3D Karbon Mikroelektromekanik Sistemlerin (C-MEMS) İmalatı
Summary
Uzun ve içi boş camsı karbon mikroelyafları, doğal bir ürünün, insan saçının pirolizine dayalı olarak imal edilmiştir. Karbon mikroelektromekanik ve karbon nano elektromekanik sistemlerin veya C-MEMS ve C-NEMS'nin iki üretim aşaması şunlardır: (i) karbon açısından zengin bir polimer öncüsünün fotolitografisi ve (ii) desenli polimer öncüsünün pirolizi.
Abstract
Doğada, çeşitli mikro / nano-yapı konfigürasyonlarına sahip çok çeşitli karbon kaynakları mevcuttur. Burada, insan tüylerinden türetilen uzun ve içi boş camsı karbon mikrofiberlerin imalatı için yeni bir teknik tanıtıldı. Uzun ve oyuk karbon yapıları, insan saçının 900 ° C'de bir N2 atmosferi altında pirolizi ile yapıldı. Doğal ve pirolize insan kıllarının morfolojisi ve kimyasal bileşimi, pirolizden kaynaklanan fiziksel ve kimyasal değişiklikleri tahmin etmek için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve elektron-dağılmalı X-ışını spektroskopisi (EDX) kullanılarak araştırılmıştır. Raman spektroskopisi, karbon mikroyapılarının camsı doğasını teyit etmek için kullanılmıştır. Pirolize edilmiş saç karbonu, ekran baskılı karbon elektrodlarını değiştirmek için piyasaya sürüldü; Modifiye elektrotlar daha sonra dopamin ve askorbik asidin elektrokimyasal algılamalarına uygulandı. Modifiye sensörlerin algılama performansı unmodi'ye kıyasla geliştirildiFied sensörler. İstenen karbon yapısı tasarımını elde etmek için karbon mikro / nano elektromekanik sistem (C-MEMS / C-NEMS) teknolojisi geliştirildi. En yaygın C-MEMS / C-NEMS imalat süreci iki aşamadan oluşur: (i) fotolitografi kullanarak bir ışığa duyarlı polimer gibi karbon açısından zengin bir ana materyalin desenlendirilmesi; Ve (ii) desenli polimerin oksijensiz bir ortamda pirolizi yoluyla karbonlaştırılması. C-MEMS / NEMS prosesi, mikro piller, supercapacitors, glikoz sensörleri, gaz sensörleri, yakıt hücreleri ve triboelektrik nanogeneratörler de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için mikroelektronik cihazlar geliştirmek için yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Burada SU8 fotoresistleri ile yüksek en-boy oranlı katı ve içi boş karbon mikroyapılarının son gelişmeleri tartışıldı. Piroliz sırasında yapısal çekme, konfokal mikroskopi ve SEM kullanılarak araştırıldı. Raman spektroskopisi, yapının kristalinitesini teyit etmek için kullanıldı ve elementlerin atomik yüzdesiPiroliz öncesi ve sonrasında malzemede nt EDX kullanılarak ölçüldü.
Introduction
Karbon nanotüpleri (CNT'ler), grafit, elmas, amorf karbon, lonsdaleit, buckminsterfulleren (C 60 ), fullerit (C 540 ), fulleren (C56), karbonlu nanotüpler C 70 ) ve camsı karbon 1 , 2 , 3 , 4 . Camsı karbon, yüksek izotropi dahil olmak üzere fiziksel özellikleri nedeniyle en yaygın olarak kullanılan allotroplardan biridir. Aynı zamanda aşağıdaki özelliklere de sahiptir: iyi elektrik iletkenliği, düşük termal genleşme katsayısı ve gaz geçirimsizlik.
Karbon yapıları elde etmek için karbon açısından zengin öncü maddeler aranmaktadır. Bu öncüler, belirli şekillerde mevcut olan ve hatta atık ürünleri de içeren insan yapımı veya doğal ürünler olabilir. Çok çeşitli micr O / nanoyapılar, doğada biyolojik veya çevresel süreçler vasıtasıyla oluşturulur ve geleneksel üretim araçlarını kullanarak yaratılması oldukça zor olan benzersiz özelliklere neden olur. Bu durumda desenlendirme doğal olarak gerçekleştiği için, doğal ve atık hidrokarbon öncülleri kullanarak nanomalzemelerin sentezi, piroliz 5 olarak adlandırılan atıl veya vakumlu bir atmosferde, kolay, tek aşamalı bir termal ayrışma işlemi kullanılarak gerçekleştirilebilir. Yüksek kaliteli grafen, tek duvarlı CNT'ler, çok duvarlı CNT'ler ve karbon noktaları, terebentin yağı, susam yağı gibi tohumlar, lifler ve yağlar dahil olmak üzere bitki kaynaklı öncüllerin ve atıkların termal bozunumu veya piroliziyle üretilmiştir , Neem yağı ( Azadirachta indica ), okaliptüs yağı, hurma yağı ve jatrofa yağı. Ayrıca, kafur ürünleri, çay-yaprak özleri, atık yiyecekler, böcekler, tarımsal atıklar ve gıda ürünleri 6 , 7 ,Son zamanlarda, araştırmacılar gözenekli karbon mikrofiberlerini hazırlamak için ipek kozalarını bile bir ön madde olarak kullandı bile 10 . Genellikle atık madde olarak düşünülen insan saçları, yakın bir zamanda bu ekip tarafından kullanılmıştır. % 50'den fazla karbon içeren yaklaşık% 91 polipeptitten oluşur; Geri kalan kısım oksijen, hidrojen, azot ve kükürt gibi elementlerdir 11 . Saç aynı zamanda çok yavaş bozunum, yüksek gerilme mukavemeti, yüksek ısı yalıtımı ve yüksek elastik geri kazanım gibi çeşitli ilginç özellikler ile birlikte gelir. Son zamanlarda, süper kondansatörler 12'de kullanılan karbon pullarını hazırlamak ve elektrokimyasal algılama için oyuk karbon mikrofiberleri oluşturmak için kullanılmıştır13.
Üç boyutlu (3D) yapıları imal etmek için dökme karbon maddesinin işlenmesi, malzeme çok kırılgan olduğu için zor bir görevdir. Odaklanmış iyonAm 14 , 15 veya reaktif iyon izi 16 bu bağlamda faydalı olabilir, ancak pahalı ve zaman alan süreçlerdir. Desenli polimerik yapıların pirolizine dayanan karbon mikroelektromekanik sistem (C-MEMS) teknolojisi çok yönlü bir alternatifi temsil eder. Son yirmi yılda C-MEMS ve karbon nanotelelektromekanik sistemler (C-NEMS), basit ve ucuz üretim adımları nedeniyle çok dikkat çekti. Geleneksel C-MEMS imalat prosesi iki aşamada gerçekleştirilir: (i) bir polimer öncüsünün ( örneğin bir fotorezistir) fotolitografiyle ve (ii) desenli yapıların piroliziyle desenlendirilmesi. SU8 fotoresistleri gibi ultraviyole (UV) -kurevlenebilir polimer ön maddeleri, fotolitografiye dayalı yapıları modellemek için sıklıkla kullanılır. Genel olarak, fotolitografi işlemi spin kaplama, yumuşak pişirme, UV maruziyeti, sonrası pişirme ve deve için adımları içerirlopment. C-MEMS durumunda; silikon; silikon dioksit; Silisyum nitrid; kuvars; Ve son zamanlarda safir alt tabakalar olarak kullanılmıştır. Foto desenli polimer yapılar oksijensiz ortamda yüksek sıcaklıkta (800-1,100 ° C) karbonlaştırılır. Vakum veya atıl bir atmosferdeki yüksek sıcaklıklarda, karbon içermeyen elementlerin hepsi çıkarılır ve sadece karbon kalır. Bu teknik, elektrokimyasal algılama 17 , enerji depolaması 18 , triboelektrik nanojenerasyon 19 ve elektrokinetik parçacık manipülasyonu 20 dahil olmak üzere birçok uygulama için çok yararlı olan yüksek kaliteli, camsı karbon yapılarının elde edilmesine olanak tanır. Ayrıca, 3D mikroyapıların Yüksek en-boy oranları C-MEMS kullanılarak nispeten kolay hale geldi ve çok çeşitli karbon elektrot uygulamaları 18 , 21 , </sup> 22 , 23 , çoğunlukla soy metal elektrotların yerini alıyor.
Bu çalışmada, konvansiyonel olmayan C-MEMS teknolojisi 13 kullanılarak insan saçından oyuk karbon mikrofiberlerin imalatı için basit ve maliyet-etkin bir yolun yakın zamanda geliştirilmesi tanıtıldı. Geleneksel SU8 polimer esaslı C-MEMS süreci de burada açıklanmaktadır. Spesifik olarak, yüksek en-boy oranlı katılar ve oyuk SU8 yapıları için üretim prosedürü 24 açıklanmıştır .
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yazıda, doğal prekürsör materyallerin veya foto desenli polimer yapıların pirolizine dayalı çeşitli karbon mikroyapılarının imalatı için yöntemler bildirilmiştir. Hem geleneksel hem de geleneksel olmayan C-MEMS / C-NEMS proseslerinden çıkan karbon materyalleri tipik olarak camsı karbonlar olarak bulunurlar. Camsı karbon, elektrokimya ve yüksek sıcaklık uygulamaları için yaygın olarak kullanılan bir elektrot malzemesidir. Camsı karbonun mikro yapısı, hem kristalin hem de amorf bölgelerde…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Technologico de Monterrey ve California Üniversitesi tarafından Irvine tarafından desteklendi.
Materials
| SU8-2100 | Microchem | Product number-Y1110750500L | |
| Spinner | Laurell Technologies Corporation | Model-WS650HZB-23NPP/UD3 | |
| Hotplate | Torrey Pines Scientific | HS61 | |
| UV-exposer | Mercury Lamp, SYLVANIA | H44GS-100M, P/N-34-0054-01 | |
| Photomask | CAD/Art | No number | |
| Developer | Microchem | Y020100 4000L | |
| DI water system | Milli Q | ZOOQOVOTO | |
| IPA | CTR Sientific | CTR 01244 | |
| N2 gas | AOC Mexico | No number | |
| Furnace | PEO 601, ATV Technologie GMBH | Model-PEO 601, Serial no.-195 | |
| Si/SiO2 | Noel Technologies |
References
- Wang, C., Jia, G., Taherabadi, L. H., Madou, M. J. A novel method for the fabrication of high-aspect ratio C-MEMS structures. J Microelectromech Syst. 14 (2), 348-358 (2005).
- Jong, K. P. D., Geus, J. W. Carbon nanofibers: catalytic synthesis and applications. Catal Rev Sci Eng. 42, 481-510 (2000).
- Elrouby, M. Electrochemical applications of carbon nanotube. J Nano Adv Mat. 1 (1), 23-38 (2013).
- Baughman, R. H., Zakhidov, A. A., Heer, W. A. D. Carbon nanotubes-the route toward applications. Science. 297, 787-792 (2002).
- Kumar, R., Singh, R. K., Singh, D. P. Natural and waste hydrocarbon precursors for the synthesis of carbon based nanomaterials: graphene and CNTs. Renew Sustain Energy Rev. 58, 976-1006 (2016).
- Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T., Kumar, M., Ando, Y., Sharon, M. Carbon nanotubes by spray pyrolysis of turpentine oil at different temperatures and their studies. Micropor Mesopor Mater. (1-3), 184-190 (2006).
- Sharma, S., Kalita, G., Hirano, R., Hayashi, Y., Tanemura, M. Influence of gas composition on the formation of graphene domain synthesized from camphor. Mater Lett. 93, 258-262 (2013).
- Ghosh, P., Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T. A simple method of producing single-walled carbon nanotubes from a natural precursor: eucalyptus oil. Mater Lett. 61 (17), 3768-3770 (2007).
- Kumar, R., Tiwari, R., Srivastava, O. Scalable synthesis of aligned carbon nanotubes bundles using green natural precursor: neem oil. Nanoscale Res Lett. 6 (1), 92-97 (2011).
- Liang, Y., Wu, D., Fu, R. Carbon microfibers with hierarchical porous structure from electrospun fiber-like natural biopolymer. Sci Rep. 3, 1-5 (2013).
- Gupta, A. Human hair “waste” and its utilization: gaps and possibilities. J Waste Manag. 2014, 1-17 (2014).
- Qian, W., Sun, F., Xu, Y., Qiu, L., Liu, C., Wang, S., Yan, F. Human hair-derived carbon flakes for electrochemical supercapacitors. Energy Environ Sci. 7, 379-386 (2014).
- Pramanick, B., Cadenas, L. B., Kim, D. M., Lee, W., Shim, Y. B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. J., Hwang, H. Human hair-derived hollow carbon microfibers for electrochemical sensing. Carbon. 107, 872-877 (2016).
- Miura, N., Numaguchi, T., Yamada, A., Konagai, M., Shirakashi, J. Room temperature operation of amorphous carbon-based single-electron transistors fabricated by beam-induced deposition techniques. Jpn J Appl Phys. 37 (2), L423-L425 (1998).
- Irie, M., Endo, S., Wang, C. L., Ito, T. Fabrication and properties of lateral p-i-p structures using single crystalline CVD diamond layers for high electric field applications. Diamond Rel Mater. 12, 1563-1568 (2003).
- Tay, B. K., Sheeja, D., Yu, L. J. On stress reduction of tetrahedral amorphous carbon films for moving mechanical assemblies. Diamond Rel Mater. 12 (2), 185-194 (2003).
- Kamath, R. R., Madou, M. J. Three-dimensional carbon interdigitated electrode arrays for redox-amplification. Anal Chem. 86 (6), 2963-2971 (2014).
- Sharma, S., Khalajhedayati, A., Rupert, T. J., Madou, M. J. SU8 derived glassy carbon for lithium ion batteries. ECS Trans. 61 (7), 75-84 (2014).
- Kim, D., Pramanick, B., Salazar, A., Tcho, I. -. W., Madou, M. J., Jung, E. S., Choi, Y. -. K., Hwang, H. 3D carbon electrode based triboelectric nanogenerator. Adv Mater Technol. 1 (8), 1-7 (2016).
- Duarte, R. M., Gorkin, R. A., Samra, K. B., Madou, M. J. The integration of 3D carbon-electrode dielectrophoresis on a CD-like centrifugal microfluidic platform. Lab Chip. 10 (8), 1030-1043 (2010).
- Mund, K., Richter, G., Weidlich, E., Fahlstrom, U. Electrochemical properties of platinum, glassy carbon, and pyrographite as stimulating electrodes. Pacing Clin Electrophysiol. 9 (6), 1225-1229 (1986).
- Xua, H., Malladi, K., Wang, C., Kulinsky, L., Song, M., Madou, M. Carbon post-microarrays for glucose sensors. Biosens Bioelectron. 23 (11), 1637-1644 (2008).
- Sharma, S., Madou, M. Micro and nano patterning of carbon electrodes for bioMEMS. Bioinspir Biomim Nanobiomat. 1, 252-265 (2012).
- Pramanick, B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. Fabrication of biocompatible hollow microneedles using the C-MEMS process for transdermal drug delivery. ECS Trans. 72 (1), 45-50 (2016).
