Fremstilling av 3D-karbon mikroelektromekaniske systemer (C-MEMS)
Summary
Lange og hule glassagtige karbonmikrofiber ble fremstilt basert på pyrolysen av et naturlig produkt, menneskehår. De to fabrikasjonstrinnene av karbonmikroelektromekaniske og karbonnanoelektromekaniske systemer, eller C-MEMS og C-NEMS, er: (i) fotolitografi av en karbonrik polymerprekursor og (ii) pyrolyse av den mønstrede polymerprecursoren.
Abstract
Et bredt spekter av karbonkilder er tilgjengelige i naturen, med en rekke mikro- / nanostruktur-konfigurasjoner. Her presenteres en ny teknikk for å fremstille lange og hule glassagtige karbonmikrofibre fra menneskelige hår. De lange og hule karbonstrukturer ble laget ved pyrolyse av menneskehår ved 900 ° C i en N2-atmosfære. Morfologien og kjemisk sammensetningen av naturlige og pyrolyserte menneskehår ble undersøkt ved hjelp av skanningelektronmikroskopi (SEM) og henholdsvis elektrondispersiv røntgenspektroskopi (EDX) for å estimere de fysiske og kjemiske endringene som skyldes pyrolyse. Ramanspektroskopi ble brukt til å bekrefte den glassaktige naturen av karbonmikrostrukturene. Pyrolyserert hårkarbon ble introdusert for å modifisere skjerm-trykte karbonelektroder; De modifiserte elektrodene ble deretter påført til elektrokjemisk avkjenning av dopamin og askorbinsyre. Sensing ytelse av modifiserte sensorer ble forbedret sammenlignet med unmodiFied sensorer. For å oppnå ønsket karbonstrukturutforming ble karbonmikro- / nanoelektromekanisk system (C-MEMS / C-NEMS) -teknologi utviklet. Den vanligste C-MEMS / C-NEMS-produksjonsprosessen består av to trinn: (i) mønsteret av et karbonrikt grunnmateriale, for eksempel en lysfølsom polymer, ved hjelp av fotolitografi; Og (ii) karbonisering gjennom pyrolyse av den mønstrede polymer i et oksygenfritt miljø. C-MEMS / NEMS-prosessen har blitt mye brukt til å utvikle mikroelektroniske enheter for ulike bruksområder, inkludert i mikrobatterier, superkapacitorer, glukose sensorer, gass sensorer, brenselceller og triboelektriske nanogeneratorer. Her diskuteres de siste utviklingene i en høy-forholdsforhold med faste og hule karbonmikrostrukturer med SU8 fotoresister. Den strukturelle krympingen under pyrolyse ble undersøkt ved hjelp av konfokal mikroskopi og SEM. Ramanspektroskopi ble brukt til å bekrefte strukturenes krystallinitet, og den atomvise prosentandel av elementene preseNt i materialet før og etter ble pyrolyse målt ved bruk av EDX.
Introduction
Karbon har mange allotrope, og avhengig av spesifikke anvendelser kan en av følgende allotropene velges: karbonnanorør (CNT), grafitt, diamant, amorft karbon, lonsdaleitt, buckminsterfullerene (C 60 ), fulleritt (C 540 ), fulleren C 70 ) og glassaktig karbon 1 , 2 , 3 , 4 . Glassaktig karbon er en av de mest brukte allotropene på grunn av dens fysiske egenskaper, inkludert høy isotropi. Det har også følgende egenskaper: god elektrisk ledningsevne, lav termisk ekspansjonskoeffisient og gassimpermeabilitet.
Det har vært en kontinuerlig søk på karbonrike forløpermaterialer for å oppnå karbonstrukturer. Disse forløpere kan være menneskeskapte materialer eller naturlige produkter som er tilgjengelige i bestemte former, og til og med inkludere avfallsprodukter. Et bredt utvalg av mikr O / nanostrukturer dannes via biologiske eller miljømessige prosesser i naturen, noe som resulterer i unike egenskaper som er ekstremt vanskelig å skape ved hjelp av konvensjonelle produksjonsverktøy. Etter hvert som mønsteret fant sted naturlig i dette tilfellet, kunne syntesen av nanomaterialer ved hjelp av naturlige og avfallshydrokarbonforløpere utføres ved hjelp av en enkel, en-trinns prosess med termisk dekomponering i en inert eller vakuum atmosfære, kalt pyrolyse 5 . Høykvalitetsgrafene, enkeltveggede CNT, multi-vegger CNT og karbonpotter har blitt produsert ved termisk dekomponering eller pyrolyse av planteavledede forløpere og avfall, inkludert frø, fibre og oljer, slik som terpentinolje, sesamolje , Neem olje ( Azadirachta indica ), eukalyptusolje, palmeolje og jatrophaolje. Også kamferprodukter, te-treekstrakter, avfallsmat, insekter, agroavfall og matvarer har blitt utnyttet 6 , 7 ,Ass = "xref"> 8 , 9 Nylig har forskere til og med brukt silkekokoner som et forløpermateriale for å fremstille porøse karbonmikrofibre 10 . Menneskehår, som vanligvis betraktes som avfall, ble nylig brukt av dette laget. Den består av ca 91% polypeptider, som inneholder mer enn 50% karbon; Resten er elementer som oksygen, hydrogen, nitrogen og svovel 11 . Håret kommer også med flere interessante egenskaper, for eksempel svært langsom nedbrytning, høy strekkfasthet, høy termisk isolasjon og høy elastisk gjenvinning. Nylig har det blitt brukt til å fremstille karbonflinger som anvendes i superkapasitorer 12 og å lage hule karbonmikrofibre for elektrokjemisk avkjenning 13 .
Maskinering av et bulkkarbonmateriale for å fremstille tredimensjonale (3D) strukturer er en vanskelig oppgave, da materialet er veldig sprøtt. Fokusert ion væreEr 14 , 15 eller reaktiv ionetising 16 kan være nyttig i denne sammenheng, men de er dyre og tidkrevende prosesser. Karbon mikroelektromekanisk system (C-MEMS) teknologi, som er basert på pyrolyse av mønstrede polymerstrukturer, representerer et allsidig alternativ. I de siste to tiårene har C-MEMS og karbon nanoelektromekaniske systemer (C-NEMS) fått stor oppmerksomhet på grunn av de enkle og rimelige fabrikasjonstrinnene som er involvert. Den konvensjonelle C-MEMS-fabrikasjonsprosessen utføres i to trinn: (i) mønstrere en polymerforløper ( f.eks. En fotoresist) med fotolitografi og (ii) pyrolyse av de mønstrede strukturer. Ultrafiolette (UV) -kurbare polymerforløpere, slik som SU8-fotoresister, brukes ofte til mønsterstrukturer basert på fotolitografi. Generelt inneholder fotolitografiprosessen trinn for spinbelegg, myk bake, UV-eksponering, postbake og development. I tilfelle av C-MEMS; silisium; Silisiumdioksyd; Silisiumnitrid; kvarts; Og nylig har safir blitt brukt som substrater. De fotomodulerte polymerstrukturer karboniseres ved høy temperatur (800-1,100 ° C) i et oksygenfritt miljø. Ved disse forhøyede temperaturer i vakuum eller inert atmosfære fjernes alle ikke-karbonelementene, slik at det bare er karbon. Denne teknikken tillater oppnåelse av høykvalitets glassagtige karbonstrukturer, som er meget nyttige for mange anvendelser, inkludert elektrokjemisk avkjenning 17 , energilagring 18 , triboelektrisk nanogenerering 19 og elektrokinetisk partikkelmanipulering 20. Dessuten fremstilles 3D-mikrostrukturer med Høye forholdsforhold ved bruk av C-MEMS er blitt relativt enkle og har ført til et bredt utvalg av karbonelektroder-applikasjoner 18 , 21 , </sup> 22 , 23 , som ofte erstatter edelmetallelektroder.
I dette arbeidet er den nylig utviklede en enkel og kostnadseffektiv måte å fremstille hule karbonmikrofibre fra menneskehår ved hjelp av ikke-konvensjonell C-MEMS-teknologi 13 innført. Den konvensjonelle SU8-polymerbaserte C-MEMS-prosessen er også beskrevet her. Nærmere bestemt er fremstillingsprosedyren for fastformede solidsforhold og hule SU8-strukturer beskrevet 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
I dette papir ble metodene for fremstilling av en rekke karbonmikrostrukturer basert på pyrolyse av naturlige forløpermaterialer eller fotomønstret polymerstrukturer, rapportert. Karbonmaterialene som resulterer fra både de tradisjonelle og ikke-konvensjonelle C-MEMS / C-NEMS-prosessene, er typisk funnet å være glassaktige karboner. Glassaktig karbon er et mye brukt elektrodemateriale for elektrokjemi og også for høytemperatur applikasjoner. Mikrostrukturen av glassaktig karbon består av både krystallinske og …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av 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).
