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Fabricação de Polyhedrons tridimensionais baseados em grafeno através do Origami, como self dobrável

Published: September 23, 2018
doi:
10.3791/58500
, , , ,
1Department of Electrical and Computer Engineering,University of Minnesota, Minneapolis, United States

Summary

Aqui, apresentamos um protocolo para a fabricação de polyhedrons 3D baseados em grafeno através do origami, como self dobrável.

Abstract

A montagem de bidimensional (2D) grafeno em tridimensionais (3D) polyhedral estruturas preservando excelentes propriedades inerentes do grafeno tem sido de grande interesse para o desenvolvimento de aplicativos de dispositivo romance. Aqui, a fabricação de 3D, microescala, oca polyhedrons (cubos), composto por algumas camadas de grafeno 2D ou grafeno óxido folhas através de um processo de auto dobradura origami, como é descrito. Este método envolve o uso de quadros de polímero e dobradiças, camadas de proteção de óxido de alumínio/cromo que reduzem a resistência à tração, espaciais e estresses de tensão superficial sobre as membranas baseadas no grafeno, quando as redes 2D são transformadas em cubos 3D. O processo oferece controle do tamanho e forma das estruturas, bem como produção paralela. Além disso, esta abordagem permite a criação de modificações de superfície de metal padronização em cada rosto dos cubos 3D. Estudos de Espectroscopia Raman mostram que o método permite a preservação das propriedades intrínsecas das membranas baseadas no grafeno, demonstrando a robustez de nosso método.

Introduction

Bidimensional (2D) grafeno folhas possuem propriedades extraordinárias de ópticas, eletrônicas e mecânicas, tornando-os sistemas para a observação de fenômenos quânticos romance para geração eletrônica, opto-electrónico, eletroquímica, do modelo eletromecânica, biomédica e aplicações1,2,3,4,5,6. Aparte a produzidos como 2D estrutura em camadas de grafeno, recentemente, várias abordagens de modificação foram investigadas para observar as novas funcionalidades do grafeno e procurar novas oportunidades de aplicação. Por exemplo, modulação (ou tuning) suas propriedades físicas (i.e., doping nível e/ou band gap) por alfaiataria as formas ou padronização da 2D estruturam para um unidimensional (1D) ou zero-dimensional (0D) de estrutura (EG., grafeno nanoribbon ou grafeno pontos quânticos) tem sido estudado para obter novos fenômenos físicos, incluindo efeitos de confinamento quântico, modos plasmônico localizados, distribuição de elétrons localizados e Estados de spin-polarizado borda7,8 ,9,10,11,12. Além disso, variando a textura do grafeno 2D amassando (muitas vezes chamado de kirigami), delaminação, flambagem, torção, ou empilhamento de camadas múltiplas, ou alterando a forma de superfície de grafeno através da transferência de grafeno 2D em cima de um recurso 3D (substrato) tem sido mostrados para alterar do grafeno molhabilidade, características mecânicas e propriedades óticas13,14.

Além de mudar a morfologia superficial e estrutura em camadas de grafeno 2D, montagem de grafeno 2D em funcionalizados, bem definidas, tridimensionais (3D) polyhedrons tem sido de grande interesse recentemente na Comunidade de grafeno para obter a nova física e fenômenos químicos15. Em teoria, o elástico, eletrostático e van der Waals energias de estruturas 2D baseados em grafeno podem ser aproveitadas para transformar o grafeno 2D em 3D de grafeno-origami várias configurações16,17. Com base neste conceito, modelagem teórica estudos têm investigado projetos de estrutura de grafeno 3D, formados a partir de membranas de grafeno 2D de nanoescala, com possíveis usos na entrega da droga e armazenamento molecular geral16,17. Ainda, o progresso experimental desta abordagem está ainda longe de perceber esses aplicativos. Por outro lado, um número de métodos químicos sintéticos foram desenvolvido para alcançar 3D através do modelo assistida montagem de estruturas, montagem de fluxo-dirigido, fermentação assembly e crescimento conformal métodos18,19 , 20 , 21 , 22. no entanto, esses métodos são atualmente limitados em que eles não podem produzir uma estrutura 3D, oca, fechada sem perder as propriedades intrínsecas das folhas de grafeno.

Aqui, uma estratégia para a construção de microcubes 3D, oca, com base em grafeno (dimensão total de ~ 200 µm), usando como origami dobradura self é descrita; superar os desafios mais importante na construção de materiais autônoma, ocos, 3D, poliédrico, baseadas no grafeno. Em técnicas de self dobradura origami-like, mãos-livres, características planares Litograficamente modeladas 2D (ou seja, com base em grafeno membranas) são conectadas com dobradiças (i.e., thermal-polímero sensível, fotorresiste) em várias articulações, assim formar 2D redes que dobrar quando as dobradiças são aquecidas a temperatura23,24,25,26a derreter. Os cubos baseados em grafeno são realizados com componentes da membrana janela compostas por algumas camadas de deposição de vapor químico (CVD) crescido grafeno ou membranas de grafeno óxido (GO); ambos com o uso de quadros de polímero e dobradiças. A fabricação dos cubos 3D baseados em grafeno envolve: (i) a preparação de camadas de proteção e padronização, transferência de grafeno-membrana (ii), (iii) metal superfície padronização no grafeno-membranas, quadro (iv) e dobradiças padronização e deposição, (v). Self de dobramento e (vi) remoção das camadas de proteção (Figura 1). Este artigo centra-se principalmente em aspectos Self dobráveis de fabricação cubos 3D baseados em grafeno. Detalhes sobre as propriedades físicas e ópticas dos cubos 3D baseados em grafeno podem ser encontrados em nossas outras recentes publicações27,28.

Protocol

Cuidado: Vários dos produtos químicos utilizados nestas sínteses são tóxicos e podem causar irritação e danos nos órgãos grave quando tocado ou inalado. Por favor use equipamento de segurança adequado e equipamentos de proteção individual ao manusear os produtos químicos. 1. preparação de óxido de alumínio e camadas de proteção de cromo em uma camada de cobre Sacrificial Usando um evaporador de feixe de elétrons, deposite 10 nm grosso cromo (Cr) e 300 nm cobre (Cu…

Representative Results

Figura 2 exibe imagens ópticas dos processos litográficas do grafeno 2D e estruturas líquidas GO e subsequente processo de dobramento. O processo de auto dobra é monitorado em tempo real através de um microscópio de alta resolução. Ambos os tipos de cubos 3D baseados em grafeno são dobrados a ~ 80 ° C. Figura 3 estabelece sequências de vídeo capturadas mostrando o dobramento self de cubos 3D baseados em grafe…

Discussion

Para os cubos fabricados com CVD grafeno, porque cada face de um cubo dado é projetado com um frame exterior em torno de uma área de2 ~ 160 × 160 µm de grafeno autônoma, uma única folha de grafeno monocamada não tem a força necessária para permitir processamento paralelo dos cubos. Por esta razão, membranas de grafeno consiste em três camadas de monocamadas de grafeno CVD folhas são produziram através de três transferências do grafeno separadas usando várias etapas de revestimento/remo…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este material é baseado em trabalho suportado por um fundo de arranque na Universidade de Minnesota, Twin Cities e um prémio de carreira NSF (CMMI-1454293). Partes deste trabalho foram realizadas nas instalações da Universidade de Minnesota, um membro da NSF-financiado materiais pesquisa instalações de rede (através do programa MRSEC caracterização. Partes deste trabalho foram realizados no centro de Nano de Minnesota, que é apoiado pela Fundação de ciência nacional através do nacional Nano coordenada infra-estrutura rede (NNCI) sob número de prémio ECCS-1542202. C. m. reconhece apoio de 3 M de ciência e tecnologia Fellowship.

Materials

Acetone Fisher Chemical A18P-4 N/A
Aluminium oxide Kurt J. Lesker Company EVMALO-1-2.5 99.99% Pure
APS Copper Etchant 100 Transene Company, Inc. N/A N/A
Camera (for 3D image) Nikon D5100 1080p Full HD, Effective pixels: 16.2 million, Sensorsize: 23.6 mm x 15.6 mm
CE-5 M Chromium Mask Etchant Transene Company, Inc. N/A N/A
Chemical deposition growth (CVD) system Customized N/A Lindberg/Blue Tube Furnace
Chromium Kurt J. Lesker Company EVMCR35J 99.95% pure
Chromium Etchant 473 Transene Company, Inc. N/A N/A
Copper Kurt J. Lesker Company EVMCU40QXQJ 99.99% pure
Developer-1 (MF319 developer) Microposit 10018042 N/A
Developer-2 (AZ developer) Merck performance Materials Corp. 1005422496 N/A
Developer-3 (SU-8 developer) MicroChem NC9901158 N/A
Digital Hot Plate Thermo Scientific HP131725 Super-Nuvoa series, maximum temperature: 370 °C
E-Beam Evaporator System Rocky Mountain Vacuum Tech. N/A RME-2000
Graphene oxide Goographene N/A Purity: ~ 99%; Single layer ratio: ~99%;  0.7-1.2 nm in thickness.
Isopropyl Alcohol Fisher Chemical A416-4 N/A
Mask Aligner Midas MDA-400LJ N/A
Microscope Omax NJF-120A N/A
multiple polymethyl methacrylate (PMMA) MicroChem 950 PMMA A9 N/A
Oxygen plasma  Technics Inc. SERIES 800 Microscale reactive ion etching (RIE)
Photoresist-1 (S1813 Photoresist) Microposit 10018348 N/A
Photoresist-2 (SPR220 Photoresist) MicroChem SPR00220-7G N/A
Photoresist-3 (SU-8 Photoresist) MicroChem SU-8-2010 N/A
Profilometer Tencor Instruments N/A Alpha-Step 200
Raman WITec Instruments Corp. Alpha300R Confocal Raman Microscope
Silicon Wafer Siltronic AG N/A 100mm diameter, N-type, one-side polish, resitivity: 560-840 Ω•cm
Spinner Best Tools S0114031123 SMART COATER 100
Titanium Kurt J. Lesker Company EVMTI45QXQA 99.99% Pure
Ultrasonic Cleaner Crest Ultrasonics N/A Powersonic series
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Keywords: 3D GrapheneGraphene PolyhedronsOrigami-like Self-folding2D Graphene3D MicrocubesGraphene Membrane TransferMetal Surface PatterningPolymer FramesHingesSelf-foldingProtection LayersElectron Beam EvaporationPhotolithography
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Citer Cet Article
Joung, D., Wratkowski, D., Dai, C., Lee, S., Cho, J. Fabrication of Three-Dimensional Graphene-Based Polyhedrons via Origami-Like Self-Folding. J. Vis. Exp. (139), e58500, doi:10.3791/58500 (2018).
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