Fabricación de Poliedros tridimensionales basados en grafeno mediante Origami-como uno mismo-plegable
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para la fabricación de poliedros 3D basados en el grafeno mediante origami-como uno mismo-plegable.
Abstract
El montaje de dos dimensiones (2D) grafeno en tridimensionales (3D) estructuras poliédricas preservando excelentes propiedades inherentes de grafeno ha sido de gran interés para el desarrollo de aplicaciones para nuevos dispositivos. Aquí, fabricación de 3D, microescala, hueco de poliedros (cubos) que consiste en unas pocas capas de grafeno 2D o grafeno óxido hojas a través de un proceso de auto-plegado origami-como se describe. Este método implica el uso de marcos del polímero y las bisagras y capas de protección de óxido de aluminio/cromo que reducen la resistencia a la tracción, espacial y tensión superficial de tensiones en las membranas de grafeno basado cuando las redes 2D se transforman en cubos 3D. El proceso ofrece control del tamaño y la forma de las estructuras así como producción paralela. Además, este enfoque permite la creación de modificaciones superficiales de metal dibujos en cada cara de los cubos 3D. Estudios de Espectroscopía Raman muestran que el método permite la preservación de las propiedades intrínsecas de las membranas basadas en grafeno, demostrando la robustez de nuestro método.
Introduction
Dos dimensiones (2D) graphene hojas poseen extraordinarias propiedades ópticas, electrónicas y mecánicas, que modelo de sistemas para la observación de fenómenos de quantum novela de última generación electrónicos, optoelectrónicos, electroquímica, aplicaciones electromecánicas y biomédica1,2,3,4,5,6. Recientemente, aparte de la estructura capas 2D como producción del grafeno, se han investigado diversos planteamientos de modificación para observar nuevas funcionalidades de grafeno y buscar nuevas oportunidades de aplicación. Por ejemplo, modulación (o ajuste) sus propiedades físicas (es decir, doping nivel o banda gap) adaptando las formas o patrones del 2D de la estructura unidimensional (1D) o estructura (0 D) cero-dimensional (e.g., grafeno nanoribbon o grafeno puntos cuánticos) ha sido estudiado para obtener nuevos fenómenos físicos incluyendo efectos de confinamiento cuántico, modos plasmónica localizados, distribución de electrones localizados y polarización de spin edge Estados7,8 ,9,10,11,12. Además, variando la textura del grafeno 2D arrugándose (a menudo llamado kirigami), delaminación, pandeo, torsión, o apilamiento de múltiples capas, o cambiando la forma superficial de grafeno mediante la transferencia de grafeno 2D en la parte superior una característica 3D (sustrato) ha sido demostrado para cambiar la mojabilidad del grafeno, características mecánicas y propiedades ópticas13,14.
Más allá de cambiar la morfología superficial y la estructura en capas de grafeno 2D, montaje de grafeno 2D en funcionalizados, bien definidos, tridimensionales (3D) poliedros ha sido de gran interés recientemente en la comunidad de grafeno para obtener la nueva física y fenómenos químicos15. En teoría, elástica, electrostática y van der Waals se pueden aprovechar las energías de estructuras 2D basados en grafeno para transformar el grafeno 2D en 3D origami de grafeno varias configuraciones de16,17. Partiendo de este concepto, estudios de Modelización teórica han investigado grafeno 3D diseños de estructura, formados a partir de las membranas de grafeno 2D a nanoescala, con posibles aplicaciones en el suministro de medicamentos y almacenamiento molecular general16,17. Sin embargo, los avances experimentales de este enfoque es aún muy lejos de darse cuenta de estas aplicaciones. Por otro lado, se han desarrollado varios métodos de síntesis química para lograr estructuras 3D a través de ayuda de plantilla Asamblea dirigido por flujo, emulgente Asamblea y crecimiento conformal métodos18,19 , 20 , 21 , 22. sin embargo, estos métodos son actualmente limitados en que no producen una estructura 3D, hueco, cerrada sin perder las propiedades intrínsecas de las hojas de grafeno.
Aquí, se describe una estrategia para la construcción de microcubes 3D, hueco, basada en el grafeno (dimensión total de ~ 200 μm) usando origami-como uno mismo-plegables; superación de los retos más importantes en la construcción de materiales libre de pie, hueco, 3D, poliédricos, basados en grafeno. En origami-como manos libres auto plegables técnicas, características planos litográfico modelados 2D (es decir, las membranas basadas en grafeno) son conectadas con bisagras (es decir, polímeros de termal-sensible, fotoresistencia) en varias articulaciones, de tal modo formación 2D redes que doblar para arriba cuando las bisagras se calientan para derretir temperatura23,24,25,26. Los cubos basados en grafeno se realizan con componentes de la membrana de ventana compuesto por unas pocas capas de deposición de vapor químico (CVD) crecido grafeno o membranas de grafeno óxido (ir); ambos con el uso de marcos del polímero y las bisagras. La fabricación de los cubos 3D basados en grafeno implica: (i) preparación de capas de protección, (ii) membrana de grafeno transferencia y patrones, (iii) superficie patrones en membranas de grafeno, (iv) marco y bisagras de patrones y la deposición, (v). uno plegable y (vi) eliminación de las capas de protección (figura 1). Este artículo se centra sobre todo en los aspectos auto plegables de la fabricación de cubos 3D basados en grafeno. Detalles sobre propiedades físicas y ópticas de los cubos 3D basados en el grafeno se pueden encontrar en nuestras otras recientes publicaciones27,28.
Protocol
Representative Results
Discussion
Para los cubos fabricados con grafeno de ECV, porque cada cara de un cubo dado está diseñado con un marco externo que rodea un área de2 ~ 160 × 160 μm de grafeno independiente, una sola hoja de grafeno monocapa no tiene la fuerza necesaria para permitir procesamiento en paralelo de los cubos. Por esta razón, las membranas de grafeno que consta de tres capas de monocapa de grafeno CVD hojas son producen mediante tres transferencias del grafeno separadas con múltiples pasos de la capa/extracción…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este material está basado en trabajo apoyado por un fondo de puesta en marcha en la Universidad de Minnesota, ciudades gemelas y un premio de la carrera de NSF (CMMI-1454293). Partes de este trabajo se llevaron a cabo en las instalaciones de la caracterización de la Universidad de Minnesota, miembro de la NSF-financiado materiales instalaciones red de investigación (através del programa MRSEC. Porciones de este trabajo se llevaron a cabo en el centro de Nano de Minnesota, que es apoyado por la National Science Foundation a través de la nacional Nano coordinada infraestructura red (NNCI) bajo la concesión número ECCS-1542202. C. D. reconoce apoyo de la 3 M ciencia y tecnología becas.
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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