Summary
Långa och ihåliga glasiga kolmikrofiber tillverkades baserat på pyrolysen hos en naturlig produkt, humant hår. De två tillverkningsstegen för kolmikroelektromekaniska och kolnanoelektromekaniska system, eller C-MEMS och C-NEMS, är: (i) fotolitografi av en kolrik polymerprekursor och (ii) pyrolys av den mönstrade polymerprekursom.
Abstract
Ett brett spektrum av kolkällor är tillgängliga i naturen, med en mängd olika mikro- / nanostrukturskonfigurationer. Här introduceras en ny teknik för att tillverka långa och ihåliga glasiga kolmikrofiber härledda från mänskliga hår. De långa och ihåliga kolstrukturerna gjordes genom pyrolys av humant hår vid 900 ° C i en N2-atmosfär. Morfologin och kemisk sammansättning av naturliga och pyrolyserade mänskliga hår undersöktes med användning av skanningelektronmikroskopi (SEM) respektive elektrondispersiv röntgenspektroskopi (EDX) för att uppskatta fysiska och kemiska förändringar på grund av pyrolys. Ramanspektroskopi användes för att bekräfta den glasaktiga karaktären hos kolmikrostrukturerna. Pyrolyserat hårkarbon infördes för att modifiera skärmtryckta kolelektroder; De modifierade elektroderna applicerades sedan på den elektrokemiska avkänningen av dopamin och askorbinsyra. Sensorns prestanda för de modifierade sensorerna förbättrades jämfört med unmodiFied sensorer. För att erhålla den önskade kolstrukturstrukturen utvecklades teknologin för kolmikro- / nanoelektromekaniska system (C-MEMS / C-NEMS). Den vanligaste tillverkningen av C-MEMS / C-NEMS består av två steg: (i) mönstret av ett kolrikt material, såsom en fotokänslig polymer, med fotolitografi; Och (ii) karbonisering genom pyrolysen hos den mönstrade polymeren i en syrefri miljö. C-MEMS / NEMS-processen har använts i stor utsträckning för att utveckla mikroelektroniska anordningar för olika tillämpningar, bland annat i mikrobatterier, superkapacitorer, glukosgivare, gasgivare, bränsleceller och triboelektriska nanogeneratorer. Här diskuteras senaste utvecklingen av en solid-i-halt-förhållande med solida och ihåliga kolmikrostrukturer med SU8 fotoresister. Den strukturella krympningen under pyrolys undersöktes med användning av konfokal mikroskopi och SEM. Ramanspektroskopi användes för att bekräfta strukturens kristallinitet, och den atomprocenta procenten av elementen preseNt i materialet före och efter pyrolysen mättes med användning av EDX.
Introduction
Kol har många allotrop och, beroende på den speciella applikationen, kan en av följande allotroper väljas: kolnanorör (CNT), grafit, diamant, amorft kol, lonsdaleit, buckminsterfullerene (C 60 ), fullerit (C 540 ), fulleren C 70 ) och glasagtigt kol 1 , 2 , 3 , 4 . Glasigt kol är en av de mest använda allotropen på grund av dess fysikaliska egenskaper, inklusive hög isotropi. Det har också följande egenskaper: bra elektrisk ledningsförmåga, låg termisk expansionskoefficient och gasogenomtränglighet.
Det har gjorts en kontinuerlig sökning efter kolrika prekursormaterial för att erhålla kolkonstruktioner. Dessa precursorer kan vara konstgjorda material eller naturliga produkter som är tillgängliga i vissa former och till och med inbegriper avfallsprodukter. Ett brett utbud av mikr O / nanostrukturer bildas via biologiska eller miljöprocesser i naturen, vilket resulterar i unika egenskaper som är extremt svåra att skapa med hjälp av konventionella tillverkningsverktyg. När mönstret gjordes naturligt i detta fall skulle syntesen av nanomaterial med användning av naturliga och avfallskolväteprekursorer kunna utföras med användning av en enkel, enstegsprocess av termisk sönderdelning i en inert eller vakuumatmosfär, kallad pyrolys 5 . Högkvalitativa grafen, enkelväggiga CNT, flerväggiga CNT och kolpunkter har framställts genom termisk sönderdelning eller pyrolysen av växtgenererande prekursorer och avfall, inklusive frön, fibrer och oljor, såsom terpentinolja, sesamolja , Neemolja ( Azadirachta indica ), eukalyptusolja, palmolja och jatrophaolja. Dessutom har kamferprodukter, te-träxtrakt, avfallsmedel, insekter, agroavfall och livsmedelsprodukter använts 6 , 7 ,Ass = "xref"> 8 , 9 Nyligen har forskare även använt silkkokoner som ett föregångsmaterial för att förbereda porösa kolmikrofiber 10 . Mänskligt hår, som vanligen betraktades som ett avfall, användes nyligen av detta lag. Den består av ca 91% polypeptider, som innehåller mer än 50% kol; Resten är element som syre, väte, kväve och svavel 11 . Håret kommer också med flera intressanta egenskaper, till exempel mycket långsam nedbrytning, hög draghållfasthet, hög värmeisolering och hög elastisk återhämtning. Nyligen har det använts för att framställa kolflingor som används i superkapacitorer 12 och för att skapa ihåliga kolmikrofiber för elektrokemisk avkänning 13 .
Bearbetning av ett bulkkolmaterial för att tillverka tredimensionella (3D) strukturer är en svår uppgift, eftersom materialet är mycket sprött. Fokuserad jon varaAm 14 , 15 eller reaktiv jonetsning 16 kan vara användbar i detta sammanhang, men de är dyra och tidskrävande processer. Kemisk mikroelektromekanisk system (C-MEMS) -teknologi, som bygger på pyrolys av mönstrade polymera strukturer, representerar ett mångsidigt alternativ. Under de senaste två decennierna har C-MEMS och kolnanoelektromekaniska system (C-NEMS) fått mycket uppmärksamhet på grund av de enkla och billiga tillverkningsstegen som är involverade. Den konventionella C-MEMS-tillverkningsprocessen utförs i två steg: (i) mönstring av en polymerprekursor ( t.ex. en fotoresist) med fotolitografi och (ii) pyrolys av de mönstrade strukturerna. Ultravioletta (UV) -härdbara polymerprekursorer, såsom SU8-fotoresister, används ofta för mönsterstrukturer baserade på fotolitografi. I allmänhet innefattar fotolithografiprocessen steg för spinbeläggning, mjuk bakning, UV-exponering, efterbakning och develing. I fallet med C-MEMS; kisel; kiseldioxid; Kiselnitrid; kvarts; Och nyligen har safir använts som substrat. De fotomönstrade polymerstrukturerna karboniseras vid en hög temperatur (800-1,100 ° C) i en syrefri miljö. Vid dessa förhöjda temperaturer i vakuum eller inert atmosfär avlägsnas alla icke-kolelementen, vilket bara lämnar kol. Denna teknik möjliggör uppnåande av högkvalitativa glasartade kolstrukturer, vilka är mycket användbara för många tillämpningar, inklusive elektrokemisk avkänning 17 , energilagring 18 , triboelektrisk nanogenerering 19 och elektrokinetisk partikelmanipulation 20. Också tillverkningen av 3D-mikrostrukturer med Höga proportioner med användning av C-MEMS har blivit relativt enkla och har lett till en mängd olika karbonelektroder applikationer 18 , 21 , 22 , 23 , som ofta ersätter ädelmetallelektroder.
I detta arbete introduceras den senaste utvecklingen av en enkel och kostnadseffektiv metod för att tillverka ihåliga kolmikrofiber från humant hår med användning av icke-konventionell C-MEMS-teknik 13 . Den konventionella SU8-polymerbaserade C-MEMS-processen beskrivs också här. Specifikt beskrivs tillverkningsförfarandet för fastämnen med hög bildförhållande och ihåliga SU8-strukturer 24.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 3D Människorhår-härledd Kolfrukturställning
OBS! Använd personlig skyddsutrustning. Följ laboratorieinstruktionerna för att använda instrumenten och arbeta inuti laboratoriet.
- Beredda uppsamlat humant hår genom att tvätta det med DI vatten och torka det med N 2 gas.
- Ordna håren som önskat, till exempel i parallella trådar, korsa över, med två hår sår ihop, etc.
- Fäst håren på ett kiselsubstrat med SU8 eller behåll dem direkt i en keramisk båt.
- Placera det hårfästa kiselsubstratet eller båten i en ugn.
- Sätt på ugnen och öppna ventilen i en inertgas (N 2 ) tank.
OBS: Den optimala gasflödeshastigheten är beroende av ugnsrörets volym. En 6 l / min flödeshastighet applicerades för en rörvolym av 6 L. För att etablera en helt inert miljö i ugnsröret, en gasflödeshastighet 1,5 gånger högre än den optimala gasfLåg hastighet användes under de första 15 min. - Ställ in parametrarna, inklusive maximal pyrolystemperatur, temperaturramphastighet och inertgasflödeshastighet och kör ugnen.
- Till exempel öka temperaturen från rumstemperatur till 300 ° C vid en 5 ° C / min ramphastighet. Håll det vid 300 ° C i 1 h för stabilisering. Vidare höja temperaturen till 900 ° C och bibehålla den i 1 h mer för karbonisering.
- Kyl ugnen till 300 ° C med en hastighet av 10 ° C / min och stäng av ugnsvärmaren, eftersom den kontrollerade kylningen inte är nödvändig efter 300 ° C. Lämna provet i ugnen tills temperaturen når rumstemperatur med endast N 2 flöde.
- Stäng av ugnen och gasflödet vid fullbordandet av pyrolyseprocessen.
- Ta provet ur ugnen.
2. 3D Polymer Structure Fabrication: Photolithography
- desIgnorera en 2D-layout av den önskade 3D-fotoresiststrukturen med hjälp av ett lämpligt mjukvarupaket och förbereda den tryckta masken ( dvs. en polyetenfotofilmsmask).
OBS! En kommersiell tjänst användes för att få utskrift av designen. Maskens storlek beror vanligtvis på designen. - I en ren laboratorieanläggning slår du på två kokplattor och ställer in temperaturerna till 65 ° C respektive 95 ° C.
- Slå på en spinnbeläggare och en vakuumpump. Kontrollera att vakuumpumpen är ansluten genom ett rör till spinnhuvudet.
- Ställ in parametrarna för tvåstegs-spinnet, såsom spinnhastighet, ramp och varaktighet. För det första steget sätt spinnhastigheten till 500 varv / min, rampen till 100 rpm / s och spinntiden till 10 s för att starta spinncykeln. För nästa steg, sätt spinnhastigheten till 1000 rpm, rampen till 100 rpm / s, och spinntiden till 30 s för att jämnt sprida fotoresisten.
- Placera ett substrat ( dvs en 4 tum x 4 tum och 5501; m ± 25 μm tjock Si-skiva med ett 1 μm tjockt SiO 2 lager) i hållarens mitt.
- Deponera ljuskänslig polymer (dvs SU8 fotoresist) direkt på substratets mitt. Använd tillräckligt för att täcka ytan.
- Tryck på "vakuum" -knappen för att hålla underlaget.
- Tryck på "run" -knappen för att belägga substratet med SU8 och för att uppnå en slutlig tjocklek på 250 μm.
- Efter avslutad spinning, tryck på "vacuum" knappen igen för att lossa det belagda substratet från hållaren.
- Håll det belagda substratet försiktigt med en pincett för att hålla ytan jämn och ren. Överför substratet direkt till varmplattan vid 65 ° C i 6 minuter och sedan på varmplattan vid 95 ° C i 40 minuter (mjuk bakning).
OBS: Bakning vid 65 ° C krävs för att långsamt avdriva lösningsmedlet, vilket resulterar i bättre beläggning och bättre vidhäftning tO substratet, medan bakning vid 95 ° C förtätar ytterligare SU8. - Under tiden trycker du på strömbrytaren för att slå på UV-exponeringssystemet och ställa in exponeringstid för "12 s" med inställningsknappen i systemet.
OBS! För ett 250 μm tjockt SU8-lager måste exponeringsenergin vara 360 mJ / cm 2 . - När bakningsteget (steg 2.10) är klart, sätt substratet i UV-exponeringssystemet och placera den tryckta sidan av en fotomask (från steg 2.1) på den. Använd hela maskområdet för att täcka det belagda substratet och tryck försiktigt så att det inte finns något mellanrum mellan masken och substratet.
- Exponera det SU8-belagda substratet mot UV-strålning genom fotomasken med fördefinierade UV-inställningar.
- Värm substratet igen genom att placera det direkt på kokplattan vid 65 ° C i 5 minuter och vid 95 ° C under 14 minuter för en efterexponeringsbakning.
OBS: PEB ökar graden av tvärbindning i de UV-exponerade områdena och görBeläggning mer resistent mot lösningsmedel i utvecklingssteget. - Ta bort de oexponerade fotoresistregionerna genom att doppa substratet i den dedikerade utvecklarlösningen, placerad i en bägare, under 20 minuter. Skaka lösningen kontinuerligt (försiktigt) för att säkerställa fullständigt avlägsnande av de oexponerade motståndsområdena.
- Torka de utvecklade strukturerna genom att hålla substratet och blåsa kväve eller tryckluft på den.
- Inspektera skivan under ett mikroskop med 50X förstoring för att jämföra de mönster som överförts till fotoresisten med önskade mönster.
3. 3D Carbon Structure Fabrication: Pyrolyse
- Placera proverna beredda med hjälp av fotolitografi (steg 2.1-2.17) inuti en trycksatt, öppen rörsugn.
- Slå på ugnen och sätt parametrarna för pyrolys, som nämnts ovan i steg 1. Upprepa processen från steg 1.6-1.8.
- Hantera provet försiktigt med pincett och fortsätt till characterization.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En schematisk bildning av tillverkningsprocessen för humant hårhärledda ihåliga kolmikrofiber visas i Figur 1 . Det karboniserade humana håret karakteriserades med användning av SEM för att uppskatta krympningen. Hårdiametern sjönk från 82,88 ± 0,003 μm till 31,42 ± 0,003 μm på grund av pyrolysen. Scanningelektronmikroskopiska (SEM) bilder av olika mönster gjorda med härrörande kolmikrofiber visas i Figur 2 . Atomprocenten av de element som finns i håret före och efter pyrolysen presenteras i Tabell 1 . Det mänskliga håret som användes i denna forskning var (atomprocent) 66,57% kol, 16,19% syre, 7,94% kväve, 9,14% svavel och en liten andel mineraler såsom kalcium. Atomprocenten av kol och syre befanns vara 80,84% respektive 14,83% efter pyrolysen. Raman spektroskopisk analys av håret bFöre och efter pyrolys utfördes också som visas i figur 3 . Endast två breda toppar motsvarande D- och G-banden hittades för håret efter pyrolys. Förhållandet mellan intensiteterna för D-bandet till G-bandet i de håravledda kolfibrerna beräknades vara 0,99, vilket indikerar att de hårbaserade fibrerna huvudsakligen är glasartade kol.
De håravledda kolfibrerna applicerades för att detektera dopamin och askorbinsyra med användning av en elektrokemisk sensor. En skärmtryckad kolelektrod modifierades med håravledda kolfibrer och användes som sensorens arbetselektrod. Ett schematiskt diagram över kolelektroderna för elektrokemisk avkänning visas i figur 4a . Cykliska voltammograms av 100 | jM dopamin och 100 | jM askorbinsyra i en 0,1 M fosfatbuffertlösning med pH 7,4 visas i figur 4b och c resp.tivt. En koldelektrode, en kolelektrod modifierad med det håravledda kolet och en kolelektrod modifierad med CNT användes som arbetselektroden hos sensorerna för att jämföra prestanda för att detektera dopamin och askorbinsyra. Oxidationstopparna för dopamin mättes vid 333 mV för den nakna kolelektroden, 266 mV för kolelektroden modifierad med håravledda kolfibrer och 96 mV för elektroden modifierad med CNT. Oxidationstopparna för askorbinsyra observerades vid 414 mV, 455 mV och 297 mV för respektive elektroder.
Ett schematiskt diagram över den konventionella C-MEMS-processen, den fotolitografiska mönstret av en polymerprekursor och den efterföljande pyrolysen, visas i figur 5 . Dessa tillverkade strukturer karakteriserades med användning av konfokal mikroskopi och SEM för att uppskatta krympningen på grund av pyrolys. Fem cylindriska strukturer av tDen samma höjden (250 μm) och ytterdiametern (150 μm) men med olika inre diametrar ( dvs 0 (fast), 30, 50, 75 och 100 μm (ihålig)) tillverkades för denna studie. De geometriska förändringarna av de cylindriska strukturerna på grund av pyrolysen mättes. Procentandelen krympning varierades för olika inre och yttre diameterstrukturer. När den inre diametern var 0 μm (en fast mikrostruktur) minskade ytterdiametern kring 35%. När de inre diametrarna var 30, 50 och 75 μm, sjönk ytterdiametrarna och inre diametrar kring 42% respektive 30-35%. I fallet med en inre diameter på 100 μm expanderade den inre diametern 12%, snarare än att krympa, och ytterdiametern krympte endast 15%. I figur 6 visas SEM-bilderna av fasta och ihåliga kolmikrostrukturer, av vilka de ursprungliga inre diametrarna var 30, 40 och 75 | im. 3D optiska bilder av ihåliga mikrostrukturer före och efter pyrolYsis visas också i figur 7 . Alla mikrostrukturer krympte nästan 30% i höjd (250 till 175 μm) enligt de konfokala mikroskopiska bilderna.
Figur 1: Schematiskt diagram över tillverkningsförfarandet för humant hårhärledda hålkolfiberfibrer. Reproducerad med tillstånd från referens 13 . Copyright 2016, Elsevier Ltd. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: SEM-bilder av olika mönster av håravledda kolmikrofiber. ( A och b ) Justerad sträckHt kolmikrofiber. Skala bar = 50 μm. ( C och d ) En spolad kolmikrofiber. Skalstänger = 20 respektive 100 μm. ( E och f ) En bruten ihålig kolmikrofiber . Reproducerad med tillstånd från referens 13 . Copyright 2016, Elsevier Ltd. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Ramanspektra av mänskligt hår före och efter pyrolys. Reproducerad med tillstånd från referens 13 . Copyright 2016, Elsevier Ltd. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Elektrokemisk känsla av dopamin och askorbinsyra. ( A ) Schematiskt diagram över kolelektroder för elektrokemisk avkänning. Cykliska voltammogram av ( b ) 100 | iM dopamin och ( c ) 100 | jM askorbinsyra. Reproducerad med tillstånd från referens 13 . Copyright 2016, Elsevier Ltd. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Ett schematiskt diagram över den konventionella C-MEMS-processen baserad på fotolitografi och pyrolyse. ( A ) Spin coFotografering, ( b ) UV-exponering, ( c ) utveckling och ( d ) pyrolys. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Scanningelektronmikroskopiska bilder av kolmikrostrukturer som tillverkats av den konventionella C-MEMS-processen. ( A ) Massiva och ( b ) ihåliga strukturer med olika inre diametrar. Skalstänger = 500 μm. Förstorade bilder för (c) de fasta och ihåliga strukturerna, av vilka de inre diametrarna före pyrolysen var ( d ) 30, ( e ) 50 och ( f ) 75 | im. Skalstänger = 50 μm. Reproducerad med tillstånd från referens 24 . Upphovsrätt 2016, det elektrokemiska samhället. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 7: 3D optiska bilder av hålmikrostrukturer. ( A ) Före och ( b ) efter pyrolys. Reproducerad med tillstånd från referens 24 . Copyright 2016, The Electrochemical Society. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
| Element | Före pyrolyse | Efter pyrolyse | Atom% | Atom% |
| Kol | 66,57 | 80,84 |
| Syre | 16,19 | 14,83 |
| Kväve | 7,94 | 0 |
| Svavel | 9,14 | 0,21 |
| Kalcium | 0,16 | 0,21 |
| Natrium | 0 | 0,22 |
| Kisel | 1,82 | 3,69 |
Tabell 1: Kemisk komposition analyserad av EDX för humant hår före och efter pyrolys. Reproducerad med tillstånd från referens 13 . Copyright 2016, Elsevier Ltd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I detta dokument rapporterades metoderna för tillverkning av en mängd olika kolmikrostrukturer baserade på pyrolysen av naturliga prekursormaterial eller fotomönstrade polymerstrukturer. Kolmaterialen som erhålls från både de traditionella och icke-konventionella C-MEMS / C-NEMS-processerna är typiskt förekommande att vara glasiga kolatomer. Glasigt kol är ett allmänt använt elektrodmaterial för elektrokemi och även för högtemperaturapplikationer. Mikrostrukturen av glasigt kol består av både kristallina och amorfa områden. Glasigt kol har hög konduktivitet, gott motstånd mot höga temperaturer, låg densitet, lågt elektrisk motstånd och relativt hög hårdhet och hög resistans mot kemiska attacker.
Vi föreslog en enkel och billig metod för att tillverka ihåliga glasiga kolmikrofiber från människahår och beskrev deras tillämpning på elektrokemisk avkänning av askorbinsyra och dopamin. Tillverkningen av lång, holLåga och elektriskt ledande kolmikrofiber var möjlig med den billiga, enstegs termiska behandlingen av humant hår, vilket är ett avfallsmaterial. Ett humant hår som består av medulla, cortex och cuticle, producerade en ihålig kolfiber efter pyrolys. Medulla försvann, medan näsan och cortexen kombinerades och skapade långa, ihåliga kolfibrer. Den unika anatomin hos humant hår, särskilt dess ihåliga struktur efter pyrolys, kännetecknas av en signifikant ökning av ytarean vilket leder till deras användning vid elektrokemisk avkänning. För arbetselektroden modifierad med de härledda kolatomerna skiftades topppotentialerna för dopamin och askorbinsyra mot respektive negativa och positiva värden. Ytan av det håravledda kolet är lite negativt laddat vilket attraherar positivt laddad dopamin och därför ökade toppströmmen för dopamin och minskade för askorbinsyra. Som en följd hålkollegerad människahår mMikrofibrer kan vara användbara för att detektera dopamin i närvaro av askorbinsyra. En jämförande studie av elektrokemisk avkänning av nakna elektroder och modifierade elektroder (med kol som härrör från kol och CNT) har utförts. Den håravledda kolmodifierade elektroden visar bättre avkänningsprestanda än den omodifierade elektroden, men de CNT-belagda elektroderna uppvisade den bästa prestandan för att avkänna dopamin och askorbinsyra under dessa experimentella betingelser, vilket förväntades. CNT: erna visar högre känslighet på grund av deras större ytarea-volymförhållande över håravledda ihåliga kolfibrer. Emellertid är den stora fördelen med att använda håravledda kolmikrofiber över CNT-värden den extremt låga kostnaden. Lättframställning av hårhärledda kolatomer gör dem också dominerande över CNT. Det är möjligt att förbättra sensorns prestanda genom ytterligare modifiering eller funktionalisering av de mänskliga håren före eller efter pyrolysen.
KrympeffektenPå grund av pyrolysen är oundviklig, eftersom icke-kolatomer avlägsnas från kolbindningarna vid höga temperaturer vilket orsakar en väsentlig massförlust. Innan man konstruerar en önskad struktur, borde man ha en bra uppskattning av den förväntade krympningen av den mönstrade strukturen. Här undersöktes krympningen av kolstrukturerna tillverkad med användning av en konventionell C-MEMS-process, som innefattar två steg för fotomönster och pyrolys av polymerstrukturer. Fem strucutres med olika inre diametrar (0, 30, 50, 75 och 100 μm) övervägdes för krympningsstudien, medan ytterdiametern hölls konstant vid 150 pm för alla strukturer. Konstruktionerna med inre diametrar av 0, 30, 50 och 75 μm visade mer krympning på ytterdiametern än den inre diametern efter pyrolys. I dessa fall var de yttre ytorna större än de inre ytan. De yttre ytorna dominerades sålunda under krympningsprocessen, vilket möjliggjorde fler icke kolatomer att lEave strukturerna. I strukturen med en inre diameter av 100 μm, där innerytan också utgjorde en signifikant del av den totala ytarean, kom krympningen på både inre och yttre ytor.
Parametrarna för pyrolyse, såsom pyrolysetiden, den maximala pyrolystemperaturen och atmosfären, påverkar väsentligen karbonstrukturens egenskaper, såsom elektrisk ledningsförmåga, kemisk sammansättning, elektrokemisk egendom osv. Löpande forskning fokuserar på Avslöjar effekterna av pyrolysförhållanden på karbonstrukturers egenskaper och egenskaper. I fallet med konventionella C-MEMS kan kolstrukturer med olika elektriska och mekaniska egenskaper också tillverkas, vilket resulterar i ett brett utbud av applikationer, genom att ändra fotolitografiska förhållanden, såsom bakningstider, bakningstemperatur, typ av fotoresist , Och tillsatserna. Det är vårtTro på att denna forskning kan ge väsentlig och användbar information till forskare inom området för koldioxidstruktur nano / mikrofabrikation för en mängd olika tillämpningar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingenting att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av Technologico de Monterrey och University of California i Irvine.
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
- 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).
- Jong, K. P. D., Geus, J. W. Carbon nanofibers: catalytic synthesis and applications. Catal Rev Sci Eng. 42, 481-510 (2000).
- Elrouby, M. Electrochemical applications of carbon nanotube. J Nano Adv Mat. 1 (1), 23-38 (2013).
- Baughman, R. H., Zakhidov, A. A., Heer, W. A. D. Carbon nanotubes-the route toward applications. Science. 297, 787-792 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Liang, Y., Wu, D., Fu, R. Carbon microfibers with hierarchical porous structure from electrospun fiber-like natural biopolymer. Sci Rep. 3, 1-5 (2013).
- Gupta, A. Human hair "waste" and its utilization: gaps and possibilities. J Waste Manag. 2014, 1-17 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kamath, R. R., Madou, M. J. Three-dimensional carbon interdigitated electrode arrays for redox-amplification. Anal Chem. 86 (6), 2963-2971 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sharma, S., Madou, M. Micro and nano patterning of carbon electrodes for bioMEMS. Bioinspir Biomim Nanobiomat. 1, 252-265 (2012).
- 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).
