Summary
Burada, 3D grafen tabanlı polyhedrons origami gibi kendi kendine yolu ile katlama imalat için bir iletişim kuralı mevcut.
Abstract
İki boyutlu (2D) grafen Meclisi üç boyutlu (3D) yüzlü yapılarına grafen'ın mükemmel doğal özellikleri koruyarak süre roman cihaz uygulamalarının geliştirilmesi için büyük ilgi olmuştur. Burada, 3D, microscale, imalatı polyhedrons (küpleri) 2D grafen veya bir origami gibi kendi kendine katlama işlemi açıklanmıştır grafen oksit sayfaları üzerinden bir kaç kat oluşan içi boş. 2D ağlar 3D küp küp dönüştürülür zaman bu yöntem polimer çerçeve ve menteşeler ve azaltmak çekme dayanımı, mekansal alüminyum oksit/krom koruma katmanları ve yüzey gerilimi gerilmeler Grafin-esaslı membranlar üzerinde kullanımı içerir. Süreç Denetim boyutu ve şekli yapıları hem de paralel üretim sunmaktadır. Buna ek olarak, bu yaklaşım 3D küpleri her yüzünde biçimlenme metal tarafından yüzey modifikasyonlar oluşturulmasını sağlar. Raman spektroskopisi çalışmalar yöntemi bizim Yöntem sağlamlık gösteren Grafin-esaslı membranlar içsel özelliklerini koruma sağlar gösterir.
Introduction
İki boyutlu (2D) grafen yaprak yapım onları sistemler için yeni nesil elektronik, Optoelektronik, elektrokimyasal roman kuantum olayların gözlem için model olağanüstü optik, elektronik ve mekanik özelliklere sahip, Elektromekanik ve Biyomedikal uygulamaları1,2,3,4,5,6. Olarak üretilen 2D katmanlı yapısı grafen dışında son zamanlarda, çeşitli değişiklik yaklaşımlar yeni functionalities-in grafen gözlemlemek ve yeni uygulama fırsatları aramak araştırdı. Örneğin, oransal (veya ayarlama) şekilleri terzilik veya 2D biçimlenme fiziksel özellikleri (Yani, doping düzeyine ve/veya grup boşluk gibi) bir tek boyutlu (1 D) veya sıfır boyutlu (0 D) yapısı (Örn., Grafin kuantum nokta) nanoribbon veya grafen kuantum doğumdan etkileri, yerelleştirilmiş Plazmonik modları, yerelleştirilmiş elektron dağılımı ve spin polarize kenar Birleşik7,8 de dahil olmak üzere yeni fiziksel olaylar elde etmek için eğitimi ,9,10,11,12. Buna ek olarak, 2D grafen dokusuna (kirigami adı da verilir) görevlisinideponun, delaminasyon, çökertme, büküm, veya çoklu katmanlar yığınlama veya 2D grafen üstünde tepe-in 3D özelliği (substrat) aktarma tarafından grafen yüzey şekli olmuştur değiştirerek değişen grafen'ın wettability, mekanik özellikleri ve optik özellikleri13,14değiştirmek için gösterilen.
Yüzey morfolojisi ve 2D grafen katmanlı yapısı değişen ötesinde, 2D grafen derleme functionalized, iyi tanımlanmış, üç boyutlu (3D) polyhedrons içine son zamanlarda grafen toplumda yeni fizik elde etmek büyük ilgi olmuştur ve kimyasal olayları15. Teori, elastik, elektrostatik ve van der Waals 2D grafen alan yapıları enerjileri çeşitli 3D Grafin-origami yapılandırmaları16,172D grafen dönüştürmek amacıyla. Bu kavram üzerinde bağlı olarak, teorik modelleme çalışmaları 3D grafen yapı tasarımları, nano 2D grafen membranlar, ilaç dağıtım ve genel moleküler depolama16,17olası kullandığı ile oluşmuştur araştırdı. Henüz, hala bu uygulamaları fark çok uzak bu yaklaşımın deneysel devam ediyorum. Öte yandan, birkaç kimyasal sentetik Yöntem derleme ve Açıkorur büyüme yöntemleri18,19 mayalanma 3D yapılar üzerinden şablon destekli derleme, derleme, akış yönetmen elde etmek için geliştirilmiştir , 20 , 21 , 22. grafen sayfaları içsel özelliklerini kaybetmeden bir 3D, içi boş, kapalı yapısı üretemez ancak, bu yöntemler şu anda sınırlı bulunmaktadır.
Burada, origami gibi kendi kendine katlanır kullanarak 3D, içi boş, grafin tabanlı microcubes (genel boyutunu ~ 200 µm) oluşturmak için bir strateji özetlenen; Müstakil, içi boş, 3D, yüzlü, grafin-esaslı malzeme yapımında en önemli zorlukların üstesinden. Origami gibi yakışıklı-özgür kendi kendine katlama teknikleri, 2D lithographically desenli düzlemsel özellikleri (Yani, Grafin-esaslı membranlar) ile menteşe (Yani, termal duyarlı polimer, fotorezist) çeşitli eklemleri de böylece bağlı 2D şekillendirme sıcaklığı23,24,25,26erime için menteşeler ısıtıldığında hangi katlayın için ağlar. Grafin tabanlı küpleri grafen veya grafen oksit (GO) membranlar yetiştirilen bir kaç kat kimyasal buhar biriktirme (CVD) oluşan pencere membran bileşenleri ile gerçekleştirilmektedir; Polimer çerçeve ve menteşeler kullanımı ile her ikisi de. 3D grafen tabanlı küpleri imalatı içerir: (i) koruma katmanları, (ii) Grafin-membran transferi ve desenlendirme, (iii) metal yüzeylere grafen membranlar, (IV) çerçeve ve biçimlenme menteşeleri ve biriktirme, biçimlenme hazırlanması (v). kendi kendine katlanır ve koruma katmanları (Şekil 1) kaldırılması (VI). Bu makalede çoğunlukla kendi kendine katlanır 3D grafen tabanlı küpleri uydurma yönleri üzerinde duruluyor. 3D grafen tabanlı küpleri fiziksel ve optik özellikleri hakkında ayrıntılı bilgi bizim diğer son yayınlar27,28içinde bulunabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Dikkat: Bu immobilizasyonu kullanılan kimyasalların çeşitli toksik ve tahriş ve dokundu veya inhale şiddetli organ hasarına neden olabilir. Lütfen uygun güvenlik ekipmanları kullanın ve kimyasal işleme kişisel koruyucu ekipman giyerler.
1. Alüminyum oksit ve krom koruma katmanları bir bakır kurban katmandaki hazırlanması
- Bir elektron ışını evaporatör kullanarak, depozito 10 nm kalın krom (Cr) ve 300 nm kalın bakır (Cu) katmanları (kurban katman) silisyum (Si) substrat (Şekil 2a).
- Spin-ceket bir fotorezist (PR) -1 2500 devirde takip 115 ° c 60 için pişirme s.
- 15 kişi maske aligner ultraviyole (UV) ışık için tasarlanmış 2D net alanları ortaya çıkarmak s ve geliştirmek için 60 s geliştirici-1 çözüm. Örnek (DI) deiyonize suyla durulayın ve bir hava tabancasıyla kuruttun.
- 10 nm kalın Cr tabaka ve kalan PR - 1 in aseton kalkış Kasası. Örnek DI su ile durulama ve hava tabancasıyla (Şekil 2b) kuruttun.
- 2D bir PR 1 2500 devirde 115 ° c 60 için pişirme tarafından takip 2D net, spin-ceket katmanlarda altı kare Al2O3/Cr koruma ağları desene s.
- 15 kişi maske aligner UV ışık için tasarlanmış altı kare koruma katmanları ortaya çıkarmak s ve geliştirmek için 60 s geliştirici-1 çözüm. Örnek DI su ile yıkayınız ve hemen bir hava tabancasıyla kurut.
- Depozito 100 nm kalın bir Al2O3 tabaka ve 10 nm kalın Cr tabaka. Kalan PR - 1 in aseton kaldırın. Örnek DI su ile durulama ve hava tabancasıyla (Şekil 2 c) kuruttun.
2. grafen ve Graphene oksit membranlar hazırlanması
Not: Bu çalışmada, iki tür Grafin-esaslı malzemeler kullanılır: (i) kimyasal buhar biriktirme (CVD) grafen ve graphene (II) oksit (GO) büyüdü.
-
Çok katmanlı CVD grafen membranlar hazırlanması
Not: çok katmanlı Grafin membranlar elde etmek için tek katmanlı Grafin üç ayrı kez aktarılır birden çok polimetil metakrilat (PMMA) kaplama/kaldırma adımları kullanarak.- ~ 15 mm bir kare parça grafen ile başlayan Cu folyo, spin-ceket 3000 devirde grafen yüzeyinde ince bir PMMA tabaka yapıştırılır. 10 dk için 180 ° C'de pişirin.
- Cu tarafı aşağı uzak Cu folyo Etch 24 h için Cu etchant yüzen PMMA/grafen/Cu folyo katmanlı sayfa yerleştirin.
- Cu sonra folyo tamamen (PMMA/grafen bırakarak) tasfiye edilir, kayan PMMA kaplı grafen bir havuz herhangi bir Cu etchant artıklarını çıkarın bir mikroskop slayt cam kullanarak DI su yüzeyine transfer. Yeni DI su havuzları üzerine PMMA kaplı grafen transferini yeterince durulama için birkaç kez yineleyin.
- Transfer kayan PMMA kaplı grafen grafen başka bir parça üzerine bir çift katmanlı Grafin membran (PMMA/grafen/grafen/Cu folyo yapısını oluşturan) elde etmek için Cu folyo (grafen/Cu) yapıştırılır.
- Çift katmanlı Grafin Cu üzerinde termal tedavi etmek için 10 dk 100 ° c sıcak tabakta folyo.
- PMMA Cu üzerinde çift katmanlı Grafin üstüne folyo bir aseton Bath (grafen/grafen/Cu folyo katman yığını bırakarak), DI su aktararak takip kaldır.
- Grafin transfer tekrar (2.1.1 - 2.1.5) grafen membranlar üç yığın katmanları almak için bir kez daha. Adım 2.1.4 yeni grafen PMMA kaplı levha grafen/Cu, başka bir parça üzerine aktarma yerine yineleme işlemi sırasında ulaşıldığında yeni PMMA kaplı grafen daha önce fabrikasyon grafen çift-tabaka üzerine 2.1.6 adımından formuna aktarmak. PMMA/grafen/grafen/grafen/Cu folyo katman bileşimi. O zaman, 2.1.5 yapılmaksızın adımları yineleyin.
- Cu tarafı aşağı uzak Cu folyo Etch 24 h için Cu etchant yüzen PMMA/grafen/grafen/grafen/Cu folyo katmanlı sayfa yerleştirin.
- Grafin membranlar (PMMA/grafen/grafen/grafen) ön fabrikasyon Al2O3/Cr koruma katmanları üzerine PMMA kaplı üç katmanların 1 bölümünden aktarmak.
- Grafin transferden sonra aseton ile PMMA kaldırın. Sonra örnek DI suya daldırma ve hava kuru.
- Termal çok katmanlı Grafin 1 h için 100 ° C'de sıcak tabakta substrat olarak tedavi etmek.
- Spin-ceket PR-1'de 2500 rpm ve fırında, 115 ˚C 60 s.
- UV maruz PR-1 bölgeleri doğrudan için 15 kişi maske aligner kullanarak kare koruma katmanı alanları üzerinde s ve geliştirmek için 60 s geliştirici-1 çözüm.
- Yeni ortaya çıkarılan, grafin alanları üzerinden bir oksijen plazma tedavi 15 istenmeyen kaldırmak s.
- Artık PR 1 aseton içinde çıkarın.
- Örnek DI su ile durulayın ve kuru hava (Şekil 2B).
-
Grafin oksit membranlar hazırlanması
Not: geleneksel fotolitografi bir kalkış işlemi yolu ile sel poz tarafından takip gitmek membranlar desen için kullanılır.- Spin-ceket PR-2 60 için 1700 rpm'de s 10 µm kalın bir tabaka elde etmek için daha önce fabrikasyon Al2O3/Cr koruma katmanları üzerine. PR-2 60 s için 115 ° C ve 3 h için sonra bekle pişirin.
- Al2O3/Cr koruma katmanı desenlendirme için kullanılan aynı maskesi ile UV ortaya çıkarmak için 80 kişi maske aligner üzerinde örnek s ve geliştirmek için 90 s geliştirici-2 çözüm. Örnek DI su ile yıkayınız ve hemen bir hava tabancasıyla kurut.
- Tüm örnek maskesiz bir UV sel pozlama gerçekleştirmek için 80 s.
- Spin-coat hazır git ve su karışımı (15 mg 15 mL DI su GO tozu) 60 için 1000 devirde örnek üzerinde gerçekleştir spin-kaplama toplam 3 kez s..
- Kalkış istenmeyen go izin vermek için geliştirici-2 çözüm örnekte daldırma.
- Örnek DI su ile durulama ve dikkatli bir hava tabancası ile örnek kuruttun.
- Termal örnek 1 h (Şekil 2 h) için 100 ° C'de sıcak tabakta tedavi.
3. metal yüzey desenlendirme Grafin-esaslı membranlar üzerinde
Not: Yüzey desenlendirme bir UV kişi maske aligner ve elektron ışını evaporatör (bkz: 1.2-1.4) kullanarak elde etmek için ortak bir fotolitografi işlem yapılmıştır.
- 20 nm kalın titanyum (Ti) desen desenli Grafin-esaslı membranlar üzerinde oluşturun.
- Termal örnek 1 h (2e rakam grafen için) ve Şekil 2i için gitmek için 100 ° C'de sıcak tabakta tedavi.
4. imalat Polimer çerçeve ve menteşeler
- Grafin-esaslı membranlar Ti ile üstüne desen, spin-ceket PR-3 form 5 mikron kalın bir tabaka için 60 s için 2500 devirde ve fırında 2 dk 90 ° C'de yüzey.
- UV maruz örnekleri için 20 s, 3 dk 90 ° C'de pişirin ve geliştirmek için 90 s geliştirici-3 çözüm.
- Örnek DI su ve izopropil alkol (IPA) ile durulayın ve dikkatli bir hava tabancası ile örnek kurut.
- Sonrası örnekleri (PR-3) kare (2f rakam grafen için) ve Şekil 2j gitmek için mekanik sertlik artırmak 15 dakika 200 ° C'de pişirin.
- Menteşe desen, spin-ceket PR-2 1000 devirde 60 yapmak s 10 µm kalınlığında film Prefabrik substrat üzerine oluşturmak için. 60 s için 115 ˚C ve 3 h için bir dakika bake.
- UV ortaya çıkarmak için 80 kişi maske aligner üzerinde örnek s ve geliştirmek için 90 s geliştirici-2 çözüm.
- Örnek DI su ile durulama ve dikkatli bir şekilde (Şekil 2 g için grafen) ve Şekil 2 k gitmek için bir hava tabancası ile örnek kuruttun.
5. kendi kendine DI suda katlama
Not: PR-2 menteşeler erimiş (veya yeniden akışı), yüzey gerilimi kuvvet oluşturulur; Bu nedenle, 2D yapıları 3D yapılarına (kendi kendine katlama işlemi) dönüştürmek.
- 2D yapısını serbest bırakmak için Cu kurban tabakasının altında Cu etchant (resim 2 l) 2D ağları geçiyoruz.
- Dikkatli bir damlalıklı kullanarak yayımlanan yapı DI su banyosu aktarmak ve durulayın birkaç kez kalan Cu etchant kaldırmak için.
- DI su yapısında yer 2D (PR-2) menteşe (Şekil 2 m) polimer erime noktası üzerinde ısıtmalı.
- Kendi kendine optik mikroskobu gerçek zamanlı via katlama izlemek ve kapalı küpler halinde başarılı derleme üzerinde ısı kaynağı kaldırın.
6. koruma katmanları kaldırılması
- Kendi kendine katlanır sonra Al2O3/Cr koruma katmanları ile Cr etchant (Şekil 2n) kaldırın.
- Yavaşça küpleri DI su banyosu aktarmak ve özenle durulayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 2 optik görüntüleri 2D grafen ve gitmek net yapıları tekniğinde süreçleri ve sonraki kendi kendine katlama işlemi görüntüler. Kendi kendine katlama işlemi gerçek zamanlı üzerinden izlenir yüksek çözünürlüklü mikroskop. Her iki tür 3D küp grafen tabanlı ~ 80 ° C'de katlanır Şekil 3 3D küp grafen tabanlı paralel bir şekilde kendi kendine katlanır gösterilen video yakalanan dizileri ortaya konuyor. En iyi duruma getirilmiş bir süreci altında bu yaklaşım en yüksek verim % ~ 90 gösterir.
Şekil 4 3D monte grafen ve GO-tabanlı küpleri ve yüzey desenleri olmayan optik görüntüleri gösterir. Self katlanmış küpleri, toplam boyutunun 200 (genişlik) × 200 (boy) × 200 (yükseklik) µm3olduğunu. Yetenek biçimlenme yüzey göstermek için 20 nm kalın desenli Ti özellikleri ve "Un" yazı 3D grafen tabanlı küpleri her yüzünde tanımlanır.
Yapısal değerlendirmek için grafen ve kendi kendine katlama sırasında git membran değişiklikleri işlemek, grafin özelliklerini ve yapıları daha önce gitmek ve kendi kendine katlanır sonra karakterize üzerinden Raman spectra. Şekil 5a ve 5b Raman spektroskopisi bozulmamış Grafin-esaslı malzemeler, 2D grafen tabanlı ağlar ve 3D grafen tabanlı küpleri içerir. Sonuçlar göze çarpan değişiklik Raman içinde en yüksek konum ve yoğunluk grafen ve GO membranlar için kendi kendine katlanır sonra gösterir. Koruma katmanları değildir (Şekil 5 c) kullanıldığında, ancak, göreli en yüksek yoğunluklarda fark değişiklikleri, değişiklikler veya zararlar grafen özelliklerine katlama sırasında kendini gösteren tespit edildi.
Resim 1 : 3D grafen tabanlı küpleri kendi kendine katlama işleminin şematik (a) desenlendirme 2D net koruma katmanı. (b) Grafin-esaslı membranlar koruma katmanı üzerine aktarılıyor. (c) metal yüzeylere Grafin-esaslı membranlar biçimlenme. (d) çerçeve ve menteşe biçimlenme. (e) substrat ve yüksek sıcaklık menteşeler üzerinden yeniden akış tarafından tahrik kendi kendine katlanır 2D yapılardan serbest. (f) 3D grafen tabanlı küpleri koruma tabakası kaldırılması. Bu rakam izni28ile adapte olduğunu. Telif hakkı 2017, Amerikan Kimya Birliği. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Resim 2 : 2D grafen ve gitmek net yapıları ve kendinden sonraki katlama tekniğinde imalat işleminin optik görüntüleri işlemek koruma katmanları imalatı (a-c). (a) 10 nm kalın Cr ve 300 nm kalın Cu kurban katmanları bir Si gofret yatırılır. (b) 10 nm kalın Cr tabaka ve (c) 100 nm kalın Al2O3/10 nm kalın Cr koruma katmanları tanımlanmış (160 × 160 µm2) vardır. (DG) 2D ağlar CVD grafen membranlar ve Ti desenleri ile. (d) çok katmanlı Grafin üzerinden bir oksijen plazma tedavi desenli ve substrat aktarılır. (e) desenli grafen membranlar üst kısmında 20 nm kalın Ti desenleri tanımlanır. (f) 5 µm kalınlığında PR-3 kare desenli. (g) menteşe desen yapmak, bir 10 µm kalınlığında PR-2 film desenli. (h-k) 2D ağlar için GO membranlar ve Ti desenleri ile. (h) suda 60 saniye boyunca ~ 10 nm kalın GO membranlar üretmek için spin kaplı üç kez 1000 devir / dakikada hazır. Bir kalkış yolu ile sel pozlama işlem GO membranlar desen yapılır. (i) desenli GO üst kısmında Ti desenleri tanımlanır. O zaman, (j) PR-3 küp çerçeve ve (k) PR-2 menteşeler desenli. (l-n) kendi kendine katlama işlemi. (l) serbest bırakmak-in 2D kurban katmandan belirlenir. (m) su içinde müstakil 2D ağlarının ~ 80 ° c sıcaklık uygulayarak kendi kendine katlanır (n) koruma katmanları kaldırma. Ölçek çubuğu 200 µm =. Bu rakam izni28ile adapte olduğunu. Telif hakkı 2017, Amerikan Kimya Birliği. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3 : 3D grafen tabanlı küpleri kendi kendine katlama işlemi video yakalanan bir dizi Gerçek zamanlı optik görüntü 3D grafen tabanlı küpleri (a) 0, (b) 30, 60 (c), (d) 90, 120 (e) ve (f) 150 s (önce koruma katmanı aşındırma) sonra ele geçirdi. Ölçek çubuğu 200 µm. = Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 4 : Optik 3D grafen tabanlı küpleri ve yüzey desenleri olmadan görüntülerini CVD grafen filmlerin üç katmandan ve 3D CVD grafen temel küp üst yüzeyi bir yakınlaştırılmış içinde görüntü ile (a-b) bir 3D küp. (c-d) bir 3D küp metal desenleri ile (20 nm kalın Ti) CVD grafen membranlar ve graphene tabanlı 3D küp Ti desenleri ile üst yüzeyi bir yakınlaştırılmış olarak görüntü üzerinde. (e-f) bir 3D küp GO tabanlı ve 3D GO temel küp üst yüzeyi bir yakınlaştırılmış içinde görüntü. (g-h) Self katlanmış bir 3D küp Ti desen ve GO tabanlı 3D küp Ti desenleri ile üst yüzeyi bir yakınlaştırılmış içinde görüntü ile gitmek tabanlı. Ölçek çubuğu 100 µm =. Bu rakam izni28ile adapte olduğunu. Telif hakkı 2017, Amerikan Kimya Birliği. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 5 : Raman spektroskopisi 2D Grafin-esaslı membranlar ve 3D grafen tabanlı küpleri (a) Raman spektrumu bozulmamış CVD grafen Si substrat üzerine, 2D (önce kendi kendine katlama) CVD grafen ve müstakil 3D grafen küpleri (kendi kendine katlanır sonra) desenli. Üç doruklarına yakınındaki ~ 1340 cm-1 (D grubu), ~ 1580 cm-1 (G Grubu) ve ~ 2690 cm-1 (2D grup) görülmektedir. (b) Raman spektrumu ~ 10 katmanları (~ 10 nm kalın) Si, kendi kendine katlanır önce ve sonra kendi kendine katlanır (müstakil küpleri) GO filmleri. Dört doruklarına ~ 1360 cm-1 (D grubu), ~ 1605 cm-1 (G grup), ~ 2715 cm-1, ve ~ 2950 cm-1 (D + G grup) görülmektedir. (c) 3D grafen alan yapıları (yeşil) ile Raman spektrumu ve (kırmızı) olmadan Al2O3/Cr koruma katmanı kullanımı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
CVD grafen ile fabrikasyon küpleri için her yüz çünkü verilen bir küp müstakil grafen ~ 160 × 160 µm2 alanı çevreleyen bir dış çerçeve ile tasarlanmıştır, monolayer grafen tek bir sayfaya izin vermek için gerekli gücü yok paralel işleme küp. Bu nedenle, birden çok PMMA kaplama/kaldırma adımları kullanarak üzerinden üç ayrı grafen aktarımları CVD grafen monolayer çarşaflar üç katmandan oluşan grafen membranlar üretti. Öte yandan, GO membran hazırlık için tek tek git yaprak kullandığımız suya, değiştirilmiş Hummer'ın yöntemi27 yolu ile elde. Git membranlar desen için geleneksel fotolitografi bir kalkış işlemi yolu ile sel poz tarafından takip kullanılır. İşlem bir sel pozlama geleneksel fotolitografi sonra ancak önce git membran ifade kullanır. Git spin-kaplama, sonra kalkış işlemi sonra istenmeyen GO alanları kaldırmak için geliştirici gerçekleştirilir. Bazı geliştiriciler alüminyum ve Al2O3etches sodyum hidroksit (NaOH) sulu alkali çözüm içerir. Bu nedenle, NaOH ücretsiz geliştirici kullanılmalıdır. Bu iş için bu gereksinimi karşılamak için kullanılan belirli geliştirici geliştirici-2 çözümdür.
Grafin-esaslı membranlar destekleyen 3D küp çerçeveler PR-3, yüksek mekanik ve termal istikrar nedeniyle gibi yüksek optik şeffaflık29yapılır. Bu PR-3 termal ve mekanik kararlılığını cross-linking işlemi30tarihinde bağlıdır bilinmektedir. Bu zor-~ 200 ° c fırında PR-3 en fazla cross-linking oluşur Sabit-pişirme sonra PR-3 dinamik modül yapıları daha mekanik gücü sırasında dinamik hareket var ve böylece daha fazla gösteren geliştirir mekanik olarak istikrarlı. Aslında, kendi kendine katlanır için küpleri (veya örnekleri) ısı uygulandığında, PR-3 kare onların orijinal şeklini korumak. Grafin membranlar üzerinde basınç stres oluşturabilecek gibi başka bir olası hasarı Ti desenleri birikimi kaynağıdır; Ancak, dolaylı olarak kendi kendine katlanır PR-3 mekanik kararlılığını gösterir sonra hasarsız grafen membranlar gösteri grafen membranlar (Şekil 3, Şekil 4) korunması için katkıda bulunabilir. Ayrıca, PR-3 fotoğraf tarafından tanımlanabilen özelliği kolay kontrol edilmesi boyutları ve şekilleri ile birlikte kolay kontrol edilmesi yarı 3D yapılar dahil olmak üzere çeşitli 3D yapılar gerçekleşmesi için 3D yapılar katlama açısını 3D küp verir.
Origami gibi kendi kendine katlanır prensip olarak, bir 2D ağ yapısı üzerinden menteşe malzemelerin yeniden akış yukarı doğru bir yüzey gerilimi tork üretilir (Örn., ince metal filmler veya termal duyarlı polimerler)26,31. PR-2 menteşeleri polimer yüzey gerilimi olduğunu (~0.03 N/m) bu metal (Örneğin, lehim ~0.5 N/m)26,28menteşeleri daha düşük. Alt yüzey gerilimi üretir daha az dönüş tork 2D ağlar 2D ile karşılaştırıldığında katlanır zaman metal ile ağları menteşeleri26,31. Alt tork kendi kendine katlama işlemi sırasında üç katmanlı Grafin-esaslı membranlar üzerinde stres azaltmak olabilir. 3D grafen tabanlı küpleri ~ 80 ° c (Şekil 3), menteşeler kendi erime noktası reflow katlanır (menteşeler için metal lehim, erime noktası ~ 230 ° C)26. Dikkat çekici, en iyi duruma getirilmiş bir süreci altında bu yaklaşım en yüksek verim % ~ 90 gösterir.
Taş baskı sırasında işlem ve kendi kendine katlanır, grafin membranlar üzerinde kayma stres neden olmaktadır delaminasyon, çökertme, çatlama ve/veya kopyalama. Örneğin, (i) grafen Membranlar ile 2D ağlar çıktığında kurban katmanı, grafen ve kurban katmanı (Cu veya hatta birçok diğer yüzeylerde de dahil olmak üzere) arasında güçlü Van der Waals kuvvetleri, kırık içinde kaynaklanan oluşturulabilir Grafin membranlar; ve (ii) sıvı içinde kendi kendine katlama sırasında yüzey gerilimi kuvvet, sıvı kuvvet ve yerçekimi kuvveti çatlama ve graphene zarı çökertme neden. Cu bir katman için kurban bir katman kullanılır ve ek desenli Al2O3/Cr katmanı Grafin-esaslı membranlar korumak için bir koruma katmanı olarak kullanılır. Başlangıçta, bir ince (10 nm kalın) Cr katman bir koruma katmanı olarak kullanılır. Ancak, Cr katman mekanik özellikleri beri yapılarını çökertme ince Cr katmanı gösterir yapısı Cu kurban katmandan serbest bırakıldığında grafen tabanlı zarları tutabilecek kadar güçlü değildir. Daha sonra bu sorunu gidermek için 100 nm kalın Al2O3/10 nm kalın Cr katmanları 10 nm kalın Cr/300 nm kalın Cu kurban tabaka yukarıda açıklandığı gibi üstüne eklenir. Sonuç olarak, koruma katmanı grafen membranlar imalat süreci ve öz-katlama boyunca tutma izin. 3D küp koruma katmanları-ebilmek var olmak çıkarmak grafen membranlar zarar vermeden uygun bir etchant tarafından kendi kendine sonra katlanır.
3D CVD küp grafen tabanlı görüntü hiçbir belirgin çatlaklar, dalgaların, delik veya diğer zarar (görüntüden yakınlaştırılmış olarak, 4b rakam) membranlar üzerinde bir son derece şeffaf, Müstakil, kapalı mimarisi (4a rakam) sunar. Yukarıda açıklandığı gibi grafen tabanlı 3D CVD küpleri üretmek için kullanılan aynı yaklaşımı kullanarak biz de başarıyla küpleri imalatı ~ 10 kat oluşan Membranlar ile göstermek (~ 10 nm kalın) git yaprak (Şekil 4e, 4f). Buna ek olarak, Ti yüzey desenli 3D vardır çok kararlı (Şekil 4 c, 4 d grafen) ve Şekil 4 g, 4 h için gitmek ve çeşitli yüzey değişiklikleri farklı yüzeylere farklı tasarımları ile gösterimi cubes öneriyor bir çok yönlü strateji 3D çok fonksiyonlu cihazlar inşaat farklı kombinasyonlarının heterojen entegrasyonu ile için. Sonuç olarak, grafin tabanlı 3D Haritayı (i) müstakil CVD grafen ve GO pencere membran katmanlı yapıları (bileşik yok oluşumu); oluşan cubes (ii) bir ek destek veya substrat gerekmez ama içi boş yapıları içine; ve bizim yaklaşım geleneksel taş süreçleri ile uyumlu olduğu için biçimlenme (III) yüzey modifikasyonlar ile metal grafen veya git yüzeyler üzerinde istenen herhangi bir desen ile.
Raman spektroskopisi grafen ve ilgili malzemeler karakterize etmek için etkili, noninvaziv yöntem olarak bir köklü ve zengin çeşitte grafen tabanlı örnekleri kalınlığı, doping, bozukluk, kenar ve tahıl sınırları gibi ilgili ayrıntıları sağlayabilir, ısı iletkenlik ve süzün. Ayrıca, çeşitli çevresel koşullar32,33,34,35örnekte uygulanabilir gibi bu karakterizasyonu yöntem esnektir. Grafin yapısında önemli değişiklikler varsa, bu nedenle, biz kendi kendine katlanır sonra Raman doruklarına pozisyonlar veya yoğunluklarda değişiklikleri görmek mümkün olmalıdır. Gösterildiği gibi Şekil 5a-5b, Al2O3/Cr koruma katmanlı Grafin-esaslı membranlar (her iki CVD kalkan için yardım bu yana herhangi bir önemli değişiklik tepe pozisyonları ve yoğunluklarda kendi kendine katlanır sonra görülebilir Grafen ve gitmek) imalat sırasında. Ancak, koruma katmanları kullanılmayan Şekil 5 c, gösterildiği gibi grafen membranlar kendi kendine katlama sırasında bir daha yüksek D Grubu (~ 1340 cm-1) ve bir alt 2D grup (~ 2690 cm-1) sonucu zarar görmüş. Grafin kusurları nicel bilgi-ebilmek var olmak çözümlemek D grubu ve G grubu en yüksek yoğunluk oranı (benD/iG): düşük değer benD/iG anlamına gelir düşük-kusur grafen. Şekil 5a ben diğer CVD grafen çok katmanlı sayfaları36için karşılaştırılabilir olan ~0.65 olmak 3D grafenD/iG değerleri hesaplamak biz. Dolayısıyla, bu gözlemler CVD grafen ve GO membranlar (malzemeler içsel özelliklerini korumak ve katmanlar arasında hiçbir kimyasal enterkalasyon oluşur), kendi kendine katlama işleminin önemli değişiklikler yaratmadı olduğunu gösteren bildirilen yöntemi sağlamlık.
İçi boş, Müstakil, yüzlü küpleri üreten ek olarak, burada istihdam kendi kendine katlama yöntemi metal, yalıtkan ve yarı iletken malzemeler 2D grafen membranlar üzerinde oluşan yüzey desenlendirme için küpleri sırasında uygulanacak sağlar Grafin içsel özelliklerini koruyarak. Bu sensörler ve 3D konfigürasyonları sayısız avantajı kullanmak elektrik devreleri dahil olmak üzere elektronik ve optik cihazlar geliştirme için sağlar. Bu yana kullanılan işlemler sadece Grafin-esaslı malzemeler için sınırlı değildir, Ayrıca, bu yöntem geçiş metalleri dichalcogenides ve böylece bizim imalat yaklaşım içinde harnessed olabilir izin veren siyah fosfor gibi 2D diğer malzemelere uygulanabilir Yeni nesil 3D Dönüşmelerden 2D malzemelerin geliştirilmesi.
Süreci daha Katlanır sıcaklığı azaltmak için optimize yüksek katlama mekanizması tarafından gerekli sıcaklık (~ 80 ° C) biyomedikal uygulamalarda sorunlu olacaktır. Ayrıca, PR-2 menteşe malzeme biyouyumlu bir malzeme değildir. Gelecekteki çalışmalar düşük sıcaklık (veya düşük enerjili) polyesterler ve sentetik hydrogels gibi cevap biyouyumlu menteşe malzemeler geliştirilmesi üzerinde durulacak. Biz son zamanlarda benzer yapıları ile bu saygı37içinde yararlı olabilir uzaktan kumandalı otomatik olarak katlama mekanizması üretmek mümkün olmuştur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Bu malzeme Minnesota Üniversitesi, Kardes sehirleri ve bir NSF Kariyer Ödülü (CMMI-1454293) bir başlangıç Fonu tarafından desteklenen çalışma üzerine kuruludur. Bu eser bölümlerini karakterizasyonu tesisinde Minnesota Üniversitesi, NSF tarafından finanse edilen malzeme araştırma imkanları Network (yolu ile MRSEC programı. üyesi yapılmıştır Bu eser bölümlerini Ulusal Bilim Vakfı aracılığıyla Ulusal Nano koordine altyapı ağı (NNCI) ödül numarası ECCS-1542202 altında tarafından desteklenen Minnesota Nano merkezi yapılmıştır. C. ö. 3 M bilim ve Teknoloji Bursu destek kabul eder.
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 |
References
- Geim, A. K., Novoselov, K. S.
- Singh, V., et al. Graphene based materials: Past, present and future. Progress in Materials Science. 56 (8), 1178-1271 (2011).
- Bonaccorso, F., Sun, Z., Hasan, T., Ferrari, A. C.
- 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).
- Bunch, J. S., et al. Electromechanical resonators from graphene sheets. Science. 315 (5811), 490-493 (2007).
- 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).
- Han, M. Y., Özyilmaz, B., Zhang, Y., Kim, P. Energy band-gap engineering of graphene nanoribbons. Physical Review Letters. 98 (20), 206805 (2007).
- Son, Y. W., Cohen, M. L., Louie, S. G.
- Yan, Q., et al. Intrinsic current− voltage characteristics of graphene nanoribbon transistors and effect of edge doping. Nano Letters. 7 (6), 1469-1473 (2007).
- Fei, Z., et al. Gate-tuning of graphene plasmons revealed by infrared nano-imaging. Nature. 487 (7405), 82-85 (2012).
- Joung, D., Zhai, L., Khondaker, S. I. Coulomb blockade and hopping conduction in graphene quantum dots array. Physical Review. B. 83 (11), 115323 (2011).
- Bacon, M., Bradley, S. J., Nann, T.
- Blees, M. K., et al.
- Michael Cai, W., et al. Mechanical instability driven self-assembly and architecturing of 2D materials. 2D Materials. 4 (2), 022002 (2017).
- Shenoy, V. B., Gracias, D. H. Self-folding thin-film materials: From nanopolyhedra to graphene origami. MRS Bulletin. 37 (9), 847-854 (2012).
- 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).
- Zhang, L., Zeng, X., Wang, X. Programmable hydrogenation of graphene for novel nanocages. Scientific Reports. 3, 3162 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Li, Y., et al. Growth of conformal graphene cages on micrometre-sized silicon particles as stable battery anodes. Nature Energy. 1 (2), (2016).
- Cho, J. H., Gracias, D. H.
- Cho, J. H., Azam, A., Gracias, D. H. Three Dimensional Nanofabrication Using Surface Forces. Langmuir. 26 (21), 16534-16539 (2010).
- Dai, C., Cho, J. H. In Situ Monitored Self-Assembly of Three-Dimensional Polyhedral Nanostructures. Nano Letters. 16 (6), 3655-3660 (2016).
- Joung, D., et al.
- 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).
- Joung, D., et al. Self-Assembled Three-Dimensional Graphene-Based Polyhedrons Inducing Volumetric Light Confinement. Nano Letters. 17 (3), 1987-1994 (2017).
- 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).
- Winterstein, T., et al. SU-8 electrothermal actuators: Optimization of fabrication and excitation for long-term use. Micromachines. 5 (4), 1310-1322 (2014).
- 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).
- Xie, X., et al. Controlled fabrication of high-quality carbon nanoscrolls from monolayer graphene. Nano Letters. 9 (7), 2565-2570 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
