Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Изготовление трехмерных углеродных микроэлектромеханических систем (C-MEMS)

11K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/55649

⸱

17 июня 2017 г.

 ,  ,  , 
1School of Engineering and Sciences, Tecnologico de Monterrey, 2Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California, 3BBB Inc

В этой статье

Краткое содержание

Длинные и полые стеклообразные углеродные микроволокна были изготовлены на основе пиролиза натурального продукта, человеческого волоса. Двумя стадиями изготовления углеродных микроэлектромеханических и углеродных наноэлектромеханических систем, или С-МЭМС и С-НЭМС, являются: (i) фотолитография богатого углеродом предшественника полимера и (ii) пиролиз предшественника узорчатого полимера.

Аннотация

В природе имеется широкий спектр источников углерода с различными конфигурациями микро- / наноструктур. Здесь вводится новый способ изготовления длинных и полых стеклообразных углеродных микроволокон, полученных из человеческих волос. Длинные и полые углеродные структуры были получены путем пиролиза человеческого волоса при 900 ° С в атмосфере N 2 . Морфология и химический состав природных и пиролизированных человеческих волос исследовались с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и электронно-дисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) соответственно для оценки физических и химических изменений, вызванных пиролизом. Рамановская спектроскопия была использована для подтверждения стеклянной природы углеродных микроструктур. Пиролизированный углерод для волос вводили для изменения печатных углеродных электродов на экране; Модифицированные электроды затем наносят на электрохимическое зондирование допамина и аскорбиновой кислоты. Эффективность зондирования модифицированных датчиков была улучшена по сравнению с немодиС датчиками. Для получения желаемой структуры углеродной структуры была разработана технология углеродной микро- / наноэлектромеханической системы (C-MEMS / C-NEMS). Наиболее распространенный процесс изготовления C-MEMS / C-NEMS состоит из двух этапов: (i) структурирование богатого углеродом базового материала, такого как фоточувствительный полимер, с использованием фотолитографии; И (ii) карбонизация через пиролиз узорчатого полимера в бескислородной среде. Процесс C-MEMS / NEMS широко используется для разработки микроэлектронных устройств для различных применений, в том числе в микро-батареях, суперконденсаторах, датчиках глюкозы, датчиках газа, топливных элементах и ​​трибоэлектрических наногенераторах. Здесь обсуждаются последние разработки высокопрочных соотношений твердых и полых микроструктур углерода с фоторезистами SU8. Структурную усадку при пиролизе исследовали с использованием конфокальной микроскопии и SEM. Рамановская спектроскопия была использована для подтверждения кристалличности структуры, а атомный процент элементовNt в материале до и после пиролиза измеряли с использованием EDX.

Введение

Углерод имеет много аллотропов, и в зависимости от конкретного применения может быть выбран один из следующих аллотропов: углеродные нанотрубки (УНТ), графит, алмаз, аморфный углерод, Лонсдейлит, бакминстерфуллерен (С 60 ), фуллерит (С 540 ), фуллерен ( C 70 ) и стекловидного углерода 1 , 2 , 3 , 4 . Стеклянный углерод является одним из наиболее широко используемых аллотропов из-за его физических свойств, включая высокую изотропность. Он также обладает следующими свойствами: хорошей электропроводностью, низким коэффициентом теплового расширения и газонепроницаемостью.

Был непрерывный поиск богатых углеродом материалов-предшественников для получения углеродных структур. Эти предшественники могут быть искусственными материалами или натуральными продуктами, которые доступны в определенных формах, и даже включают отходы. Широкий спектр микрона O / nanostructures формируются с помощью биологических или экологических процессов в природе, что приводит к уникальным особенностям, которые чрезвычайно сложно создать с использованием традиционных производственных инструментов. Поскольку в этом случае закономерность формирования естественно происходила, синтез наноматериалов с использованием природных и отработанных углеводородных предшественников мог бы быть осуществлен с использованием простого одностадийного процесса термического разложения в инертной или вакуумной атмосфере, называемого пиролизом 5 . Высококачественные графены, одностенные УНТ, многостенные УНТ и углеродные точки были получены путем термического разложения или пиролиза исходных предшественников и отходов растений, включая семена, волокна и масла, такие как скипидарное масло, кунжутное масло , Масло нима ( Azadirachta indica ), масло эвкалипта, пальмовое масло и масло ятрофы. Кроме того, были использованы камфорные продукты, экстракты чайных деревьев, отходы, насекомые, сельскохозяйственные отходы и пищевые продукты 6 , 7 ,Ass = "xref"> 8 , 9 В последнее время исследователи даже использовали шелковые коконы в качестве материала-предшественника для получения пористых углеродных микроволокна 10 . Человеческие волосы, обычно считающиеся отходами, были недавно использованы этой командой. Он состоит из приблизительно 91% полипептидов, которые содержат более 50% углерода; Остальными являются такие элементы, как кислород, водород, азот и сера 11 . Волосы также обладают рядом интересных свойств, таких как очень медленное разложение, высокая прочность на растяжение, высокая теплоизоляция и высокая упругость. Недавно он был использован для приготовления углеродных хлопьев, используемых в суперконденсаторах 12, и для создания микроволокон с полым углеродом для электрохимического зондирования 13 .

Обработка объемного углеродного материала для изготовления трехмерных (3D) структур является трудной задачей, так как материал очень хрупкий. Фокусированный ионAm 14 , 15 или реактивное ионное травление 16 могут быть полезны в этом контексте, но они являются дорогостоящими и трудоемкими процессами. Технология углеродной микроэлектромеханической системы (C-MEMS), основанная на пиролизе структурированных полимерных структур, представляет собой универсальную альтернативу. За последние два десятилетия C-MEMS и углеродные наноэлектромеханические системы (C-NEMS) получили большое внимание из-за простых и недорогих этапов изготовления. Традиционный процесс изготовления С-МЭМС проводят в две стадии: (i) структурирование предшественника полимера ( например, фоторезиста) с фотолитографией и (ii) пиролиз узорчатых структур. Ультрафиолетовые (УФ) -контурные полимерные предшественники, такие как фоторезисты SU8, часто используются для структурирования структур на основе фотолитографии. В целом, процесс фотолитографии включает в себя этапы для покрытия спином, мягкого выпекания, воздействия ультрафиолетового излучения, пост-выпекания и разработкиlopment. В случае С-МЭМС; кремний; диоксид кремния; Нитрид кремния; кварц; И в последнее время сапфиры использовались в качестве субстратов. Полимерные структуры с фотографическим рисунком карбонизируются при высокой температуре (800-1100 ° C) в среде, свободной от кислорода. При этих повышенных температурах в вакуумной или инертной атмосфере все некарбоновые элементы удаляются, оставляя только углерод. Эта методика позволяет получить высококачественные, стеклообразные углеродные структуры, которые очень полезны для многих применений, включая электрохимическое зондирование 17 , хранение энергии 18 , трибоэлектрическое наногенерирование 19 и электрокинетические манипуляции с частицами 20. Кроме того, изготовление трехмерных микроструктур с Высокие пропорции с использованием C-MEMS стали относительно легкими и привели к широкому спектру применений углеродных электродов 18 , 21 , 22 , 23 , часто заменяя электроды благородных металлов.

В этой работе вводится недавняя разработка простого и экономически эффективного способа изготовления полых углеродных микроволокон от человеческого волоса с использованием нетрадиционной технологии 13 С-МЭМС. Здесь также описывается традиционный процесс С-МЭМС на основе полимера на основе SU8. В частности, описана процедура изготовления твердых веществ с высоким коэффициентом сжатия и полых структур SU8 24.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Изготовление углеродной структуры на основе трехмерных человеческих волос

ПРИМЕЧАНИЕ. Используйте средства индивидуальной защиты. Следуйте лабораторным инструкциям, чтобы использовать инструменты и работать в лаборатории.

  1. Подготовьте собранные человеческие волосы, промыв их водой DI и высушив ее газообразным N 2 .
  2. Расположите волосы по желанию, например, в параллельных нитях, перекрестите, с двумя волосками, разорванными вместе и т. Д.
  3. Прикрепите волосы к кремниевой подложке с помощью SU8 или держите их прямо в керамической лодке.
  4. Поместите прикрепленную волосами кремниевую подложку или лодку в печь.
  5. Включите печь и откройте клапан инертного газа (N 2 ).
    ПРИМЕЧАНИЕ. Оптимальный расход газа зависит от объема трубы печи. Расход 6 л / мин применялся для объема трубки 6 л. Чтобы установить полностью инертную среду в трубке печи, расход газа в 1,5 раза выше, чем оптимальный газ fВ течение первых 15 мин применялась низкая скорость.
  6. Задайте параметры, включая максимальную температуру пиролиза, скорость нарастания температуры и расход инертного газа, и запустите печь.
    1. Например, увеличьте температуру от комнатной температуры до 300 ° C со скоростью 5 ° C / мин. Держите его при 300 ° C в течение 1 часа для стабилизации. Дальнейшее повышение температуры до 900 ° C и поддержание ее в течение 1 часа для карбонизации.
    2. Охладите печь до 300 ° C со скоростью 10 ° C / мин и выключите нагреватель печи, так как контролируемое охлаждение не требуется после 300 ° C. Оставьте образцы в печи до тех пор, пока температура не достигнет комнатной температуры только по потоку N 2 .
  7. Выключите печь и газовый поток после завершения процесса пиролиза.
  8. Выньте образцы из печи.

2. Изготовление трехмерной полимерной структуры: фотолитография

  1. DesЗапустите 2D-макет желаемой структуры 3D-фоторезиста, используя соответствующий программный пакет, и подготовьте печатную маску ( например, маску из полиэтиленовой фотопленки).
    ПРИМЕЧАНИЕ. Для распечатки дизайна использовалась коммерческая услуга. Размер маски обычно зависит от дизайна.
  2. В чистом лабораторном объекте включите две нагревательные плиты и установите температуры на 65 ° C и 95 ° C, соответственно.
  3. Включите устройство для нанесения покрытия и вакуумный насос. Убедитесь, что вакуумный насос подключен через трубу к вращающейся головке.
  4. Задайте параметры двухэтапного вращения, такие как скорость вращения, рампа и продолжительность. Для первого шага установите скорость вращения на 500 об / мин, скорость до 100 об / мин и время отжима до 10 с, чтобы начать цикл отжима. Для следующего шага установите скорость вращения 1000 об / мин, скорость до 100 об / мин и время отжима до 30 с для равномерного распределения фоторезиста.
  5. Поместите подложку ( например, 4 дюйма x 4 дюйма и 5501, m - 25 мкм толщиной Si толщиной 1 мкм толщиной SiO 2 ) в центре держателя.
  6. Депонируйте фоточувствительный полимер (т. Е. Фоторезист SU8) непосредственно в центр субстрата. Используйте достаточно, чтобы покрыть поверхность.
  7. Нажмите кнопку «вакуум», чтобы удерживать подложку.
  8. Нажмите кнопку «Пробег», чтобы покрыть субстрат SU8 и достичь конечной толщины 250 мкм.
  9. После завершения процесса формования снова нажмите кнопку «вакуум», чтобы освободить подложку с покрытием из держателя.
  10. Держите покрытую подложку осторожно, используя пинцет, чтобы поверхность была гладкой и чистой. Перенесите субстрат непосредственно на горячую плиту при температуре 65 ° C в течение 6 минут, а затем на горячую плиту при температуре 95 ° C в течение 40 минут (мягкий выпекание).
    ПРИМЕЧАНИЕ. Для обеспечения медленного испарения растворителя требуется выпекание при 65 ° C, что приводит к лучшему покрытию и лучшей адгезии tO субстрат, в то время как выпечка при 95 ° C еще более уплотняет SU8.
  11. Тем временем нажмите переключатель, чтобы включить систему UV-экспозиции, и установите время экспозиции на «12 с» с помощью кнопки set в системе.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Для SU8-слоя толщиной 250 мкм энергия экспозиции должна составлять 360 мДж / см 2 .
  12. После завершения этапа выпекания (этап 2.10) поместите подложку в систему УФ-экспозиции и поместите на нее печатную сторону фотомаски (начиная с шага 2.1). Используйте всю маску для покрытия покрытой подложки и осторожно нажмите, чтобы не было зазора между маской и подложкой.
  13. Откройте подложку, покрытую SU8, на УФ-излучение через фотомаску, используя предопределенные УФ-настройки.
  14. Нагреть подложку снова, поместив ее непосредственно на конфорку при 65 ° C в течение 5 минут и при 95 ° C в течение 14 минут для выпекания после выдержки (PEB).
    ПРИМЕЧАНИЕ. PEB увеличивает степень сшивания в областях, подверженных воздействию УФ-излучения, и делаетБолее стойкое к растворителям покрытие на стадии разработки.
  15. Удалите неэкспонированные области фоторезиста, погрузив субстрат в выделенный раствор для детектора, помещенный в стакан в течение 20 мин. Непрерывно встряхните раствор (осторожно), чтобы обеспечить полное удаление незащищенных областей сопротивления.
  16. Высушите развитые структуры, удерживая подложку и продувая азот или сжатый воздух.
  17. Осмотрите пластину под микроскопом с увеличением 50X, чтобы сравнить образцы, перенесенные на фоторезист, с желаемыми узорами.

3. 3D-структура углеродной структуры: пиролиз

  1. Поместите образцы, приготовленные с использованием фотолитографии (шаги 2.1-2.17) внутри герметичной трубчатой ​​печи с открытым концом.
  2. Включите печь и задайте параметры пиролиза, как указано выше на шаге 1. Повторите процесс с шага 1.6-1.8.
  3. Обращайтесь с образцами тщательно с помощью пинцета и перейдите к характеристикеция.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

На рисунке 1 показана схема процесса изготовления человеческих волокон из полых углеродных микроволокон. Укоренившиеся человеческие волосы характеризовались с использованием SEM для оценки усадки. Диаметр волос сократился с 82,88 ± 0,003 мкм до 31,42 ± 0,003 мкм из-за пиролиза. На рис. 2 показаны сканирующие электронно-микроскопические (SEM) изображения различных рисунков, выполненных с использованием углеродных микроволокна с волосами. Атомные проценты элем...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В этой статье сообщалось о способах изготовления различных углеродных микроструктур на основе пиролиза природных материалов-предшественников или фотоструктурированных полимерных структур. Как правило, углеродные материалы, являющиеся результатом как традиционных, так и нетрадиционных процессов C-MEMS / C-NEMS, являются стекловидными атомами углерода. Стеклянный углерод - широко используемый электродный материал для электрохимии, а также для высокотемпературных применений. Микроструктура стеклообразного углерода состоит ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была поддержана Technologico de Monterrey и Калифорнийским университетом в Ирвине.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
SU8-2100MicrochemНомер продукта Y1110750500L
СпиннерLaurell TechnologiesCorporation Модель-WS650HZB-23NPP/UD3
Горячая плитаTorrey Pines ScientificHS61
УФ-экспонаторРтутная лампа, SYLVANIAH44GS-100M, P/N-34-0054-01
ФотошаблонCAD/ArtНет номера
Разработчик MicrochemY020100 4000L 
Водопроводная системаMilli QZOOQOVOTO
IPA CTRSientificCTR 01244
N2 газAOC MexicoNo номер
ПечьPEO 601, ATV Technologie GMBHМодель-PEO 601, серийный номер -195
Si/SiO<>sub2Noel Technologies

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

SU 8EDX
Изготовление трехмерных углеродных микроэлектромеханических систем (C-MEMS)
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.