Summary

Fabricación, densificación, y la réplica de Moldeo por inyección de microestructuras 3D nanotubos de carbono

Published: July 02, 2012
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Summary

Se presentan los métodos para la fabricación de micro-patrones de nanotubos de carbono alineados verticalmente (CNTS), y su uso como moldes para la producción de maestros de las microestructuras de polímeros con textura de la superficie organizada nanoescala. Los bosques CNT se densifica por condensación de disolvente sobre el sustrato, lo que aumenta significativamente su densidad de empaquetamiento y permite autodirigido formación de formas 3D.

Abstract

La introducción de nuevos materiales y procesos de microfabricación ha, en gran parte, permitió a muchos de los avances importantes en los microsistemas, los dispositivos lab-on-a-chip, y sus aplicaciones. En particular, las capacidades para que sea rentable la fabricación de microestructuras de polímeros fueron transformados por la llegada de la litografía blanda y otras técnicas micromoldeado 1, 2, y esto condujo una revolución en las aplicaciones de la microfabricación para la ingeniería biomédica y la biología. Sin embargo, sigue siendo un reto para la fabricación de microestructuras bien definidas texturas de las superficies a escala nanométrica, y para la fabricación de formas arbitrarias en 3D en la micro-escala. Solidez de los moldes del amo y el mantenimiento de la integridad de la forma es especialmente importante para lograr la reproducción en alta fidelidad de estructuras complejas y preservar su textura de la superficie a nanoescala. La combinación de texturas y formas jerárquicas y heterogéneas, es un profundo desafío a los métodos de microfabricación existentes que LARGely se basan en el grabado de arriba hacia abajo el uso de plantillas fijas de la máscara. Por otro lado, la síntesis de abajo hacia arriba de nanoestructuras como los nanotubos y nanocables pueden ofrecer nuevas capacidades para la microfabricación, en particular mediante el aprovechamiento de la legítima defensa colectiva, la organización de nanoestructuras, y el control local de su comportamiento de crecimiento con respecto a los patrones de microfabricated .

Nuestro objetivo es introducir alineados verticalmente nanotubos de carbono (CNT), lo que nos referimos como la CNT "bosques", como material de microfabricación nuevo. Se presentan los detalles de un conjunto de métodos relacionados con el recientemente desarrollado por nuestro grupo: fabricación de microestructuras CNT forestales por CVD térmico de las películas de catalizador litográfico con diseños finos, auto-dirigido densificación elastocapillary de microestructuras CNT, y de moldeo réplica de polímero de microestructuras con moldes CNT compuestos maestros . En particular, nuestro trabajo muestra que la densificación capilar auto-dirigido ("la formación de capilares"), que es perforadarmó por condensación de un disolvente sobre el sustrato con microestructuras CNT, aumenta significativamente la densidad de empaquetamiento de CNT. Este proceso permite la transformación dirigida de microestructuras verticales CNT en formas rectas, inclinadas, y retorcido, que tienen fuertes propiedades mecánicas superiores a las de los polímeros de microfabricación típicos. A su vez, permite la formación de moldes maestros nanocompuestos CNT por el capilar impulsada por la infiltración de los polímeros. Las estructuras de réplica exhiben la textura anisotrópica nanoescala de los CNT alineados, y puede tener paredes con un espesor inferior a la micra y relaciones de aspecto superior a 50:1. Integración de las microestructuras de la CNT en la fabricación ofrece más oportunidades para explotar las propiedades eléctricas y térmicas de los nanotubos de carbono, y capacidades diversas para la industria química y la bioquímica funcionalización 3.

Protocol

1. Catalyst Patrones Adquirir una oblea (100) de silicio con una capa gruesa 3000A dióxido de silicio, con al menos un lado pulido. Alternativamente, usted puede adquirir una oblea de silicio al descubierto y crecer dióxido de silicio en la oblea 3000A. Todo el procesamiento se describe a continuación se realiza en el lado pulido de la oblea. Spincoat una capa de HMDS a 500 rpm durante 4 segundos, y luego a 3000 rpm durante 30 años. HMDS promueve la adhesión entre la oblea y el fotoresist. </li…

Discussion

Patrón litográfica y la preparación de los sustratos CNT catalizador es sencillo y repetible, sin embargo, la consecución consistente crecimiento CNT requiere una atención cuidadosa a la forma en la altura y la densidad de los bosques CNT se ven afectados por la humedad ambiental y la condición del tubo crecimiento. En nuestra experiencia, los patrones mayores que 1000 micras 2 son menos sensibles a pequeñas fluctuaciones en las condiciones de procesamiento. Además, la densidad de los juegos de patron…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Esta investigación fue apoyada por el programa de nanofabricación de la National Science Foundation (CMMI-0927634). Davor Copic fue apoyado en parte por el Programa de Becas al Mérito Rackham de la Universidad de Michigan. Sameh Tawfick agradece el apoyo parcial de la Beca Predoctoral de Rackham. Michael De Volder fue apoyado por el Fondo Belga para la Investigación Científica – Flandes (FWO). Microfabricación se llevó a cabo en el Centro de Nanofabricación Lurie (FNL), que es un miembro de la Red de Nanotecnología Nacional de Infraestructura y de microscopía electrónica se realizó en el Michigan Electron Microbomabardeo de Análisis de Laboratorio (EMAL).

Materials

Name of the reagent Company Catalogue number Comments
4″ diameter <100> silicon wafers coated with SiO2 (300 nm) Silicon Quest Custom  
Positive photoresist MicroChem SPR 220-3.0  
Hexamethyldisilizane (HMDS) MicroChem    
Developer AZ Electronic Materials USA Corp. AZ 300 MIF  
Sputtering system Kurt J. Lesker Lab 18 Sputtering system for catalyst deposition
Thermo-Fisher Minimite Fisher Scientific TF55030A Tube furnace for CNT growth
Quartz tube Technical Glass Products Custom 22 mm ID × 25 mm OD 30″ length
Helium gas PurityPlus He (PrePurified 300)  
Hydrogen gas PurityPlus H2 (PrePurified 300) UHP
Ethylene gas PurityPlus C2H4 (PrePurified 300) UHP
Perforated aluminum sheet McMaster-Carr 9232T221 For holding sample above densification beaker
UV flood lamp Dymax Model 2000  
SU-8 2002 MicroChem SU-8 2002  
Polydimethylsiloxane (PDMS) Dow Corning Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit  

References

  1. Xia, Y. N., Whitesides, G. M. Soft lithography. Annual Review of Materials Science. 28, 153-184 (1998).
  2. Xia, Y. Replica molding using polymeric materials: A practical step toward nanomanufacturing. Advanced Materials. 9, 147-149 (1997).
  3. Tasis, D., Tagmatarchis, N., Bianco, A., Prato, M. Chemistry of Carbon Nanotubes. Chemical Reviews. 106, 1105-1136 (2006).
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Cite This Article
Copic, D., Park, S. J., Tawfick, S., De Volder, M., Hart, A. J. Fabrication, Densification, and Replica Molding of 3D Carbon Nanotube Microstructures. J. Vis. Exp. (65), e3980, doi:10.3791/3980 (2012).

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