Tillverkning av tredimensionella grafen-baserade Polyhedrons via Origami-liknande själv vikning
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för tillverkning av 3D grafen-baserade polyhedrons via origami-liknande själv vikning.
Abstract
Montering av tvådimensionella (2D) grafen i tredimensionella (3D) polyedriska strukturer samtidigt bevara den Grafenet utmärkta inneboende egenskaper har varit av stort intresse för utvecklingen av tillämpningar för romanen enhet. Här, tillverkning av 3D, hur provtagningsutrustningen skall, ihåliga polyhedrons (kuber) bestående av några lager av 2D grafen eller grafen oxid lakan via en origami-liknande själv vikningsprocessen beskrivs. Denna metod innebär användning av Polymera ramar och gångjärn, och aluminiumoxid/krom skyddslager som minskar drag, rumsliga och ytspänning påfrestningarna på grafen-baserade membranen när 2D näten omvandlas till 3D-kuber. Processen erbjuder kontroll över storleken och formen på de strukturer samt parallellproduktion. Detta tillvägagångssätt kan dessutom skapandet av ytmodifieringar metal mönstring på varje ansikte 3D kuber. Raman spektroskopi studier visar metoden gör det möjligt för bevarandet av de inneboende egenskaperna hos grafen-baserade membranen, visar robustheten av vår metod.
Introduction
Tvådimensionell (2D) grafen ark besitter utomordentliga optiska, elektroniska och mekaniska egenskaper, vilket gör dem modell system för observation av romanen kvantfenomen för nästa generations elektroniska, optoelektroniska, elektrokemiska, elektromekaniska och biomedicinska applikationer1,2,3,4,5,6. Förutom de som producerade 2D skiktad strukturen av grafen, nyligen, har olika metoder för modifiering undersökts för att observera nya funktioner av grafen och söka nya program möjligheter. Till exempel modulerande (eller tuning) dess fysiska egenskaper (dvs. dopning nivå och/eller band gap) av skräddarsy formerna eller mönstring av 2D struktur till en endimensionell (1 D) eller noll-dimensionell (0 D) struktur (t.ex., grafen nanoribbon eller grafen kvantprickar) har studerats för att få nya fysikaliska fenomen inklusive quantum nedkomsten effekter, lokaliserade plasmoniska lägen, lokaliserade elektron distribution och spin-polariserade kant har7,8 ,9,10,11,12. Dessutom variera texturen av 2D grafen av skrynkla (ofta kallad kirigami), delaminering, buckling, vridning, eller stapling av flera lager eller ändra formen grafen yta genom att överföra 2D grafen ovanpå en 3D funktion (substrat) har varit visat för att ändra Grafenet Vätbarheten, mekaniska egenskaper och optiska egenskaper13,14.
Bortom ändra ytan morfologi och skiktad struktur av 2D grafen, montering av 2D grafen till functionalized, väldefinierade, tredimensionella (3D) polyhedrons har varit av stort intresse nyligen i grafen gemenskapen för att erhålla nya fysiska och kemiska fenomen15. I teorin, elastisk, elektrostatisk, och van der Waals kan energier av 2D grafen-baserade strukturer utnyttjas för att omvandla 2D grafen till olika 3D grafen-origami konfigurationer16,17. Baserat på detta koncept, har teoretisk modellering studier undersökt 3D grafen struktur design, bildas från nanoskala 2D grafen membran, med möjliga användningsområden i drogen leverans och allmänna molekylär lagring16,17. Ändå är de experimentella framsteg med denna metod fortfarande långt ifrån att förverkliga dessa program. Däremot, har ett antal kemiska syntetiska metoder utvecklats för att åstadkomma 3D-strukturer via mall-assisted församling, flöde-regisserad församling, jäsnings montering och conformal tillväxt metoder18,19 , 20 , 21 , 22. men dessa metoder är för närvarande begränsad i att de inte kan producera en 3D, ihåliga, slutna struktur utan att förlora de inneboende egenskaperna hos grafen täcker.
Här beskrivs en strategi för att bygga 3D, ihåliga, grafen-baserade microcubes (övergripande dimensionen ~ 200 µm) med hjälp av origami-liknande själv vika; att övervinna de största utmaningarna i byggandet av fristående, ihåliga, 3D, polyedriska, grafen-baserat material. I origami-liknande, handsfree-själv fällbara teknik förbinds 2D lithographically mönstrade planar funktioner (dvs grafen-baserade membran) med gångjärn (dvs, thermal-känsliga polymer, fotoresist) vid olika lederna, därmed bildar 2D nät som viker upp när gångjärnen värms till smältning temperatur23,24,25,26. Grafen-baserade kuber realiseras med fönster membran komponenter består av några lager av kemisk förångningsdeposition (CVD) odlas grafen eller grafen oxid (gå) hinnor. båda med användningen av polymer ramar och gångjärn. Tillverkning av 3D grafen-baserade kuber omfattar: (i) beredning av skyddslager, (ii) grafen-membran överföring och mallning, (iii) metallyta mönstring på grafen-membran, (iv) ram och gångjärn mönstring och nedfall, (v). själv vikning, och (vi) borttagning av skyddslager (figur 1). Denna artikel fokuserar främst på de själv fällbara aspekterna av 3D grafen-baserade kuber tillverkning. Detaljer om fysiska och optiska egenskaper av 3D grafen-baserade kuber kan hittas i vår andra senaste publikationer27,28.
Protocol
Representative Results
Discussion
För kuber tillverkade med CVD grafen, eftersom varje ansikte en viss kub är utformad med en yttre ram som omger ett ~ 160 × 160 µm2 område av fristående grafen, ett ark av grafen enskiktslager har inte den nödvändiga styrkan att tillåta parallell bearbetning av kuber. Därför produceras grafen membran som består av tre lager av CVD grafen enskiktslager ark är via tre separata grafen överföringar använder flera PMMA beläggning/avlägsnande steg. Däremot, för GO membran förberedelse, …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta material bygger på arbete stöds av en startfond vid University of Minnesota, Tvilling-städer och en NSF karriär utmärkelse (CMMI-1454293). Delar av detta arbete genomfördes i karakterisering anläggningen vid University of Minnesota, medlem i NSF-finansierade material forskning faciliteter nätverket (via programmet MRSEC. Delar av detta arbete genomfördes i Minnesota Nano Center, som stöds av National Science Foundation genom den nationella Nano samordnad infrastruktur Network (NNCI) under Award nummer ECCS-1542202. C. D. erkänner stöd från 3 M vetenskap och teknik gemenskap.
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).
