Fabricação de Polyhedrons tridimensionais baseados em grafeno através do Origami, como self dobrável

Este protocolo usa métodos auto-dobráveis semelhantes a origami para criar poliedros à base de grafeno 3D. As folhas de grafeno bidimensionais possuem propriedades ópticas, eletrônicas e mecânicas extraordinárias. Ao adaptar a forma do grafeno bidimensional, suas propriedades físicas, químicas e ópticas podem ser ajustadas, o que pode introduzir novos comportamentos materiais, permitindo novas oportunidades de aplicação.

Nesse sentido, a integração do grafeno 2D nas estruturas dos poliedros tridimensionais funcionalizados, bem definidos tem sido de grande interesse recentemente na comunidade do grafeno. Poliedros de grafeno 3D podem ser benéficos para muitas aplicações. Exemplos incluem recipientes protegidos por gás e água, armazenamento molecular, sistemas de entrega, encapsulamento de materiais à base de líquido, para fácil observação em microscopia eletrônica, dispositivos optoeletrônicos funcionais e materiais de matéria.

Uma série de rotas químicas para a produção de estruturas baseadas em grafeno 3D foram introduzidas. No entanto, esses métodos normalmente requerem fortes reações químicas, que afetam as propriedades intrínsecas do grafeno e apresentam desafios na construção de poliedros de grafeno 3D de pé livre, ocos e grafeno. Para superar essas limitações, este estudo mostra uma metodologia para a realização de micúbios 3D multi-faced com grafeno 2D e óxido de grafeno usando o auto-dobrável semelhante ao origami.

Para ajudar a dar contexto ao processo geral de fabricação dos cubos baseados em grafeno 3D, uma visão geral simplificada de seis etapas será agora introduzida antes do protocolo detalhado. Primeiro, prepare as camadas de proteção. Em seguida, realize a transferência de membrana de grafeno na padronização das camadas de proteção.

Em seguida, crie padronagem de superfície metálica nas membranas de grafeno. Em seguida, defina quadros e dobradiças de polímero. Em seguida, transforme as redes 2D em cubos 3D através de auto-dobramento.

Por último, remova as camadas de proteção. Usando um evaporador de feixe de elétrons, deposite cromo de 10 nanômetros de espessura e 300 camadas de cobre de espessura de nanômetros no substrato de silício. Fotoresist spin coat a 2500 RPM seguido de cozimento a 115 graus Celsius por 60 segundos.

Exponha as áreas de rede 2D projetadas à luz UV em um alinhador de máscara de contato por 15 segundos e, em seguida, desenvolva por 60 segundos no desenvolvedor. Enxágüe a amostra com água deionizada e seque com uma pistola de ar. Deposite uma camada de cromo de 10 nanômetros de espessura e retire o fotoessista restante em acetona.

Enxágüe a amostra com água deionizada e seque com uma pistola de ar. Para padronizar redes 2D com óxido de alumínio de seis quadrados e camadas de proteção de cromo nas redes, gire o fotoresist do casaco a 2.500 RPM seguido de cozimento a 115 graus Celsius por 60 segundos. Exponha as camadas de proteção projetadas de seis quadrados à luz UV em um alinhador de máscara de contato por 15 segundos e desenvolva por 60 segundos no desenvolvedor.

Enxágüe a amostra com água deionizada e seque com uma pistola de ar. Deposite uma camada de óxido de alumínio de 100 nanômetros de espessura em uma camada de cromo de 10 nanômetros de espessura. Remova o fotoresist restante em acetona.

Enxágüe a amostra com água deionizada e seque com uma pistola de ar. Começando com a peça quadrada de 15 milímetros de grafeno aderida à folha de cobre, gire uma fina camada pmma a 3000 RPM na superfície do grafeno. Asse a 180 graus Celsius por 10 minutos.

Coloque o grafeno PMMA na folha de camadas de papel alumínio de cobre, flutuando de cobre para baixo em etchant de cobre por 24 horas para etch away a folha de cobre. Depois que a folha de cobre for completamente dissolvida, deixando o PMMA em grafeno, transfira o grafeno flutuante revestido de PMMA para a superfície de uma piscina de água deionizada usando um vidro de deslizamento de microscópio para remover qualquer resíduo de etchant de cobre. Repita a transferência do grafeno revestido de PMMA para novas piscinas de água desionizadas várias vezes para enxaguar adequadamente.

Transfira o grafeno revestido de PMMA flutuante para outro pedaço de grafeno aderido à folha de cobre para obter uma membrana de grafeno bicamada. Trate termicamente o grafeno de camada dupla na folha de cobre em uma placa quente a 100 graus Celsius por 10 minutos. Remova o PMMA em cima do grafeno de camada dupla na folha de cobre em um banho de acetona, deixando uma pilha de camadas de grafeno, grafeno e papel alumínio, seguida pela transferência para água desionizada.

Repita a transferência de grafeno mais uma vez para obter três camadas empilhadas de membranas de grafeno. Coloque o PMMA, grafeno, grafeno, grafeno e folha de cobre em camadas, flutuando lado de cobre para baixo em etchant de cobre por 24 horas para etch away a folha de cobre. Transfira as três camadas revestidas de PMMA de membranas de grafeno para as camadas de proteção de óxido de alumínio pré-fabricado e cromo.

Após a transferência do grafeno, remova o PMMA com acetona. Em seguida, mergulhe a amostra em água deionizada e seque no ar. Trate termicamente o grafeno de várias camadas no substrato em uma placa quente a 100 graus Celsius por uma hora.

Gire o fotoresist de casaco a 2500 RPM e asse a 115 graus Celsius por 60 segundos. UV expõe as regiões do fotoresist diretamente acima das áreas de camada de proteção quadrada usando um alinhador de máscara de contato por 15 segundos. Então desenvolvê-lo por 60 segundos.

Remova as áreas de grafeno indesejadas recém-descobertas através de um tratamento de plasma de oxigênio por 15 segundos. Remova o fotoresist restante em acetona. Enxágüe a amostra com água deionizada e seque no ar.

Fotoresist de spin coat a 1700 RPM por 60 segundos em cima das camadas de proteção de óxido de alumínio e cromo anteriormente fabricadas para obter uma camada de 10 micrômetros de espessura. Asse o fotoresistia a 115 graus Celsius por 60 segundos e depois espere por três horas. Com a mesma máscara usada para padronizar as camadas de óxido de alumínio e cromo, UV expõe a amostra em um alinhador de máscara de contato por 80 segundos e se desenvolve por 90 segundos.

Enxágüe a amostra com água deionizada e seque com uma pistola de ar. Realize uma exposição de inundação UV de toda a amostra sem máscara por 80 segundos. Gire a mistura de óxido de grafeno e água preparada na amostra a 1000 RPM por 60 segundos.

Realize o revestimento de giro um total de três vezes. Mergulhe a amostra no desenvolvedor para permitir a decolagem de óxido de grafeno indesejado. O processo de decolagem sob um microscópio é mostrado aqui com a filmagem acelerada.

Enxágüe a amostra com água deionizada e seque cuidadosamente a amostra com uma pistola de ar. Trate termicamente a amostra em uma placa quente a 100 graus Celsius por uma hora. Crie padrões de titânio de 20 nanômetros de espessura em cima das membranas padronizadas à base de grafeno.

Trate termicamente a amostra em uma placa quente a 100 graus Celsius por uma hora. Em cima das membranas à base de grafeno com padrões de superfície de titânio, gire o fotoresist de casaco a 2500 RPM por 60 segundos para formar uma camada de cinco micrômetros de espessura e assar a 90 graus Celsius por dois minutos. UV-expor as amostras por 20 segundos, assar a 90 graus Celsius por três minutos, e desenvolver-se por 90 segundos.

Enxágüe a amostra com água deionizada e álcool isopropílico, e seque cuidadosamente a amostra com uma pistola de ar. Pós-asse as amostras a 200 graus Celsius por 15 minutos para aumentar a rigidez mecânica dos quadros. Para fazer o padrão da dobradiça, gire o fotoresist do casaco a 1000 RPM por 60 segundos para formar uma película de 10 micrômetros de espessura em cima do substrato pré-fabricado.

Asse a 115 graus Celsius por 60 segundos e espere por três horas. Exponha a amostra em um alinhador de máscara de contato por 80 segundos e se desenvolva por 90 segundos. Enxágüe a amostra com água deionizada e seque cuidadosamente a amostra com uma pistola de ar.

Para liberar as estruturas 2D, dissolva a camada de sacrifício de cobre sob as redes 2D em um etchant de cobre. Transfira cuidadosamente as estruturas liberadas para um banho de água deionizado usando uma pipeta e enxágue algumas vezes para remover o etchant de cobre residual. Coloque as estruturas 2D em água deionizada, aquecida acima do ponto de fusão das dobradiças de polímeros.

Monitore a auto-dobra em tempo real através de microscopia óptica e remova da fonte de calor após o bom desempenho em cubos fechados. Após a auto-dobra, remova as camadas de proteção de óxido de alumínio e cromo com etchant de cromo. Transfira suavemente os cubos para um banho de água deionizado e enxágue cuidadosamente.

As imagens ópticas mostram os processos litográficos das estruturas líquidas de grafeno e grafeno 2D e o processo subsequente de auto-dobramento. O processo de auto-dobramento é monitorado em tempo real através de um microscópio de alta resolução. Ambos os tipos de cubos 3D à base de grafeno são dobrados a cerca de 80 graus Celsius.

As figuras estabelecem sequências capturadas por vídeo mostrando a auto-dobra de cubos baseados em grafeno 3D de forma paralela. Em um processo otimizado, essa abordagem mostra um maior rendimento de aproximadamente 90%. As figuras mostram imagens ópticas dos cubos 3D montados baseados em grafeno e óxido de grafeno com e sem padrões de superfície.

O tamanho geral dos cubos auto-dobrados é de 200 micrômetros de largura por 200 micrômetros de comprimento por 200 micrômetros de altura. 20 características com padrão de titânio de espessura de nanômetro e letras UMN são definidas em cada face dos cubos 3D baseados em grafeno. As figuras incluem espectroscopia raman de redes baseadas em grafeno 2D e cubos 3D à base de grafeno.

Os resultados não mostram mudanças perceptíveis na posição máxima de Raman e intensidade para as membranas de óxido de grafeno e grafeno após a auto-dobra. No entanto, quando as camadas de proteção não são utilizadas, foram observadas alterações perceptíveis nas intensidades relativas de pico, indicando alterações ou danos às propriedades do grafeno durante a auto-dobra. Este método permite o desenvolvimento de dispositivos biomédicos, eletrônicos e ópticos, incluindo sensores e circuitos elétricos usando as inúmeras vantagens das configurações 3D.

Além disso, uma vez que o processo usa uma imagem inicial apenas para materiais baseados em grafeno, este método pode ser aplicado a outros materiais bidimensionais, como facas tren-ja-men-ai chai-hus e passaportes pretos, permitindo assim que esta oportunidade seja usada no desenvolvimento de configurações 3D de próxima geração de materiais 2D.