Method Article

Fabricação de sistemas 3D Microelectromecânicos de Carbono (C-MEMS)

DOI:

10.3791/55649

June 17th, 2017

In This Article

Summary

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As microfibras de carbono vítreas longas e vazias foram fabricadas com base na pirólise de um produto natural, cabelo humano. As duas etapas de fabricação de sistemas microelectromecânicos de carbono e nanoelectromecânicos de carbono, ou C-MEMS e C-NEMS, são: (i) fotolitografia de um precursor de polímero rico em carbono e (ii) pirólise do precursor de polímero padronizado.

Abstract

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Uma ampla gama de fontes de carbono estão disponíveis na natureza, com uma variedade de configurações de micro-nanoestrutura. Aqui, é introduzida uma nova técnica para fabricar microfibras de carbono vítreas longas e vazias derivadas de cabelos humanos. As estruturas de carbono longas e vazias foram feitas por pirólise de cabelo humano a 900 ° C em atmosfera de N2. A morfologia e a composição química dos cabelos humanos naturais e pirolysados ​​foram investigados utilizando microscopia eletrônica de varredura (SEM) e espectroscopia de raios-X elétron-dispersiva (EDX), respectivamente, para estimar as mudanças físicas e químicas devido à pirólise. A espectroscopia Raman foi utilizada para confirmar a natureza vítrea das microestruturas de carbono. O carbono do cabelo Pyrolyzed foi introduzido para modificar eletrodos de carbono impressos por tela; Os eletrodos modificados foram então aplicados ao sensor eletroquímico da dopamina e do ácido ascórbico. O desempenho sensitivo dos sensores modificados foi melhorado em comparação com o não modificadoFied sensores. Para obter o design desejado da estrutura de carbono, desenvolveu-se tecnologia de micro-nanoelectromecânica de carbono (C-MEMS / C-NEMS). O processo de fabricação C-MEMS / C-NEMS mais comum consiste em duas etapas: (i) o padrão de um material base rico em carbono, como um polímero fotossensível, usando fotolitografia; E (ii) carbonização através da pirólise do polímero padronizado em um ambiente livre de oxigênio. O processo C-MEMS / NEMS tem sido amplamente utilizado para desenvolver dispositivos microeletrônicos para várias aplicações, inclusive em micro baterias, supercondensadores, sensores de glicose, sensores de gás, células de combustível e nanogeneradores triboelétricos. Aqui, são discutidos os desenvolvimentos recentes de microestruturas de carbono sólido e oco de alta relação de aspecto com fotorresis SU8. O encolhimento estrutural durante a pirólise foi investigado usando microscopia confocal e SEM. A espectroscopia Raman foi utilizada para confirmar a cristalinidade da estrutura, e a porcentagem atômica dos elementos preseNt no material antes e depois da pirólise foi medida usando EDX.

Introduction

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O carbono tem muitos alotrópios e, dependendo da aplicação específica, pode escolher-se um dos seguintes alotrópicos: nanotubos de carbono (CNTs), grafite, diamante, carbono amorfo, lonsdaleite, buckminsterfullerene (C 60 ), fullerite (C 540 ), fullereno ( C 70 ) e carbono vítreo 1 , 2 , 3 , 4 . O carbono transparente é um dos alototros mais utilizados devido às suas propriedades físicas, incluindo a alta isotropia. Ele também possui as seguintes propriedades: boa condutividade elétrica, baixo coeficiente de....

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Protocol

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1. Fabricação de estrutura de carbono derivada do cabelo humano 3D

NOTA: Use equipamento de proteção pessoal. Siga as instruções do laboratório para usar os instrumentos e trabalhar dentro do laboratório.

  1. Prepare o cabelo humano coletado, lavando-o com água DI e secando-o com gás N2.
  2. Organize os cabelos conforme desejado, como nos fios paralelos, atravesse, com dois cabelos enrolados juntos, etc.
  3. Anexe os cabelos a um substrato de silício usando SU8 ou mantenha-os diretamente em um barco de cerâmica.
  4. Coloque o substrato de silício ou o barco em um forno.
  5. Ligue o forno e abra a vá....

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Results

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Um esquema do processo de fabricação de microfibras de carbono vazias derivadas de cabelo humano é mostrado na Figura 1 . O cabelo humano carbonizado foi caracterizado usando SEM para estimar o encolhimento. O diâmetro do cabelo diminuiu de 82,88 ± 0,003 μm para 31,42 ± 0,003 μm devido à pirólise. As imagens microscópicas eletrônicas de varredura (SEM) de vários padrões feitos com microfibras de carbono derivadas de cabelo são mostradas na

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Discussion

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Neste trabalho, foram relatados os métodos para a fabricação de uma variedade de microestruturas de carbono com base na pirólise de materiais precursores naturais ou estruturas de polímero com padrão de foto. Os materiais de carbono resultantes de processos convencionais e não convencionais C-MEMS / C-NEMS são normalmente encontrados como carbonos vítreos. O carbono transparente é um material de eletrodo amplamente utilizado para eletroquímica e também para aplicações de alta temperatura. A microestrutura do carbono vít.......

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Disclosures

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Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgements

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Este trabalho foi apoiado pelo Technologico de Monterrey e pela Universidade da Califórnia em Irvine.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
SU8-2100MicrochemNúmero do produto-Y1110750500L
SpinnerLaurell Technologies CorporationModelo-WS650HZB-23NPP/UD3
Placa de AquecimentoTorrey Pines ScientificHS61
UV-exposer, SYLVANIAH44GS-100M, P/N-34-0054-01
FotomáscaraCAD/ArteSem número
Desenvolvedor MicrochemY020100 4000L 
Sistema de água DIMilli QZOOQOVOTO
IPACTR SientificCTR 01244
N2 gásAOC MéxicoSem número
FornoPEO 601, ATV Technologie GMBHModelo-PEO 601, Nº de série-195
Si/SiO2Noel Technologies
Lâmpada de Mercúrio

References

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  1. Wang, C., Jia, G., Taherabadi, L. H., Madou, M. J. A novel method for the fabrication of high-aspect ratio C-MEMS structures. J Microelectromech Syst. 14 (2), 348-358 (2005).
  2. Jong, K. P. D., Geus, J. W. Carbon nanofibers: catalytic synthesis and applications. Catal Rev Sci Eng. 42, 481-510 (2000).
  3. Elrouby, M. Electrochemical applications of carbon nanotube.

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Carbon MEMSPyrolysis ProcessSU 8 PhotoresistHuman Hair CarbonGlassy CarbonRaman SpectroscopyEDX AnalysisElectrochemical SensorsDopamine DetectionAscorbic Acid Sensing

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