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Engineering

तीन आयामी ग्राफीन के निर्माण-Origami के माध्यम से स्वयं की तरह Polyhedrons आधारित-तह

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

Summary

यहां, हम 3 डी ग्राफीन के निर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल-आधारित origami के माध्यम polyhedrons-आत्म तह की तरह प्रस्तुत करते हैं ।

Abstract

दो के विधानसभा आयामी (2d) ग्राफीन तीन में आयामी (3 डी) बहुतलीय संरचनाओं जबकि ग्राफीन उत्कृष्ट निहित संपत्तियों के संरक्षण उपंयास डिवाइस अनुप्रयोगों के विकास के लिए बहुत रुचि की गई है । यहां, 3d, अतिसूक्ष्म, खोखले polyhedrons के निर्माण (cubes) एक origami के माध्यम से 2d ग्राफीन या ग्राफीन ऑक्साइड शीट्स की कुछ परतों से मिलकर स्वयं की तरह तह प्रक्रिया वर्णित है । इस विधि बहुलक फ्रेम और टिका का उपयोग शामिल है, और एल्यूमीनियम ऑक्साइड/क्रोमियम संरक्षण परतें कि तन्यता, स्थानिक, और सतह तनाव ग्राफीन-आधारित झिल्ली जब 2d जाल 3 डी क्यूब्स में तब्दील हो जाती है पर तनाव को कम । इस प्रक्रिया के आकार और संरचनाओं के आकार के रूप में अच्छी तरह से समानांतर उत्पादन के नियंत्रण प्रदान करता है । इसके अलावा, इस दृष्टिकोण 3 डी क्यूब्स के प्रत्येक चेहरे पर धातु patterning द्वारा सतह संशोधनों के निर्माण की अनुमति देता है । रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी अध्ययनों से पता चलता है विधि ग्राफीन आधारित झिल्ली के आंतरिक गुणों के संरक्षण, हमारी विधि की मजबूती का प्रदर्शन अनुमति देता है ।

Introduction

दो आयामी (2d) ग्राफीन शीट असाधारण ऑप्टिकल, इलेक्ट्रॉनिक, और यांत्रिक गुणों के अधिकारी, अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक, optoelectronic, विद्युत के लिए उपंयास क्वांटम घटना के अवलोकन के लिए उंहें मॉडल सिस्टम बना रही है, विद्युत, और बायोमेडिकल अनुप्रयोगों1,2,3,4,5,6. ग्राफीन के रूप में उत्पादित 2 डी स्तरित संरचना के अलावा, हाल ही में, विभिन्न संशोधन दृष्टिकोण ग्राफीन की नई कार्यक्षमताओं का पालन करें और नए आवेदन के अवसर की तलाश करने के लिए जांच की गई है । उदाहरण के लिए, (या ट्यूनिंग) अपने भौतिक गुण (यानी, डोपिंग स्तर और/या बैंड अंतर) आकार सिलाई या 2 डी संरचना के एक आयामी (1 डी) या शूंय आयामी (0D) संरचना के लिए पैटर्न द्वारा (जैसे, ग्राफीन nanoribbon या ग्राफीन क्वांटम डॉट्स) क्वांटम शोधन प्रभाव सहित नए भौतिक घटना प्राप्त करने के लिए अध्ययन किया गया है, स्थानीयकृत plasmonic मोड, स्थानीयकृत इलेक्ट्रॉन वितरण, और स्पिन-ध्रुवीकरण एज7राज्यों,8 ,9,10,11,12. इसके अलावा, crumpling द्वारा 2d ग्राफीन की बनावट बदलती (अक्सर kirigami कहा जाता है), फाड़ना, बकसुआ, घुमा, या एकाधिक परतों के stacking, या एक 3 डी सुविधा (सब्सट्रेट) के शीर्ष पर 2 डी ग्राफीन स्थानांतरित करके ग्राफीन सतह आकार बदल रहा है ग्राफीन की नम, यांत्रिक विशेषताओं, और ऑप्टिकल गुण13,14बदलने के लिए दिखाया गया है ।

से परे सतह आकृति विज्ञान और 2d ग्राफीन के स्तरित संरचना, 2d ग्राफीन के विधानसभा कार्यात्मक, अच्छी तरह से परिभाषित, तीन आयामी (3 डी) polyhedrons में हाल ही में ग्राफीन समुदाय के लिए नए भौतिक प्राप्त करने के लिए किया गया है बहुत रुचि है और रासायनिक घटनाएं15. सिद्धांत रूप में, लोचदार, इलेक्ट्रोस्टैटिक, और वान डेर Waals ऊर्जा 2d ग्राफीन-आधारित संरचनाओं के लिए विभिंन 3d ग्राफीन-origami विंयास16,17में 2d ग्राफीन बदलने leveraged किया जा सकता है । इस अवधारणा के आधार पर, सैद्धांतिक मॉडलिंग अध्ययन 3 डी ग्राफीन संरचना डिजाइन की जांच की है, नेनो 2d ग्राफीन झिल्ली से गठित, दवा वितरण में संभव उपयोग करता है और सामांय आणविक भंडारण16,17के साथ । फिर भी, इस दृष्टिकोण की प्रायोगिक प्रगति अभी तक इन आवेदनों को साकार करने से दूर है । दूसरी ओर, रासायनिक सिंथेटिक तरीकों की एक संख्या टेम्पलेट के माध्यम से 3 डी संरचनाओं को प्राप्त करने के लिए विकसित किया गया है-सहायतापूर्ण विधानसभा, प्रवाह निर्देशित विधानसभा, खमीर विधानसभा, और अनुरूप विकास विधियों18,19 , 20 , 21 , 22. हालांकि, इन तरीकों वर्तमान में सीमित है कि वे एक 3 डी, खोखले, ग्राफीन शीट के आंतरिक गुणों को खोने के बिना संरचना संलग्न उत्पादन नहीं कर सकते हैं ।

यहां, 3 डी, खोखले, ग्राफीन आधारित microcubes के निर्माण के लिए एक रणनीति (~ २०० µm के समग्र आयाम) origami की तरह आत्म तह का उपयोग करके रेखांकित किया है; मुक्त खड़े, खोखले, 3 डी, बहुतलीय, ग्राफीन आधारित सामग्री के निर्माण में सबसे महत्वपूर्ण चुनौतियों पर काबू पाने । origami की तरह, हाथों से मुक्त आत्म तह तकनीक, 2d lithographically नमूनों planar विशेषताएं (यानी, ग्राफीन आधारित झिल्ली) टिका (यानी, थर्मल के प्रति संवेदनशील बहुलक, photoresist) के साथ जुड़े रहे है विभिंन जोड़ों में, जिससे 2 डी जाल जो गुना जब टिका तापमान23,24,25,26पिघलने के लिए गर्म कर रहे है बनाने । ग्राफीन आधारित cubes खिड़की झिल्ली घटकों रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) उगी ग्राफीन या ग्राफीन ऑक्साइड (जाओ) झिल्ली की कुछ परतों से बना के साथ महसूस कर रहे हैं; दोनों बहुलक फ्रेम और टिका के उपयोग के साथ । 3 डी ग्राफीन आधारित क्यूब्स का निर्माण शामिल है: (i) सुरक्षा परतों की तैयारी, (ii) ग्राफीन-झिल्ली हस्तांतरण और patterning, (iii) धातु की सतह ग्राफीन पर patterning-झिल्ली, (iv) फ्रेम और टिका पैटर्न और जमाव, (v) आत्म तह, और (vi) संरक्षण परतों को हटाने (चित्रा 1) । यह लेख स्वयं पर ज्यादातर केंद्रित 3 डी ग्राफीन की तह पहलुओं आधारित cubes निर्माण । 3 डी ग्राफीन के भौतिक और ऑप्टिकल गुणों पर विवरण-आधारित cubes हमारे अंय हाल के प्रकाशनों में पाया जा सकता है27,28।

Protocol

चेतावनी: इन syntheses में इस्तेमाल रसायनों के कई विषाक्त कर रहे है और जलन और गंभीर अंग नुकसान जब छुआ या सांस के कारण हो सकता है । कृपया उपयुक्त सुरक्षा उपकरणों का उपयोग करें और रसायनों से निपटने जब व्यक्तिगत स?…

Representative Results

चित्रा 2 2d ग्राफीन की lithographic प्रक्रियाओं के ऑप्टिकल छवियों को प्रदर्शित करता है और शुद्ध संरचनाओं और बाद में आत्म तह प्रक्रिया जाओ । आत्म तह प्रक्रिया एक उच्च संकल्प माइक्रोस्कोप…

Discussion

सीवीडी ग्राफीन के साथ गढ़े cubes के लिए, क्योंकि एक दिया घन के प्रत्येक चेहरे को एक बाहरी फ्रेम के साथ बनाया गया है एक ~ १६० × १६० µm2 मुक्त खड़े ग्राफीन के क्षेत्र, monolayer ग्राफीन की एक भी पत्रक की अनुमति के लि?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

इस सामग्री को मिनेसोटा, ट्विन शहर और एक NSF कैरियर पुरस्कार (CMMI-१४५४२९३) के विश्वविद्यालय में एक स्टार्ट-अप फंड द्वारा समर्थित काम पर आधारित है । इस काम के कुछ हिस्सों के मिनेसोटा विश्वविद्यालय में लक्षणीय सुविधा में किए गए, NSF के एक सदस्य वित्त पोषित सामग्री अनुसंधान सुविधाओं नेटवर्क (MRSEC कार्यक्रम केमाध्यम से । इस काम के भाग मिनेसोटा नैनो केंद्र, जो राष्ट्रीय नैनो समंवित बुनियादी सुविधा नेटवर्क के माध्यम से राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित है में आयोजित किए गए पुरस्कार संख्या ECCS-१५४२२०२ के तहत (NNCI) । सी. डी. 3m विज्ञान और प्रौद्योगिकी फैलोशिप से समर्थन स्वीकार करता है ।

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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