Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Изготовление трехмерной на основе графена многогранников через оригами как самостоятельной складывания

Published: September 23, 2018 doi: 10.3791/58500
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Department of Electrical and Computer Engineering, University of Minnesota, Minneapolis, United States

Summary

Здесь мы представляем протокол для изготовления 3D на основе графена многогранников через оригами как самостоятельной складывания.

Abstract

Ассамблея двухмерный (2D) графена в трехмерные (3D) полиэдральных структуры при сохранении графена отличные свойства присущие был большой интерес для разработки приложений для новых устройств. Здесь изготовление 3D, микромасштабной, полые многогранники (кубики), состоящий из нескольких слоев 2D графена или графена оксид листы через процесс самостоятельного складной оригами как описано. Этот метод предполагает использование полимерной кадров и петли и оксида алюминия/хром защиты слои, которые уменьшают растяжение, пространственных и поверхностное натяжение напряжений на мембраны на основе графена, когда 2D сети превращаются в 3D кубов. Этот процесс предоставляет контроль над размером и формой структур, а также параллельного производства. Кроме того этот подход позволяет создавать поверхностных модификаций металла, кучность на каждой грани 3D кубов. Рамановская спектроскопия исследования показывают, что метод позволяет сохранение свойств мембран на основе графена, продемонстрировав устойчивость нашего метода.

Introduction

Двухмерный (2D) графена листы обладают Чрезвычайный оптических, электронных и механических свойств, что делает их модели систем для наблюдения за роман квантовых явлений для следующего поколения электронных, оптоэлектронных, электрохимические, Электромеханические и биомедицинских приложений1,2,3,4,5,6. Недавно, помимо производства как 2D слоистой структуры графена, исследованы различные модификации подходы соблюдать новые функциональные возможности графена и искать новые возможности для приложений. Например, модулирующая (или тюнинг) его физические свойства (т.е., допинг уровня и/или полоса разрыв), Пошив формы или кучность из 2D структуры в одномерный (1 D) или Нульмерное (0 D) структуры (например., графен nanoribbon или графена квантовых точек) была изучена для получения новых физических явлений, включая квантовые эффекты изоляции, локализованные плазмонных режимы, распределения локализованных электронов и спин поляризованных края государств7,8 ,9,10,,1112. Кроме того различные текстуры 2D графена, комкая (часто называемый kirigami), расслаивания, сгибается, скручивание, или укладки нескольких слоев или изменения формы поверхности графена путем переноса 2D графена на вершине 3D особенность (субстрата) был показано, что изменить смачиваемости графена, механические характеристики и оптические свойства13,14.

Помимо изменения поверхности морфологии и слоистой структуре 2D графена, Ассамблея 2D графена в функционализированных, четко определенных, трехмерные (3D) многогранников был большой интерес недавно в общине графена для получения новых физических и 15химических явлений. В теории, эластичное, электростатические и ван-дер-Ваальса энергий 2D на основе графена структуры могут быть использованы для преобразования 2D графена в различных графена 3D-оригами конфигураций16,17. Основываясь на этой концепции, исследования теоретического моделирования исследованы конструкции структуры 3D графена, образуются из наноразмерных 2D графена мембраны, с возможности использования лекарств и общих молекулярных хранения16,17. Тем не менее экспериментальный хода этого подхода является еще далеки от реализации этих приложений. С другой стороны ряд химических синтетических методов были разработаны для достижения 3D структур через шаблон помощь Ассамблеи, направленного потока, разрыхлитель Ассамблеи и конформных роста методы18,19 , 20 , 21 , 22. Однако, эти методы являются в настоящее время ограничены в том, что они не могут производить 3D, полые, замкнутые структуры без потери свойств листы графена.

Здесь изложена стратегия для построения 3D, полые, на основе графена microcubes (общий размер ~ 200 мкм) с помощью собственной складывания оригами как; преодоление важнейших задач в строительство свободностоящая, полые, 3D, многогранные, на основе графена материалов. В оригами как, свободные руки самостоятельно складной техники 2D lithographically рисунком Вселенский особенности (то есть, на основе графена мембраны) связаны с шарнирами (то есть, тепловой чувствительных полимеров, фоторезиста) на различных суставов, тем самым формирование 2D сети, которые складывают вверх когда петли нагреваются до плавления температура23,24,25,26. На основе графена кубов реализуются с окна мембранных компонентов, состоящий из нескольких слоев химического осаждения паров (CVD) выросли графена или графена оксид (GO) мембраны; Оба с использованием полимерной кадров и петли. Изготовление 3D кубов на основе графена включает в себя: (i) подготовка слоев защиты, (ii) графена мембраны передачи и кучность, (iii) металлическую поверхность, кучность на графена мембраны, (iv) рама и петли кучность и осаждения, (v). индивидуальной складывающиеся и (vi) удаление слоев защиты (Рисунок 1). Эта статья фокусируется в основном на самостоятельной складные аспекты изготовления 3D на основе графена кубов. Подробная информация о физических и оптических свойств 3D на основе графена кубов можно найти в наших других недавних публикаций27,28.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Предупреждение: Некоторые из химических веществ, используемых в этих синтезы являются токсичными и может вызвать раздражение и тяжелая орган ущерб когда коснулся или дыхательные пути. Пожалуйста используйте соответствующие безопасности оборудования и носить индивидуальной защиты при обращении с химикатами.

1. Подготовка оксида алюминия и хрома защиты слоя на слой меди жертвенных

  1. С помощью электронно лучевых испарителя, депозит 10 Нм толщиной хрома (Cr) и 300 Нм толщиной меди (Cu) слои (жертвенный слой) на подложке кремния (Si) (рис. 2a).
  2. Спин пальто фоторезиста (PR) -1 при 2500 об/мин следуют выпечки на 115 ° C 60 s.
  3. Разоблачить разработан 2D чистой области ультрафиолетового (УФ) света на контакт маска выравниватель для 15 s и развивать для 60 s в растворе разработчик-1. Промойте образца с дейонизированной водой (DI) и укладка феном с пневматический пистолет.
  4. Депозит 10 Нм-толстый слой Cr и старт оставшихся PR - 1 в ацетоне. Промойте образца с ди воды и укладка феном с пневматический пистолет (рис. 2b).
  5. Шаблон 2D сетки с шестью площади Al2O3/Cr защиты слои на 2D сети, спин пальто PR-1 при 2500 об/мин, следуют выпечки на 115 ° C 60 s.
  6. Разоблачить разработан шестью слоями квадратных защиты УФ света на контакт маска выравниватель для 15 s и развивать для 60 s в растворе разработчик-1. Промойте образца с ди воды и укладка феном с пневматический пистолет.
  7. Депозит 100 Нм Al2O3 слоем толщиной и 10 Нм толщиной слоя Cr. Удалите оставшиеся PR - 1 в ацетоне. Промойте образца с ди воды и укладка феном с пневматический пистолет (рис. 2 c).

2. Подготовка графена и графен оксид мембраны

Примечание: В этом исследовании, используются два типа материалов на основе графена: (i) химического осаждения паров (CVD) выросли графена и (ii) графена оксид (GO).

  1. Подготовка многослойных мембран CVD графен
    Примечание: Для получения многослойных графена мембраны, однослойные графена передается три отдельных раз с использованием нескольких представляет собой метакрилат (PMMA) покрытие/удаление шагов.
    1. Начиная с ~ 15 мм квадратный кусок графена присоединилась Cu фольги, спин пальто тонкий слой ПММА 3000 об/мин на поверхности графена. Выпекать при температуре 180 ° C в течение 10 мин.
    2. Место фольги слоистого листа ПММА/графена/Cu плавающей Cu стороне вниз в Cu etchant за 24 ч до etch прочь Cu фольги.
    3. После ТС фольги полностью растворяется (оставляя ПММА/графена), передачи плавающей PMMA-покрытием графена на поверхность ди воды с помощью микроскопа слайд стакан для удаления остатков Cu etchant. Повторите несколько раз передачу PMMA-покрытием графена на новые пулы воды ди адекватно прополоскать.
    4. Передача плавающей PMMA-покрытием графена на другой лист графена присоединилась Cu фольги (графена/Cu) для получения Би слое графена мембраны (формирование структуры фольги ПММА/графена/графена/Cu).
    5. Термически обработать двухслойный графен на Cu фольги на горячей плите при 100 ° C на 10 мин.
    6. Удалить, ПММА сверху двухслойного графена на Cu фольги в бане ацетон (оставляя стека слое графена/графена/Cu фольги), следуют передачи DI воды.
    7. Повторите передачу графен (2.1.1 - 2.1.5) еще раз, чтобы получить три уложены слои графена мембран. Когда шаг 2.1.4 достигается во время процесса повторного, вместо передачи новый лист PMMA-покрытием графена на другой лист графена/Cu, передать новый PMMA-покрытием графена на ранее сфабрикованные графена двухслойные с шагом 2.1.6 форме сочетание слой фольги ПММА/графена/графена/графена/Cu. Затем повторите шаг 2.1.5 без изменений.
    8. Место фольги слоистого листа ПММА/графена/графена/графена/Cu плавающей Cu стороне вниз в Cu etchant за 24 ч до etch прочь Cu фольги.
    9. Передача PMMA-покрытием три слои графена мембраны (ПММА/графена/графена/графена) на быстровозводимых Al2O3слоя /Cr защиты от раздела 1.
    10. После передачи графена удалите ПММА ацетоном. Затем погрузите образца в воде ди и высушить на воздухе.
    11. Термически лечить многослойных графена на подложке на горячей плите на 100 ° C в течение 1 ч.
    12. Спин пальто PR-1 при 2500 об/мин и выпекать при температуре 115 градусов 60 s.
    13. УФ разоблачить регионах PR-1 непосредственно выше площади защиты слоя с помощью контакта маски выравниватель для 15 s и развивать для 60 s в растворе разработчик-1.
    14. Удалите недавно обнаружили, нежелательные графена районы через плазменной очистки кислорода для 15 s.
    15. Удалите остатки PR-1 в ацетоне.
    16. Образца с ди водой промыть и высушить на воздухе (Рисунок 2d).
  2. Подготовка графена оксид мембран
    Примечание: Традиционной фотолитографии, последующим воздействием старт процесса через поток используется для картины GO мембраны.
    1. Спин пальто PR-2 при 1700 об/мин для 60 s поверх ранее сфабрикованные Al2O3защиты слои /Cr для получения толстым слоем 10 мкм. Выпекать в PR-2 115 ° C для 60 s и затем ждать 3 h.
    2. С же маска, используемая для структурирования слой защиты /Cr Al2O3, УФ предоставить образец на контакт маска выравниватель для 80 s и развивать для 90 s в растворе разработчик-2. Промойте образца с ди воды и укладка феном с пневматический пистолет.
    3. Выполните воздействия наводнений УФ всего образца без маски для 80 s.
    4. Спин пальто готовы идти и смесь (15 мг порошка GO в 15 мл воды ди) воды на образце при 1000 об/мин для 60 s. выполнение спин покрытие всего 3 раза.
    5. Окуните образца в разработчика-2 решение, позволяющее старт нежелательных GO.
    6. Промойте образца с ди водой и тщательно сушка образца с пневматический пистолет.
    7. Термически обработать образца на горячей плите на 100 ° C в течение 1 ч (Рисунок 2 h).

3. металлические поверхности кучность на основе графена мембраны

Примечание: Для достижения поверхности патронирования, с помощью УФ контакта маски выравниватель и электронно лучевых испарителя (см. 1.2-1.4) был проведен общий процесс фотолитографии.

  1. Создание 20 Нм толщиной титана (Ti) моделей на вершине рисунком на основе графена мембраны.
  2. Термически обработать образца на горячей плите на 100 ° C в течение 1 ч (Рисунок 2e для графена) и рисунке 2i для GO.

4. Изготовление полимерной кадров и петли

  1. На вершине мембраны на основе графена с Ti поверхности модели, спин пальто PR-3 при 2500 об/мин для 60 s форме толстым слоем 5 мкм и выпекать при температуре 90 ° C на 2 мин.
  2. УФ подвергать образцы для 20 s, выпекать при температуре 90 ° С в течение 3 мин и разработать для 90 s в растворе разработчик-3.
  3. Промойте образца с ди воды и изопропиловый спирт (IPA) и тщательно сушка образца с пневматический пистолет.
  4. После выпечки образцы на 200 ° C 15 мин для повышения механической жесткость рамы (PR-3) (Рисунок 2f для графена) и рисунке 2j для GO.
  5. Чтобы сделать шаблон петли, спин пальто PR-2 на 1000 об/мин для 60 s сформировать 10 мкм толщиной пленки поверх сборных субстрата. Выпекать при температуре 115 градусов за 60 сек и ждать 3 h.
  6. УФ разоблачить образца на контакт маска выравниватель для 80 s и развивать для 90 s в растворе разработчик-2.
  7. Промойте образца с ди водой и тщательно сушка образца с пневматический пистолет (рис. 2 g для графена) и Рисунок 2 k для GO.

5. самостоятельно складывания в воде ди

Примечание: Когда PR-2 петли плавятся (или оплавления), генерируется силы поверхностного натяжения; Следовательно 2D структуры превратить в трехмерных структур (самостоятельно складной процесс).

  1. Чтобы освободить 2D структуры, Растворите Cu жертвенного слоя под 2D сеток в Cu etchant (рис. 2 l).
  2. Тщательно выпустила структуры передачи в ванну воду ди с помощью пипетки и промыть несколько раз, чтобы удалить остаточные Cu etchant.
  3. Место 2D структуры в воде ди нагревается выше точки плавления полимера (PR-2) петель (рис. 2 m).
  4. Контролировать самостоятельно складывающиеся в режиме реального времени через оптической микроскопии и удалить из источника тепла на успешной сборки закрытым кубиками.

6. Удаление слоев защиты

  1. После самостоятельного складывания, удалите слои Al2O3/Cr защиты с Cr etchant (Рисунок 2n).
  2. Аккуратно перенести кубов в водяной бане ди и тщательно ополосните.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Рисунок 2 показывает оптических изображений литографических процессов 2D графена и GO чистой структур и последующего самостоятельного складной процесса. Процесс самостоятельного складной контролируется в режиме реального времени через микроскоп высокого разрешения. Оба типа 3D кубов на основе графена сложены в ~ 80 ° C. Рисунок 3 выкладывает видео захватили последовательностей, показаны самостоятельно складывания 3D на основе графена кубов на параллельной основе. При оптимизации процесса этот подход показывает высокий урожай ~ 90%.

Рисунок 4 показывает оптических изображений 3D собрал графена и GO-на основе кубов с и без поверхности модели. Общий размер самостоятельно сложить кубов-200 (ширина) × 200 (длина) × 200 (высота) мкм3. Чтобы показать кучность способность поверхности, 20 Нм толщиной Ti узорной функций и надписи «UMN» определены на каждой грани 3D на основе графена кубов.

До оценить структурные изменения в графена и GO мембран во время самостоятельной складной процесса, свойства графена и идти структур до и после самостоятельного складывания, характеризуются через спектры комбинационного. Рисунок 5А и 5b включают Рамановская спектроскопия нетронутой материалов на основе графена, 2D на основе графена сеток и 3D на основе графена кубов. Результаты показывают без заметных изменений в Раман пиковой позиции и интенсивности для графена и мембраны GO после самостоятельного складывания. Однако когда защита, что слои не используется (рис. 5 c), заметные изменения в относительной пиковых значений силы были замечены, указанием изменений или ущерб свойствам графена во время самостоятельной складывания.

Figure 1
Рисунок 1 : Схематическая иллюстрация процесса самостоятельного складной 3D на основе графена кубов () патронирования 2D чистый защитный слой. (b) передача на основе графена мембраны поверх слоя защиты. (c) металлическую поверхность, кучность на основе графена мембраны. (d) кучность кадра и петли. (e) выпускает 2D структуры от субстрата и самостоятельной складывающиеся, движимый оплавления петли через высокой температуры. (f) удаление защиты слоя 3D на основе графена кубов. Эта цифра адаптирован с разрешения28. Авторское право 2017, американского химического общества. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2 : Оптические изображения процесс изготовления литографии 2D графена и GO чистой структур и последующей самостоятельной складные процесс изготовления (a-c) слоев защиты. (a) 10 Нм толщиной Cr и 300 Нм толщиной Cu жертвенных слоёв залегают на Si пластин. (b) 10 Нм-толстый слой Cr и (c) 100 Нм толщиной Al2O3/10 Нм толщиной Cr защиты слои являются определенные (160 × 160 мкм2). (d-g) 2D сети CVD графена мембраны и Ti узорами. (d многослойные графена переносится на подложку и узорчатыми через плазменной очистки кислорода. (e) на верхней части мембраны узорной графена определены 20 Нм толщиной Ti шаблоны. (f узорные 5 шпангоутов толщиной PR-3 мкм. (g) чтобы сделать узор петля, Узорные пленки толщиной PR-2 10 мкм. (h-k) 2D сетки с GO мембраны и Ti узорами. (h) идти в воде спин покрытием три раза при 1000 об/мин за 60 секунд, производить мембраны толщиной GO ~ 10 Нм. Старт через процесс воздействия наводнений производится для шаблона GO мембраны. (i) на верхней части узорной GO Ti шаблоны определяются. Затем узорные (j) PR-3 кубических рамы и (k) PR-2 петли. (l-n) самостоятельно складной процесса. (l) релиз 2D сетки из жертвенного слоя. (m) самостоятельно складывания свободностоящая 2D сеток в воде, применяя температуры ~ 80 ° C. (n) удаление слоев защиты. Шкалы бар = 200 µm. Эта цифра адаптирован с разрешения28. Авторское право 2017, американского химического общества. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3 : Видео захватили последовательность процесса самостоятельного складной 3D на основе графена кубов Реальном времени оптических изображений 3D кубов на основе графена, захвачен после () 0, (b) 30, 60 (c), (d) 90, 120 (e) и (f) 150 s (до травления слоя защиты). Шкалы бар = 200 µm. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4 : Оптические изображения 3D кубов на основе графена с и без поверхности модели (a-b) 3D куб с тремя слоями пленок CVD графена и увеличенное изображение верхней поверхности 3D куб на основе графена CVD. (c-d) 3D cube с металлических шаблонов (20 Нм толщиной Ti) на мембраны графена CVD и увеличенное изображение верхней поверхности 3D куб на основе графена с шаблонами Ti. куб на основе GO (e-f) 3D и увеличенное изображение верхней поверхности 3D Куба на GO. (g-h) самостоятельно сложить 3D на основе GO куб с Ti шаблоны и увеличенное изображение верхней поверхности 3D Куба на GO с шаблонами Ti. Шкалы бар = 100 мкм. Эта цифра адаптирован с разрешения28. Авторское право 2017, американского химического общества. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 5
Рисунок 5 : Рамановская спектроскопия 2D на основе графена мембран и 3D на основе графена кубов () Раман спектр нетронутой CVD графена на подложке Si, 2D узорной графена CVD (перед складыванием самостоятельно) и свободностоящая 3D графена кубов (после самостоятельного складывания). Три пика вблизи ~ 1340 см-1 (Группа D), ~ 1580 см-1 (Группа G) и ~ наблюдаются 2690 см-1 (2D полоса). (b) Раман спектр ~ 10 слоев (~ 10 Нм толщиной) GO фильмов на Си, до собственной складывания и после самостоятельного складной (свободностоящая кубов). Четыре пики на ~ 1360 см-1 (Группа D), ~ 1605 см-1 (Группа G), ~ 2715 см-1, и ~ наблюдаются 2950 см-1 (D + G полоса). (c) Раман спектр трехмерных структур на основе графена с (зеленый) и без (красный) использование Al2O3/Cr защитного слоя. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Для кубов, изготовленных с CVD графена потому что каждый из заданного куба разработан с внешнюю рамку вокруг ~ 160 × 160 мкм2 области свободностоящая графена, один лист графена монослоя не имеют необходимые силы, чтобы разрешить Параллельная обработка кубов. По этой причине графена мембраны, состоящий из трех слоев CVD графена монослоя, которую листы производятся через три отдельных графена переводов с использованием нескольких ПММА покрытие/удаление шагов. С другой стороны, для подготовки GO мембраны, мы используем отдельные листы GO в воде, полученные через изменение Hummer метод27. Для картина GO мембраны, используется традиционной фотолитографии, последующим воздействием старт процесса через наводнения. Этот процесс использует воздействие наводнений после традиционной фотолитографии, но до GO мембраны осаждения. После го спин покрытия старт процесса затем выполняется в разработчик может удалить нежелательные области GO. Некоторые разработчики содержат гидроксид натрия (NaOH) водный щелочной раствор, который гравирует алюминия и Al2O3. Таким образом следует использовать свободный разработчик NaOH. Для этой работы конкретные разработчик, используемый для выполнения этого требования является решение разработчиков-2.

Фоторамки 3D кубов, поддержка на основе графена мембраны изготовлены из PR-3 из-за его высокой механической и термической стабильностью, а также высокой оптической прозрачности29. Известно, что термическая и механическая стабильность PR-3 зависит от сшивки процесс30. Максимальная cross-linking PR-3 происходит, когда это трудно запеченные более ~ 200 ° C. После жесткого выпечки, улучшает динамический модуль PR-3, указав, что структуры имеют более механическую прочность во время динамического движения и таким образом более механически стабильной. В самом деле когда тепло применяется к кубов (или образцов) для самостоятельной складывания, PR-3 кадров сохраняют свою первоначальную форму. Еще одним источником потенциального ущерба является осаждения Ti шаблонов, как они могут производить напряжений на графена мембраны; Однако демонстрация мембраны неповрежденными графена после индивидуальной складывающиеся косвенно указывает механическая стабильность PR-3 может способствовать сохранению графена мембран (рис. 3, рис. 4). Кроме того свойство фото определимых PR-3 позволяет легко контроля размеров и формы 3D кубов, а также легко управлять складной угол трехмерных структур для реализации разнообразных трехмерных структур, включая полу 3D конструкций.

В принципе индивидуальной складывающиеся оригами как, поверхностного натяжения крутящего момента производится сложить 2D чистой структуры через оплавления петли материалов (например., тонкие металлические пленки или тепловой чувствительных полимеров)26,31. Поверхностное натяжение полимера, PR-2 петли находится ниже (~0.03 N/m), чем у металла петли (например, припой ~0.5 N/m)26,28. Нижней производит поверхностное натяжение, что меньше крутящий момент когда сложены по сравнению с 2D 2D сетки сетки с металлическими петли26,31. Нижняя крутящий момент может уменьшить нагрузку на tri слой мембраны на основе графена в процессе самостоятельной складной. 3D на основе графена кубов сложены в ~ 80 ° C (рис. 3), в котором петли обратной связи на их плавления (для металла Пайка петли, точка плавления составляет ~ 230 ° C)26. Удивительно по оптимизации процесса, этот подход показывает высокий урожай ~ 90%.

В литографии процесс и индивидуальной складывающиеся, пространственной стресса на мембраны графена индуцирует расслаивания, деформации, трещин или копирования. Например (i) когда 2D сети с графена мембраны выпускаются из жертвенного слоя, мощные силы Ван-дер-Ваальса между графена и жертвенного слоя (включая Cu или даже многих других субстратов) могут быть созданы, что приводит к сломанной графен мембраны; и (ii) во время самостоятельной складывающиеся в жидкости, силы поверхностного натяжения, оптимизированных силы и гравитационной силы причиной растрескивания и деформации графена мембран. Cu слой используется для жертвенного слоя и дополнительный узорной Al2O3/Cr слой используется как слой защиты для защиты мембран на основе графена. Первоначально, тонкий (10 Нм толщиной) Cr слой был использован как защитный слой. Однако тонкая Cr слой показывает деформации структуры после механических свойств слоя Cr не достаточно сильны, чтобы провести мембраны на основе графена, когда структура освобождается от Cu жертвенного слоя. Позже чтобы решить эту проблему, 100 Нм толщиной Al2O3/10 Нм толщиной Cr слои добавляются поверх 10 Нм толщиной Cr/300 Нм толщиной Cu жертвенного слоя как описано выше. В результате слой защиты допускается сохранение графена мембран во всем процессе изготовления и self-складные. Защита слоев на 3D куб может быть удален после самостоятельного складывания соответствующих etchant без повреждения мембраны графена.

3D изображение на основе графена куб CVD представляет очень прозрачная, свободностоящая, закрытых архитектуры (рисунок 4a) не заметны трещины, рябь, отверстий или других повреждений на мембраны (от увеличенное изображение, Рисунок 4b). Как описано выше, используя тот же подход, используемый для создания 3D кубов на основе графена CVD, мы также успешно продемонстрировать изготовления кубиков с мембран состоят из слоев ~ 10 (~ 10 Нм толщиной) GO листов (Рисунок 4e, 4f). Кроме того, поверхности рисунком 3D Ti кубики очень стабильная (рис. 4 c, 4 d для графена) и рис. 4 g, 4 h для GO и демонстрации различных поверхностных модификаций с разными узорами на разные лица предполагает Универсальная стратегия для строительства 3D многофункциональных устройств с гетерогенными интеграции различных комбинаций материалов. В результате 3D на основе графена кубики графена CVD свободностоящая шоу, (i) и GO окно мембраны состоят из слоистых структур (не композитного образование); (ii) заключены но полых структур, которые не требуют дополнительной поддержки или субстрата; и (iii) поверхностных модификаций через металлические кучность на графена или GO поверхностей с любой желаемой модели, потому что наш подход совместим с обычными литографических процессов.

Рамановская спектроскопия устоявшихся как эффективного, неинвазивный метод характеризовать графена и связанных с ним материалов, и она может поставлять широкий спектр деталей о на основе графена образцов, таких как толщина, допинг, расстройство, edge и зерна границ, теплопроводность и процедите. Кроме того этот метод характеристика является гибким, как он может быть применен к образцу в различных экологических условиях32,33,34,35. Таким образом если есть существенные изменения в структуре графена, мы сможем увидеть изменения в Раман вершины должности или интенсивности после самостоятельного складывания. Как показано в Рисунок 5a-5b, никаких существенных изменений в позиции в чартах и интенсивности можно увидеть после самостоятельного складывания, так как Al2O3/Cr защита слоев помогают защитить мембраны на основе графена (оба CVD графен и идти) во время изготовления. Однако как показано на рис. 5 c, когда защита слоев не используются, графена мембраны повреждены во время самостоятельной складные, приводит к выше, Группа D (~ 1340 см-1) и Нижняя полоса 2D (~ 2690 см-1). Количественную информацию о графена дефекты могут быть проанализированы на коэффициент интенсивности пик группы D и G band (яD/iG): низкая стоимость яD/iG означает низкий дефект графена. Рисунок 5a мы вычислить ID/iG значения 3D графена быть ~0.65 что сравнимо с другими CVD графена многослойных листов36. Таким образом, эти наблюдения показывают процесс самостоятельного складной не создавать значительные изменения в CVD графена и GO мембраны (материалы сохраняют свои внутренние свойства, и происходит без химических интеркаляции между слоями), демонстрируя надежность метода сообщалось.

В дополнение к производству полый, свободностоящая, многогранные кубов, метод самостоятельного складной, работающих здесь позволяет поверхности патронирования, состоящий из металла, изолятора и полупроводниковых материалов на 2D графена мембраны, применяться к кубикам во время сохранение свойств графена. Это позволяет для развития электронных и оптических устройств, в том числе датчиков и электрических цепей, используя многочисленные преимущества 3D конфигураций. Кроме того поскольку используемые процессы, не ограничиваются только материалы на основе графена, этот метод может применяться для других 2D материалы, такие как dichalcogenides переходных металлов и фосфор черный, тем самым позволяя нашего изготовления подход к быть использованы в Разработка нового поколения 3D перевоплощений 2D материалов.

Высокой температуры (~ 80 ° C) требуется складной механизм может быть проблематичным в биомедицинских приложений, если этот процесс может быть оптимизирован для снижения температуры складной. Кроме того PR-2 петли материал не является биосовместимого материала. Будущие исследования будут сосредоточены на развитии биосовместимых петли материалов, реагирующие на низкой температуре (или низкой энергии) таких полиэфиров и синтетических гидрогели. Мы недавно были в состоянии производить аналогичные структуры через дистанционным управлением собственной складной механизм, который может быть полезен в этом отношении37.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Этот материал основан на работе, поддерживаемых Фондом start-up в университете штата Миннесота, города-побратимы и NSF CAREER Award (CMMI-1454293). Частью этой работы были проведены в характеристике объекта в университете штата Миннесота, членом NSF финансируемых материалы исследования Услуги сети (через программу MRSEC. Часть этой работы были проведены в центре Миннесота Nano, который поддерживается Национальный научный фонд через национального нано скоординированной инфраструктуры сети (NNCI) под награду номер ECCS-1542202. C. D. признает поддержку от 3 M науки и технологии стипендий.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone Fisher Chemical A18P-4 N/A
Aluminium oxide Kurt J. Lesker Company EVMALO-1-2.5 99.99% Pure
APS Copper Etchant 100 Transene Company, Inc. N/A N/A
Camera (for 3D image) Nikon D5100 1080p Full HD, Effective pixels: 16.2 million, Sensorsize: 23.6 mm x 15.6 mm
CE-5 M Chromium Mask Etchant Transene Company, Inc. N/A N/A
Chemical deposition growth (CVD) system Customized N/A Lindberg/Blue Tube Furnace
Chromium Kurt J. Lesker Company EVMCR35J 99.95% pure
Chromium Etchant 473 Transene Company, Inc. N/A N/A
Copper Kurt J. Lesker Company EVMCU40QXQJ 99.99% pure
Developer-1 (MF319 developer) Microposit 10018042 N/A
Developer-2 (AZ developer) Merck performance Materials Corp. 1005422496 N/A
Developer-3 (SU-8 developer) MicroChem NC9901158 N/A
Digital Hot Plate Thermo Scientific HP131725 Super-Nuvoa series, maximum temperature: 370 °C
E-Beam Evaporator System Rocky Mountain Vacuum Tech. N/A RME-2000
Graphene oxide Goographene N/A Purity: ~ 99%; Single layer ratio: ~99%;  0.7-1.2 nm in thickness.
Isopropyl Alcohol Fisher Chemical A416-4 N/A
Mask Aligner Midas MDA-400LJ N/A
Microscope Omax NJF-120A N/A
multiple polymethyl methacrylate (PMMA) MicroChem 950 PMMA A9 N/A
Oxygen plasma  Technics Inc. SERIES 800 Microscale reactive ion etching (RIE)
Photoresist-1 (S1813 Photoresist) Microposit 10018348 N/A
Photoresist-2 (SPR220 Photoresist) MicroChem SPR00220-7G N/A
Photoresist-3 (SU-8 Photoresist) MicroChem SU-8-2010 N/A
Profilometer Tencor Instruments N/A Alpha-Step 200
Raman WITec Instruments Corp. Alpha300R Confocal Raman Microscope
Silicon Wafer Siltronic AG N/A 100mm diameter, N-type, one-side polish, resitivity: 560-840 Ω•cm
Spinner Best Tools S0114031123 SMART COATER 100
Titanium Kurt J. Lesker Company EVMTI45QXQA 99.99% Pure
Ultrasonic Cleaner Crest Ultrasonics N/A Powersonic series

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nature Materials. 6 (3), 183-191 (2007).
  2. Singh, V., et al. Graphene based materials: Past, present and future. Progress in Materials Science. 56 (8), 1178-1271 (2011).
  3. Bonaccorso, F., Sun, Z., Hasan, T., Ferrari, A. C. Graphene photonics and optoelectronics. Nature Photonics. 4 (9), 611-622 (2010).
  4. Wang, C., Li, D., Too, C. O., Wallace, G. G. Electrochemical Properties of Graphene Paper Electrodes Used in Lithium Batteries. Chemistry of Materials. 21 (13), 2604-2606 (2009).
  5. Bunch, J. S., et al. Electromechanical resonators from graphene sheets. Science. 315 (5811), 490-493 (2007).
  6. Menaa, F., Abdelghani, A., Menaa, B. Graphene nanomaterials as biocompatible and conductive scaffolds for stem cells: impact for tissue engineering and regenerative medicine. Journal of Tissue Engineering and Regenerative. 9 (12), 1321-1338 (2015).
  7. Han, M. Y., Özyilmaz, B., Zhang, Y., Kim, P. Energy band-gap engineering of graphene nanoribbons. Physical Review Letters. 98 (20), 206805 (2007).
  8. Son, Y. W., Cohen, M. L., Louie, S. G. Half-metallic graphene nanoribbons. Nature. 444 (7117), 347-349 (2006).
  9. Yan, Q., et al. Intrinsic current− voltage characteristics of graphene nanoribbon transistors and effect of edge doping. Nano Letters. 7 (6), 1469-1473 (2007).
  10. Fei, Z., et al. Gate-tuning of graphene plasmons revealed by infrared nano-imaging. Nature. 487 (7405), 82-85 (2012).
  11. Joung, D., Zhai, L., Khondaker, S. I. Coulomb blockade and hopping conduction in graphene quantum dots array. Physical Review. B. 83 (11), 115323 (2011).
  12. Bacon, M., Bradley, S. J., Nann, T. Graphene quantum dots. Particle & Particle Systems Characterization. 31 (4), 415-428 (2014).
  13. Blees, M. K., et al. Graphene kirigami. Nature. 524 (7564), 204-207 (2015).
  14. Michael Cai, W., et al. Mechanical instability driven self-assembly and architecturing of 2D materials. 2D Materials. 4 (2), 022002 (2017).
  15. Shenoy, V. B., Gracias, D. H. Self-folding thin-film materials: From nanopolyhedra to graphene origami. MRS Bulletin. 37 (9), 847-854 (2012).
  16. Zhu, S., Li, T. Hydrogenation-Assisted Graphene Origami and Its Application in Programmable Molecular Mass Uptake, Storage, and Release. ACS Nano. 8 (3), 2864-2872 (2014).
  17. Zhang, L., Zeng, X., Wang, X. Programmable hydrogenation of graphene for novel nanocages. Scientific Reports. 3, 3162 (2013).
  18. Vickery, J. L., Patil, A. J., Mann, S. Fabrication of Graphene-Polymer Nanocomposites With Higher-Order Three-Dimensional Architectures. Advanced Materials. 21 (21), 2180-2184 (2009).
  19. Yang, X., Zhu, J., Qiu, L., Li, D. Bioinspired effective prevention of restacking in multilayered graphene films: towards the next generation of high-performance supercapacitors. Advanced Materials. 23 (25), 2833-2838 (2011).
  20. Choi, B. G., Yang, M., Hong, W. H., Choi, J. W., Huh, Y. S. 3D macroporous graphene frameworks for supercapacitors with high energy and power densities. ACS Nano. 6 (5), 4020-4028 (2012).
  21. Niu, Z., Chen, J., Hng, H. H., Ma, J., Chen, X. A leavening strategy to prepare reduced graphene oxide foams. Advanced Materials. 24 (30), 4144-4150 (2012).
  22. Li, Y., et al. Growth of conformal graphene cages on micrometre-sized silicon particles as stable battery anodes. Nature Energy. 1 (2), (2016).
  23. Cho, J. H., Gracias, D. H. Self-Assembly of Lithographically Patterned Nanoparticles. Nano Letters. 9 (12), 4049-4052 (2009).
  24. Cho, J. H., Azam, A., Gracias, D. H. Three Dimensional Nanofabrication Using Surface Forces. Langmuir. 26 (21), 16534-16539 (2010).
  25. Dai, C., Cho, J. H. In Situ Monitored Self-Assembly of Three-Dimensional Polyhedral Nanostructures. Nano Letters. 16 (6), 3655-3660 (2016).
  26. Joung, D., et al. Self-Assembled Multifunctional 3D Microdevices. Advanced Electronic Materials. 2 (6), 1500459 (2016).
  27. Joung, D., Gu, T., Cho, J. H. Tunable Optical Transparency in Self-Assembled Three-Dimensional Polyhedral Graphene Oxide. ACS Nano. 10 (10), 9586-9594 (2016).
  28. Joung, D., et al. Self-Assembled Three-Dimensional Graphene-Based Polyhedrons Inducing Volumetric Light Confinement. Nano Letters. 17 (3), 1987-1994 (2017).
  29. Lian, K., Ling, Z. G., Liu, C. Thermal stability of SU-8 fabricated microstructures as a function of photo initiator and exposure doses. Proceedings of SPIE. 4980, 209 (2003).
  30. Winterstein, T., et al. SU-8 electrothermal actuators: Optimization of fabrication and excitation for long-term use. Micromachines. 5 (4), 1310-1322 (2014).
  31. Syms, R. R. A., Yeatman, E. M., Bright, V. M., Whitesides, G. M. Surface tension-powered self-assembly of microstructures - the state-of-the-art. Journal of Microelectromechanical Systems. 12 (4), 387-417 (2003).
  32. Xie, X., et al. Controlled fabrication of high-quality carbon nanoscrolls from monolayer graphene. Nano Letters. 9 (7), 2565-2570 (2009).
  33. Ferrari, A. C., Basko, D. M. Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene. Nature Nanotechnology. 8 (4), 235-246 (2013).
  34. Childres, I., Jauregui, L. A., Park, W., Cao, H., Chen, Y. P. Raman spectroscopy of graphene and related materials. New developments in photon and materials research. Jang, J. I. , Nova Science Publishers. Hauppauge NY. (2013).
  35. Polsen, E. S., McNerny, D. Q., Viswanath, B., Pattinson, S. W., Hart, A. J. High-speed roll-to-roll manufacturing of graphene using a concentric tube CVD reactor. Scientific Reports. , 5 (2015).
  36. Wu, T., Shen, H., Sun, L., You, J., Yue, Z. Three step fabrication of graphene at low temperature by remote plasma enhanced chemical vapor deposition. RSC Advances. 3 (24), 9544-9549 (2013).
  37. Liu, C., Schauff, J., Joung, D., Cho, J. H. Remotely controlled microscale 3D self-assembly using microwave energy. Advanced Materials Technologies. 2 (8), 1700035 (2017).

Tags

Машиностроение выпуск 139 графена оксид графена 3D кубов на основе графена microcubes самостоятельно складной оригами
Изготовление трехмерной на основе графена многогранников <em>через</em> оригами как самостоятельной складывания
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Joung, D., Wratkowski, D., Dai, C.,… More

Joung, D., Wratkowski, D., Dai, C., Lee, S., Cho, J. H. Fabrication of Three-Dimensional Graphene-Based Polyhedrons via Origami-Like Self-Folding. J. Vis. Exp. (139), e58500, doi:10.3791/58500 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter