Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Fabricage van 3D Koolstof Micro-Elektromechanische Systemen (C-MEMS)

11K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/55649

⸱

17 juni 2017

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

In dit artikel

Samenvatting

Lange en holle glasachtige koolstofmicrofibers werden vervaardigd op basis van de pyrolyse van een natuurlijk product, menselijk haar. De twee fabricage stappen van koolstofmicro-elektromechanische en koolstofnanoelectromechanische systemen, of C-MEMS en C-NEMS, zijn: (i) fotolithografie van een koolstofrijke polymeervoorloper en (ii) pyrolyse van de gevormde polymeervoorloper.

Samenvatting

Een breed scala aan koolstofbronnen zijn beschikbaar in de natuur, met een verscheidenheid aan micro- / nanostructuurconfiguraties. Hier wordt een nieuwe techniek voor het vervaardigen van lange en holle glasachtige koolstofmicrofibers afgeleid van menselijke haren geïntroduceerd. De lange en holle koolstofstructuren werden gemaakt door de pyrolyse van menselijk haar bij 900 ° C in een N2-atmosfeer. De morfologie en de chemische samenstelling van natuurlijke en pyrolyseerde menselijke haren werden onderzocht met behulp van scanningelektronmicroscopie (SEM) en elektronisch-dispersieve röntgenspectroscopie (EDX) om de fysische en chemische veranderingen als gevolg van pyrolyse te schatten. Raman spectroscopie werd gebruikt om de glasachtige aard van de koolstofmicrostructuren te bevestigen. Pyrolyseerde haarkoolstof werd geïntroduceerd om schermdrukkoolelektroden te wijzigen; De gemodificeerde elektroden werden vervolgens toegepast op de elektrochemische detectie van dopamine en ascorbinezuur. Sensorprestaties van de gemodificeerde sensoren werden verbeterd in vergelijking met de unmodiFied sensoren. Om het gewenste koolstofstructuurontwerp te verkrijgen, werd het koolstofmicro- / nanoelectromechanische systeem (C-MEMS / C-NEMS) technologie ontwikkeld. Het meest voorkomende C-MEMS / C-NEMS fabricageproces bestaat uit twee stappen: (i) het patroon van een koolstofrijk basismateriaal, zoals een lichtgevoelig polymeer, met behulp van fotolithografie; En (ii) carbonisatie door middel van de pyrolyse van het gevormde polymeer in een zuurstofvrije omgeving. Het C-MEMS / NEMS-proces is veel gebruikt om micro-elektronische apparaten te ontwikkelen voor diverse toepassingen, zoals in microbatterijen, supercapacitors, glucosesensoren, gassensoren, brandstofcellen en triboelektrische nanogeneratoren. Hier worden de recente ontwikkelingen van een hoge aspect ratio vaste en holle koolstofmicrostructuren met SU8 fotoresists besproken. De structurele krimp tijdens pyrolyse werd onderzocht met behulp van confocale microscopie en SEM. Raman spectroscopie werd gebruikt om de kristalliniteit van de structuur te bevestigen en het atoompercentage van de elementen preeseNt in het materiaal voor en na pyrolyse gemeten met behulp van EDX.

Inleiding

Koolstof heeft veel allotropes en afhankelijk van de specifieke toepassing kan één van de volgende allotropes gekozen worden: koolstofnitobuizen (CNT's), grafiet, diamant, amorfe koolstof, lonsdaleite, buckminsterfullerene (C 60 ), fulleriet (C 540 ), fullereen C 70 ) en glasachtige koolstof 1 , 2 , 3 , 4 . Glazen koolstof is een van de meest gebruikte allotropes vanwege zijn fysieke eigenschappen, waaronder hoge isotropie. Het heeft ook de volgende eigenschappen: goede elektrische geleidbaarheid, lage thermische uitzettingscoëfficiënt en gasdoorlaatbaarheid.

Er is doorlopend gezocht naar koolstofrijke voorloper materialen om koolstofstructuren te verkrijgen. Deze precursoren kunnen kunstmatige materialen of natuurlijke producten zijn die in bepaalde vormen beschikbaar zijn en zelfs afvalstoffen bevatten. Een grote verscheidenheid aan micr O / nanostructuren worden gevormd door biologische of milieuprocessen in de natuur, wat resulteert in unieke eigenschappen die uiterst moeilijk zijn te creëren met behulp van conventionele fabricage-instrumenten. Aangezien patronen in dit geval natuurlijk plaatsvonden, zou de synthese van nanomaterialen die natuurlijke en afvalwaterkoolstofprecursoren gebruiken, kunnen worden uitgevoerd met behulp van een eenvoudig, een-stappen proces van thermische afbraak in een inerte of vacuümatmosfeer, genaamd pyrolyse 5 . Hoge kwaliteit grafeen, enkelwandige CNT's, multiwandige CNT's en koolstofstippen zijn geproduceerd door thermische afbraak of de pyrolyse van plantaardige precursoren en afvalstoffen, waaronder zaden, vezels en oliën, zoals terpentijnolie, sesamolie , Neem olie ( Azadirachta indica ), eucalyptusolie, palmolie en jatropha olie. Ook zijn kamferproducten, thee-boom-extracten, afvalvoedsel, insecten, agro-afval en voedingsmiddelen gebruikt 6 , 7 ,Ass = "xref"> 8 , 9 Onlangs hebben onderzoekers zelfs zijdecocons gebruikt als voorlopermateriaal om poreuze koolstofmicrofibers 10 op te zetten . Menselijk haar, meestal beschouwd als afvalmateriaal, werd onlangs door dit team gebruikt. Het bestaat uit ongeveer 91% polypeptiden, die meer dan 50% koolstof bevatten; De rest zijn elementen zoals zuurstof, waterstof, stikstof en zwavel 11 . Haar komt ook met verschillende interessante eigenschappen, zoals zeer langzame afbraak, hoge treksterkte, hoge thermische isolatie en hoge elastische herstel. Onlangs is het gebruikt om koolstofvlokken te bereiden die in supercapacitors 12 gebruikt worden en om holle koolstofmicrovezels te creëren voor elektrochemische detectie 13 .

Het bewerken van een massief koolstofmateriaal om driedimensionale (3D) structuren te vervaardigen is een moeilijke taak, omdat het materiaal zeer bros is. Gerichte ion zijnAm 14 , 15 of reactief ionen etsen 16 kunnen nuttig zijn in deze context, maar ze zijn dure en tijdrovende processen. Koolstofmicro-elektromechanische systeem (C-MEMS) technologie, die is gebaseerd op de pyrolyse van patroonvormige polymere structuren, is een veelzijdig alternatief. In de afgelopen twee decennia hebben C-MEMS en carbon nanoelectromechanical systems (C-NEMS) veel aandacht gekregen vanwege de eenvoudige en goedkope fabricage stappen die hierbij betrokken zijn. Het conventionele C-MEMS fabricageproces wordt uitgevoerd in twee stappen: (i) het verduisteren van een polymeervoorloper (bijvoorbeeld een fotoresist) met fotolithografie en (ii) pyrolyse van de patroonstructuren. Ultraviolette (UV) -curable polymeervoorlopers, zoals SU8 fotoresists, worden vaak gebruikt voor patroonstructuren op basis van fotolithografie. In het algemeen omvat het fotolithografieproces stappen voor spincoating, zachte bakken, UV-blootstelling, postbake en devewikkeling. In het geval van C-MEMS; silicium; Siliciumdioxide; Siliciumnitride; kwarts; En recentelijk zijn saffier gebruikt als substraten. De foto-patroon polymeerstructuren worden bij een hoge temperatuur (800-1,100 ° C) in een zuurstofvrije omgeving gecarboniseerd. Bij die verhoogde temperaturen in een vacuüm of inerte atmosfeer worden alle niet-koolstofelementen verwijderd, waardoor alleen koolstof wordt gelaten. Deze techniek zorgt voor het bereiken van hoogwaardige glasachtige koolstofstructuren die zeer geschikt zijn voor vele toepassingen, waaronder elektrochemische detectie 17 , energieopslag 18 , triboelectrische nanogeneratie 19 en elektrokinetische partikelmanipulatie 20. Ook de fabricage van 3D-microstructuren met Hoge aspect ratio's met behulp van C-MEMS is relatief makkelijk geworden en heeft geleid tot een grote verscheidenheid aan toepassingen van kool-elektroden 18 , 21 , 22 , 23 , vervangen vaak edele metalen elektroden.

In dit werk wordt de recente ontwikkeling van een eenvoudige en kosteneffectieve manier om holle koolstofmicrofibers van menselijk haar te vervaardigen met behulp van niet-conventionele C-MEMS-technologie 13 geïntroduceerd. Het conventionele SU8-polymer-gebaseerde C-MEMS-proces wordt hier ook beschreven. Specifiek wordt de fabricageprocedure voor vaste deeltjesverhouding en holle SU8 structuren beschreven 24.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. 3D Human Hair-afgeleide Koolstof Structuur Fabricage

OPMERKING: Gebruik persoonlijke beschermingsmiddelen. Volg de instructies van de laboratorium om de instrumenten te gebruiken en in het laboratorium te werken.

  1. Bereid het verzamelde menselijke haar op door het met DI water te wassen en met N 2 gas te drogen.
  2. Rangschik de haren zoals gewenst, zoals in parallelle strengen, overkruist, met twee haren gewikkeld, enz.
  3. Bevestig de haren op een siliconen substraat met SU8 of houd ze direct in een keramische boot.
  4. Plaats het haarbevestigde silicium substraat of boot in een oven.
  5. Zet de oven aan en open de klep van een inertgas (N 2 ) tank.
    OPMERKING: De optimale gasstroomsnelheid is afhankelijk van het volume van de ovenbuis. Een 6 L / min stromingssnelheid werd toegepast voor een buisvolume van 6 L. Om een ​​volledig inerte omgeving in de ovenbuis te vestigen, was een gasstroming van 1,5 keer hoger dan het optimale gas fHet lage tarief werd toegepast voor de eerste 15 minuten.
  6. Stel de parameters in, met inbegrip van de maximale pyrolytemperatuur, temperatuurverschuivingssnelheid, en inertgas stromingssnelheid, en voer de oven.
    1. Bijvoorbeeld, verhoging van de temperatuur van kamertemperatuur tot 300 ° C bij een snelheid van 5 ° C / min. Houd het bij 300 ° C gedurende 1 uur voor stabilisatie. Verhoog de temperatuur verder tot 900 ° C en houd het gedurende 1 uur meer voor de verbranding.
    2. Koel de oven tot 300 ° C bij een snelheid van 10 ° C / min en zet de verwarming van de oven uit, aangezien de gecontroleerde koeling niet nodig is na 300 ° C. Laat de monsters in de oven zitten totdat de temperatuur de kamertemperatuur bereikt door alleen N 2- stroming.
  7. Zet de oven en de gasstroom uit bij het afronden van het pyrolyseproces.
  8. Neem de monsters uit de oven.

2. 3D Polymer Structuur Fabricage: Photolithography

  1. desIgnoreer een 2D-indeling van de gewenste 3D-fotoresiststructuur met behulp van een geschikt softwarepakket en berei het gedrukte masker voor (bijvoorbeeld een polyethyleenfotofilmsmasker).
    OPMERKING: een commerciële dienst werd gebruikt om het ontwerp af te drukken. De grootte van het masker hangt meestal af van het ontwerp.
  2. Schakel in twee laboratoriumfaciliteiten twee kookplaten in en stel de temperaturen in op respectievelijk 65 ° C en 95 ° C.
  3. Zet een spincoater en een vacuümpomp aan. Zorg ervoor dat de vacuümpomp via een buis aan de spinnerkop is aangesloten.
  4. Stel de parameters van de tweestapspinning in, zoals de draaisnelheid, de oprit en de duur. Voor de eerste stap zet u de draaisnelheid tot 500 rpm, de helling naar 100 rpm / s, en de draaitijd tot 10 s om de spincyclus te starten. Voor de volgende stap zet u de draaisnelheid op 1.000 rpm, de helling naar 100 rpm / s en de draaitijd tot 30 s om de fotoresist gelijkmatig te verspreiden.
  5. Plaats een substraat ( dwz een 4 inch x 4 inch en 5501; m ± 25 μm dikke Si wafer met een 1 μm dikke SiO 2 laag) in het midden van de houder.
  6. Deponeer lichtgevoelig polymeer (dwz SU8 fotoresist) direct in het midden van het substraat. Gebruik genoeg om het oppervlak te bedekken.
  7. Druk op de "vacuum" knop om het substraat vast te houden.
  8. Druk op de knop "Run" om het substraat te bedekken met SU8 en om een ​​uiteindelijke dikte van 250 μm te bereiken.
  9. Na het afronden van het draaiproces, druk opnieuw op de "vacuum" knop om het gecoate substraat van de houder los te laten.
  10. Houd het gecoate substraat voorzichtig met een pincet om het oppervlak glad en schoon te houden. Breng het substraat direct over op de hete plaat bij 65 ° C temperatuur gedurende 6 minuten en dan op de kookplaat bij 95 ° C temperatuur gedurende 40 minuten (zachte bakken).
    OPMERKING: Bakken bij 65 ° C is nodig om de langzame verdamping van het oplosmiddel te waarborgen, wat resulteert in een betere coating en betere adhesie tO het substraat, terwijl het bakken bij 95 ° C de SU8 verder verdicht.
  11. Druk ondertussen op de schakelaar om het UV-belichtingssysteem in te schakelen en de belichtingstijd in te stellen op "12 s" met de ingestelde knop in het systeem.
    OPMERKING: Voor een 250 μm dikke SU8 laag moet de belichtingsenergie 360 ​​mJ / cm 2 zijn .
  12. Zodra de bakstap (stap 2.10) is voltooid, zet het substraat in het UV-belichtingssysteem en plaats de afgedrukte zijde van een fotomask (van stap 2.1) erop. Gebruik het hele maskergebied om het gecoate substraat te bedekken en druk voorzichtig om te voorkomen dat er sprake is van een kloof tussen het masker en het substraat.
  13. Stel het SU8-gecoate substraat bloot aan UV-straling door het fotomasker met vooraf gedefinieerde UV-instellingen.
  14. Verhit het substraat opnieuw door het gedurende 5 minuten rechtstreeks op de kookplaat bij 65 ° C en bij 14 ° C bij 95 ° C te plaatsen voor een postbloembake (PEB).
    OPMERKING: De PEB verhoogt de mate van verknoping in de UV-blootgestelde gebieden en maakt deCoating meer bestand tegen oplosmiddelen in de ontwikkelingsstap.
  15. Verwijder de onbelichte fotoresistregio's door het substraat in de toegewijde ontwikkelaaroplossing te plukken die gedurende 20 minuten in een beker geplaatst wordt. Schud de oplossing voortdurend (zorgvuldig) om te zorgen voor een volledige verwijdering van de niet blootgestelde weerstandsgebieden.
  16. Droog de ontwikkelde structuren door het substraat vast te houden en stikstof of perslucht op te blazen.
  17. Controleer de wafer onder een microscoop met 50X vergroting om de patronen die met de gewenste patronen zijn overgedragen aan de fotoresist te vergelijken.

3. 3D Koolstof Structuur Fabricage: Pyrolyse

  1. Plaats de monsters die zijn bereid met fotolithografie (stappen 2.1-2.17) in een onder druk staande buisoven.
  2. Zet de oven aan en stel de parameters voor pyrolyse in, zoals hierboven vermeld in stap 1. Herhaal het proces van stap 1.6-1.8.
  3. Hanteer de monsters zorgvuldig met behulp van een pincet en ga verder naar karakteratie.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Een schematische weergave van het fabricageproces voor microfibers uit menselijk haar afgeleide holle koolstofvezels is weergegeven in figuur 1 . Het gekarboniseerde menselijk haar werd gekenmerkt door gebruik te maken van SEM om de krimp te schatten. De haardiameter daalde van 82,88 ± 0,003 μm tot 31,42 ± 0,003 μm door de pyrolyse. Scanning-elektronenmicroscopische (SEM) afbeeldingen van verschillende patronen gemaakt met behulp van met haar afgeleide kools...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

In deze paper werden de methoden voor het vervaardigen van een verscheidenheid van koolstofmicrostructuren gebaseerd op de pyrolyse van natuurlijke voorlopermaterialen of fotomonsterde polymeerstructuren gerapporteerd. De koolstofmaterialen die voortvloeien uit zowel de traditionele als niet-conventionele C-MEMS / C-NEMS-processen worden doorgaans gevonden als glaskarbonaten. Glazen koolstof is een veel gebruikte elektrode materiaal voor elektrochemie en ook voor toepassingen met hoge temperaturen. De microstructuur van...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd ondersteund door Technologico de Monterrey en de Universiteit van Californië in Irvine.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
SU8-2100MicrochemProduct number-Y1110750500L
SpinnerLaurell Technologies CorporationModel-WS650HZB-23NPP/UD3
HotplateTorrey Pines ScientificHS61
UV-exposerMercury Lamp, SYLVANIAH44GS-100M, P/N-34-0054-01
PhotomaskCAD/ArtGeen nummer
Developer MicrochemY020100 4000L 
DI water systemMilli QZOOQOVOTO
IPACTR SientificCTR 01244
N2 gasAOC MexicoGeen nummer
FurnacePEO 601, ATV Technologie GMBHModel-PEO 601, Serial no.-195
Si/SiO2Noel Technologies

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Meer artikelen verkennen

Koolstof-MEMSpyrolyseprocesSU-8 fotolakkoolstof uit menselijk haarglasachtig koolstofRaman-spectroscopieEDX-analyseelektrochemische sensorendopamine-detectieascorbinezuursensering
Fabricage van 3D Koolstof Micro-Elektromechanische Systemen (C-MEMS)
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.