty. Próbki naświetlać promieniami UV przez 20 sekund, piec w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez trzy minuty i wywoływać przez 90 sekund.

Przepłukać próbkę wodą dejonizowaną i alkoholem izopropylowym, a następnie ostrożnie wysuszyć próbkę za pomocą pistoletu pneumatycznego. Próbki należy wypalać w temperaturze 200 stopni Celsjusza przez 15 minut, aby zwiększyć sztywność mechaniczną ram. Aby wykonać wzór zawiasów, obracaj fotorezyst z prędkością 1000 obr./min przez 60 sekund, aby utworzyć folię o grubości 10 mikrometrów na wierzchu prefabrykowanego podłoża.

Piecz w temperaturze 115 stopni Celsjusza przez 60 sekund i odczekaj trzy godziny. Próbkę należy naświetlić promieniami UV na nakładce maski kontaktowej przez 80 sekund i wywoływać przez 90 sekund. Przepłukać próbkę wodą dejonizowaną i ostrożnie wysuszyć próbkę za pomocą pistoletu pneumatycznego.

Aby uwolnić struktury 2D, rozpuść miedzianą warstwę protektorową pod siatkami 2D w miedzianym wytrawiaczu. Ostrożnie przenieś uwolnione struktury do dejonizowanej łaźni wodnej za pomocą pipety i spłucz kilka razy, aby usunąć resztki wytrawiacza miedzi. Umieść struktury 2D w wodzie dejonizowanej, podgrzanej powyżej temperatury topnienia zawiasów polimerowych.

Monitoruj samoskładanie w czasie rzeczywistym za pomocą mikroskopii optycznej i wyjmij ze źródła ciepła po udanym montażu w zamknięte kostki. Po samodzielnym złożeniu usuń tlenek glinu i warstwy ochronne chromu za pomocą wytrawiacza chromowego. Delikatnie przenieś kostki do dejonizowanej łaźni wodnej i ostrożnie spłucz.

Obrazy optyczne pokazują procesy litograficzne struktur siatkowych grafenu i tlenku grafenu 2D oraz następujący po nich proces samofałdowania. Proces samoczynnego składania jest monitorowany w czasie rzeczywistym za pomocą mikroskopu o wysokiej rozdzielczości. Oba rodzaje kostek 3D na bazie grafenu są składane w temperaturze około 80 stopni Celsjusza.

Rysunki układają uchwycone na wideo sekwencje pokazujące samoczynne składanie się sześcianów 3D na bazie grafenu w sposób równoległy. W zoptymalizowanym procesie podejście to wykazuje najwyższą wydajność wynoszącą około 90 procent. Rysunki pokazują obrazy optyczne złożonych w 3D kostek grafenu i sześcianów na bazie tlenku grafenu z wzorami powierzchni i bez.

Całkowity rozmiar samoskładających się sześcianów wynosi 200 mikrometrów szerokości, 200 mikrometrów długości i 200 mikrometrów wysokości. Na każdej powierzchni sześcianów 3D na bazie grafenu zdefiniowano cechy tytanu o grubości 20 nanometrów i napis UMN. Rysunki obejmują spektroskopię Ramana sieci 2D na bazie grafenu i kostki 3D na bazie grafenu.

Wyniki nie wykazują zauważalnych zmian w położeniu i intensywności piku Ramana zarówno dla membran grafenowych, jak i tlenku grafenu po samofałdowaniu. Jednak gdy warstwy ochronne nie są stosowane, zaobserwowano zauważalne zmiany we względnych intensywnościach pików, wskazujące na zmiany lub uszkodzenia właściwości grafenu podczas samofałdowania. Metoda ta pozwala na opracowanie urządzeń biomedycznych, elektronicznych i optycznych, w tym czujników i obwodów elektrycznych, wykorzystując liczne zalety konfiguracji 3D.

Ponadto, ponieważ proces ten wykorzystuje wczesny obraz tylko do materiałów na bazie grafenu, metoda ta może być stosowana do innych materiałów dwuwymiarowych, takich jak noże tren-ja-men-a ai chai-hus i czarne paszporty, co pozwala na wykorzystanie tej możliwości do opracowywania konfiguracji 3D materiałów 2D nowej generacji.