JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Ingénierie

Fabrikation af tre-dimensionelle Graphene-baserede polyedre via Origami-lignende selv foldning

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

Summary

Vi præsenterer her, en protokol for fabrikation af 3D graphene-baserede polyedre via origami-lignende selv foldning.

Abstract

Forsamling af todimensionale (2D) graphene i tre-dimensionelle (3D) polyeder strukturer samtidig bevare graphene’s fremragende iboende egenskaber har været af stor interesse for udvikling af nye enhed applikationer. Her, fabrikation af 3D, individuel, hule polyedre (kuber) bestående af et par lag af 2D graphene eller graphene oxid ark via en origami-lignende selv folde proces er beskrevet. Denne metode indebærer anvendelse af polymer frames og hængsler, og aluminiumoxid/chrom beskyttelse lag, som reducerer trækstyrke, rumlige og overfladespænding understreger på graphene-baserede membraner, når de 2D garn er forvandlet til 3D terninger. Processen tilbyder kontrol af størrelse og form af strukturer samt sideløbende produktion. Desuden, tillader denne tilgang oprettelsen af overflade ændringer af metal mønster på hver side af de 3D terninger. Raman spektroskopi undersøgelser viser metoden, der giver mulighed for bevarelse af de iboende egenskaber af graphene-baserede membraner, demonstrerer robustheden af vores metode.

Introduction

Todimensionale (2D) graphene ark besidde ekstraordinære optisk, elektroniske og mekaniske egenskaber, hvilket gør dem model systemer til observation af roman kvantum fænomener for næste generation elektroniske, optoelektroniske, elektrokemiske, elektromekaniske og biomedicinske anvendelser1,2,3,4,5,6. Bortset fra som produceret 2D lagdelt struktur graphene, seneste, har forskellige ændring tilgange undersøgt for at observere nye funktionaliteter af graphene og søge nye program muligheder. Modulerende (f.eks tuning) dens fysiske egenskaber (dvs. doping og/eller band gap) af skræddersy figurerne eller mønster af 2D struktur til en endimensional (1 D) eller nul-dimensional (0 D) struktur (fx., graphene nanoribbon eller graphene quantum dots) er blevet undersøgt for at få nye fysiske fænomener herunder quantum indespærring effekter, lokaliserede plasmonic tilstande, lokaliserede elektron distribution og spin-polariseret kant stater7,8 ,9,10,11,12. Derudover varierende teksturen af 2D graphene ved crumpling (ofte kaldet kirigami), delaminering, buckling, vride, eller stabling af flere lag eller ændre figuren graphene overflade ved at overføre 2D graphene oven på en 3D-funktion (substrat) har været vist sig for at ændre graphene befugtningen, mekaniske egenskaber og optiske egenskaber13,14.

Ud over skiftende overflade morfologi og lagdelte struktur af 2D graphene, forsamling af 2D graphene ind i functionalized, veldefinerede, tre-dimensionelle (3D) polyedre har været af stor interesse for nylig i graphene Fællesskabet at få nye fysiske og kemiske fænomener15. I teorien, elastisk, elektrostatisk, og van der Waals kan energier af 2D graphene-baserede strukturer udnyttes til at omdanne den 2D graphene til forskellige 3D graphene-origami konfigurationer16,17. Baseret på dette koncept, har teoretisk modellering studier undersøgt 3D graphene struktur designs, dannet af nanoskala 2D graphene membraner, med mulige anvendelser i medicinafgivelse og generelle molekylære opbevaring16,17. Eksperimenterende forløb denne tilgang er imidlertid stadig langt fra at realisere disse programmer. På den anden side er en række kemiske syntetiske metoder blevet udviklet for at opnå 3D strukturer via skabelon-assisteret forsamling, flow-instrueret forsamling, leavening forsamling og konform vækst metoder18,19 , 20 , 21 , 22. men disse metoder er i øjeblikket begrænset i, at de ikke kan producere en 3D, hule, lukket struktur uden at miste de iboende egenskaber graphene ark.

Her, er en strategi for opbygning 3D, hule, graphene-baserede microcubes (overordnede dimension af ~ 200 µm) ved hjælp af origami-lignende selv foldning skitseret; at overvinde de vigtigste udfordringer ved konstruktion af fritstående, hule, 3D, polyeder, graphene-baserede materialer. Origami-lignende, håndfri selvstændige folde teknikker, er 2D lithographically mønstrede planar funktioner (dvs. graphene-baserede membraner) forbundet med hængsler (dvs., termisk-følsomme polymer, photoresist) i forskellige led, derved danner 2D redskaber som fold når hængslerne er opvarmet til smeltende temperatur23,24,25,26. Graphene-baserede kuber er realiseret med vindue membran komponenter består af et par lag af kemisk dampudfældning (CVD) vokset graphene eller graphene oxid (GO) membraner; begge med brugen af polymer frames og hængsler. Fabrikation af de 3D graphene-baserede kuber omfatter: (i) forberedelse af beskyttelse lag, (ii) graphene-membran overførsel og mønstre, (iii) metaloverflade mønster på graphene-membraner, (iv) ramme og hængsler mønster og deposition, (v). selvstændig folde, og (vi) fjernelse af beskyttelse lag (figur 1). Denne artikel fokuserer primært på de selvstændige folde aspekter af 3D graphene-baserede kuber fabrikation. Oplysninger om fysiske og optiske egenskaber 3D graphene-baserede kuber kan findes i vores andre nyere publikationer27,28.

Protocol

Forsigtig: Flere af kemikalier, der anvendes i disse sammenstillinger er giftigt og kan forårsage irritation og alvorlige organskader når rørt eller indåndes. Skal du bruge passende sikkerhedsudstyr og bære personlige værnemidler når håndtering af kemikalier. 1. fremstilling af aluminiumoxid og chrom beskyttelse lag på en kobber blote lag Bruger en elektronstråle fordamper, deponere 10 nm tykke chrom (Cr) og 300 nm tykke kobber (Cu) lag (blote lag) på silicium (Si) substra…

Representative Results

Figur 2 viser optiske billeder af de litografiske processer af 2D graphene og GO netto strukturer og efterfølgende selvstændig folde proces. Den selvstændige folde proces overvåges i realtid via en høj opløsning mikroskop. Begge typer af 3D graphene-baserede kuber er foldet ved ~ 80 ° C. Figur 3 udstikker erobrede videosekvenser viser den selvstændige foldning af 3D graphene-baserede kuber i en parallel måde. Un…

Discussion

For kuberne fabrikeret med CVD graphene, fordi hver står over for en bestemt kube er designet med en ydre ramme omkring en ~ 160 × 160 µm2 område af fritstående graphene, et enkelt ark af éncellelag graphene har ikke den nødvendige styrke til at tillade parallel behandling af kuber. Af denne grund produceret graphene membraner består af tre lag af CVD graphene éncellelag plader er via tre separate graphene overførsler ved hjælp af flere PMMA belægning/fjernelse trin. På den anden side til…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette materiale er baseret på arbejde understøttes af en opstartsfond på University of Minnesota, Twin Cities og en NSF karriere Award (CMMI-1454293). Dele af dette arbejde blev udført i karakterisering facilitet på University of Minnesota, medlem af NSF-støttede materialer forskning faciliteter netværket (via programmet MRSEC. Dele af dette arbejde blev udført i Minnesota Nano Center, som støttes af National Science Foundation gennem den nationale Nano koordineret infrastruktur netværk (NNCI) under Award antallet ECCS-1542202. C. D. anerkender støtte fra 3 M videnskab og teknologi 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nature Materials. 6 (3), 183-191 (2007).
  2. Singh, V., et al. Graphene based materials: Past, present and future. Progress in Materials Science. 56 (8), 1178-1271 (2011).
  3. Bonaccorso, F., Sun, Z., Hasan, T., Ferrari, A. C. Graphene photonics and optoelectronics. Nature Photonics. 4 (9), 611-622 (2010).
  4. Wang, C., Li, D., Too, C. O., Wallace, G. G. Electrochemical Properties of Graphene Paper Electrodes Used in Lithium Batteries. Chemistry of Materials. 21 (13), 2604-2606 (2009).
  5. Bunch, J. S., et al. Electromechanical resonators from graphene sheets. Science. 315 (5811), 490-493 (2007).
  6. Menaa, F., Abdelghani, A., Menaa, B. Graphene nanomaterials as biocompatible and conductive scaffolds for stem cells: impact for tissue engineering and regenerative medicine. Journal of Tissue Engineering and Regenerative. 9 (12), 1321-1338 (2015).
  7. Han, M. Y., Özyilmaz, B., Zhang, Y., Kim, P. Energy band-gap engineering of graphene nanoribbons. Physical Review Letters. 98 (20), 206805 (2007).
  8. Son, Y. W., Cohen, M. L., Louie, S. G. Half-metallic graphene nanoribbons. Nature. 444 (7117), 347-349 (2006).
  9. Yan, Q., et al. Intrinsic current− voltage characteristics of graphene nanoribbon transistors and effect of edge doping. Nano Letters. 7 (6), 1469-1473 (2007).
  10. Fei, Z., et al. Gate-tuning of graphene plasmons revealed by infrared nano-imaging. Nature. 487 (7405), 82-85 (2012).
  11. Joung, D., Zhai, L., Khondaker, S. I. Coulomb blockade and hopping conduction in graphene quantum dots array. Physical Review. B. 83 (11), 115323 (2011).
  12. Bacon, M., Bradley, S. J., Nann, T. Graphene quantum dots. Particle & Particle Systems Characterization. 31 (4), 415-428 (2014).
  13. Blees, M. K., et al. Graphene kirigami. Nature. 524 (7564), 204-207 (2015).
  14. Michael Cai, W., et al. Mechanical instability driven self-assembly and architecturing of 2D materials. 2D Materials. 4 (2), 022002 (2017).
  15. Shenoy, V. B., Gracias, D. H. Self-folding thin-film materials: From nanopolyhedra to graphene origami. MRS Bulletin. 37 (9), 847-854 (2012).
  16. Zhu, S., Li, T. Hydrogenation-Assisted Graphene Origami and Its Application in Programmable Molecular Mass Uptake, Storage, and Release. ACS Nano. 8 (3), 2864-2872 (2014).
  17. Zhang, L., Zeng, X., Wang, X. Programmable hydrogenation of graphene for novel nanocages. Scientific Reports. 3, 3162 (2013).
  18. Vickery, J. L., Patil, A. J., Mann, S. Fabrication of Graphene-Polymer Nanocomposites With Higher-Order Three-Dimensional Architectures. Advanced Materials. 21 (21), 2180-2184 (2009).
  19. Yang, X., Zhu, J., Qiu, L., Li, D. Bioinspired effective prevention of restacking in multilayered graphene films: towards the next generation of high-performance supercapacitors. Advanced Materials. 23 (25), 2833-2838 (2011).
  20. Choi, B. G., Yang, M., Hong, W. H., Choi, J. W., Huh, Y. S. 3D macroporous graphene frameworks for supercapacitors with high energy and power densities. ACS Nano. 6 (5), 4020-4028 (2012).
  21. Niu, Z., Chen, J., Hng, H. H., Ma, J., Chen, X. A leavening strategy to prepare reduced graphene oxide foams. Advanced Materials. 24 (30), 4144-4150 (2012).
  22. Li, Y., et al. Growth of conformal graphene cages on micrometre-sized silicon particles as stable battery anodes. Nature Energy. 1 (2), (2016).
  23. Cho, J. H., Gracias, D. H. Self-Assembly of Lithographically Patterned Nanoparticles. Nano Letters. 9 (12), 4049-4052 (2009).
  24. Cho, J. H., Azam, A., Gracias, D. H. Three Dimensional Nanofabrication Using Surface Forces. Langmuir. 26 (21), 16534-16539 (2010).
  25. Dai, C., Cho, J. H. In Situ Monitored Self-Assembly of Three-Dimensional Polyhedral Nanostructures. Nano Letters. 16 (6), 3655-3660 (2016).
  26. Joung, D., et al. Self-Assembled Multifunctional 3D Microdevices. Advanced Electronic Materials. 2 (6), 1500459 (2016).
  27. Joung, D., Gu, T., Cho, J. H. Tunable Optical Transparency in Self-Assembled Three-Dimensional Polyhedral Graphene Oxide. ACS Nano. 10 (10), 9586-9594 (2016).
  28. Joung, D., et al. Self-Assembled Three-Dimensional Graphene-Based Polyhedrons Inducing Volumetric Light Confinement. Nano Letters. 17 (3), 1987-1994 (2017).
  29. Lian, K., Ling, Z. G., Liu, C. Thermal stability of SU-8 fabricated microstructures as a function of photo initiator and exposure doses. Proceedings of SPIE. 4980, 209 (2003).
  30. Winterstein, T., et al. SU-8 electrothermal actuators: Optimization of fabrication and excitation for long-term use. Micromachines. 5 (4), 1310-1322 (2014).
  31. Syms, R. R. A., Yeatman, E. M., Bright, V. M., Whitesides, G. M. Surface tension-powered self-assembly of microstructures – the state-of-the-art. Journal of Microelectromechanical Systems. 12 (4), 387-417 (2003).
  32. Xie, X., et al. Controlled fabrication of high-quality carbon nanoscrolls from monolayer graphene. Nano Letters. 9 (7), 2565-2570 (2009).
  33. Ferrari, A. C., Basko, D. M. Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene. Nature Nanotechnology. 8 (4), 235-246 (2013).
  34. Childres, I., Jauregui, L. A., Park, W., Cao, H., Chen, Y. P., Jang, J. I. Raman spectroscopy of graphene and related materials. New developments in photon and materials research. , (2013).
  35. Polsen, E. S., McNerny, D. Q., Viswanath, B., Pattinson, S. W., Hart, A. J. High-speed roll-to-roll manufacturing of graphene using a concentric tube CVD reactor. Scientific Reports. , 5 (2015).
  36. Wu, T., Shen, H., Sun, L., You, J., Yue, Z. Three step fabrication of graphene at low temperature by remote plasma enhanced chemical vapor deposition. RSC Advances. 3 (24), 9544-9549 (2013).
  37. Liu, C., Schauff, J., Joung, D., Cho, J. H. Remotely controlled microscale 3D self-assembly using microwave energy. Advanced Materials Technologies. 2 (8), 1700035 (2017).

Tags

Keywords: 3D GrapheneGraphene PolyhedronsOrigami-like Self-folding2D Graphene3D MicrocubesGraphene Membrane TransferMetal Surface PatterningPolymer FramesHingesSelf-foldingProtection LayersElectron Beam EvaporationPhotolithography
check_url/fr/58500?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
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).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image