JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Engineering

Fabrikasjon av tredimensjonale Grafén-baserte Polyhedrons via Origami-lignende selv Folding

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

Summary

Her presenterer vi en protokoll for fabrikasjon av 3D Grafén-baserte polyhedrons via origami-lignende selv folding.

Abstract

Montering av todimensjonal (2D) Grafén i tredimensjonale (3D) polyhedral strukturer samtidig bevare den Grafén utmerkede iboende egenskaper er av stor interesse for utvikling av ny enhet søknader. Her, hul fabrikasjon av 3D, Mikroskala, polyhedrons (kuber) som består av mange lag med 2D Grafén eller Grafén oksid ark via en origami-lignende selv folding fremgangsmåten beskrives. Denne metoden innebærer bruk av polymer rammer og hengsler, aluminiumoksid/krom beskyttelse lag som reduserer strekk, romlige og overflatespenning påkjenninger på Grafén-baserte membraner når 2D garn er forvandlet til 3D-kuber. Prosessen gir kontroll over størrelsen og formen på den strukturer samt parallell produksjon. I tillegg kan denne etableringen av overflaten modifikasjoner av metall mønstre på hver ansikt 3D-kuber. Raman spektroskopi studier viser den tillater bevaring av iboende egenskaper for Grafén-basert membraner, demonstrere robustheten av vår metode.

Introduction

Todimensjonal (2D) Grafén ark har ekstraordinære optisk, elektroniske og mekaniske egenskaper, gjør dem model systemer for observasjon av romanen quantum fenomener for neste generasjons elektronisk, Optoelektronisk, elektrokjemiske, Elektromekanisk biomedical programmer1,2,3,4,5,6. Bortsett fra som produserte 2D lagdelt oppbygning Grafén, nylig er ulike endring tilnærminger gransket for å observere nye funksjonaliteten av Grafén og søker nye programmet muligheter. For eksempel modulerende (eller tuning) fysiske egenskapene (dvs. doping nivå og/eller band gap) ved å skreddersy figurene eller mønstre til 2D struktur til en endimensjonal (1 D) eller null-dimensjonale (0 D) struktur (f.eks., Grafén nanoribbon eller Grafén kvante prikker) har blitt studert for å få nye fysiske fenomener inkludert quantum confinement effekter, lokalisert plasmonic moduser, lokaliserte elektron distribusjon og spinn-polarisert kanten stater7,8 ,9,10,11,12. I tillegg varierer teksturen i 2D Grafén ved crumpling (ofte kalt kirigami), delaminering, knekking, vri, eller stabling av flere lag eller endre Grafén overflaten figuren ved å overføre 2D Grafén på en 3D-funksjonen (substrat) har vært vist seg for å endre Grafén wettability, mekaniske karakteristikker og optiske egenskaper13,14.

Utover endre overflaten morfologi og lagdelt oppbygning 2D Grafén, montering av 2D Grafén i functionalized, veldefinerte, tredimensjonale (3D) polyhedrons har vært av stor interesse nylig i Grafén samfunnet å få nye fysiske og kjemisk fenomener15. I teorien, elastisk, elektrostatiske, og van der Waals kan energier av 2D Grafén-baserte strukturer utnyttes for å transformere den 2D Grafén til ulike 3D Grafén-origami konfigurasjoner16,17. Basert på dette konseptet, har teoretisk modellering studier undersøkt 3D Grafén struktur design, dannet fra nanoskala 2D Grafén membraner, med mulige bruksområder i narkotika-leveranser og generell molekylær lagring16,17. Likevel, eksperimentelle fremdriften av denne tilnærmingen er fortsatt langt fra realisere disse programmene. På den annen side, har en rekke kjemiske syntetiske metoder blitt utviklet for å oppnå 3D strukturer via mal-assistert montering, flyt-rettet montering, leavening montering og conformal vekst metoder18,19 , 20 , 21 , 22. men metodene er for tiden begrenset i at de ikke kan produsere en 3D, hul, lukket struktur uten å miste de iboende egenskapene Grafén ark.

Her markeres en strategi for å bygge 3D, hul, Grafén-baserte microcubes (samlet størrelse på ~ 200 µm) ved hjelp av origami-lignende selv folding; overvinne fremste utfordringene i bygging av frittstående, hul, 3D, polyhedral, Grafén-baserte materialer. I origami-lignende, håndfri selv folding teknikker, er 2D lithographically mønstrede planar funksjoner (dvs. Grafén-baserte membraner) forbundet med hengslene (dvs., termisk-sensitive polymer, photoresist) i ulike ledd, og dermed danner 2D garn som Brett opp når hengslene er oppvarmet til smelting temperatur23,24,25,26. Grafén-baserte kuber er realisert med vinduet membran komponenter består av mange lag kjemiske damp program (CVD) vokst Grafén eller Grafén oksid (gå) membraner; både med bruk av polymer rammer og hengsler. Fabrikasjon av 3D Grafén-baserte kubene innebærer: (i) utarbeidelse av beskyttelse lag, (ii) Grafén-membran overføring og mønstre, (iii) metalloverflate mønstre på Grafén-membraner, (iv) ramme og hengsler mønstre og deponering, (v). selv folding, og (vi) fjerning av beskyttelse lag (figur 1). Denne artikkelen fokuserer hovedsakelig på de selv sammenleggbare aspektene av 3D Grafén-baserte kuber fabrikasjon. Informasjon om fysiske og optiske egenskaper 3D Grafén-baserte kuber kan finnes i våre andre siste publikasjoner27,28.

Protocol

FORSIKTIG: Flere av kjemikaliene som brukes i disse synteser er giftig og kan forårsake irritasjon og alvorlig orgel skade når rørt eller inhalert. Vennligst bruk riktig sikkerhetsutstyr og bruk personlig verneutstyr ved håndtering av kjemikaliene. 1. forberedelse av aluminiumoksid og krom beskyttelse lag på en kobber oppofrende lag Bruker en elektronstråle fordamperen, innskudd 10 nm tykk krom (Cr) og 300 nm tykke kobber (Cu) lag (oppofrende layer) på silikon (Si) underlaget …

Representative Results

Figur 2 viser optisk bilder av litografiske prosessene av 2D Grafén og gå netto strukturer og etterfølgende selv folding prosessen. Selv folding prosessen overvåkes i sanntid via et høyoppløselig mikroskop. Begge typer 3D Grafén-baserte kuber brettes på ~ 80 ° C. Figur 3 legger ut fanget videosekvenser viser selv folding av 3D Grafén-baserte kuber på en parallell måte. Under en optimalisert prosess viser denn…

Discussion

For kubene fremstille med CVD Grafén, fordi hver ansikt en angitt kube er designet med en ytre ramme rundt et ~ 160 × 160 µm2 område i stående Grafén, ett stykke monolayer Grafén har ikke nødvendig styrke til å tillate parallell behandling av kuber. Derfor produsert Grafén membraner som består av tre lag av CVD Grafén monolayer ark er via tre separate Grafén overføringer med flere PMMA belegg/fjerning trinn. På den annen side, gå membran forberedelse, bruker vi gå enkeltark i vann, he…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette materialet er basert på arbeid støttes av en oppstart fond ved University of Minnesota, Twin Cities og en NSF CAREER Award (CMMI-1454293). Deler av dette arbeidet ble utført i karakterisering anlegget ved University of Minnesota, medlem av NSF-finansierte materialer forskning fasiliteter nettverket (via MRSEC programmet. Deler av dette arbeidet ble utført i Minnesota Nano sentrum, som er støttet av National Science Foundation gjennom det nasjonale Nano koordinert infrastruktur nettverk (NNCI) under prisen nummer ECCS-1542202. C. D. anerkjenner støtte fra 3 M vitenskap og teknologi fellesskap.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nature Materials. 6 (3), 183-191 (2007).
  2. Singh, V., et al. Graphene based materials: Past, present and future. Progress in Materials Science. 56 (8), 1178-1271 (2011).
  3. Bonaccorso, F., Sun, Z., Hasan, T., Ferrari, A. C. Graphene photonics and optoelectronics. Nature Photonics. 4 (9), 611-622 (2010).
  4. Wang, C., Li, D., Too, C. O., Wallace, G. G. Electrochemical Properties of Graphene Paper Electrodes Used in Lithium Batteries. Chemistry of Materials. 21 (13), 2604-2606 (2009).
  5. Bunch, J. S., et al. Electromechanical resonators from graphene sheets. Science. 315 (5811), 490-493 (2007).
  6. Menaa, F., Abdelghani, A., Menaa, B. Graphene nanomaterials as biocompatible and conductive scaffolds for stem cells: impact for tissue engineering and regenerative medicine. Journal of Tissue Engineering and Regenerative. 9 (12), 1321-1338 (2015).
  7. Han, M. Y., Özyilmaz, B., Zhang, Y., Kim, P. Energy band-gap engineering of graphene nanoribbons. Physical Review Letters. 98 (20), 206805 (2007).
  8. Son, Y. W., Cohen, M. L., Louie, S. G. Half-metallic graphene nanoribbons. Nature. 444 (7117), 347-349 (2006).
  9. Yan, Q., et al. Intrinsic current− voltage characteristics of graphene nanoribbon transistors and effect of edge doping. Nano Letters. 7 (6), 1469-1473 (2007).
  10. Fei, Z., et al. Gate-tuning of graphene plasmons revealed by infrared nano-imaging. Nature. 487 (7405), 82-85 (2012).
  11. Joung, D., Zhai, L., Khondaker, S. I. Coulomb blockade and hopping conduction in graphene quantum dots array. Physical Review. B. 83 (11), 115323 (2011).
  12. Bacon, M., Bradley, S. J., Nann, T. Graphene quantum dots. Particle & Particle Systems Characterization. 31 (4), 415-428 (2014).
  13. Blees, M. K., et al. Graphene kirigami. Nature. 524 (7564), 204-207 (2015).
  14. Michael Cai, W., et al. Mechanical instability driven self-assembly and architecturing of 2D materials. 2D Materials. 4 (2), 022002 (2017).
  15. Shenoy, V. B., Gracias, D. H. Self-folding thin-film materials: From nanopolyhedra to graphene origami. MRS Bulletin. 37 (9), 847-854 (2012).
  16. Zhu, S., Li, T. Hydrogenation-Assisted Graphene Origami and Its Application in Programmable Molecular Mass Uptake, Storage, and Release. ACS Nano. 8 (3), 2864-2872 (2014).
  17. Zhang, L., Zeng, X., Wang, X. Programmable hydrogenation of graphene for novel nanocages. Scientific Reports. 3, 3162 (2013).
  18. Vickery, J. L., Patil, A. J., Mann, S. Fabrication of Graphene-Polymer Nanocomposites With Higher-Order Three-Dimensional Architectures. Advanced Materials. 21 (21), 2180-2184 (2009).
  19. Yang, X., Zhu, J., Qiu, L., Li, D. Bioinspired effective prevention of restacking in multilayered graphene films: towards the next generation of high-performance supercapacitors. Advanced Materials. 23 (25), 2833-2838 (2011).
  20. Choi, B. G., Yang, M., Hong, W. H., Choi, J. W., Huh, Y. S. 3D macroporous graphene frameworks for supercapacitors with high energy and power densities. ACS Nano. 6 (5), 4020-4028 (2012).
  21. Niu, Z., Chen, J., Hng, H. H., Ma, J., Chen, X. A leavening strategy to prepare reduced graphene oxide foams. Advanced Materials. 24 (30), 4144-4150 (2012).
  22. Li, Y., et al. Growth of conformal graphene cages on micrometre-sized silicon particles as stable battery anodes. Nature Energy. 1 (2), (2016).
  23. Cho, J. H., Gracias, D. H. Self-Assembly of Lithographically Patterned Nanoparticles. Nano Letters. 9 (12), 4049-4052 (2009).
  24. Cho, J. H., Azam, A., Gracias, D. H. Three Dimensional Nanofabrication Using Surface Forces. Langmuir. 26 (21), 16534-16539 (2010).
  25. Dai, C., Cho, J. H. In Situ Monitored Self-Assembly of Three-Dimensional Polyhedral Nanostructures. Nano Letters. 16 (6), 3655-3660 (2016).
  26. Joung, D., et al. Self-Assembled Multifunctional 3D Microdevices. Advanced Electronic Materials. 2 (6), 1500459 (2016).
  27. Joung, D., Gu, T., Cho, J. H. Tunable Optical Transparency in Self-Assembled Three-Dimensional Polyhedral Graphene Oxide. ACS Nano. 10 (10), 9586-9594 (2016).
  28. Joung, D., et al. Self-Assembled Three-Dimensional Graphene-Based Polyhedrons Inducing Volumetric Light Confinement. Nano Letters. 17 (3), 1987-1994 (2017).
  29. Lian, K., Ling, Z. G., Liu, C. Thermal stability of SU-8 fabricated microstructures as a function of photo initiator and exposure doses. Proceedings of SPIE. 4980, 209 (2003).
  30. Winterstein, T., et al. SU-8 electrothermal actuators: Optimization of fabrication and excitation for long-term use. Micromachines. 5 (4), 1310-1322 (2014).
  31. Syms, R. R. A., Yeatman, E. M., Bright, V. M., Whitesides, G. M. Surface tension-powered self-assembly of microstructures – the state-of-the-art. Journal of Microelectromechanical Systems. 12 (4), 387-417 (2003).
  32. Xie, X., et al. Controlled fabrication of high-quality carbon nanoscrolls from monolayer graphene. Nano Letters. 9 (7), 2565-2570 (2009).
  33. Ferrari, A. C., Basko, D. M. Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene. Nature Nanotechnology. 8 (4), 235-246 (2013).
  34. Childres, I., Jauregui, L. A., Park, W., Cao, H., Chen, Y. P., Jang, J. I. Raman spectroscopy of graphene and related materials. New developments in photon and materials research. , (2013).
  35. Polsen, E. S., McNerny, D. Q., Viswanath, B., Pattinson, S. W., Hart, A. J. High-speed roll-to-roll manufacturing of graphene using a concentric tube CVD reactor. Scientific Reports. , 5 (2015).
  36. Wu, T., Shen, H., Sun, L., You, J., Yue, Z. Three step fabrication of graphene at low temperature by remote plasma enhanced chemical vapor deposition. RSC Advances. 3 (24), 9544-9549 (2013).
  37. Liu, C., Schauff, J., Joung, D., Cho, J. H. Remotely controlled microscale 3D self-assembly using microwave energy. Advanced Materials Technologies. 2 (8), 1700035 (2017).

Tags

Keywords: 3D GrapheneGraphene PolyhedronsOrigami-like Self-folding2D Graphene3D MicrocubesGraphene Membrane TransferMetal Surface PatterningPolymer FramesHingesSelf-foldingProtection LayersElectron Beam EvaporationPhotolithography
check_url/58500?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image