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공학

三次元グラフェンを用いた多面体を介して折り紙のような自己折りたたみの作製

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

Summary

ここでは、3 D グラフェンを用いた多面体を介して折り紙のような自己折りたたみの作製のためのプロトコルを提案する.

Abstract

二次元 (2 D) グラフェンのアセンブリは、グラフェンの優秀な固有の性質を維持しながら三次元 (3 D) 多面体構造を新しいデバイス アプリケーションの開発に大きな関心されています。ここでは、3 D、マイクロ スケールの作製は、多面体 (キューブ) 2 D グラフェンやグラフェン酸化物シートで折り紙のような自己折るプロセスの説明のいくつかの層から成る中空します。この方法は、ネットを 2 D、3 D キューブに変換されるときにグラフェンを用いた膜の表面張力応力引張、空間を減らす酸化アルミニウム/クロム保護層とヒンジ、ポリマー フレームの使用を含みます。プロセスでは、サイズのコントロールと平行生産と同様、構造の形状を提供しています。さらに、このアプローチでは、3 D キューブの各面でパターニング金属表面改質の作成ができます。ラマン分光は、メソッドにより、提案手法のロバスト性を示す膜をグラフェン ベースの組み込みのプロパティの保存を表示します。

Introduction

二次元 (2 D) グラフェン シート特別な光学的、電子的、および機械的特性モデル次世代電子、光、電気化学、新奇量子現象の観測システムを持っています。電気機械、および生物医学アプリケーション1,2,3,4,5,6。として生成される 2D の積層構造グラフェンから離れて最近では、様々 な修正アプローチのグラフェンの新しい機能を観察し、新しいアプリケーションの機会を求める検討されている.たとえば、変調 (チューニング) 図形の調整や、2 D のパターン化が物性 (すなわち、ドーピング レベルやバンド ギャップ) 構造 (0 D) 構造体 0 次元または 1 次元 (1 D) へ (e.g、グラフェン。グラフェンナノやグラフェン量子ドット) 量子閉じ込め効果、局在プラズモン モード、ローカライズされた電子分布、エッジのスピン偏極状態7,8 など新しい物理現象を取得を検討されています。 ,9,10、11,12。さらに、(切り紙とも呼ばれる) をくしゃくしゃ、はく離、座屈、ねじれるか、または複数の層を積層または変更によって 3 D 機能 (基板) の上に 2 D グラフェンを転送することによってグラフェン表面形状がされている 2D グラフェンの質感を変化させるグラフェンの光学特性13,14とぬれ性と機械的特性を変更するのに表示されます。

最近新しい身体を取得するグラフェンのコミュニティに大きな関心のされている 2D グラフェンの官能、明確に定義された、三次元 (3 D) 多面体にまとめた表面形態と 2 D グラフェンの階層構造を変更する、以外と化学現象の15。理論、弾性、静電、van der waals 力で様々 な 3 D グラフェン折り紙構成16,17に 2 D のグラフェンを変換する 2 D グラフェンを用いた構造物のエネルギーを活用できます。このコンセプトに基づき、理論的モデル化研究は、ナノスケール 2D グラフェン膜、ドラッグデリバリーや一般的な分子記憶16,17の用途から形成された、3 D グラフェン構造デザインを検討しました。しかし、このアプローチの実験の進展は、これらのアプリケーションの実現にはまだほど遠いです。その一方で、化学合成法の数は、3 D 構造を介してテンプレート支援アセンブリ、流監督、アセンブリ、および等角成長方法18,19を膨化を達成するために開発されました,20,21,22します。 ただし、これらのメソッドは、グラフェン シートの本質的な特性を失うことなく 3 d、中空、囲まれた構造を出すことができないという点で、制限されています。

ここでは、折り紙のような折り畳み式の自己を使用して 3 D、中空、グラフェンを用いた microcubes (〜 200 μ m の全体的な寸法) を構築するための戦略を説明します。フリースタンディング、中空、3 D、多面体、グラフェンを用いた材料の構築の最も重要な課題を克服します。折り紙のようなハンズフリーの自分を折り畳む技術の 2次元転写平面機能 (すなわちグラフェンを用いた膜) がそれにより様々 な関節にヒンジ (すなわち温度に敏感な高分子、フォトレジスト) を接続されています。ヒンジは加熱すると溶融温度23,24,25,26を畳むネットの 2 D を形成します。グラフェン ベース キューブ栽培グラフェン グラフェン酸化物 (GO) 膜の化学気相蒸着 (CVD) のいくつかの層から成る窓膜コンポーネントで実現します。ポリマー フレームとヒンジの使用の両方。3 D グラフェン ベース キューブの作製が含まれます: (i) (iii) 金属表面グラフェン膜、(iv) フレームとパターニングのヒンジ、蒸着、パターニング、パターニング (ii) グラフェン膜転送保護層の作製 (v)。折りたたみ自己と (vi) 脱保護層 (図 1)。この記事は、3 D グラフェン ベース キューブ製作の自己折り畳みの側面に主焦点を当てます。私たちの最近の出版物27,28でグラフェン ベースの 3 D キューブの物理的および光学的特性の詳細についてを見つけることができます。

Protocol

注意: これらの合成に使用される化学物質のいくつかは毒性し、刺激と触れたり吸入するとき深刻な臓器障害を引き起こす可能性があります。ください適切な安全装置を使用し、化学物質を取り扱うときに個人用保護具を着用します。 1. 酸化アルミニウムとクロム銅犠牲層保護層の作製 電子ビーム蒸発器を使用して、シリコン (Si) 基板 (図 2 a</stron…

Representative Results

図 2は、2 D グラフェンと移動・ ネット構造物の平版プロセスとその後自己折り畳み過程の光学イメージを表示します。自己折りたたみ過程がリアルタイムで監視高分解能顕微鏡。~ 80 ° C で 3 D グラフェン ベースのキューブの両方のタイプが折り畳まれています。図 3は、並列的に折りたたみ 3 D グラフェン ベース ?…

Discussion

CVD グラフェンの作製したキューブのそれぞれの直面するため特定のキューブは自立グラフェンの ~ 160 × 160 μ m2の領域を囲む外側のフレームを設計されて、単層グラフェンの単一シートに許可に必要な強度がないです。キューブの並列処理をします。このため、シートは、CVD グラフェン膜の 3 層からなるグラフェン膜生産複数の PMMA コーティング/除去手順を使用して 3 つ独立したグ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この材料は、NSF のキャリア賞 (CMMI-1454293)、ツイン都市ミネソタ大学でスタートアップ資金に支えられて仕事に基づいています。この作業の一部は、NSF 資金を供給された材料研究施設ネットワーク (を介してMRSEC プログラムのメンバー ミネソタ大学で評価施設で実施されました。この作品の一部は国立科学財団を通じて、国立ナノ調整インフラストラクチャ ネットワーク (NNCI) 賞数 ECCS 1542202 の下でサポートされているミネソタ ナノ センターで実施されました。C. D. は、3 M の科学と技術の交わりからサポートを認めています。

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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References

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Keywords: 3D GrapheneGraphene PolyhedronsOrigami-like Self-folding2D Graphene3D MicrocubesGraphene Membrane TransferMetal Surface PatterningPolymer FramesHingesSelf-foldingProtection LayersElectron Beam EvaporationPhotolithography
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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).
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