3Dカーボンマイクロエレクトロメカニカルシステム（C-MEMS）の製作
Summary
天然の生成物であるヒトの毛髪の熱分解に基づいて、長くて中空のガラス状炭素マイクロファイバーが製造された。カーボンマイクロエレクトロメカニカルおよびカーボンナノエレクトロメカニカルシステム、またはC-MEMSおよびC-NEMSの2つの製造工程は、（i）炭素リッチなポリマー前駆体のフォトリソグラフィおよび（ii）パターン化ポリマー前駆体の熱分解である。
Abstract
様々なマイクロ/ナノ構造構成を有する広範囲の炭素源が本質的に利用可能である。ここでは、人の毛髪に由来する長く中空のガラス状炭素マイクロファイバーを製造するための新規な技術が導入されている。長い中空炭素構造は、N 2雰囲気中で900℃で人毛の熱分解によって作製された。熱分解に起因する物理的および化学的変化を推定するために、走査型電子顕微鏡（SEM）および電子分散型X線分光法（EDX）を用いて、天然および熱分解されたヒトの毛髪の形態および化学組成を調べた。ラマン分光法を用いて、炭素微細構造のガラス質性を確認した。熱分解した毛髪の炭素を導入してスクリーン印刷した炭素電極を改質した。修飾された電極を、ドーパミンおよびアスコルビン酸の電気化学的検出に適用した。変形されたセンサの感知性能は、fiedセンサー。所望の炭素構造設計を得るために、カーボンマイクロ/ナノ電気機械システム（C-MEMS / C-NEMS）技術が開発された。最も一般的なC-MEMS / C-NEMS製造プロセスは、（i）フォトリソグラフィを用いて感光性ポリマーのような炭素に富むベース材料のパターニング; （ii）無酸素環境下でのパターン化ポリマーの熱分解による炭化。 C-MEMS / NEMSプロセスは、マイクロバッテリ、スーパーキャパシタ、グルコースセンサ、ガスセンサ、燃料電池、および摩擦電気ナノ発電機を含む様々な用途のためのマイクロ電子デバイスを開発するために広く使用されてきた。ここでは、SU8フォトレジストを用いた高アスペクト比の中実カーボンおよび中空炭素微細構造の最近の発展が議論されている。共焦点顕微鏡法およびSEMを用いて、熱分解中の構造収縮を調べた。ラマン分光法を用いて構造の結晶化度を確認し、元素の原子百分率熱分解前後の物質中のntをEDXを用いて測定した。
Introduction
カーボンナノチューブ（CNT）、グラファイト、ダイヤモンド、アモルファスカーボン、ロンズデライト、バックミンスターフラーレン（C 60 ）、フルメライト（C 540 ）、フラーレン（C 540 ）、およびこれらの混合物からなる群から選択される、 C 70 ）、およびガラス状炭素1,2,3,4が含まれる 。ガラス状炭素は、高い等方性を含むその物理的性質のために最も広く使用される同素体の1つである。また、良好な導電性、低い熱膨張係数、およびガス不透過性の特性を有する。
炭素構造を得るために、炭素に富む前駆物質を連続的に探索してきた。これらの前駆体は、人工材料または特定の形状で利用可能であり、廃棄物を含む天然製品であってもよい。様々なmicr o /ナノ構造は、自然界の生物学的または環境的プロセスによって形成され、従来の製造ツールを使用して作成することが極めて困難な独自の特徴をもたらす。この場合自然にパターニングが行われるので、天然および廃水炭化水素前駆体を用いたナノ材料の合成は、熱分解と呼ばれる不活性または真空雰囲気中での熱分解の簡単な一段階プロセスを用いて行うことができる。植物由来の前駆体および廃棄物（種子、繊維、および油、例えば、テレピン油、ゴマ油など）の熱分解または熱分解によって、高品質のグラフェン、単層CNT、多層CNTおよび炭素ドットが製造されている、ニーム油（ Azadirachta indica ）、ユーカリ油、パーム油、およびジャトロファ油が挙げられる。また、樟脳製品、茶樹抽出物、老廃物、昆虫、農作物、および食品が6,7 、最近、研究者たちは、多孔質カーボンマイクロファイバーを調製するための前駆体材料としてシルクコクーンを使用しています10 。人間の髪は、通常廃棄物とみなされ、このチームによって最近使用されました。これは、約50％の炭素を含む約91％のポリペプチドで構成されている。残りは酸素、水素、窒素、硫黄などの元素である11 。髪にはまた、非常に遅い劣化、高い引張強さ、高い断熱性、および高い弾性回復などのいくつかの興味深い特性がある。最近、スーパーキャパシタ12に使用されるカーボンフレークを調製し、電気化学的センシング13のための中空炭素マイクロファイバーを生成するために使用されている。
材料が非常に脆いので、三次元（3D）構造を製造するためのバルク炭素材料の機械加工は困難な作業である。フォーカスされたイオンam14,15または反応性イオンエッチング16は、この文脈において有用であり得るが、それらは高価で時間のかかるプロセスである。パターニングされたポリマー構造の熱分解に基づいたカーボンマイクロエレクトロメカニカルシステム（C-MEMS）技術は、多目的な代替法である。過去20年間で、C-MEMSおよびカーボンナノエレクトロメカニカルシステム（C-NEMS）は、簡単で安価な製造工程が必要とされたことから注目を集めている。従来のC-MEMS製造プロセスは、（i）フォトリソグラフィを用いてポリマー前駆体（ 例えばフォトレジスト）をパターニングし、（ii）パターニングされた構造の熱分解の2つのステップで実施される。 SU8フォトレジストのような紫外線（UV）硬化性ポリマー前駆体は、フォトリソグラフィーに基づいて構造をパターン形成するためにしばしば使用される。一般に、フォトリソグラフィプロセスは、スピンコーティング、ソフトベーク、UV露光、ポストベーク、およびデベロップlopment。 C-MEMSの場合、シリコン;二酸化ケイ素;窒化ケイ素;石英;最近では、サファイアが基板として使用されている。光パターニングされたポリマー構造体は、無酸素環境下で高温（800〜1100℃）で炭化される。真空または不活性雰囲気中のそれらの高温では、非炭素元素の全てが除去され、炭素のみが残る。この技術は、電気化学的検出17 、エネルギー貯蔵18 、摩擦電気ナノ発電19 、および動電学的粒子操作20を含む多くの用途に非常に有用な高品質のガラス状炭素構造の達成を可能にする。 C-MEMSを使用した高アスペクト比は比較的容易になり、幅広い種類の炭素電極用途18,21 、 </sup> 22,23 、しばしば貴金属電極を置き換える。
この研究では、非従来のC-MEMS技術13を使用して人間の毛髪から中空カーボンマイクロファイバーを製造する簡単かつ費用効果の高い方法の最近の開発が紹介されている。従来のSU8ポリマーベースのC-MEMSプロセスについてもここで説明します。具体的には、高アスペクト比の固体および中空SU8構造の製造手順が記載されている24。
Protocol
Representative Results
Discussion
この論文では、天然前駆体材料または光パターニングされたポリマー構造体の熱分解に基づいて様々な炭素微細構造を製造する方法が報告されている。従来のC-MEMS / C-NEMSプロセスの両方から得られる炭素材料は、典型的にはガラス状炭素であることが判明している。ガラス状炭素は、電気化学および高温用途に広く使用される電極材料である。ガラス状炭素の微細構造は、結晶質領域と非晶?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、Technologico de Monterreyとカリフォルニア大学アーバイン校の支援を受けました。
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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