تصنيع بوليهيدرونس الجرافين-على أساس ثلاثي الأبعاد عبر أوريغامي--مثل ذاتية قابلة للطي
Summary
نقدم هنا، بروتوكولا لتلفيق بوليهيدرونس 3D على أساس الجرافين عبر أوريغامي–مثل ذاتية قابلة للطي.
Abstract
وقد جمعية الجرافين ثنائي الأبعاد (2D) في الهياكل بوليهيدرال (3D) ثلاثي الأبعاد مع الحفاظ على الخصائص المتأصلة ممتازة الجرافين أهمية كبيرة لتطوير تطبيقات الجهاز رواية. وهنا جوفاء تلفيق 3D، microscale، بوليهيدرونس (مكعبات) يتألف من طبقات قليلة من الجرافين 2D أو الجرافين أوكسيد أوراق عن طريق وصف عملية ذاتية قابلة لطي أوريغامي–مثل. يتضمن هذا الأسلوب استخدام إطارات البوليمر والمفصلات، وأكسيد الألومنيوم/الكروم حماية الطبقات التي تقلل من الشد، والمكانية، ويشدد على التوتر السطحي في الأغشية التي تستند إلى الجرافين عندما تتحول الشباك 2D إلى 3D مكعبات. ويوفر العملية السيطرة على حجم وشكل الهياكل فضلا عن الإنتاج موازية. وبالإضافة إلى ذلك، يسمح هذا النهج إنشاء التعديلات السطحية بالمعادن الزخرفة على كل وجه من المكعبات ثلاثية الأبعاد. وتظهر دراسات مطيافية رامان الأسلوب يتيح الحفاظ على الخصائص الجوهرية للأغشية التي تستند إلى الجرافين، مما يدل على مدى متانة أسلوبنا.
Introduction
أوراق الجرافين ثنائي الأبعاد (2D) تمتلك الخصائص البصرية والإلكترونية والميكانيكية غير عادية، يجعلها نموذج نظم لرصد الظواهر الكم رواية للجيل القادم الإلكترونية والبصرية الإلكترونية، الكهروكيميائية، تطبيقات الكهروميكانيكية، والطب الأحيائي1،2،3،4،،من56. وبصرف النظر عن أنها أنتجت 2D الطبقات هيكل الجرافين، في الآونة الأخيرة، تم التحقيق المختلفة تعديل النهج لمراقبة وظائف جديدة من الجرافين والبحث عن فرص جديدة للتطبيق. على سبيل المثال، تحوير (أو ضبط) خصائصه الفيزيائية (أي تناول المنشطات المستوى و/أو الفرقة الفجوة) الخياطة الأشكال أو الزخرفة في 2D هيكل أحادي البعد (د 1) أو صفر-الأبعاد (0 د) هيكل (على سبيل المثال-، الجرافين نقاط الكم نانوريبون أو الجرافين) ودرست للحصول على الجديد من الظواهر الفيزيائية بما في ذلك آثار الولادة الكم وأوضاع plasmonic المترجمة وتوزيع إلكترون المترجمة وحافة الأقطاب تدور الدول7،8 ،،من910،،من1112. وباﻹضافة إلى ذلك، متفاوتة نسيج الجرافين 2D كرومبلينج (غالباً ما تسمى كيريجامي)، وتنسل الأطراف، التواء، التواء، أو التراص لطبقات متعددة، أو تغيير الشكل السطحي الجرافين بنقل الجرافين 2D على رأس ميزة ثلاثية الأبعاد (الركيزة) قد تم سيظهر لتغيير الجرافين ويتابيليتي، الخصائص الميكانيكية، والخصائص البصرية13،14.
بعد تغيير مورفولوجية السطح وهيكل الطبقات في 2D الجرافين، كانت الجمعية في 2D الجرافين في بوليهيدرونس فونكتيوناليزيد، والمعالم، وثلاثي الأبعاد (3D) من اهتمام كبير مؤخرا في المجتمع الجرافين للحصول على المادية الجديدة و 15من الظواهر الكيميائية. في نظرية ومطاطا، كهرباء، فإن دير فالس يمكن الاستدانة الطاقات في 2D الهياكل القائمة على الجرافين لتحويل الجرافين 2D إلى 3D الجرافين–أوريغامي مختلف تكوينات16،17. وبناء على هذا المفهوم، حققت دراسات النمذجة النظرية الجرافين 3D هيكل التصاميم، التي تكونت من الأغشية الجرافين 2D النانو، مع الاستخدامات الممكنة في إيصال الأدوية والتخزين الجزيئي العام16،17. حتى الآن، تقدم هذا النهج التجريبي لا يزال بعيداً عن تحقيق هذه التطبيقات. من ناحية أخرى، قد وضعت عددا من الأساليب الكيميائية الاصطناعية لتحقيق هياكل ثلاثية الأبعاد عن طريق قالب-وساعدت الجمعية، الجمعية توجيه تدفق، ليفينينج الجمعية، ونمو الامتثالي أساليب18،19 , 20 , 21 , 22-ومع ذلك، هذه الأساليب حاليا محدودة حيث أنها لا تنتج بنية ثلاثية الأبعاد، جوفاء، المغلقة دون فقدان الخصائص الجوهرية لصحائف الجرافين.
ويرد هنا، استراتيجية لبناء ميكروكوبيس 3D، جوفاء، والمستندة إلى الجرافين (البعد الشامل ل ~ 200 ميكرومتر) باستخدام ذاتية قابلة للطي أوريغامي الشبيهة؛ التغلب على التحديات قبل كل شيء في بناء المواد ذاتها، جوفاء، 3D، بوليهيدرال، والقائم على الجرافين. في تقنيات ذاتية قابلة للطي أوريغامي–مثل، خالية اليدين، ميزات 2D مستو منقوشة ليثوجرافيكالي (أي، على أساس الجرافين الأغشية) ترتبط بمفصلات (أي البوليمر الحرارية الحساسة ومقاوم الضوء) في المفاصل المختلفة، وبالتالي تشكيل 2D الشباك التي طيها عندما يتم تسخينها المفصلات لذوبان درجة الحرارة23،24،،من2526. وتتحقق المكعبات على أساس الجرافين مع مكونات غشاء النافذة يتألف من طبقات قليلة من ترسب البخار الكيميائي (الرسوم التعويضية) نمت الجرافين أو أغشية أكسيد (GO) الجرافين؛ على حد سواء مع استخدام إطارات البوليمر والمفصلات. تصنيع مكعبات 3D على أساس الجرافين ويشمل: (ط) إعداد طبقات حماية ونقل (ثانيا) الجرافين-الأغشية والزخرفة والسطح (ثالثا) معدنية الزخرفة الجرافين-الأغشية والإطار (رابعا) والمفصلات الزخرفة والترسيب، (v). ذاتية قابلة للطي، وإزالة (سادسا) من طبقات الحماية (الشكل 1). هذه المقالة تركز معظمها على الجوانب الذاتية للطي لتصنيع مكعبات 3D على أساس الجرافين. يمكن الاطلاع على تفاصيل بشأن الخصائص الفيزيائية والضوئية لمكعبات 3D على أساس الجرافين في أعمالنا الأخرى الأخيرة المنشورات27،28.
Protocol
Representative Results
Discussion
مكعبات ملفقة مع الجرافين الرسوم التعويضية، لأن تواجه كل من تصميم مكعب معين على إطار خارجي المحيطة بمنطقة ~ 160 ×2 ميكرومتر 160 من الجرافين بذاتها، ورقة واحدة من الجرافين أحادي الطبقة لا تملك القوة اللازمة للسماح المعالجة المتوازية من المكعبات. لهذا السبب، أنتجت الأغشية الجرافين التي ت?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذه المواد يستند إلى العمل المدعوم من صندوق بدء في جامعة مينيسوتا، والمدن التوأم، ومنح شهادة NSF (CMMI-1454293). نفذت أجزاء من هذا العمل في “مرفق التوصيف” في جامعة مينيسوتا، عضو الممولة من جبهة الخلاص الوطني “مواد البحوث مرافق شبكة الاتصال” (عن طريق البرنامج مرسيك. أجزاء من هذا العمل أجريت في مركز نانو مينيسوتا، الذي تدعمه “المؤسسة الوطنية للعلوم” من خلال الوطنية نانو منسقة البنية التحتية الشبكة (ننسى) تحت رقم جائزة ECCS-1542202. جيم دال تسلم الدعم من 3 م العلوم والتكنولوجيا الزمالة.
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 |
Riferimenti
- 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).
