Fabrication de systèmes microélectromécaniques en carbone 3D (C-MEMS)
Summary
Des microfibres de carbone vitreuses longues et creuses ont été fabriquées sur la base de la pyrolyse d'un produit naturel, les cheveux humains. Les deux étapes de fabrication des systèmes microélectromécaniques de carbone et des systèmes nanoélectromécaniques de carbone, ou C-MEMS et C-NEMS sont: (i) la photolithographie d'un précurseur de polymère riche en carbone et (ii) la pyrolyse du précurseur de polymère à motifs.
Abstract
Une large gamme de sources de carbone sont disponibles dans la nature, avec une variété de configurations de micro-nanostructures. Ici, une nouvelle technique pour fabriquer des microfibres de carbone vitres longues et creuses dérivées de cheveux humains est introduite. Les structures de carbone longues et creuses ont été fabriquées par pyrolyse des cheveux humains à 900 ° C dans une atmosphère N 2 . La morphologie et la composition chimique des poils humains naturels et pyrolysés ont été étudiés à l'aide d'une microscopie électronique à balayage (SEM) et d'une spectroscopie à rayons X à électrons (EDX) pour estimer les changements physiques et chimiques dus à la pyrolyse. La spectroscopie Raman a été utilisée pour confirmer la nature vitreuse des microstructures de carbone. Le carbone capillaire pyrolysé a été introduit pour modifier les électrodes de carbone imprimées à l'écran; Les électrodes modifiées ont ensuite été appliquées à la détection électrochimique de la dopamine et de l'acide ascorbique. La performance de détection des capteurs modifiés a été améliorée par rapport à l'unmodiDes capteurs fixés. Pour obtenir la conception souhaitée de la structure du carbone, on a développé une technologie de micro- / nanoélectromécanique du carbone (C-MEMS / C-NEMS). Le procédé de fabrication C-MEMS / C-NEMS le plus courant se compose de deux étapes: (i) le modelage d'un matériau de base riche en carbone, tel qu'un polymère photosensible, à l'aide de photolithographie; Et (ii) la carbonisation par pyrolyse du polymère à motif dans un environnement exempt d'oxygène. Le procédé C-MEMS / NEMS a été largement utilisé pour développer des dispositifs microélectroniques pour diverses applications, y compris dans les micro-batteries, les supercapacités, les capteurs de glucose, les capteurs de gaz, les piles à combustible et les nanogénérateurs triboélectriques. Ici, on discute des développements récents d'une microstructure de carbone solide et creuse à fort aspect, avec des photorésines SU8. Le rétrécissement structurel pendant la pyrolyse a été étudié à l'aide de microscopie confocale et de SEM. La spectroscopie Raman a été utilisée pour confirmer la cristallinité de la structure et le pourcentage atomique des éléments présélectionnésNt dans le matériau avant et après la pyrolyse a été mesurée à l'aide d'EDX.
Introduction
Le carbone a de nombreux allotropes et, selon l'application particulière, on peut choisir l'un des allotropes suivants: nanotubes de carbone (CNT), graphite, diamant, carbone amorphe, lonsdaleite, buckminsterfullerene (C 60 ), fullerite (C 540 ), fullerène ( C 70 ), et du carbone vitreux 1 , 2 , 3 , 4 . Le carbone vitreux est l'un des allotropes les plus utilisés en raison de ses propriétés physiques, y compris l'isotropie élevée. Il possède également les propriétés suivantes: bonne conductivité électrique, faible coefficient de dilatation thermique et imperméabilité aux gaz.
Il y a eu une recherche continue de matériaux précurseurs riches en carbone pour obtenir des structures de carbone. Ces précurseurs peuvent être des matériaux artificiels ou des produits naturels qui sont disponibles dans des formes particulières, et même incluent des déchets. Une grande variété de micr Les o / nanostructures sont formées par des processus biologiques ou environnementaux dans la nature, ce qui se traduit par des caractéristiques uniques qui sont extrêmement difficiles à créer à l'aide d'outils de fabrication classiques. Comme le modelage a eu lieu naturellement dans ce cas, la synthèse des nanomatériaux utilisant des précurseurs d'hydrocarbures naturels et résiduaires pourrait être réalisée à l'aide d'un procédé simple de décomposition thermique dans une atmosphère inerte ou sous vide appelée pyrolyse 5 . Le graphène de haute qualité, les CNT à une seule paroi, les CNT à parois multiples et les points de carbone ont été produits par décomposition thermique ou la pyrolyse de précurseurs et de déchets dérivés de plantes, y compris les graines, les fibres et les huiles, comme l'huile de térébenthine, l'huile de sésame , L'huile de neem ( Azadirachta indica ), l'huile d'eucalyptus, l'huile de palme et l'huile de jatropha. En outre, les produits de camphère, les extraits de théiers, les déchets alimentaires, les insectes, les déchets agricoles et les produits alimentaires ont été utilisés 6 , 7 ,Ass = "xref"> 8 , 9 Récemment, les chercheurs ont même utilisé des cocons de soie comme matériau précurseur pour préparer des microfibres de carbone poreuses 10 . Les cheveux humains, généralement considérés comme des déchets, ont récemment été utilisés par cette équipe. Il est constitué d'environ 91% de polypeptides, qui contiennent plus de 50% de carbone; Le reste sont des éléments tels que l'oxygène, l'hydrogène, l'azote et le soufre 11 . Les cheveux comportent également plusieurs propriétés intéressantes, telles qu'une dégradation très lente, une haute résistance à la traction, une isolation thermique élevée et une haute récupération élastique. Récemment, il a été utilisé pour préparer des flocons de carbone utilisés dans les supercondensateurs 12 et pour créer des microfibres de carbone creuses pour la détection électrochimique 13 .
L'usinage d'un matériau carboné en vrac pour fabriquer des structures tridimensionnelles (3D) est une tâche difficile car le matériau est très fragile. L'ion focaliséAm 14 , 15 ou la gravure ionique réactive 16 peut être utile dans ce contexte, mais ce sont des processus coûteux et longs. La technologie du système microélectromécanique du carbone (C-MEMS), basée sur la pyrolyse des structures polymères à motifs, représente une alternative polyvalente. Au cours des deux dernières décennies, C-MEMS et les systèmes nanoélectromécaniques de carbone (C-NEMS) ont reçu beaucoup d'attention en raison des étapes de fabrication simples et peu coûteuses impliquées. Le procédé de fabrication C-MEMS classique se déroule en deux étapes: (i) la mise au point d'un précurseur polymère ( par exemple, un photorésist) avec une photolithographie et (ii) une pyrolyse des structures à motifs. Les précurseurs de polymères ultraviolets (UV), tels que les photorésines SU8, sont souvent utilisés pour structurer des structures basées sur la photolithographie. En général, le processus de photolithographie comprend des étapes pour le revêtement par centrifugation, le biscuit souple, l'exposition aux UV, le post-cuisson et le développementLopment. Dans le cas de C-MEMS; silicium; dioxyde de silicone; nitrure de silicium; quartz; Et, plus récemment, le saphir a été utilisé comme substrat. Les structures polymères à motifs photographiés sont carbonisées à une température élevée (800-1 100 ° C) dans un environnement exempt d'oxygène. À ces températures élevées dans un vide ou une atmosphère inerte, tous les éléments non-carbone sont enlevés, ne laissant que du carbone. Cette technique permet de réaliser des structures de carbone vitreux de haute qualité, qui sont très utiles pour de nombreuses applications, y compris la détection électrochimique 17 , le stockage d'énergie 18 , la nanogénération triboélectrique 19 et la manipulation de particules électrochimiques 20. De même, la fabrication de microstructures 3D avec Les rapports d'aspect élevés en utilisant C-MEMS sont devenus relativement faciles et ont conduit à une grande variété d'applications d'électrodes de carbone 18 , 21 , </sup> 22 , 23 , remplaçant souvent les électrodes en métal noble.
Dans ce travail, le développement récent d'un moyen simple et rentable de fabriquer des microfibres de carbone creuses à partir de cheveux humains en utilisant la technologie C-MEMS non conventionnelle 13 est introduit. Le procédé C-MEMS classique à base de polymère SU8 est également décrit ici. Spécifiquement, la procédure de fabrication des solides à fort rapport et des structures SU8 creuses est décrite 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans cet article, les procédés de fabrication d'une variété de microstructures de carbone basées sur la pyrolyse de matériaux précurseurs naturels ou de structures polymères à motifs photographiques ont été rapportés. Les matériaux carbonés résultant à la fois des procédés C-MEMS / C-NEMS traditionnels et non conventionnels se retrouvent généralement comme des carbones vitreux. Le carbone vitreux est un matériau d'électrode largement utilisé pour l'électrochimie et aussi pour les appl…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par Technologico de Monterrey et l'Université de Californie à 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
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