Summary

Изготовление трехмерных углеродных микроэлектромеханических систем (C-MEMS)

Published: June 17, 2017
doi:

Summary

Длинные и полые стеклообразные углеродные микроволокна были изготовлены на основе пиролиза натурального продукта, человеческого волоса. Двумя стадиями изготовления углеродных микроэлектромеханических и углеродных наноэлектромеханических систем, или С-МЭМС и С-НЭМС, являются: (i) фотолитография богатого углеродом предшественника полимера и (ii) пиролиз предшественника узорчатого полимера.

Abstract

В природе имеется широкий спектр источников углерода с различными конфигурациями микро- / наноструктур. Здесь вводится новый способ изготовления длинных и полых стеклообразных углеродных микроволокон, полученных из человеческих волос. Длинные и полые углеродные структуры были получены путем пиролиза человеческого волоса при 900 ° С в атмосфере N 2 . Морфология и химический состав природных и пиролизированных человеческих волос исследовались с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и электронно-дисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) соответственно для оценки физических и химических изменений, вызванных пиролизом. Рамановская спектроскопия была использована для подтверждения стеклянной природы углеродных микроструктур. Пиролизированный углерод для волос вводили для изменения печатных углеродных электродов на экране; Модифицированные электроды затем наносят на электрохимическое зондирование допамина и аскорбиновой кислоты. Эффективность зондирования модифицированных датчиков была улучшена по сравнению с немодиС датчиками. Для получения желаемой структуры углеродной структуры была разработана технология углеродной микро- / наноэлектромеханической системы (C-MEMS / C-NEMS). Наиболее распространенный процесс изготовления C-MEMS / C-NEMS состоит из двух этапов: (i) структурирование богатого углеродом базового материала, такого как фоточувствительный полимер, с использованием фотолитографии; И (ii) карбонизация через пиролиз узорчатого полимера в бескислородной среде. Процесс C-MEMS / NEMS широко используется для разработки микроэлектронных устройств для различных применений, в том числе в микро-батареях, суперконденсаторах, датчиках глюкозы, датчиках газа, топливных элементах и ​​трибоэлектрических наногенераторах. Здесь обсуждаются последние разработки высокопрочных соотношений твердых и полых микроструктур углерода с фоторезистами SU8. Структурную усадку при пиролизе исследовали с использованием конфокальной микроскопии и SEM. Рамановская спектроскопия была использована для подтверждения кристалличности структуры, а атомный процент элементовNt в материале до и после пиролиза измеряли с использованием EDX.

Introduction

Углерод имеет много аллотропов, и в зависимости от конкретного применения может быть выбран один из следующих аллотропов: углеродные нанотрубки (УНТ), графит, алмаз, аморфный углерод, Лонсдейлит, бакминстерфуллерен (С 60 ), фуллерит (С 540 ), фуллерен ( C 70 ) и стекловидного углерода 1 , 2 , 3 , 4 . Стеклянный углерод является одним из наиболее широко используемых аллотропов из-за его физических свойств, включая высокую изотропность. Он также обладает следующими свойствами: хорошей электропроводностью, низким коэффициентом теплового расширения и газонепроницаемостью.

Был непрерывный поиск богатых углеродом материалов-предшественников для получения углеродных структур. Эти предшественники могут быть искусственными материалами или натуральными продуктами, которые доступны в определенных формах, и даже включают отходы. Широкий спектр микрона O / nanostructures формируются с помощью биологических или экологических процессов в природе, что приводит к уникальным особенностям, которые чрезвычайно сложно создать с использованием традиционных производственных инструментов. Поскольку в этом случае закономерность формирования естественно происходила, синтез наноматериалов с использованием природных и отработанных углеводородных предшественников мог бы быть осуществлен с использованием простого одностадийного процесса термического разложения в инертной или вакуумной атмосфере, называемого пиролизом 5 . Высококачественные графены, одностенные УНТ, многостенные УНТ и углеродные точки были получены путем термического разложения или пиролиза исходных предшественников и отходов растений, включая семена, волокна и масла, такие как скипидарное масло, кунжутное масло , Масло нима ( Azadirachta indica ), масло эвкалипта, пальмовое масло и масло ятрофы. Кроме того, были использованы камфорные продукты, экстракты чайных деревьев, отходы, насекомые, сельскохозяйственные отходы и пищевые продукты 6 , 7 ,Ass = "xref"> 8 , 9 В последнее время исследователи даже использовали шелковые коконы в качестве материала-предшественника для получения пористых углеродных микроволокна 10 . Человеческие волосы, обычно считающиеся отходами, были недавно использованы этой командой. Он состоит из приблизительно 91% полипептидов, которые содержат более 50% углерода; Остальными являются такие элементы, как кислород, водород, азот и сера 11 . Волосы также обладают рядом интересных свойств, таких как очень медленное разложение, высокая прочность на растяжение, высокая теплоизоляция и высокая упругость. Недавно он был использован для приготовления углеродных хлопьев, используемых в суперконденсаторах 12, и для создания микроволокон с полым углеродом для электрохимического зондирования 13 .

Обработка объемного углеродного материала для изготовления трехмерных (3D) структур является трудной задачей, так как материал очень хрупкий. Фокусированный ионAm 14 , 15 или реактивное ионное травление 16 могут быть полезны в этом контексте, но они являются дорогостоящими и трудоемкими процессами. Технология углеродной микроэлектромеханической системы (C-MEMS), основанная на пиролизе структурированных полимерных структур, представляет собой универсальную альтернативу. За последние два десятилетия C-MEMS и углеродные наноэлектромеханические системы (C-NEMS) получили большое внимание из-за простых и недорогих этапов изготовления. Традиционный процесс изготовления С-МЭМС проводят в две стадии: (i) структурирование предшественника полимера ( например, фоторезиста) с фотолитографией и (ii) пиролиз узорчатых структур. Ультрафиолетовые (УФ) -контурные полимерные предшественники, такие как фоторезисты SU8, часто используются для структурирования структур на основе фотолитографии. В целом, процесс фотолитографии включает в себя этапы для покрытия спином, мягкого выпекания, воздействия ультрафиолетового излучения, пост-выпекания и разработкиlopment. В случае С-МЭМС; кремний; диоксид кремния; Нитрид кремния; кварц; И в последнее время сапфиры использовались в качестве субстратов. Полимерные структуры с фотографическим рисунком карбонизируются при высокой температуре (800-1100 ° C) в среде, свободной от кислорода. При этих повышенных температурах в вакуумной или инертной атмосфере все некарбоновые элементы удаляются, оставляя только углерод. Эта методика позволяет получить высококачественные, стеклообразные углеродные структуры, которые очень полезны для многих применений, включая электрохимическое зондирование 17 , хранение энергии 18 , трибоэлектрическое наногенерирование 19 и электрокинетические манипуляции с частицами 20. Кроме того, изготовление трехмерных микроструктур с Высокие пропорции с использованием C-MEMS стали относительно легкими и привели к широкому спектру применений углеродных электродов 18 , 21 , </sup> 22 , 23 , часто заменяя электроды благородных металлов.

В этой работе вводится недавняя разработка простого и экономически эффективного способа изготовления полых углеродных микроволокон от человеческого волоса с использованием нетрадиционной технологии 13 С-МЭМС. Здесь также описывается традиционный процесс С-МЭМС на основе полимера на основе SU8. В частности, описана процедура изготовления твердых веществ с высоким коэффициентом сжатия и полых структур SU8 24.

Protocol

1. Изготовление углеродной структуры на основе трехмерных человеческих волос ПРИМЕЧАНИЕ. Используйте средства индивидуальной защиты. Следуйте лабораторным инструкциям, чтобы использовать инструменты и работать в лаборатории. Подготовьте собранные человечески?…

Representative Results

На рисунке 1 показана схема процесса изготовления человеческих волокон из полых углеродных микроволокон. Укоренившиеся человеческие волосы характеризовались с использованием SEM для оценки усадки. Диаметр волос сократился с 82,88 ± 0,003 мкм до 31,42 ± 0,003 мкм из-за пиролиза. …

Discussion

В этой статье сообщалось о способах изготовления различных углеродных микроструктур на основе пиролиза природных материалов-предшественников или фотоструктурированных полимерных структур. Как правило, углеродные материалы, являющиеся результатом как традиционных, так и нетрадици?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана Technologico de Monterrey и Калифорнийским университетом в Ирвине.

Materials

SU8-2100 Microchem Product number-Y1110750500L
Spinner Laurell Technologies Corporation Model-WS650HZB-23NPP/UD3
Hotplate Torrey Pines Scientific HS61
UV-exposer Mercury Lamp, SYLVANIA H44GS-100M, P/N-34-0054-01
Photomask CAD/Art No number
Developer  Microchem Y020100 4000L 
DI water system Milli Q ZOOQOVOTO
IPA CTR Sientific CTR 01244
N2 gas AOC Mexico No number
Furnace PEO 601, ATV Technologie GMBH Model-PEO 601, Serial no.-195
Si/SiO2 Noel Technologies

Referências

  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. J Nano Adv Mat. 1 (1), 23-38 (2013).
  4. Baughman, R. H., Zakhidov, A. A., Heer, W. A. D. Carbon nanotubes-the route toward applications. Science. 297, 787-792 (2002).
  5. Kumar, R., Singh, R. K., Singh, D. P. Natural and waste hydrocarbon precursors for the synthesis of carbon based nanomaterials: graphene and CNTs. Renew Sustain Energy Rev. 58, 976-1006 (2016).
  6. Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T., Kumar, M., Ando, Y., Sharon, M. Carbon nanotubes by spray pyrolysis of turpentine oil at different temperatures and their studies. Micropor Mesopor Mater. (1-3), 184-190 (2006).
  7. Sharma, S., Kalita, G., Hirano, R., Hayashi, Y., Tanemura, M. Influence of gas composition on the formation of graphene domain synthesized from camphor. Mater Lett. 93, 258-262 (2013).
  8. Ghosh, P., Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T. A simple method of producing single-walled carbon nanotubes from a natural precursor: eucalyptus oil. Mater Lett. 61 (17), 3768-3770 (2007).
  9. Kumar, R., Tiwari, R., Srivastava, O. Scalable synthesis of aligned carbon nanotubes bundles using green natural precursor: neem oil. Nanoscale Res Lett. 6 (1), 92-97 (2011).
  10. Liang, Y., Wu, D., Fu, R. Carbon microfibers with hierarchical porous structure from electrospun fiber-like natural biopolymer. Sci Rep. 3, 1-5 (2013).
  11. Gupta, A. Human hair “waste” and its utilization: gaps and possibilities. J Waste Manag. 2014, 1-17 (2014).
  12. Qian, W., Sun, F., Xu, Y., Qiu, L., Liu, C., Wang, S., Yan, F. Human hair-derived carbon flakes for electrochemical supercapacitors. Energy Environ Sci. 7, 379-386 (2014).
  13. Pramanick, B., Cadenas, L. B., Kim, D. M., Lee, W., Shim, Y. B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. J., Hwang, H. Human hair-derived hollow carbon microfibers for electrochemical sensing. Carbon. 107, 872-877 (2016).
  14. Miura, N., Numaguchi, T., Yamada, A., Konagai, M., Shirakashi, J. Room temperature operation of amorphous carbon-based single-electron transistors fabricated by beam-induced deposition techniques. Jpn J Appl Phys. 37 (2), L423-L425 (1998).
  15. Irie, M., Endo, S., Wang, C. L., Ito, T. Fabrication and properties of lateral p-i-p structures using single crystalline CVD diamond layers for high electric field applications. Diamond Rel Mater. 12, 1563-1568 (2003).
  16. Tay, B. K., Sheeja, D., Yu, L. J. On stress reduction of tetrahedral amorphous carbon films for moving mechanical assemblies. Diamond Rel Mater. 12 (2), 185-194 (2003).
  17. Kamath, R. R., Madou, M. J. Three-dimensional carbon interdigitated electrode arrays for redox-amplification. Anal Chem. 86 (6), 2963-2971 (2014).
  18. Sharma, S., Khalajhedayati, A., Rupert, T. J., Madou, M. J. SU8 derived glassy carbon for lithium ion batteries. ECS Trans. 61 (7), 75-84 (2014).
  19. Kim, D., Pramanick, B., Salazar, A., Tcho, I. -. W., Madou, M. J., Jung, E. S., Choi, Y. -. K., Hwang, H. 3D carbon electrode based triboelectric nanogenerator. Adv Mater Technol. 1 (8), 1-7 (2016).
  20. Duarte, R. M., Gorkin, R. A., Samra, K. B., Madou, M. J. The integration of 3D carbon-electrode dielectrophoresis on a CD-like centrifugal microfluidic platform. Lab Chip. 10 (8), 1030-1043 (2010).
  21. Mund, K., Richter, G., Weidlich, E., Fahlstrom, U. Electrochemical properties of platinum, glassy carbon, and pyrographite as stimulating electrodes. Pacing Clin Electrophysiol. 9 (6), 1225-1229 (1986).
  22. Xua, H., Malladi, K., Wang, C., Kulinsky, L., Song, M., Madou, M. Carbon post-microarrays for glucose sensors. Biosens Bioelectron. 23 (11), 1637-1644 (2008).
  23. Sharma, S., Madou, M. Micro and nano patterning of carbon electrodes for bioMEMS. Bioinspir Biomim Nanobiomat. 1, 252-265 (2012).
  24. Pramanick, B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. Fabrication of biocompatible hollow microneedles using the C-MEMS process for transdermal drug delivery. ECS Trans. 72 (1), 45-50 (2016).
check_url/pt/55649?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Pramanick, B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M., Hwang, H. Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems (C-MEMS). J. Vis. Exp. (124), e55649, doi:10.3791/55649 (2017).

View Video