Fabricación de sistemas microelectromecánicos de carbono 3D (C-MEMS)
Summary
Se fabricaron microfibras de carbono vítreo largas y huecas basadas en la pirólisis de un producto natural, cabello humano. Las dos etapas de fabricación de los sistemas microelectromecánicos de carbono y nanoelectromecánicos de carbono, o C-MEMS y C-NEMS, son: (i) fotolitografía de un precursor de polímero rico en carbono y (ii) pirólisis del precursor de polímero modelado.
Abstract
Una gran variedad de fuentes de carbono están disponibles en la naturaleza, con una variedad de configuraciones de micro / nanoestructura. Aquí, se introduce una nueva técnica para fabricar microfibras de carbono vítreo largas y huecas derivadas de pelos humanos. Las estructuras de carbono largas y huecas se hicieron mediante la pirólisis del cabello humano a 900 ° C en una atmósfera de N2. La morfología y composición química de cabellos humanos naturales y pirolizados fueron investigadas mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopia de rayos X de dispersión de electrones (EDX), respectivamente, para estimar los cambios físicos y químicos debidos a la pirólisis. La espectroscopia Raman se utilizó para confirmar la naturaleza vítrea de las microestructuras de carbono. Se introdujo carbón de cabello pirolizado para modificar electrodos de carbón de pantalla impresa; Los electrodos modificados se aplicaron luego a la detección electroquímica de dopamina y ácido ascórbico. El rendimiento de detección de los sensores modificados se mejoró en comparación con el método unmodiSensores. Para obtener el diseño de la estructura de carbono deseada, se desarrolló la tecnología del sistema micro-nanoelectromecánico de carbono (C-MEMS / C-NEMS). El proceso más común de fabricación de C-MEMS / C-NEMS consiste en dos etapas: (i) el modelado de un material base rico en carbono, tal como un polímero fotosensible, usando fotolitografía; Y (ii) carbonización a través de la pirólisis del polímero modelado en un entorno libre de oxígeno. El proceso de C-MEMS / NEMS ha sido ampliamente utilizado para desarrollar dispositivos microelectrónicos para diversas aplicaciones, incluyendo micro-baterías, supercapacitores, sensores de glucosa, sensores de gas, pilas de combustible y nanogeneradores triboeléctricos. Aquí, se discuten desarrollos recientes de microestructuras sólidas y huecas de carbono de alto aspecto con fotorresistencias SU8. La contracción estructural durante la pirólisis se investigó utilizando microscopía confocal y SEM. La espectroscopia Raman se utilizó para confirmar la cristalinidad de la estructura, y el porcentaje atómico de los elementos preseNt en el material antes y después de la pirólisis se midió usando EDX.
Introduction
El carbón tiene muchos alótropos y, dependiendo de la aplicación particular, se puede elegir uno de los siguientes alótropos: nanotubos de carbono (CNTs), grafito, diamante, carbono amorfo, lonsdaleita, buckminsterfullereno (C 60 ), fullerita (C 540 ), fullereno C $ _ $ ), y carbono vítreo 1 , 2 , 3 , 4 . El carbono vítreo es uno de los alótropos más utilizados debido a sus propiedades físicas, incluyendo alta isotropía. También tiene las siguientes propiedades: buena conductividad eléctrica, bajo coeficiente de dilatación térmica e impermeabilidad al gas.
Ha habido una búsqueda continua de materiales precursores ricos en carbono para obtener estructuras de carbono. Estos precursores pueden ser materiales artificiales o productos naturales que están disponibles en formas particulares, e incluso incluyen productos de desecho. Una amplia variedad de micr Las nanoestructuras se forman a través de procesos biológicos o ambientales en la naturaleza, dando como resultado características únicas que son extremadamente difíciles de crear usando herramientas de fabricación convencionales. Como el patrón se llevó a cabo naturalmente en este caso, la síntesis de nanomateriales utilizando precursores de hidrocarburos naturales y residuos podría llevarse a cabo utilizando un fácil, un paso de proceso de descomposición térmica en una atmósfera inerte o vacío, llamada pirólisis [ 5] . Se han producido grafeno de alta calidad, CNT de una pared, CNTs de paredes múltiples y puntos de carbono por descomposición térmica o pirólisis de precursores y desechos derivados de plantas, incluyendo semillas, fibras y aceites, tales como aceite de trementina, aceite de sésamo , Aceite de neem ( Azadirachta indica ), aceite de eucalipto, aceite de palma y aceite de jatrofa. También se han utilizado productos de alcanfor, extractos de árboles de té, alimentos de desecho, insectos, desechos agrícolas y productos alimenticios 6 , 7 ,8 , 9 Recientemente, los investigadores han utilizado incluso los capullos de seda como material precursor para preparar microfibras porosas de carbono [ 10] . El cabello humano, generalmente considerado como un material de desecho, fue utilizado recientemente por este equipo. Está constituido por aproximadamente 91% de polipéptidos, que contienen más de 50% de carbono; El resto son elementos como oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y azufre 11 . El cabello también viene con varias propiedades interesantes, como degradación muy lenta, alta resistencia a la tracción, alto aislamiento térmico y alta recuperación elástica. Recientemente, se ha utilizado para preparar copos de carbono empleados en supercondensadores 12 y para crear microfibras huecas de carbono para detección electroquímica 13 .
El mecanizado de un material de carbono a granel para fabricar estructuras tridimensionales (3D) es una tarea difícil, ya que el material es muy quebradizo. Ión enfocadoAm 14 , 15 o grabado con iones reactivos 16 pueden ser útiles en este contexto, pero son procesos costosos y que consumen tiempo. La tecnología del sistema microelectromecánico de carbono (C-MEMS), que se basa en la pirólisis de estructuras poliméricas modeladas, representa una alternativa versátil. En las últimas dos décadas, C-MEMS y sistemas nanoelectromecánicos de carbono (C-NEMS) han recibido mucha atención debido a los sencillos y económicos pasos de fabricación involucrados. El proceso de fabricación de C-MEMS convencional se lleva a cabo en dos etapas: (i) modelar un precursor de polímero ( por ejemplo, un fotorresistente) con fotolitografía y (ii) pirólisis de las estructuras modeladas. Los precursores del polímero ultravioleta (UV) -curables, tales como fotorresistencias SU8, se usan a menudo para modelar estructuras basadas en fotolitografía. En general, el proceso de fotolitografía incluye etapas para el recubrimiento por centrifugado, cocción suave, exposición a UV, post horneado y desarrollo.Desarrollo. En el caso de C-MEMS; silicio; dióxido de silicio; Nitrido de silicona; cuarzo; Y, más recientemente, el zafiro se han utilizado como sustratos. Las estructuras de polímero con motivos fotográficos se carbonizan a una temperatura elevada (800-1100 ° C) en un entorno libre de oxígeno. A esas elevadas temperaturas en vacío o atmósfera inerte, se eliminan todos los elementos que no son de carbono, dejando sólo carbono. Esta técnica permite la obtención de estructuras de carbono vítreo de alta calidad, que son muy útiles para muchas aplicaciones, incluyendo la detección electroquímica 17 , el almacenamiento de energía 18 , la nanogeneración triboeléctrica 19 y la manipulación de partículas electroquinéticas 20. También, la fabricación de microestructuras 3D con Las proporciones de aspecto altas usando C-MEMS se han vuelto relativamente fáciles y han conducido a una amplia variedad de aplicaciones de electrodos de carbono 18 , 21 , </sup> 22 , 23 , reemplazando a menudo los electrodos de metal noble.
En este trabajo se introduce el desarrollo reciente de una manera sencilla y rentable de fabricar microfibras huecas de carbono a partir del cabello humano usando tecnología C-MEMS no convencional 13 . El proceso C-MEMS convencional basado en polímero SU8 también se describe aquí. Específicamente, se describe el procedimiento de fabricación para sólidos de relación de aspecto alto y estructuras SU8 huecas 24.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este trabajo se informaron los métodos para fabricar una variedad de microestructuras de carbono basadas en la pirólisis de materiales precursores naturales o estructuras poliméricas con motivos fotográficos. Los materiales de carbono resultantes de los procesos C-MEMS / C-NEMS tradicionales y no convencionales se encuentran típicamente que son carbones vítreos. El carbono vítreo es un material de electrodo ampliamente utilizado para la electroquímica y también para aplicaciones de alta temperatura. La micro…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el Tecnológico de Monterrey y la Universidad de California en 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).
