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Engineering

Fabrication de tridimensionnelles polyedres axée sur le graphène via Origami-Like se pliant

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

Nous présentons ici un protocole pour la fabrication de 3D basé sur le graphène polyedres via origami-comme se pliant.

Abstract

L’assemblage de deux dimensions (2D) graphène dans les structures polyédriques tridimensionnelles (3D) tout en conservant d’excellentes propriétés inhérentes du graphène a été d’un grand intérêt pour le développement d’applications smart device roman. Ici, fabrication de 3D, a petite Echelle, creusent les polyèdres (cubes), composé de plusieurs couches de graphène 2D ou graphène oxyde feuilles via un processus autonome pliage origami-like est décrite. Cette méthode implique l’utilisation de cadres de polymère et charnières et des couches de protection en oxyde d’aluminium/chrome qui réduisent la résistance à la traction, spatiales, des contraintes de tension superficielle sur les membranes axée sur le graphène lorsque les filets 2D sont transforment en cubes 3D. Le procédé offre le contrôle de la taille et la forme de la structures ainsi que la production parallèle. En outre, cette approche permet la création de modifications de surface en métal sur chaque face des cubes 3D le patterning. Études de spectroscopie de Raman montrent que la méthode permet la préservation des propriétés intrinsèques des membranes axée sur le graphène, ce qui démontre la solidité de notre méthode.

Introduction

Deux dimensions (2D) graphène feuilles possèdent des propriétés optiques, électroniques et mécaniques extraordinaires, ce qui les rend de modéliser des systèmes pour l’observation des phénomènes quantiques roman pour génération électronique, optoélectronique, électrochimique, les applications biomédicales et électromécanique1,2,3,4,5,6. En dehors de la production 2D structure en couches de graphène, récemment, diverses approches de modification ont été étudiés pour respecter les nouvelles fonctionnalités du graphène et chercher de nouvelles possibilités d’application. Par exemple, modulant (tuning) ses propriétés physiques (c.-à-d., dopage écart niveau et/ou bande) en adaptant les formes ou de structuration de la 2D des structurent ou à un unidimensionnelle (1D) ou sans dimension structure (0d) (e.g., graphène nanoribbon ou graphène points quantiques) a été étudiée pour obtenir de nouveaux phénomènes physiques, notamment des effets de confinement quantique modes plasmoniques localisées, distribution électron localisé et spin polarisé bord États7,8 ,9,10,11,12. En outre, variant la texture du graphène 2D par chiffonnant (souvent appelé kirigami), délaminage, flambage, torsion, superposition de plusieurs couches ou changer la forme de surface de graphène en transférant le graphène 2D sur le dessus une fonctionnalité 3D (substrat) a été démontré que pour changer du graphène mouillabilité, caractéristiques mécaniques et propriétés optiques13,14.

Au-delà de changer la morphologie de la surface et la structure en couches de graphène 2D, assemblage de graphène 2D dans des polyèdres (3D) fonctionnalisés, bien définies, en trois dimensions a été d’un grand intérêt récemment dans la communauté de graphène pour obtenir la nouvelle physique et phénomènes chimiques15. En théorie, l’élastique, électrostatique et de van der Waals, énergies de 2D structures axées sur le graphène peuvent être exploités pour transformer le graphène 2D en divers graphène-origami 3D configurations16,17. Basé sur ce concept, la modélisation théorique études ont examiné dessins de structure 3D de graphène, formés à partir de membranes de graphène 2D nanométriques, avec des utilisations possibles de médicaments et de stockage moléculaire générale16,17. Pourtant, l’évolution expérimentale de cette approche est encore loin de se rendre compte de ces demandes. En revanche, un certain nombre de méthodes de synthèse chimiques ont été développé pour réaliser des structures 3D via assistée par modèle assembly en anglais, flux-dirigé, levage assemblage et croissance des méthodes18,19 , 20 , 21 , 22. Toutefois, ces méthodes sont actuellement limitées qu’ils ne peuvent pas produire une structure 3D, creuse, clos sans perdre les propriétés intrinsèques des feuilles de graphène.

Ici, une stratégie pour la création 3D, creuse, axée sur le graphène microcubes (dimension hors-tout de ~ 200 µm) en utilisant comme origami pliage automatique est exposée ; surmonter les plus grands défis dans la construction de matériaux autoportantes, creux, 3D, polyédriques, axée sur le graphène. Dans les techniques de pliage automatique origami-like, mains-libres, caractéristiques planaires lithographically motifs 2D (c'est-à-dire, axée sur le graphène membranes) sont connectés avec charnières (c'est-à-dire thermique polymère, résine photosensible) à diverses articulations, ainsi formation 2D filets qui se replier lorsque les charnières sont chauffées à la température23,24,25,26de fusion. Les cubes axée sur le graphène sont réalisés avec des composants de membrane de fenêtre composées de quelques couches de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) cultivées graphène ou membranes de graphène oxyde (GO) ; a la fois avec l’utilisation de trames de polymère et charnières. La fabrication des cubes 3D basé sur le graphène implique : (i) préparation des couches de protection, le transfert de graphène (ii)-membrane et structuration, (iii) metal surface patterning sur graphène-membranes, cadre (iv) et charnières le patterning et le dépôt, (v). Pliage automatique et l’enlèvement (vi) les couches de protection (Figure 1). Cet article se concentre principalement sur les aspects se pliantes de la fabrication des cubes 3D basé sur le graphène. On trouvera des détails sur les propriétés physiques et optiques des cubes 3D basé sur le graphène dans nos autres récentes publications27,28.

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Protocol

ATTENTION : Plusieurs des produits chimiques utilisés dans ces synthèses sont toxiques et peuvent causer des irritations et des dommages graves organes quand ils sont touchés ou inhalé. S’il vous plaît utiliser l’équipement de sécurité approprié et porter des équipements de protection individuelle lors de la manipulation de produits chimiques.

1. préparation de l’oxyde d’aluminium et de chrome Protection couches sur une couche sacrificielle cuivre

  1. À l’aide d’un évaporateur à faisceau d’électrons, dépôt de 10 nm épais chrome (Cr) et 300 nm en cuivre (Cu) couches épaisses (couche sacrificielle) sur le substrat de silicium (Si) (Figure 2 a).
  2. Spin-couche une résine photosensible (PR) -1 à 2500 tr/min suivie d’une cuisson à 115 ° C pendant 60 s.
  3. Exposer les zones nettes 2D conçus aux rayons ultraviolets (UV) sur un aligneur de masque contact pendant 15 s et développer pendant 60 s dans une solution developer-1. Rincer l’échantillon avec de l’eau désionisée (DI) et séchez avec un pistolet à air.
  4. Dépôt de 10 nm Cr épaisse et arraché de l’acétone PR - 1 en restant. Rincer l’échantillon avec l’eau distillée et séchez avec un pistolet à air (Figure 2 b).
  5. Modèle 2D filets avec six place Al2O3/Cr protection couches sur le net, 2D spin-coat un PR-1 à 2500 tr/min, suivie d’une cuisson à 115 ° C pendant 60 s.
  6. Exposer les six couches de protection carrés conçu à la lumière UV sur un aligneur de masque contact pendant 15 s et développer pendant 60 s dans une solution developer-1. Rincer l’échantillon avec l’eau distillée et séchez avec un pistolet à air.
  7. Dépôt de 100 nm Al2O3 couche épaisse et couche Cr épaisse de 10 nm. Supprimer les restants de l’acétone PR - 1 in. Rincer l’échantillon avec l’eau distillée et séchez avec un pistolet à air (Figure 2c).

2. préparation du graphène et les Membranes de l’oxyde de graphène

Remarque : Dans cette étude, deux types de matériaux à base de graphène sont utilisés : (i) chimique en phase vapeur (CVD) cultivé le graphène et l’oxyde de graphène (ii) (GO).

  1. Préparation des membranes de graphène CVD multicouches
    Remarque : Pour obtenir les membranes multicouches de graphène, monocouche graphène est transféré trois moments distincts à l’aide de plusieurs étapes de revêtement/enlèvement polyméthacrylate de méthyle (PMMA).
    1. Commençant par un morceau carré de ~ 15 mm du graphène ont adhéré sur une feuille Cu, spin-manteau une mince couche PMMA à 3000 tr/min sur la surface du graphène. Cuire au four à 180 ° C pendant 10 min.
    2. Placez la feuille de couches feuille PMMA/graphène/Cu flottant Cu-côté vers le bas dans Cu etchant pendant 24 h à découpent la feuille Cu.
    3. Après le Cu clinquant est complètement dissous (laissant PMMA/graphène), transférer le graphène PMMA-enduit flottant sur la surface d’un bassin de l’eau distillée à l’aide d’un verre de glissière de microscope pour éliminer tout résidu de mordançage Cu. Répéter le transfert du graphène PMMA-enduit sur les nouveaux bassins d’eau DI plusieurs fois pour bien rincer.
    4. Transfert le graphène PMMA-enduit flottant sur un autre morceau de graphène ont adhéré sur une feuille Cu (graphène/Cu) pour obtenir une membrane bicouches graphène (formant une structure de feuille PMMA/graphène/graphène/Cu).
    5. Traiter thermiquement le graphène de double-couche sur le Cu feuille sur une plaque de cuisson à 100 ° C pendant 10 min.
    6. Supprimer le PMMA sur le dessus de la double couche de graphène sur le Cu déjouer dans un bain d’acétone (laissant une pile de couche de feuille de graphène/graphène/Cu), suivi par le transfert à l’eau distillée.
    7. Répéter le transfert de graphène (2.1.1 - 2.1.5) une fois de plus pour obtenir trois couches superposées de membranes de graphène. Lorsque étape 2.1.4 est atteinte pendant le processus de répétition, au lieu de transférer la nouvelle feuille de graphène PMMA-enduit sur un autre morceau de graphène/Cu, transférer le nouveau graphène PMMA-enduit sur le graphène précédemment fabriqué double-couche de l’étape 2.1.6 pour former une combinaison de couche feuille PMMA/graphène/graphène/graphène/Cu. Ensuite, répétez l’étape 2.1.5 sans modification.
    8. Placez la feuille de couches feuille PMMA/graphène/graphène/graphène/Cu flottant Cu-côté vers le bas dans Cu etchant pendant 24 h à découpent la feuille Cu.
    9. Transférer les PMMA-enduit trois-couches de graphène membranes (PMMA/graphène/graphène/graphène) sur les couches de protection en /Cr préfabriqués Al2O3de l’article 1.
    10. Après transfert du graphène, retirez le PMMA avec de l’acétone. Ensuite, tremper l’échantillon dans l’eau distillée et sécher à l’air.
    11. Traiter thermiquement le graphène multicouche sur le substrat sur une plaque de cuisson à 100 ° C pendant 1 h.
    12. Spin-manteau PR-1 à 2500 tr/mn et cuire au four à 115 ° c pendant 60 s.
    13. UV exposer les régions de PR-1 directement au-dessus des zones de couche de protection carrés en utilisant un aligneur de masque contact pendant 15 s et développer pendant 60 s dans une solution developer-1.
    14. Supprimer le nouvellement découvert, indésirables graphène zones via un traitement au plasma oxygène pendant 15 s.
    15. Enlevez les restes PR-1 dans l’acétone.
    16. Rincer l’échantillon avec l’eau distillée et sécher à l’air (Figure 2d).
  2. Préparation des membranes de l’oxyde de graphène
    Remarque : Photolithographie traditionnelle suivie d’un processus de décollage via inondation une exposition est utilisée pour les membranes GO de mires.
    1. Spin-coat PR-2 à 1700 tr/min pendant 60 s au sommet des précédemment fabriqué Al2O3/Cr protection couches pour obtenir une couche épaisse de 10 µm. Faire cuire le PR-2 à 115 ° C pendant 60 s et puis attendez pendant 3 h.
    2. Avec le même masque utilisé pour la couche de protection Al2O3/Cr le patterning, UV exposer l’échantillon sur un aligneur de masque contact pour 80 s et développer pour 90 s en solution developer-2. Rincer l’échantillon avec l’eau distillée et séchez avec un pistolet à air.
    3. Réaliser une exposition aux inondations UV de l’ensemble de l’échantillon sans masque pour 80 s.
    4. Spin-manteau l’aller préparé et mélange de l’eau (15 mg de poudre GO dans 15 mL de l’eau distillée) sur l’échantillon à 1000 tr/min pendant 60 s. effectuer le revêtement en spin total 3 fois.
    5. Tremper l’échantillon en solution developer-2 pour permettre le décollage de GO non désiré.
    6. Rincer l’échantillon avec l’eau distillée et séchez soigneusement l’échantillon avec un pistolet à air.
    7. Traiter thermiquement l’échantillon sur une plaque de cuisson à 100 ° C pendant 1 h (Figure 2 h).

3. métal structuration de Surface sur les Membranes axée sur le graphène

Note : Un procédé de photolithographie commune a été effectué pour parvenir à la structuration de surface en utilisant un aligneur de masque contact UV et évaporateur faisceau d’électrons (voir 1.2 à 1.4).

  1. Créez des 20 nm épais titane (Ti) motifs sur le dessus les membranes axée sur le graphène à motifs.
  2. Traiter thermiquement l’échantillon sur une plaque de cuisson à 100 ° C pendant 1 h (Figure 2e pour le graphène) et Figure 2i pour GO.

4. fabrication de cadres de polymère et charnières

  1. Sur le dessus de membranes axée sur le graphène avec Ti surface patterns, spin-manteau PR-3 à 2500 tr/min pour 60 s pour former une couche épaisse de 5 µm et cuire au four à 90 ° C pendant 2 min.
  2. UV exposer les échantillons pendant 20 s, cuire au four à 90 ° C pendant 3 min et de développer pour 90 s en solution developer-3.
  3. Rincer l’échantillon avec l’eau distillée et d’alcool isopropylique (IPA) et séchez soigneusement l’échantillon avec un pistolet à air.
  4. Après cuisson les échantillons à 200 ° C pendant 15 min améliorer la rigidité mécanique des trames (PR-3) (Figure 2f pour le graphène) et Figure 2j pour aller.
  5. Pour que le motif de la charnière, spin-coat PR-2 à 1000 tr/min pendant 60 s à former une couche épaisse de 10 µm sur le dessus du substrat préfabriqué. Cuire au four à 115 ° c pendant 60 s et attendez pendant 3 h.
  6. UV exposer l’échantillon sur un aligneur de masque contact pour 80 s et développer pour 90 s en solution developer-2.
  7. Rincer l’échantillon avec l’eau distillée et séchez soigneusement l’échantillon avec un pistolet à air (Figure 2 g pour le graphène) et Figure 2 k pour aller.

5. pliage automatique dans l’eau distillée

Remarque : Lorsque les PR-2 charnières sont fondus (ou refusion), une force de tension superficielle est générée ; par conséquent, les structures 2D transforment en structures 3D (un processus de pliage automatique).

  1. Pour libérer la structure 2D, dissoudre la couche sacrificielle Cu sous les filets 2D dans un gel de mordançage Cu (Figure 2 l).
  2. Soigneusement transférer la structure libérée dans un bain d’eau DI à l’aide d’une pipette et rincer quelques fois pour enlever le gel de mordançage Cu résiduelle.
  3. Structure de la place le 2D dans l’eau distillée chauffée au-dessus du point de fusion du polymère charnières (PR-2) (Figure 2 m).
  4. Surveiller le pliage automatique en temps réel par microscopie optique et retirer de la source de chaleur sur le succès de l’Assemblée en cubes fermés.

6. enlèvement des couches de Protection

  1. Après pliage automatique, enlever les couches de protection /Cr Al2O3avec Cr de mordançage (Figure 2n).
  2. Transférer doucement les cubes dans un bain d’eau DI et Rincez soigneusement.

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Representative Results

Figure 2 affiche les images optiques les procédés lithographiques du graphène 2D et GO nets structures et processus de pliage automatique subséquent. Le processus de pliage automatique est surveillé en temps réel via un microscope de haute résolution. Les deux types de 3D cubes axée sur le graphène sont pliées à ~ 80 ° C. Figure 3 présente les séquences capturées vidéo montrant le pliage automatique de 3D cubes axée sur le graphène de façon parallèle. En vertu d’un processus optimisé, cette approche présente un rendement le plus élevé d’environ 90 %.

La figure 4 montre des images optiques des cubes 3D assemblé le graphène et GO dotés avec ou sans motifs superficiels. La taille globale des cubes se pliés est 200 (largeur) × 200 (longueur) x 200 (hauteur) µm3. Pour afficher la surface capacité le patterning, 20 nm épais Ti à motifs caractéristiques et lettrage « UMN » sont définis sur chaque face des cubes 3D basé sur le graphène.

Pour évaluer la structure, des changements dans le graphène et les membranes GO pendant le pliage automatique traitent, propriétés du graphène allez structures avant et après pliage automatique sont caractérisés par les spectres Raman. Figure 5 a et 5 b sont la spectroscopie Raman des matériaux à base de graphène intactes, filets d’axée sur le graphène 2D et 3D cubes axée sur le graphène. Les résultats ne montrent aucun changement notable en Raman pic position et l’intensité pour le graphène et membranes aller après le pliage automatique. Toutefois, lorsque la protection couches ne sont pas utilisés (Figure 5C), des changements notables dans les intensités relatives des pics ont été observées, indiquant les changements ou les dommages aux propriétés du graphène pendant le pliage automatique.

Figure 1
Figure 1 : Illustration schématique du processus se pliante de 3D cubes axée sur le graphène (a) structuration 2D net protection de la couche. b transférer axée sur le graphène membranes sur le dessus de la couche de protection. (c) surface métallique patterning sur membranes axée sur le graphène. (d) le patterning cadre et charnières. (e) libérant les structures 2D de substrat et le pliage automatique pilotée par la refusion des charnières par température élevée. (f) le retrait de la pellicule de protection de 3D cubes axée sur le graphène. Ce chiffre est adapté avec la permission de28. Copyright 2017, American Chemical Society. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Traitent les images optiques du processus lithographique de fabrication du graphène 2D et GO structures nets et ultérieures se pliant (a-c) Fabrication de couches de protection. (a) 10 nm Cr épais et 300 nm Cu sacrificiel des couches épaisses sont déposées sur une plaquette de Si. (b) 10 nm Cr épaisse et (c) 100 nm Al2O310 nm épais Cr protection couches épaisses sont définis (160 × 160 µm2). filets 2D (d-g) avec des membranes de graphène CVD et modèles Ti. (d) le graphène multicouche est transféré sur le substrat et modelé par un traitement au plasma d’oxygène. (e) sur le dessus de membranes graphène à motifs, 20 nm épais Ti modèles sont définis. (f) les cadres PR-3 épais de 5 µm sont modelées. (g) pour rendre le modèle de charnière, s’inspire un film PR-2 épaisseur de 10 µm. (h-k) 2D filets avec GO membranes et modèles Ti. (h) aller dans l’eau est spin-enduit trois fois à 1000 tr/min pendant 60 secondes pour produire des membranes GO épaisseur environ 10 nm. Un décollage par inondation exposition processus est exécuté pour modèle les membranes GO. (i) sur le dessus de l’aller à motifs, modèles de Ti sont définis. Puis, sont inspire d’images cubes (j) le PR-3 et (k) PR-2 charnières. processus de pliage automatique (l-n). (l) Communiqué du 2D filets de la couche sacrificielle. (m) un pliage des filets 2D autonome dans l’eau en appliquant une température de 80 ° C. (n) enlèvement des couches de protection. Echelle = 200 µm. Ce chiffre est adapté avec la permission de28. Copyright 2017, American Chemical Society. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Une séquence de capture vidéo du processus de pliage automatique de 3D cubes axée sur le graphène Images optiques en temps réel de 3D cubes axée sur le graphène, capturés après b 0, (b) 30, 60 (c), 90 (d), (e) 120 et 150 f s (avant la protection de la couche de gravure). Echelle = 200 µm. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Des images optiques les cubes 3D basé sur le graphène avec ou sans motifs de surface cube (a-b) un 3D avec trois couches de films de graphène CVD et une image agrandie de la surface supérieure du cube 3D CVD axée sur le graphène. cube (c-d) un 3D avec motifs métalliques (20 nm Ti épais) sur les membranes de graphène CVD et une image agrandie de la surface supérieure du cube 3D basé sur le graphène avec les patrons de Ti. (e-f) un 3D basé sur GO cube et une image agrandie de la surface supérieure du cube 3D basé sur GO. cube du (g-h) un self plié en 3D basé sur GO avec motifs de Ti et une image agrandie de la surface supérieure du cube 3D axée sur l’aller avec les patrons de Ti. Echelle = 100 µm. Ce chiffre est adapté avec la permission de28. Copyright 2017, American Chemical Society. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : Spectroscopie de Raman des membranes d’axée sur le graphène 2D et 3D cubes axée sur le graphène (a) spectre Raman des vierge graphène CVD sur un substrat Si, 2D calqué sur graphène CVD (avant de se plier) et les cubes de graphène 3D autoportantes (se plier). Les trois sommets près ~ 1340 cm-1 (groupe D), ~ 1580 cm-1 (groupe G) et ~ 2690 cm-1 (groupe 2D) sont observées. (b) spectre Raman de ~ 10 couches (~ 10 nm d’épaisseur) de GO films sur Si, avant de se replier et après se pliants (autoportantes cubes). Les quatre pics à ~ 1360 cm-1 (groupe D), ~ 1605 cm-1 (groupe G), ~ 2715 cm-1, et ~ 2950 cm-1 (bande D + G) sont observées. (c) spectre Raman de 3D structures axées sur le graphène (vert) et sans (rouge) l’utilisation de la couche de protection Al2O3/Cr. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Pour les glaçons fabriqués avec graphène CVD, car chaque face d’un cube donné est doté d’un cadre extérieur entourant une zone de2 ~ 160 × 160 µm de graphène autoportantes, une seule feuille de graphène monocouche n’a pas la force nécessaire pour permettre traitement parallèle des cubes. Pour cette raison, membranes de graphène constituée de trois couches de monocouche de graphène CVD feuilles sont produites via trois transferts de graphène distinct à l’aide de multiples étapes de revêtement/élimination de PMMA. En revanche, pour la préparation de membrane GO, nous utilisons des feuilles individuelles de GO dans l’eau, obtenu via méthode27 d’une mis à jour le Hummer. Pour les membranes GO de mires, photolithographie traditionnelle suivie d’une processus déjaugeage via une exposition inondation est utilisée. Le processus utilise une exposition aux inondations après photolithographie traditionnelle mais avant le dépôt de membrane GO. Après GO-Enduction centrifuge, un processus de décollage est ensuite effectué au développeur pour supprimer les zones indésirables de GO. Certains développeurs contiennent la solution alcaline aqueuse d’hydroxyde de sodium (NaOH), lequel etches aluminium et Al2O3. Par conséquent, un développeur libre de NaOH doit être utilisé. Pour ce travail, le développeur spécifique utilisé pour satisfaire à cette exigence est solution developer-2.

Les armatures des cubes 3D supportant les membranes axée sur le graphène sont faites de PR-3 en raison de sa haute stabilité mécanique et thermique ainsi que haute transparence optique29. On sait que la stabilité thermique et mécanique de PR-3 dépend de la réticulation des processus30. La rétification maximale de PR-3 lorsqu’il est dur cuit plus de ~ 200 ° C. Après la cuisson de dur, le module dynamique de PR-3 s’améliore, ce qui indique que les structures ont une résistance mécanique plus pendant le mouvement dynamique et sont donc plus mécaniquement stable. En effet, lorsque la chaleur est appliquée pour les cubes (ou les échantillons) pour se plier, les cadres de PR-3 maintiennent leur forme d’origine. Une autre source de dommages potentiels est le dépôt de modèles Ti qu’ils pourraient produire une contrainte de compression sur les membranes de graphène ; Toutefois, la démonstration de graphène intact membranes après que pliage automatique indirectement indique la stabilité mécanique de la PR-3 pourrait contribuer à la conservation des membranes graphène (Figure 3, Figure 4). En outre, la propriété définissable par photo de PR-3 permet un contrôle aisé des tailles et formes des cubes 3D, ainsi qu’un contrôle facile de l’angle de pliage de la structure 3D pour la réalisation de diverses structures 3D y compris les structures de semi-3D.

Dans le principe de self pliage origami-like, un couple de tension superficielle est produit pour plier une structure de filet 2D via la refusion des matériaux charnière (e.g., minces films métalliques ou polymères thermique)26,31. Est la tension superficielle du polymère PR-2 charnières inférieures (~0.03 N/m) à celle du métal charnières (p. ex., soudure ~0.5 N/m)26,28. Le produit de tension superficielle plus faible moins couple de rotation lorsque les filets 2D sont pliées par rapport à la 2D filets en métal charnières26,31. Le couple inférieur pourrait réduire le stress sur les membranes d’axée sur le graphène tri couche pendant le processus de pliage automatique. Les cubes 3D basé sur le graphène sont pliées à ~ 80 ° C (Figure 3), dans lequel les charnières refusion à leur point de fusion (pour le métal à souder charnières, le point de fusion est ~ 230 ° C)26. Remarquablement, en vertu d’un processus optimisé, cette approche présente un rendement le plus élevé d’environ 90 %.

Au cours de la lithographie par processus et pliage automatique, la contrainte spatiale sur les membranes de graphène induit la délamination, flambage, fissuration ou déchirure. Par exemple, (i) lorsque les filets 2D avec des membranes de graphène sont libérées par la couche sacrificielle, les puissantes forces de Van der Waals entre le graphène et couche sacrificielle (y compris les Cu ou même de nombreux autres substrats) peux être généré, entraînant cassé membranes de graphène ; et (ii) pendant le pliage automatique dans un liquide, force de tension superficielle, force fluidique et force gravitationnelle provoquer fissuration et flambage des membranes de graphène. Une couche de Cu est utilisée pour une couche sacrificielle et une motif supplémentaire Al2O3couche /Cr est utilisée comme une couche de protection pour protéger les membranes axée sur le graphène. Au départ, une mince (10 nm d’épaisseur) couche Cr a été utilisé comme une couche de protection. Toutefois, les spectacles de couche minces Cr flambement de structures depuis les propriétés mécaniques de la couche de Cr ne sont pas assez forts pour tenir les membranes axée sur le graphène, lorsque la structure est libérée de la couche sacrificielle Cu. Plus tard, pour résoudre ce problème, 100 nm Al2O310 nm épais Cr couches épaisses sont ajoutés sur la 10 nm épais Cr/300 nm épais Cu sacrificiel couche comme décrit ci-dessus. Par conséquent, la couche de protection a permis de rétention des membranes graphène tout au long du processus de fabrication et auto-pliage. Les couches de protection sur le cube 3D peuvent être enlevés après pliage automatique par un gel de mordançage approprié sans endommager les membranes de graphène.

L’image 3D de cube basé sur le graphène CVD présente une très transparente, autoportante, clos architecture (Figure 4 a) avec aucune fissure visible, ondulations, trous ou autres dommages sur les membranes (à partir de la zoom image, Figure 4 b). Comme décrit ci-dessus, en utilisant la même approche utilisée pour produire les cubes 3D d’axée sur le graphène CVD, nous aussi réussit à démontrer la fabrication des cubes avec les membranes composés de couches de ~ 10 (~ 10 nm d’épaisseur) de feuilles GO (Figure 4e, 4f). En outre, Ti surface à motifs 3D cubes sont très stable (Figure 4C, 4D pour le graphène) et Figure 4 g, 4 h pour aller et la démonstration de diverses modifications de surface avec des conceptions différentes sur les différents visages suggère une stratégie polyvalente pour la construction d’appareils multifonctionnels 3D avec l’intégration de différentes combinaisons de matériaux hétérogène. En conséquence, la 3D basé sur le graphène cubes Voir la (i) autoportantes CVD graphène et membranes de fenêtre GO composés de structures stratifiées (aucune formation composite) ; (ii) joint creux mais des structures qui ne nécessitent pas une assistance supplémentaire ou le substrat ; et (iii) modifications de surface via métal patterning sur le graphène ou surfaces aller avec n’importe quel motifs souhaités, car notre approche est compatible avec les procédés lithographiques classiques.

La spectroscopie Raman est bien établie comme une méthode efficace et non invasive pour caractériser le graphène et matériels connexes, et il peut fournir une grande variété d’informations sur échantillons axée sur le graphène comme épaisseur, dopage, trouble, limites de bord et de grain, conductivité thermique et déformation. En outre, cette méthode de caractérisation est flexible car elle peut être appliquée à un échantillon dans diverses conditions environnementales32,33,34,35. Donc, si il y a des changements significatifs dans la structure du graphène, nous serions en mesure de voir les changements de positions pics Raman ou intensités après pliage automatique. Comme le montre Figure 5 a-5 b, aucun changement significatif dans les positions des pics et les intensités ne sont visibles après le pliage automatique, étant donné que la protection de /Cr Al2O3couches aide à protéger les membranes axée sur le graphène (les deux maladies cardiovasculaires le graphène et aller) pendant la fabrication. Toutefois, tel qu’illustré en Figure 5 c, lorsque les couches de protection ne sont pas utilisés, membranes de graphène sont endommagés pendant le pliage automatique, résultant dans une tranche supérieure de D (~ 1340 cm-1) et une bande inférieure 2D (~ 2690 cm-1). Les informations quantitatives sur les défauts de graphène peuvent être analysées par le ratio d’intensité maximale de la bande D et G (j’aiD/iG) : faible valeur j’aiD/iG signifie bas-défaut graphène. De la Figure 5 a nous la j’ai calculer les valeurs / iG Ddu graphène 3D à être ~0.65 qui se compare aux autres de feuilles multicouches de graphène CVD36. Par conséquent, ces observations indiquent le processus de pliage automatique n’a pas créé des changements significatifs dans le graphène CVD et membranes GO (les matériaux conservent leurs propriétés intrinsèques, et aucune intercalation chimique entre les couches se produit), ce qui démontre la robustesse de la méthode signalée.

En plus de produire des cubes creux, autoportante, polyédriques, la méthode automatique pliante utilisée ici permet pour la structuration de surface, composé de matériaux métalliques, isolant et semi-conducteur sur les membranes de graphène 2D, à appliquer aux cubes tout en maintenir les propriétés intrinsèques du graphène. Cela permet le développement d’instruments électroniques et optiques, capteurs et circuits électriques, en utilisant les nombreux avantages des configurations 3D. En outre, étant donné que les procédés utilisés ne se limitent pas aux seuls des matériaux à base de graphène, cette méthode peut être appliquée à d’autres matériaux 2D tels que les métaux de transition multiples et phosphore noir, permettant ainsi à notre démarche de fabrication à être mobilisés par développer des réincarnations 3D nouvelle génération de matériaux 2D.

La haute température (~ 80 ° C) requise par le mécanisme de pliage peut être problématique dans des applications biomédicales, à moins que le processus peut être optimalisé pour réduire la température de pliage. En outre, le matériel de charnière PR-2 n’est pas un matériau biocompatible. Les études à venir seront concentrera sur le développement de matériaux biocompatibles charnière répondant à basse température (ou à faible énergie) comme les polyesters et les hydrogels synthétiques. Récemment, nous avons été en mesure de fabriquer semblables structures via un mécanisme de pliage automatique télécommandé qui pourrait être utile à cet égard37.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Ce matériel est basé sur le travail soutenu par un fonds de lancement à l’Université du Minnesota, Twin Cities et une bourse de carrière de la NSF (CMMI-1454293). Certaines parties de ce travail ont été effectuées dans l’installation de caractérisation à l’Université du Minnesota, membre de la NSF-financé matériaux recherche installations réseau (via le programme MRSEC. Parties de ce document ont été menées dans le centre de Nano de Minnesota, qui est soutenu par la Fondation nationale des sciences à travers le National Nano coordonnée Infrastructure réseau (NNCI) sous attribution numéro ECCS-1542202. C. D. reconnaît le soutien des 3 M Science et Technology Fellowship.

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

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References

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Ingénierie numéro 139 graphène oxyde de graphène 3D cubes axée sur le graphène microcubes Self origami pliage
Fabrication de tridimensionnelles polyedres axée sur le graphène <em>via</em> Origami-Like se pliant
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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).

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