ייצור Polyhedrons מבוססי גראפן תלת מימדי באמצעות אוריגמי דמוי עצמי מתקפלים
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול להרכבת polyhedrons מבוססי גראפן תלת-ממד באמצעות אוריגמי דמוי עצמי קיפול.
Abstract
ההרכבה של מימדי גרפן (2D) תלת מימדי (3D) למבנים לכל מקרה תוך שמירה על נכסים מצוינים של הגרפן הטמון כבר עניין רב לפיתוח יישומים הרומן התקן. . הנה, ייצור של 3D, microscale, חלולים polyhedrons (קוביות) בהיקף של כמה שכבות גראפן 2D או גראפן תחמוצת גליונות באמצעות תהליך עצמי קיפול אוריגמי דמוי מתואר. שיטה זו כרוכה בשימוש פולימר מסגרות, צירים, שכבות הגנה אלומיניום אוקסיד/כרום להפחית בעומס, מרחבית, ואת מתח פנים מדגיש על הממברנות מבוססות-גראפן כאשר הרשתות 2D הופכים קוביות תלת-ממד. התהליך מציע שליטה על הגודל והצורה של מבנים, כמו גם ייצור מקבילים. בנוסף, גישה זו מאפשרת היצירה של שינוי פני השטח על ידי מתכת על כל הפנים של קוביות תלת-ממד. מחקרים ספקטרוסקופיית ראמאן מראים שהשיטה מאפשרת השימור של מאפיינים מהותיים של הממברנות מבוססות גרפן, הממחיש את היציבות של השיטה שלנו.
Introduction
יריעות גרפן (2D) דו מימדי בעל מאפיינים אופטיים, אלקטרוני ומכאני יוצאת דופן, הפיכתם דגם מערכות ההתבוננות בתופעות קוונטיות חדשניים עבור מעגל אלקטרוני, הדור הבא, אלקטרוכימי, אלקטרו-מכאניים, ויישומי ביו1,2,3,4,5,6. מלבד המיוצר כמו 2D שכבתית המבנה של גרפן, לאחרונה, השינוי בגישות שונות נחקרו להתבונן פונקציונליות חדשה של גראפן ומחפשים הזדמנויות חדשות ליישום. לדוגמה, להתכוונן (או כוונון) את מאפייניו הפיזיים (קרי, סימום לרמת ו/או הלהקה מרווח) על-ידי התאמת הצורות או תכנים של דו-ממדי מבנה חד-ממדי (ד 1) או מבנה (0 ד) אפס-ממדי (למשל., גרפן נקודות קוונטיות nanoribbon או גראפן) נחקרה להשיג חדש פיסיקליות כולל אפקטים כליאה קוונטית, מצבי plasmonic לשפות אחרות, תפוצה המותאמות לשפות אחרות אלקטרון מקוטב-ספין קצה הברית7,8 ,9,10,11,12. בנוסף, משתנה המרקם של גראפן 2D מאת הקורסת (נקרא לעתים kirigami), delamination, קריסה, ניתורים, או ערימה של שכבות מרובות או שינוי צורת פני השטח גראפן על ידי העברת גראפן 2D על תכונה תלת-ממד (סובסטרט) כבר הראו שינוי של הגרפן wettability תכונות מכאניות, אופטיות ספקטרליות13,14.
מעבר לשנות את מבנה שכבות גראפן 2D ומורפולוגיה משטח, הרכבה של גראפן 2D לתוך functionalized, מוגדרים היטב, תלת מימדי (3D) polyhedrons היה עניין רב לאחרונה בקהילה גראפן להשיג פיזי חדש ו תופעות כימיות15. ב תורת, אלסטי, אלקטרוסטטית, ואן דר Waals אנרגיות של מבנים 2D מבוססת גרפן, ניתן למנף להפוך את הגרפן 2D שונים גראפן-אוריגמי 3D תצורות16,17 מבוסס על תפיסה זו, מחקרים מודלים תיאורטיים חקרו עיצובים מבנה תלת-ממדי גרפן, נוצר קרום דו-מימדית גרפן ננו, עם שימושים אפשריים משלוח סמים ואת כללי אחסון מולקולרית16,17. ובכל זאת, ההתקדמות ניסיוני של גישה זו הוא עדיין רחוק מלהיות מימוש יישומים אלה. מצד שני, פותחו מספר שיטות כימיים סינתטיים כדי להשיג מבנים תלת-ממד באמצעות תבנית בסיוע הרכבה, מכוון זרימה הרכבה, אבקת הרכבה, צמיחה קונפורמיים שיטות18,19 , 20 , 21 , 22. עם זאת, שיטות אלה מוגבלים כיום שהם לא מייצרים מבנה תלת-ממדי, חלול, סגור מבלי לאבד את מאפייני הסדינים גראפן מהותי.
. הנה, המותווה אסטרטגיה לבניית microcubes תלת-ממד, חלול, מבוסס גרפן (הכוללת מימד של ~ 200 מיקרומטר) על-ידי שימוש כמו אוריגמי מתקפל עצמית; התגברות על האתגרים בראש ובראשונה בבנייה של חומרים שעמד חופשי, חלול, 3D, לכל מקרה, מבוסס-גראפן. טכניקות קיפול עצמית כמו אוריגמי, דיבורית, תכונות מישורי lithographically בדוגמת 2D (קרי, מבוסס-גראפן ממברנות) מחוברים עם הצירים (קרי, רגיש תרמי פולימר, photoresist) על המפרקים השונים, ובכך ויוצרים 2D רשתות אשר מקפלים כאשר הצירים מחוממים כדי נמס בטמפרטורה23,24,25,26. קוביות מבוסס-גראפן הם הבינו עם ממברנה שחלונות חיבר כמה שכבות של תצהיר אדים כימיים (CVD) גדל גראפן או גראפן אוקסיד (קדימה) ממברנות; שניהם עם השימוש של פולימר מסגרות וצירים. הזיוף של קוביות מבוסס-גראפן תלת-ממד כולל: (i) הכנת שכבות הגנה, העברה (ii) גראפן-הממברנה, המתבנת, לפני שטח המתכת (iii) על ממברנות גרפן, מסגרת (iv) ואת צירי תכנים בתצהיר (v). קיפול עצמית, (vi) הסרה של שכבות הגנה (איור 1). מאמר זה מתמקד בעיקר בהיבטים מתקפלים עצמית של הזיוף קוביות מבוסס-גראפן תלת-ממד. ניתן למצוא פרטים על מאפיינים אופטיים פיזיקליות של קוביות מבוסס-גראפן 3D שלנו אחרים האחרונות פרסומים27,28.
Protocol
Representative Results
Discussion
עבור קוביות מפוברק עם CVD גרפן, כי כל פנים של קוביה נתון מעוצב עם מסגרת חיצונית סביב אזור2 ~ 160 × 160 מיקרומטר שעמד חופשי גרפן, גיליון אחד של גראפן חד שכבתי אין את הכוח הדרוש כדי להתיר עיבוד מקבילי של הקוביות. מסיבה זו, ממברנות גראפן המורכב משלוש שכבות של CVD גראפן חד שכבתי הסדינים המיוצר ב?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
חומר זה מתבסס על עבודה נתמכת על-ידי קרן הזנק באוניברסיטת מינסוטה, בצמד הערים ו פרס ה-NSF הקריירה (CMMI-1454293). חלקים של עבודה זו בוצעו במתקן אפיון ב אוניברסיטת מינסוטה, חבר ה-NSF במימון חומרי מחקר מתקנים ברשת (באמצעות התוכנית MRSEC. חלקים של עבודה זו נערכו במרכז ננו של מינסוטה, אשר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע דרך נבחרת ננו מתואמת תשתית רשת (NNCI) תחת פרס מספר מרכזים לגיל הרך-1542202. ג ד מאשר תמיכה של 3 מ’ המדע ואחווה טכנולוגיה.
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 |
References
- Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nature Materials. 6 (3), 183-191 (2007).
- Singh, V., et al. Graphene based materials: Past, present and future. Progress in Materials Science. 56 (8), 1178-1271 (2011).
- Bonaccorso, F., Sun, Z., Hasan, T., Ferrari, A. C. Graphene photonics and optoelectronics. Nature Photonics. 4 (9), 611-622 (2010).
- 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).
- Bunch, J. S., et al. Electromechanical resonators from graphene sheets. Science. 315 (5811), 490-493 (2007).
- 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).
- Han, M. Y., Özyilmaz, B., Zhang, Y., Kim, P. Energy band-gap engineering of graphene nanoribbons. Physical Review Letters. 98 (20), 206805 (2007).
- Son, Y. W., Cohen, M. L., Louie, S. G. Half-metallic graphene nanoribbons. Nature. 444 (7117), 347-349 (2006).
- Yan, Q., et al. Intrinsic current− voltage characteristics of graphene nanoribbon transistors and effect of edge doping. Nano Letters. 7 (6), 1469-1473 (2007).
- Fei, Z., et al. Gate-tuning of graphene plasmons revealed by infrared nano-imaging. Nature. 487 (7405), 82-85 (2012).
- Joung, D., Zhai, L., Khondaker, S. I. Coulomb blockade and hopping conduction in graphene quantum dots array. Physical Review. B. 83 (11), 115323 (2011).
- Bacon, M., Bradley, S. J., Nann, T. Graphene quantum dots. Particle & Particle Systems Characterization. 31 (4), 415-428 (2014).
- Blees, M. K., et al. Graphene kirigami. Nature. 524 (7564), 204-207 (2015).
- Michael Cai, W., et al. Mechanical instability driven self-assembly and architecturing of 2D materials. 2D Materials. 4 (2), 022002 (2017).
- Shenoy, V. B., Gracias, D. H. Self-folding thin-film materials: From nanopolyhedra to graphene origami. MRS Bulletin. 37 (9), 847-854 (2012).
- 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).
- Zhang, L., Zeng, X., Wang, X. Programmable hydrogenation of graphene for novel nanocages. Scientific Reports. 3, 3162 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Li, Y., et al. Growth of conformal graphene cages on micrometre-sized silicon particles as stable battery anodes. Nature Energy. 1 (2), (2016).
- Cho, J. H., Gracias, D. H. Self-Assembly of Lithographically Patterned Nanoparticles. Nano Letters. 9 (12), 4049-4052 (2009).
- Cho, J. H., Azam, A., Gracias, D. H. Three Dimensional Nanofabrication Using Surface Forces. Langmuir. 26 (21), 16534-16539 (2010).
- Dai, C., Cho, J. H. In Situ Monitored Self-Assembly of Three-Dimensional Polyhedral Nanostructures. Nano Letters. 16 (6), 3655-3660 (2016).
- Joung, D., et al. Self-Assembled Multifunctional 3D Microdevices. Advanced Electronic Materials. 2 (6), 1500459 (2016).
- 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).
- Joung, D., et al. Self-Assembled Three-Dimensional Graphene-Based Polyhedrons Inducing Volumetric Light Confinement. Nano Letters. 17 (3), 1987-1994 (2017).
- 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).
- Winterstein, T., et al. SU-8 electrothermal actuators: Optimization of fabrication and excitation for long-term use. Micromachines. 5 (4), 1310-1322 (2014).
- 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).
- Xie, X., et al. Controlled fabrication of high-quality carbon nanoscrolls from monolayer graphene. Nano Letters. 9 (7), 2565-2570 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
