Summary
Lange und hohle glasartige Kohlenstoffmikrofasern wurden auf der Basis der Pyrolyse eines Naturproduktes, menschliches Haar, hergestellt. Die beiden Herstellungsschritte von kohlenstoffmikroelektromechanischen und kohlenstoff-nanoelektromechanischen Systemen oder C-MEMS und C-NEMS sind: (i) Photolithographie eines kohlenstoffreichen Polymervorläufers und (ii) Pyrolyse des gemusterten Polymervorläufers.
Abstract
Eine breite Palette von Kohlenstoffquellen gibt es in der Natur, mit einer Vielzahl von Mikro- / Nanostruktur-Konfigurationen. Hier wird eine neuartige Technik zur Herstellung von langen und hohlen glasartigen Kohlenstoffmikrofasern aus menschlichen Haaren eingeführt. Die langen und hohlen Kohlenstoffstrukturen wurden durch die Pyrolyse von menschlichem Haar bei 900 ° C in einer N 2 -Atmosphäre hergestellt. Die Morphologie und die chemische Zusammensetzung der natürlichen und pyrolysierten menschlichen Haare wurden unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie (SEM) bzw. elektronendispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) untersucht, um die physikalischen und chemischen Veränderungen aufgrund der Pyrolyse zu schätzen. Raman-Spektroskopie wurde verwendet, um die glasartige Natur der Kohlenstoff-Mikrostrukturen zu bestätigen. Pyrolysierter Haarkohlenstoff wurde eingeführt, um die bedruckten Kohlenstoffelektroden zu modifizieren; Die modifizierten Elektroden wurden dann auf die elektrochemische Erfassung von Dopamin und Ascorbinsäure aufgebracht. Die Erfassungsleistung der modifizierten Sensoren wurde im Vergleich zum Unmodi verbessertFied Sensoren. Um die gewünschte Kohlenstoffstrukturkonstruktion zu erhalten, wurde eine Kohlenstoff-Mikro- / Nanoelektromechanische System- (C-MEMS / C-NEMS) -Technologie entwickelt. Das häufigste C-MEMS / C-NEMS-Herstellungsverfahren besteht aus zwei Schritten: (i) der Strukturierung eines kohlenstoffreichen Basismaterials, wie eines lichtempfindlichen Polymers, unter Verwendung von Photolithographie; Und (ii) Karbonisierung durch die Pyrolyse des gemusterten Polymers in einer sauerstofffreien Umgebung. Das C-MEMS / NEMS-Verfahren wurde weitgehend zur Entwicklung von mikroelektronischen Bauelementen für verschiedene Anwendungen eingesetzt, ua in Mikrobatterien, Superkondensatoren, Glukosesensoren, Gassensoren, Brennstoffzellen und triboelektrischen Nanogeneratoren. Hier werden die jüngsten Entwicklungen eines hochauflösenden Feststoff- und Hohlkohlenstoff-Mikrostrukturen mit SU8-Photoresists diskutiert. Die strukturelle Schrumpfung während der Pyrolyse wurde mittels konfokaler Mikroskopie und SEM untersucht. Raman-Spektroskopie wurde verwendet, um die Kristallinität der Struktur zu bestätigen, und der atomare Prozentsatz der Elemente preseNt im Material vor und nach der Pyrolyse wurde mit EDX gemessen.
Introduction
Carbon hat viele Allotrope und kann je nach Anwendungsfall eines der folgenden Allotrope ausgewählt werden: Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs), Graphit, Diamant, amorpher Kohlenstoff, Lonsdalion, Buckminsterfulleren (C 60 ), Fullerit (C 540 ), Fulleren ( C 70 ) und glasartigem Kohlenstoff 1 , 2 , 3 , 4 . Glasiger Kohlenstoff ist einer der am häufigsten verwendeten Allotrope wegen seiner physikalischen Eigenschaften, einschließlich der hohen Isotropie. Es hat auch folgende Eigenschaften: gute elektrische Leitfähigkeit, geringer Wärmeausdehnungskoeffizient und Gasundurchlässigkeit.
Es wurde eine kontinuierliche Suche nach kohlenstoffreichen Vorläufermaterialien erhalten, um Kohlenstoffstrukturen zu erhalten. Diese Vorläufer können künstliche Materialien oder natürliche Produkte sein, die in bestimmten Formen verfügbar sind und sogar Abfallprodukte enthalten. Eine Vielzahl von micr O / nanostrukturen werden über biologische oder umwelttechnische Prozesse in der Natur gebildet, was zu einzigartigen Merkmalen führt, die mit herkömmlichen Fertigungswerkzeugen extrem schwierig zu erstellen sind. Da die Musterbildung in diesem Fall natürlich stattfand, konnte die Synthese von Nanomaterialien unter Verwendung von Natur- und Abfall-Kohlenwasserstoff-Vorläufern unter Verwendung eines einfachen, einstufigen thermischen Zersetzungsprozesses in einer Inert- oder Vakuumatmosphäre, der Pyrolyse 5 , durchgeführt werden. Hochwertige Graphen, einwandige CNTs, mehrwandige CNTs und Kohlenstoffpunkte wurden durch thermische Zersetzung oder die Pyrolyse von pflanzlichen Vorläufern und Abfällen, einschließlich Samen, Fasern und Ölen, wie Terpentinöl, Sesamöl, hergestellt , Neemöl ( Azadirachta indica ), Eukalyptusöl, Palmöl und Jatrophaöl. Auch Kampferprodukte, Teebaum-Extrakte, Abfallnahrungsmittel, Insekten, Agroabfälle und Nahrungsmittelprodukte wurden 6 , 7 ,Ass = "xref"> 8 , 9 Vor kurzem haben Forscher sogar Seidenkokons als Vorläufermaterial verwendet, um poröse Kohlenstoffmikrofasern herzustellen 10 . Das menschliche Haar, das gewöhnlich als Abfallmaterial angesehen wird, wurde vor kurzem von diesem Team benutzt. Es besteht aus etwa 91% Polypeptiden, die mehr als 50% Kohlenstoff enthalten; Der Rest sind Elemente wie Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel 11 . Haar kommt auch mit einigen interessanten Eigenschaften, wie sehr langsamer Abbau, hohe Zugfestigkeit, hohe Wärmedämmung und hohe elastische Erholung. In letzter Zeit wurde es verwendet, um in den Superkondensatoren 12 eingesetzte Kohlenstoffflocken herzustellen und Hohlkohlenstoffmikrofasern für die elektrochemische Erfassung 13 zu erzeugen.
Die Bearbeitung eines Schüttgutmaterials zur Herstellung dreidimensionaler (3D) Strukturen ist eine schwierige Aufgabe, da das Material sehr spröde ist. Fokussiertes IonAm 14 , 15 oder reaktives Ionenätzen 16 können in diesem Zusammenhang nützlich sein, aber es sind teure und zeitaufwändige Prozesse. Carbon-Mikroelektromechanik (C-MEMS) -Technologie, die auf der Pyrolyse von gemusterten Polymerstrukturen basiert, stellt eine vielseitige Alternative dar. In den vergangenen zwei Jahrzehnten haben C-MEMS und Carbon-Nanoelektromechanische Systeme (C-NEMS) aufgrund der einfachen und kostengünstigen Fertigungsschritte viel Aufmerksamkeit erlangt. Das herkömmliche C-MEMS-Herstellungsverfahren wird in zwei Schritten durchgeführt: (i) Strukturieren eines Polymervorläufers ( z. B. eines Photoresists) mit Photolithographie und (ii) Pyrolyse der gemusterten Strukturen. Ultraviolett (UV) -veränderbare Polymervorläufer, wie z. B. SU8-Photoresists, werden häufig verwendet, um Strukturen auf der Grundlage der Photolithographie zu bilden. Im Allgemeinen umfasst das Photolithographieverfahren Schritte für die Schleuderbeschichtung, das weiche Backen, die UV-Exposition, das Nachbacken und die EntwicklungLopment Im Fall von C-MEMS; Silizium; Siliciumdioxid; Siliciumnitrid; Quarz; Und in letzter Zeit wurden Saphir als Substrate verwendet. Die photostrukturierten Polymerstrukturen werden bei einer hohen Temperatur (800-1.100 ° C) in einer sauerstofffreien Umgebung carbonisiert. Bei diesen erhöhten Temperaturen in einem Vakuum oder einer inerten Atmosphäre werden alle Nicht-Kohlenstoff-Elemente entfernt, wobei nur Kohlenstoff übrig bleibt. Diese Technik ermöglicht die Erzielung hochwertiger, glasartiger Kohlenstoffstrukturen, die für viele Anwendungen sehr nützlich sind, einschließlich der elektrochemischen Erfassung 17 , des Energiespeichers 18 , der triboelektrischen Nanogenierung 19 und der elektrokinetischen Partikelmanipulation 20. Auch die Herstellung von 3D-Mikrostrukturen mit Hohe Aspektverhältnisse unter Verwendung von C-MEMS ist relativ einfach geworden und hat zu einer Vielzahl von Kohlenstoffelektrodenanwendungen 18 , 21 , 22 , 23 , die oft Edelmetallelektroden ersetzen.
In dieser Arbeit wird die jüngste Entwicklung eines einfachen und kostengünstigen Verfahrens zur Herstellung von Hohlkohlenstoff-Mikrofasern aus menschlichem Haar unter Verwendung nicht konventioneller C-MEMS-Technologie 13 eingeführt. Das herkömmliche SU8-Polymer-basierte C-MEMS-Verfahren wird hier ebenfalls beschrieben. Speziell wird das Herstellungsverfahren für hoch-Seitenverhältnis-Feststoffe und hohle SU8-Strukturen beschrieben 24.
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Protocol
1. 3D Mensch-Haar-abgeleitete Kohlenstoff-Struktur-Herstellung
HINWEIS: Persönliche Schutzausrüstung verwenden. Befolgen Sie die Laboranweisungen, um die Instrumente zu benutzen und im Labor zu arbeiten.
- Bereiten Sie gesammeltes menschliches Haar vor, indem Sie es mit DI-Wasser waschen und es mit N 2 -Gas trocknen.
- Die Haare wie gewünscht anordnen, wie z. B. in parallelen Strängen, kreuzen, mit zwei zusammengewickelten Haaren usw.
- Befestigen Sie die Haare auf einem Siliziumsubstrat mit SU8 oder halten Sie sie direkt in einem keramischen Boot.
- Legen Sie das mit Haaren versehene Siliziumsubstrat oder Boot in einen Ofen.
- Schalten Sie den Ofen ein und öffnen Sie das Ventil eines Inertgases (N 2 ).
HINWEIS: Die optimale Gasdurchflussmenge ist abhängig vom Volumen des Ofenrohres. Für ein Röhrenvolumen von 6 L wurde eine 6 L / min-Durchflussmenge angelegt. Um eine vollständig inerte Umgebung im Ofenrohr herzustellen, wurde eine Gasströmungsrate 1,5 mal höher als das optimale Gas fNiedrige Rate wurde für die ersten 15 min angewendet. - Stellen Sie die Parameter ein, einschließlich der maximalen Pyrolysetemperatur, der Temperaturrampenrate und der Inertgasdurchflussrate und führen Sie den Ofen aus.
- Zum Beispiel erhöhen Sie die Temperatur von Raumtemperatur auf 300 ° C bei einer 5 ° C / min Rampenzahl. Halten Sie es bei 300 ° C für 1 h zur Stabilisierung. Weiterhin die Temperatur auf 900 ° C erhöhen und für 1 h mehr für die Karbonisierung aufrechterhalten.
- Den Ofen auf 300 ° C mit einer Geschwindigkeit von 10 ° C / min abkühlen und den Heizer ausschalten, da die kontrollierte Kühlung nach 300 ° C nicht erforderlich ist. Lassen Sie die Proben in den Ofen, bis die Temperatur Raumtemperatur nur durch N 2 fließt.
- Schalten Sie den Ofen und den Gasfluss nach Beendigung des Pyrolyseprozesses aus.
- Nehmen Sie die Proben aus dem Ofen.
2. 3D-Polymerstruktur-Fertigung: Photolithographie
- DesEntwerbe ein 2D-Layout der gewünschten 3D-Photoresiststruktur unter Verwendung eines geeigneten Softwarepakets und bereite die gedruckte Maske ( dh eine Polyethylen-Photofilmmaske) vor.
HINWEIS: Ein kommerzieller Service wurde verwendet, um das Design gedruckt zu bekommen. Die Größe der Maske hängt in der Regel vom Design ab. - In einem sauberen Laboratorium zwei Heizplatten einschalten und die Temperaturen auf 65 ° C bzw. 95 ° C einstellen.
- Schalten Sie einen Schleuderbeschichter und eine Vakuumpumpe ein. Stellen Sie sicher, dass die Vakuumpumpe über ein Rohr mit dem Spinnkopf verbunden ist.
- Legen Sie die Parameter des zweistufigen Spins fest, z. B. die Spinngeschwindigkeit, die Rampe und die Dauer. Für den ersten Schritt die Spinngeschwindigkeit auf 500 U / min, die Rampe auf 100 U / min und die Schleuderzeit auf 10 s einstellen, um den Schleuderzyklus zu beginnen. Für den nächsten Schritt die Spinngeschwindigkeit auf 1.000 U / min, die Rampe auf 100 U / min und die Spinzeit auf 30 s einstellen, um den Photoresist gleichmäßig zu verbreiten.
- Legen Sie ein Substrat ( dh ein 4 Zoll x 4 Zoll und 5501, m ± 25 μm dicker Si-Wafer mit einer 1 μm dicken SiO 2 -Schicht) in der Mitte des Halters.
- Setzen Sie das lichtempfindliche Polymer (dh den SU8-Photoresist) direkt auf die Mitte des Substrats ein. Verwenden Sie genug, um die Oberfläche zu bedecken.
- Drücken Sie die Taste "Vakuum", um das Substrat zu halten.
- Drücken Sie die "Run" -Taste, um das Substrat mit SU8 zu beschichten und eine Enddicke von 250 μm zu erreichen.
- Nach Beendigung des Spinnvorgangs drücken Sie erneut die Taste "Vakuum", um das beschichtete Substrat aus dem Halter zu lösen.
- Halten Sie das beschichtete Substrat sorgfältig mit einer Pinzette, um die Oberfläche glatt und sauber zu halten. Übertragen Sie das Substrat direkt auf die Heizplatte bei 65 ° C Temperatur für 6 min und dann auf die Heizplatte bei 95 ° C Temperatur für 40 min (weiches Backen).
HINWEIS: Das Backen bei 65 ° C ist erforderlich, um die langsame Verdampfung des Lösungsmittels zu gewährleisten, was zu einer besseren Beschichtung und einer besseren Haftung führtO das Substrat, während das Backen bei 95 ° C das SU8 weiter verdichtet. - Drücken Sie in der Zwischenzeit den Schalter, um das UV-Belichtungssystem einzuschalten und stellen Sie die Zeit der Belichtung mit "12 s" mit der Set-Taste im System ein.
HINWEIS: Für eine 250 μm dicke SU8-Schicht muss die Belichtungsenergie 360 mJ / cm 2 betragen. - Sobald der Backschritt (Schritt 2.10) abgeschlossen ist, setzen Sie das Substrat in das UV-Belichtungssystem und legen Sie die bedruckte Seite einer Fotomaske (ab Schritt 2.1) darauf. Benutze den ganzen Maskenbereich, um das beschichtete Substrat zu bedecken und sanft zu drücken, um sicherzustellen, dass es keine Lücke zwischen Maske und Substrat gibt.
- Setzen Sie das SU8-beschichtete Substrat durch die Photomaske mit vordefinierten UV-Einstellungen auf UV-Strahlung aus.
- Das Substrat erneut erhitzen, indem man es direkt auf die Heizplatte bei 65 ° C für 5 min und bei 95 ° C für 14 min für einen Nachbelichtungs-Backen (PEB) platziert.
HINWEIS: Der PEB erhöht den Vernetzungsgrad in den UV-exponierten Bereichen und macht denBeschichtung im Lösungsschritt widerstandsfähiger gegenüber Lösungsmitteln. - Entfernen Sie die unbelichteten Photoresistregionen, indem Sie das Substrat in die dafür vorgesehene Entwicklerlösung tauchen, für 20 min in ein Becherglas gegeben. Die Lösung sorgfältig schütteln (sorgfältig), um die vollständige Entfernung der unbelichteten Resistbereiche zu gewährleisten.
- Trocknen Sie die entwickelten Strukturen, indem Sie das Substrat halten und Stickstoff oder Druckluft aufblasen.
- Untersuche den Wafer unter einem Mikroskop mit 50facher Vergrößerung, um die auf den Photoresist übertragenen Muster mit den gewünschten Mustern zu vergleichen.
3. 3D-Kohlenstoffstruktur-Herstellung: Pyrolyse
- Legen Sie die mit der Photolithographie hergestellten Proben (Schritte 2.1-2.17) in einen unter Druck stehenden, offenen Rohrofen.
- Schalten Sie den Ofen ein und stellen Sie die Parameter für die Pyrolyse ein, wie oben in Schritt 1 erwähnt. Wiederholen Sie den Vorgang ab Schritt 1.6-1.8.
- Behandeln Sie die Proben sorgfältig mit Pinzetten und gehen Sie zu charakterisierenAtion
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Representative Results
Ein Schema des Herstellungsverfahrens für Menschenhaar-abgeleitete Hohlkohlenstoff-Mikrofasern ist in Fig. 1 gezeigt . Das karbonisierte menschliche Haar wurde durch SEM charakterisiert, um die Schrumpfung zu schätzen. Der Haardurchmesser schrumpfte von 82,88 ± 0,003 μm auf 31,42 ± 0,003 μm aufgrund der Pyrolyse. Rasterelektronenmikroskopische (SEM) -Bilder von verschiedenen Mustern, die mit Haaren abgeleitete Kohlenstoffmikrofasern hergestellt wurden, sind in Fig. 2 gezeigt . Die Atomprozentsätze der im Haar vor und nach der Pyrolyse vorhandenen Elemente sind in Tabelle 1 dargestellt. Das menschliche Haar, das in dieser Forschung verwendet wurde, war (Atomprozent) 66,57% Kohlenstoff, 16,19% Sauerstoff, 7,94% Stickstoff, 9,14% Schwefel und ein kleiner Prozentsatz an Mineralien wie Calcium. Der Atomprozentsatz von Kohlenstoff und Sauerstoff betrug 80,84% bzw. 14,83% nach der Pyrolyse. Raman-spektroskopische Analyse der Haare bVor und nach der Pyrolyse wurde auch wie in Abbildung 3 gezeigt durchgeführt. Nur zwei breite Spitzen, die den D- und G-Bändern entsprechen, wurden für die Haare nach der Pyrolyse gefunden. Das Verhältnis der Intensitäten des D-Bandes zum G-Band in den Haaren abgeleiteten Kohlenstofffasern wurde mit 0,99 berechnet, was darauf hinweist, dass die Haare abgeleiteten Fasern meist glasartiger Kohlenstoff sind.
Die mit Haaren abgeleiteten Kohlenstofffasern wurden angewendet, um Dopamin und Ascorbinsäure unter Verwendung eines elektrochemischen Sensors zu detektieren. Eine Siebdruck-Kohlenstoff-Elektrode wurde mit den vom Haaren abgeleiteten Kohlenstofffasern modifiziert und als Arbeitselektrode des Sensors verwendet. Ein schematisches Diagramm der Kohlenstoffelektroden für die elektrochemische Erfassung ist in Fig. 4a gezeigt . Cyclische Voltammogramme von 100 & mgr; M Dopamin und 100 & mgr; M Ascorbinsäure in einer 0,1 M Phosphatpufferlösung von pH 7,4 sind in 4b gezeigt und c, respecTiv Eine blanke Kohlenstoffelektrode, eine mit dem haarfestigen Kohlenstoff modifizierte Kohlenstoffelektrode und eine mit den CNTs modifizierte Kohlenstoffelektrode wurden als Arbeitselektrode der Sensoren verwendet, um die Leistung zu vergleichen, um Dopamin und Ascorbinsäure zu detektieren. Die Oxidationsspitzen für Dopamin wurden bei 333 mV für die blanke Kohlenstoffelektrode gemessen, 266 mV für die mit den Haaren abgeleitete Kohlenstofffasern modifizierte Kohlenstoffelektrode und 96 mV für die mit den CNTs modifizierte Elektrode. Die Oxidationsspitzen für Ascorbinsäure wurden bei 414 mV, 455 mV und 297 mV für diese Elektroden beobachtet.
Ein schematisches Diagramm des herkömmlichen C-MEMS-Verfahrens, die photolithographische Strukturierung eines Polymervorläufers und die anschließende Pyrolyse ist in Fig. 5 gezeigt . Diese gefertigten Strukturen wurden durch konfokale Mikroskopie und SEM charakterisiert, um die Schrumpfung durch Pyrolyse zu schätzen. Fünf zylindrische Strukturen von tDie gleiche Höhe (250 μm) und der Außendurchmesser (150 μm), aber mit verschiedenen Innendurchmessern ( dh 0 (fest), 30, 50, 75 und 100 μm (hohl)) wurden für diese Studie hergestellt. Die geometrischen Veränderungen der zylindrischen Strukturen aufgrund der Pyrolyse wurden gemessen. Der Prozentsatz der Schrumpfung wurde für verschiedene innere und äußere Durchmesserstrukturen variiert. Als der Innendurchmesser 0 μm betrug (eine feste Mikrostruktur), schrumpfte der Außendurchmesser um 35%. Als die Innendurchmesser 30, 50 und 75 μm betrugen, schrumpften die Außendurchmesser und Innendurchmesser um 42% bzw. 30 - 35%. Bei einem Innendurchmesser von 100 μm erhöhte sich der Innendurchmesser um 12%, anstatt zu schrumpfen, und der Außendurchmesser schrumpfte nur um 15%. In Fig. 6 sind die SEM-Bilder von festen und hohlen Kohlenstoffmikrostrukturen, von denen die ursprünglichen Innendurchmesser 30, 40 und 75 & mgr; m waren, gezeigt. 3D optische Bilder von Hohlmikrostrukturen vor und nach PyrolYsis sind auch in Abbildung 7 dargestellt. Alle Mikrostrukturen schrumpfen fast 30% in der Höhe (250 bis 175 μm) nach den konfokalen mikroskopischen Bildern.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens für menschliche Haar-abgeleitete Hohlkohlenstoff-Mikrofasern. Reproduktion mit Genehmigung aus Referenz 13 . Copyright 2016, Elsevier Ltd. Bitte klicken Sie hier um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2: SEM-Bilder unterschiedlicher Muster von Haaren abgeleitete Kohlenstoff-Mikrofasern. ( A und b ) AusgerichtetHt Kohlenstoff-Mikrofasern. Maßstab = 50 μm. ( C und d ) Eine Coiled-Carbon-Mikrofaser. Maßstäbe = 20 bzw. 100 μm. ( E und f ) Eine gebrochene hohle Kohlenstoff-Mikrofaser . Reproduktion mit Genehmigung aus Referenz 13 . Copyright 2016, Elsevier Ltd. Bitte klicken Sie hier um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3: Raman-Spektren des menschlichen Haares vor und nach der Pyrolyse. Reproduktion mit Genehmigung aus Referenz 13 . Copyright 2016, Elsevier Ltd. Bitte klicken Sie hier um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4: Elektrochemische Erfassung von Dopamin und Ascorbinsäure. ( A ) Schematische Darstellung von Kohlenstoffelektroden für die elektrochemische Erfassung. Cyclische Voltammogramme von ( b ) 100 μM Dopamin und ( c ) 100 μM Ascorbinsäure. Reproduktion mit Genehmigung aus Referenz 13 . Copyright 2016, Elsevier Ltd. Bitte klicken Sie hier um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5: Ein schematisches Schema des konventionellen C-MEMS-Prozesses auf Basis von Photolithographie und Pyrolyse. ( A ) Spin coPhotoresist, ( b ) UV-Exposition, ( c ) Entwicklung und ( d ) Pyrolyse. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 6: Rasterelektronenmikroskopische Bilder von Kohlenstoff-Mikrostrukturen, die nach dem konventionellen C-MEMS-Verfahren hergestellt wurden. ( A ) feste und ( b ) Hohlstrukturen mit verschiedenen Innendurchmessern. Maßstäbe = 500 μm. Vergrößerte Bilder für (c) die festen und die hohlen Strukturen, deren Innendurchmesser vor der Pyrolyse ( d ) 30, ( e ) 50 und ( f ) 75 μm waren. Maßstäbe = 50 μm. Reproduziert mit Erlaubnis aus Referenz 24 . Copyright 2016, Die elektrochemische Gesellschaft. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 7: 3D optische Bilder von Hohlmikrostrukturen. ( A ) Vor und ( b ) nach der Pyrolyse. Reproduziert mit Erlaubnis von Refernce 24 . Copyright 2016, Die elektrochemische Gesellschaft. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
| Element | Vor der Pyrolyse | Nach pyrolyse | Atom% | Atom% |
| Kohlenstoff | 66,57 | 80,84 |
| Sauerstoff | 16.19 | 14,83 |
| Stickstoff | 7,94 | 0 |
| Schwefel | 9.14 | 0,21 |
| Kalzium | 0,16 | 0,21 |
| Natrium | 0 | 0,22 |
| Silizium | 1,82 | 3.69 |
Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung, die durch EDX für das menschliche Haar vor und nach der Pyrolyse analysiert wurde. Reproduktion mit Genehmigung aus Referenz 13 . Copyright 2016, Elsevier Ltd.
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Discussion
In dieser Arbeit wurden die Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Kohlenstoff-Mikrostrukturen auf der Basis der Pyrolyse von natürlichen Vorläufermaterialien oder photomusterisierten Polymerstrukturen beschrieben. Die Kohlenstoffmaterialien, die sowohl aus den herkömmlichen als auch aus nicht konventionellen C-MEMS / C-NEMS-Verfahren resultieren, sind typischerweise glasartige Kohlenstoffe. Glassy Carbon ist ein weit verbreitetes Elektrodenmaterial für die Elektrochemie und auch für Hochtemperaturanwendungen. Die Mikrostruktur aus glasartigem Kohlenstoff besteht aus kristallinen und amorphen Bereichen. Glasiger Kohlenstoff hat hohe Leitfähigkeit, gute Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, niedrige Dichte, geringer elektrischer Widerstand und relativ hohe Härte und hohe Beständigkeit gegen chemischen Angriff.
Wir haben eine einfache und kostengünstige Methode vorgeschlagen, um hohle glasartige Kohlenstoffmikrofasern aus menschlichem Haar herzustellen und ihre Anwendung auf die elektrochemische Erfassung von Ascorbinsäure und Dopamin zu beschreiben. Die Herstellung von langen, holNiedrige und elektrisch leitfähige Kohlenstoff-Mikrofasern war möglich mit der kostengünstigen, einstufigen thermischen Behandlung von menschlichen Haaren, die ein Abfallmaterial ist. Ein menschliches Haar, das aus Medulla, Kortex und Nagelhaut bestand, erzeugte nach der Pyrolyse eine hohle Kohlenstofffaser. Die Medulla verschwand, während die Nagelhaut und Kortex zusammen und schaffen lange, hohle Kohlenstoff-Fasern. Die einzigartige Anatomie der menschlichen Haare, besonders ihre Hohlstruktur nach der Pyrolyse, zeichnet sich durch eine signifikante Zunahme der Oberfläche aus, die zu ihrer Verwendung in der elektrochemischen Erfassung führt. Für die Arbeitselektrode, die mit den haarkonierten Kohlenstoffen modifiziert wurde, wurden die Peakpotentiale für Dopamin und Ascorbinsäure zu negativeren und positiven Werten verschoben. Die Oberfläche des haarabgeleiteten Kohlenstoffs ist wenig negativ geladen, was positiv geladenes Dopamin anzieht und daher wurden die Spitzenströme für Dopamin erhöht und für Ascorbinsäure verringert. Als Ergebnis, menschlichen Haaren abgeleitet hohlen Kohlenstoff mMikrofasern könnten nützlich sein, um Dopamin in Gegenwart von Ascorbinsäure nachzuweisen. Eine vergleichende Untersuchung der elektrochemischen Erfassungsleistung von blanken Elektroden und modifizierten Elektroden (mit Haaren abgeleiteten Kohlenstoff und CNTs) wurde durchgeführt. Die mit Haaren abgeleitete Kohlenstoff-modifizierte Elektrode zeigt eine bessere Erfassungsleistung als die unmodifizierte Elektrode, aber die CNT-beschichteten Elektroden zeigten die beste Leistung zum Erfassen von Dopamin und Ascorbinsäure in diesen experimentellen Bedingungen, wie erwartet wurde. Die CNTs zeigen eine höhere Empfindlichkeit aufgrund ihres größeren Flächen-zu-Volumen-Verhältnisses gegenüber haarabgeleiteten Hohlkohlenstofffasern. Allerdings ist der große Vorteil der Verwendung von Haar-abgeleitete Kohlenstoff-Mikrofasern über CNTs die extrem niedrigen Kosten. Die Leichtigkeit der Herstellung der Haarkohole macht sie auch über CNTs dominieren. Es ist möglich, die Erfassungsleistung durch weitere Modifikation oder Funktionalisierung der menschlichen Haare vor oder nach der Pyrolyse zu verbessern.
Der SchrumpfungseffektAufgrund der Pyrolyse ist unvermeidbar, da sich nicht-Kohlenstoff-Atome bei hohen Temperaturen von den Kohlenstoff-Bindungen lösen, was zu einem erheblichen Massenverlust führt. Vor dem Entwerfen einer gewünschten Struktur sollte man eine gute Schätzung der erwarteten Schrumpfung der gemusterten Struktur haben. Hier wurde die Schrumpfung der unter Verwendung eines herkömmlichen C-MEMS-Verfahrens hergestellten Kohlenstoffstrukturen untersucht, die zwei Schritte zur Photostrukturierung und Pyrolyse von Polymerstrukturen umfasst. Für die Schrumpfungsstudie wurden fünf Strukulare mit unterschiedlichen Innendurchmessern (0, 30, 50, 75 und 100 μm) in Betracht gezogen, während der Außendurchmesser bei 150 μm für alle Strukturen konstant gehalten wurde. Die Strukturen mit Innendurchmessern von 0, 30, 50 und 75 μm zeigten mehr Schrumpfung am Außendurchmesser als der Innendurchmesser nach der Pyrolyse. In diesen Fällen waren die äußeren Oberflächenbereiche größer als die inneren Oberflächenbereiche. So waren die äußeren Oberflächen während des Schrumpfprozesses dominant, so dass mehr Nicht-Kohlenstoffatome zu l wurdenEave die Strukturen. Bei der Struktur mit einem Innendurchmesser von 100 μm, bei der auch die innere Oberfläche einen erheblichen Teil der Gesamtfläche ausmachte, stieg die Schrumpfung sowohl an der Innen- als auch an der Außenfläche an.
Die Parameter für die Pyrolyse, wie die Pyrolysezeit, die maximale Pyrolysetemperatur und die atmosphärische Umgebung, beeinflussen die Eigenschaften der Kohlenstoffstruktur erheblich, wie die elektrische Leitfähigkeit, die chemische Zusammensetzung, die elektrochemische Eigenschaft usw. Die laufende Forschung konzentriert sich auf Die Auswirkungen der Pyrolysebedingungen auf die Qualitäten und Eigenschaften von Kohlenstoffstrukturen aufzudecken. Bei herkömmlichen C-MEMS können auch Kohlenstoffstrukturen mit unterschiedlichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, was zu einer Vielzahl von Anwendungen führt, indem die photolithographischen Bedingungen wie die Backzeiten, die Backtemperatur, die Art des Photoresists geändert werden , Und die Zusatzstoffe. Es ist unserDass diese Forschung den Forschern auf dem Gebiet der Kohlenstoffstruktur-Nano / Mikrofabrikation für eine Vielzahl von Anwendungen erhebliche und nützliche Informationen liefern kann.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von Technologico de Monterrey und der University of California in Irvine unterstützt.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| SU8-2100 | Microchem | Product number-Y1110750500L | |
| Spinner | Laurell Technologies Corporation | Model-WS650HZB-23NPP/UD3 | |
| Hotplate | Torrey Pines Scientific | HS61 | |
| UV-exposer | Mercury Lamp, SYLVANIA | H44GS-100M, P/N-34-0054-01 | |
| Photomask | CAD/Art | No number | |
| Developer | Microchem | Y020100 4000L | |
| DI water system | Milli Q | ZOOQOVOTO | |
| IPA | CTR Sientific | CTR 01244 | |
| N2 gas | AOC Mexico | No number | |
| Furnace | PEO 601, ATV Technologie GMBH | Model-PEO 601, Serial no.-195 | |
| Si/SiO2 | Noel Technologies |
References
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