Fremstilling af 3D-carbon-mikroelektromekaniske systemer (C-MEMS)
Summary
Lange og hule glasagtige carbonmikrofibre blev fremstillet ud fra pyrolysen af et naturligt produkt, menneskehår. De to fabrikationstrin af kulstofmikroelektromekaniske og carbon nanoelektromekaniske systemer eller C-MEMS og C-NEMS er: (i) fotolitografi af en carbonrig polymerprecursor og (ii) pyrolyse af den mønstrede polymerprecursor.
Abstract
En bred vifte af kulstofkilder er tilgængelige i naturen, med en række mikro- / nanostrukturkonfigurationer. Her introduceres en ny teknik til fremstilling af lange og hule glasagtige carbon-mikrofibre afledt af menneskehår. De lange og hule carbonstrukturer blev fremstillet ved pyrolyse af humant hår ved 900 ° C i en N2-atmosfære. Morfologien og den kemiske sammensætning af naturlige og pyrolyserede humane hår blev undersøgt ved hjælp af henholdsvis scanningelektronmikroskopi (SEM) og elektrondispersiv røntgenspektroskopi (EDX) for at estimere de fysiske og kemiske ændringer som følge af pyrolyse. Ramanspektroskopi blev anvendt til at bekræfte kulstofmikrostrukturernes glasagtige natur. Pyrolyseret hårcarbon blev indført for at modificere skærmtrykte carbonelektroder; De modificerede elektroder blev derefter påført til den elektrokemiske påvisning af dopamin og ascorbinsyre. Sensorydelsen af de modificerede sensorer blev forbedret sammenlignet med unmodiFied sensorer. For at opnå den ønskede carbonstruktur design blev carbon micro- / nanoelectromechanical system (C-MEMS / C-NEMS) teknologi udviklet. Den mest almindelige C-MEMS / C-NEMS fabrikationsproces består af to trin: (i) mønsteret af et carbon-rige basismateriale, såsom en lysfølsom polymer, ved hjælp af fotolitografi; Og (ii) carbonisering gennem pyrolyse af den mønstrede polymer i et oxygenfrit miljø. C-MEMS / NEMS-processen har været meget anvendt til at udvikle mikroelektroniske enheder til forskellige anvendelser, herunder i mikrobatterier, superkapacitorer, glucosesensorer, gassensorer, brændselsceller og triboelektriske nanogeneratorer. Her diskuteres de seneste udviklinger af en høj-aspekt-ratio af faste og hule carbonmikrostrukturer med SU8 fotoresister. Den strukturelle krympning under pyrolyse blev undersøgt under anvendelse af konfokal mikroskopi og SEM. Ramanspektroskopi blev anvendt til at bekræfte strukturenes krystallinitet, og den atomvise procentdel af elementerne preseNt i materialet før og efter pyrolyse blev målt under anvendelse af EDX.
Introduction
Carbon har mange allotrope, og afhængigt af den særlige anvendelse kan en af følgende allotrope vælges: carbon nanorør (CNT), grafit, diamant, amorft carbon, lonsdaleit, buckminsterfullerene (C 60 ), fullerit (C 540 ), fulleren C 70 ) og glasagtigt carbon 1 , 2 , 3 , 4 . Glasagtigt kulstof er en af de mest anvendte allotrope på grund af dens fysiske egenskaber, herunder høj isotropi. Det har også følgende egenskaber: god elektrisk ledningsevne, lav termisk ekspansionskoefficient og gasimpermeabilitet.
Der har været en kontinuerlig søgning efter carbonrige forstadier til opnåelse af carbonstrukturer. Disse forstadier kan være menneskeskabte materialer eller naturlige produkter, der er tilgængelige i bestemte former, og endda omfatter affaldsprodukter. En bred vifte af mikr O / nanostrukturer dannes via biologiske eller miljømæssige processer i naturen, hvilket resulterer i unikke egenskaber, der er yderst vanskelige at skabe ved hjælp af konventionelle fremstillingsværktøjer. Efterhånden som mønsteret fandt sted naturligt i dette tilfælde, kunne syntesen af nanomaterialer ved anvendelse af naturlige og affaldskulbrinteforstadier udføres under anvendelse af en let, en-trins proces med termisk dekomponering i en inert eller vakuum atmosfære kaldet pyrolyse 5 . Højkvalitetsgrafene, enkeltvægte CNT'er, multi-walled CNT'er og carbon dots er fremstillet ved termisk nedbrydning eller pyrolyse af planteafledte precursorer og affald, herunder frø, fibre og olier, såsom terpentinolie, sesamolie , Neem olie ( Azadirachta indica ), eukalyptusolie, palmeolie og jatropha olie. Desuden er kamferprodukter, te-træekstrakter, affaldsprodukter, insekter, agroaffald og fødevarer blevet brugt 6 , 7 ,Ass = "xref"> 8 , 9 For nylig har forskere endda brugt silkekokoner som et forstadiemateriale til fremstilling af porøse carbonmikrofibre 10 . Menneskehår, som normalt betragtes som affaldsmateriale, blev for nylig brugt af dette hold. Den består af ca. 91% polypeptider, som indeholder mere end 50% kulstof; Resten er elementer som ilt, hydrogen, nitrogen og svovl 11 . Håret kommer også med flere interessante egenskaber, som meget langsom nedbrydning, høj trækstyrke, høj varmeisolering og høj elastisk genopretning. For nylig er det blevet anvendt til at fremstille carbonflager anvendt i superkapacitorer 12 og til dannelse af hule carbonmikrofibre til elektrokemisk følelse 13 .
Bearbejdning af et bulkkulstofmateriale til fremstilling af tredimensionale (3D) strukturer er en vanskelig opgave, da materialet er meget skørt. Fokuseret ion væreAm 14 , 15 eller reaktiv ionisning 16 kan være nyttig i denne sammenhæng, men de er dyre og tidskrævende processer. Kemisk mikroelektromekanisk system (C-MEMS) teknologi, der er baseret på pyrolyse af mønstrede polymerstrukturer, repræsenterer et alsidigt alternativ. I de sidste to årtier har C-MEMS og carbon nanoelectromechanical systems (C-NEMS) fået meget opmærksomhed på grund af de involverede simple og billige fabrikationstrin. Den konventionelle C-MEMS-fabrikationsproces udføres i to trin: (i) mønstrering af en polymerprecursor ( fx en fotoresist) med fotolitografi og (ii) pyrolyse af de mønstrede strukturer. Ultraviolette (UV) -kurable polymerprecursorer, såsom SU8-fotoresister, anvendes ofte til mønsterstrukturer baseret på fotolitografi. Generelt indeholder fotolitografiprocessen trin til spinbelægning, blød bage, UV-eksponering, efterbagning og develing. I tilfælde af C-MEMS; silicium; Siliciumdioxid; Silicium nitrid; kvarts; Og for nylig er safir blevet anvendt som substrater. De foto-mønstrede polymerstrukturer carboniseres ved en høj temperatur (800-1,100 ° C) i et oxygenfrit miljø. Ved disse forhøjede temperaturer i et vakuum eller en inert atmosfære fjernes alle ikke-kulstofelementerne, hvilket kun efterlader kulstof. Denne teknik muliggør opnåelse af højkvalitets glasagtige carbonstrukturer, som er meget nyttige til mange anvendelser, herunder elektrokemisk afnemning 17 , energilagring 18 , triboelektrisk nanogenerering 19 og elektrokinetisk partikelmanipulation 20. Desuden fremstilles 3D-mikrostrukturer med Høje aspektforhold ved anvendelse af C-MEMS er blevet relativt let og har ført til et bredt udvalg af carbonelektroder applikationer 18 , 21 , </sup> 22 , 23 , der ofte erstatter ædelmetalelektroder.
I dette arbejde introduceres den nylige udvikling af en simpel og omkostningseffektiv måde til fremstilling af hule carbonmikrofibre fra menneskehår ved anvendelse af ikke-konventionel C-MEMS-teknologi 13 . Den konventionelle SU8-polymerbaserede C-MEMS-proces er også beskrevet her. Specifikt beskrives fremstillingsproceduren for fastformede faststofforhold og hule SU8-strukturer 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
I dette papir blev fremgangsmåderne til fremstilling af en række carbonmikrostrukturer baseret på pyrolysen af naturlige forstadiematerialer eller fotomønstret polymerstrukturer rapporteret. Carbonmaterialerne, der er resultatet af både de traditionelle og ikke-konventionelle C-MEMS / C-NEMS-processer, findes typisk at være glasagtige carbonatomer. Glasagtigt carbon er et almindeligt anvendt elektrodemateriale til elektrokemi og også til høj temperatur applikationer. Mikrostrukturen af glasagtigt car…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Technologico de Monterrey og University of California i Irvine.
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).
