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Engineering

Fabbricazione di poliedri tridimensionali basati sul grafene via come Origami auto-pieghevole

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

Summary

Qui, presentiamo un protocollo per la fabbricazione di 3D basati sul grafene poliedri via come origami auto-pieghevole.

Abstract

L’assembly di bidimensionale (2D) grafene in tridimensionale (3D) strutture poliedriche, mantenendo eccellenti proprietà intrinseche di grafene è stato di grande interesse per lo sviluppo di applicazioni per dispositivi romanzo. Qui, fabbricazione di 3D, Microscala, cava poliedri (cubi) costituito da alcuni strati di grafene 2D o grafene ossido fogli tramite un processo di auto-piegatura origami-come è descritto. Questo metodo prevede l’uso di fotogrammi polimero e cerniere e strati di protezione di ossido di alluminio/cromo che riducono la resistenza alla trazione, spaziale e sollecitazioni di tensione superficiale sulle membrane basati sul grafene quando le reti 2D si trasformano in cubi 3D. Il processo offre controllo della dimensione e la forma delle strutture, nonché di produzione parallela. Inoltre, questo approccio consente la creazione di modifiche superficiali di metallo patterning su ogni faccia dei cubi 3D. Gli studi di spettroscopia Raman mostrano che il metodo permette la conservazione delle proprietà intrinseche delle membrane basati sul grafene, dimostrando la robustezza del nostro metodo.

Introduction

Fogli di grafene (2D) bidimensionali possiedono straordinarie proprietà ottiche, elettroniche e meccaniche, che li rende di sistemi per l’osservazione di fenomeni quantistici romanzo per generazione elettronica, optoelettronica, elettrochimica, modello applicazioni elettromeccaniche e biomedica1,2,3,4,5,6. A parte come prodotto 2D struttura stratificata del grafene, recentemente, vari approcci di modifica sono stati studiati per osservare nuove funzionalità del grafene e cercare nuove opportunità di applicazione. Ad esempio, modulante (o tuning) le sue proprietà fisiche (cioè, anti-doping livello e/o band gap) di sartoria le forme o patterning di 2D della struttura a un unidimensionale (1D) o zero-dimensionali (0d) struttura (ad es., grafene nanonastro o grafene punti quantici) è stato studiato per ottenere nuovi fenomeni fisici, tra cui effetti di confinamento quantistico, modalità plasmoniche localizzata, distribuzione localizzata dell’elettrone e polarizzata in spin bordo stati7,8 ,9,10,11,12. Inoltre, variando la texture del grafene 2D sgualcendo (spesso chiamato kirigami), delaminazione, instabilità, torsione, o sovrapposizione di strati multipli, o modificando la forma superficiale di grafene trasferendo 2D grafene su una funzionalità 3D (substrato) è stata indicato per cambiare il grafene bagnabilità, caratteristiche meccaniche e proprietà ottiche13,14.

Di là di cambiare la morfologia superficiale e la struttura a strati di grafene 2D, assemblaggio di grafene 2D in funzionalizzati, ben definiti, tridimensionale (3D) poliedri è stato di grande interesse recente nella comunità di grafene per ottenere nuova fisica e fenomeni chimici15. In teoria, l’elastico, elettrostatica e van der Waals energie di strutture 2D basate su grafene possono essere sfruttate per trasformare il grafene 2D in vari grafene-origami 3D configurazioni16,17. Basato su questo concetto, il modellizzazione teorica studi hanno studiato il graphene 3D disegni di struttura, formate da membrane di grafene 2D su scala nanometrica, con possibili utilizzi nella somministrazione di farmaci e archiviazione molecolare generale16,17. Eppure, i progressi sperimentali di questo approccio sono ancora lontana dal realizzare queste applicazioni. D’altra parte, un numero di metodi chimici sintetici è stato sviluppato per ottenere strutture 3D via assistita modello montaggio, flusso diretto, lievitazione assembly e crescita conformal metodi18,19 , 20 , 21 , 22. Tuttavia, questi metodi sono attualmente limitati in quanto non possono produrre una struttura 3D, cava, chiusa senza perdere le proprietà intrinseche di fogli di grafene.

Qui, si delinea una strategia per la costruzione di microcubes 3D, cava, basati sul grafene (dimensione generale di ~ 200 µm) utilizzando come origami auto-pieghevole; superare le sfide più importanti nella costruzione di materiali autoportante, vuoti, 3D, poliedrici, basati sul grafene. Nelle tecniche di auto-pieghevole come origami, mani libere, 2D litograficamente planare feature (cioè, basati sul grafene membrane) sono collegati con le cerniere (cioè, termo-sensibili polimero, photoresist) alle varie articolazioni, quindi 2D di formando reti che ripiegare quando le cerniere sono riscaldate a temperatura23,24,25,26di fusione. I cubi basati sul grafene sono realizzati con componenti di membrana finestra composti da pochi strati di deposizione chimica da vapore (CVD) coltivate grafene o membrane di grafene ossido (GO); entrambi con l’uso di polimeri telai e cerniere. La fabbricazione dei cubi 3D basati sul grafene comporta: (i) preparazione del trasferimento (ii) il grafene-membrana e patterning, strati di protezione, (iii) metallo superficie patterning il grafene-membrane, (iv) telaio e cerniere patterning e deposizione, (v). Self-pieghevole e (vi) rimozione degli strati di protezione (Figura 1). Questo articolo si concentra principalmente sugli aspetti self-pieghevoli di fabbricazione cubi 3D basati sul grafene. Dettagli sulle proprietà fisiche e ottiche dei cubi 3D basati sul grafene si trovano nel nostro altre recenti pubblicazioni27,28.

Protocol

Attenzione: Molte delle sostanze chimiche utilizzate in queste sintesi sono tossici e possono causare irritazione e danno d’organo grave quando toccato o inalato. Si prega di utilizzare adeguate dotazioni di sicurezza e indossare indumenti protettivi quando si maneggia le sostanze chimiche. 1. preparazione di ossido di alluminio e cromo tra gli strati di protezione su uno strato di rame sacrificale Utilizzando un evaporatore a fascio di elettroni, depositare 10 nm spessore cromo (Cr)…

Representative Results

Figura 2 Visualizza immagini ottiche dei processi litografici del grafene 2D e GO net interne e successivo processo di auto-pieghevole. Il processo di auto-pieghevole è monitorato in tempo reale tramite un microscopio ad alta risoluzione. Entrambi i tipi di cubi 3D basati sul grafene sono piegati a ~ 80 ° C. Figura 3 definisce sequenze catturate video mostrando la self-piegatura di cubi 3D basati sul grafene in modo pa…

Discussion

Per i cubi fabbricati con CVD grafene, perché ogni faccia di un cubo dato è stato progettato con un telaio esterno che circonda un’area di2 ~ 160 × 160 µm di grafene autoportante, un singolo foglio di grafene monostrato non ha la forza necessaria per consentire elaborazione parallela dei cubi. Per questo motivo, grafene membrane che consiste di tre strati di monostrato di grafene CVD fogli sono prodotte tramite tre trasferimenti separati grafene utilizzando più passaggi di rivestimento/rimozione …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo materiale si basa su lavori sostenuta mediante un fondo iniziale presso l’Università del Minnesota, città gemellate e un premio alla carriera di NSF (CMMI-1454293). Parti di questo lavoro sono state effettuate nella struttura caratterizzazione presso l’Università del Minnesota, un membro della rete di strutture di ricerca finanziato dal NSF materiali (tramite il programma MRSEC. Parti di questo lavoro sono state condotte nel centro di Nano del Minnesota, che è sostenuto dalla National Science Foundation attraverso il National Nano coordinato infrastruttura rete (NNCI) sotto Premio numero ECCS-1542202. C. D. riconosce sostegno da 3 M scienza e tecnologia Fellowship.

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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