JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Изготовление трехмерной на основе графена многогранников через оригами как самостоятельной складывания

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

Summary

Здесь мы представляем протокол для изготовления 3D на основе графена многогранников через оригами как самостоятельной складывания.

Abstract

Ассамблея двухмерный (2D) графена в трехмерные (3D) полиэдральных структуры при сохранении графена отличные свойства присущие был большой интерес для разработки приложений для новых устройств. Здесь изготовление 3D, микромасштабной, полые многогранники (кубики), состоящий из нескольких слоев 2D графена или графена оксид листы через процесс самостоятельного складной оригами как описано. Этот метод предполагает использование полимерной кадров и петли и оксида алюминия/хром защиты слои, которые уменьшают растяжение, пространственных и поверхностное натяжение напряжений на мембраны на основе графена, когда 2D сети превращаются в 3D кубов. Этот процесс предоставляет контроль над размером и формой структур, а также параллельного производства. Кроме того этот подход позволяет создавать поверхностных модификаций металла, кучность на каждой грани 3D кубов. Рамановская спектроскопия исследования показывают, что метод позволяет сохранение свойств мембран на основе графена, продемонстрировав устойчивость нашего метода.

Introduction

Двухмерный (2D) графена листы обладают Чрезвычайный оптических, электронных и механических свойств, что делает их модели систем для наблюдения за роман квантовых явлений для следующего поколения электронных, оптоэлектронных, электрохимические, Электромеханические и биомедицинских приложений1,2,3,4,5,6. Недавно, помимо производства как 2D слоистой структуры графена, исследованы различные модификации подходы соблюдать новые функциональные возможности графена и искать новые возможности для приложений. Например, модулирующая (или тюнинг) его физические свойства (т.е., допинг уровня и/или полоса разрыв), Пошив формы или кучность из 2D структуры в одномерный (1 D) или Нульмерное (0 D) структуры (например., графен nanoribbon или графена квантовых точек) была изучена для получения новых физических явлений, включая квантовые эффекты изоляции, локализованные плазмонных режимы, распределения локализованных электронов и спин поляризованных края государств7,8 ,9,10,,1112. Кроме того различные текстуры 2D графена, комкая (часто называемый kirigami), расслаивания, сгибается, скручивание, или укладки нескольких слоев или изменения формы поверхности графена путем переноса 2D графена на вершине 3D особенность (субстрата) был показано, что изменить смачиваемости графена, механические характеристики и оптические свойства13,14.

Помимо изменения поверхности морфологии и слоистой структуре 2D графена, Ассамблея 2D графена в функционализированных, четко определенных, трехмерные (3D) многогранников был большой интерес недавно в общине графена для получения новых физических и 15химических явлений. В теории, эластичное, электростатические и ван-дер-Ваальса энергий 2D на основе графена структуры могут быть использованы для преобразования 2D графена в различных графена 3D-оригами конфигураций16,17. Основываясь на этой концепции, исследования теоретического моделирования исследованы конструкции структуры 3D графена, образуются из наноразмерных 2D графена мембраны, с возможности использования лекарств и общих молекулярных хранения16,17. Тем не менее экспериментальный хода этого подхода является еще далеки от реализации этих приложений. С другой стороны ряд химических синтетических методов были разработаны для достижения 3D структур через шаблон помощь Ассамблеи, направленного потока, разрыхлитель Ассамблеи и конформных роста методы18,19 , 20 , 21 , 22. Однако, эти методы являются в настоящее время ограничены в том, что они не могут производить 3D, полые, замкнутые структуры без потери свойств листы графена.

Здесь изложена стратегия для построения 3D, полые, на основе графена microcubes (общий размер ~ 200 мкм) с помощью собственной складывания оригами как; преодоление важнейших задач в строительство свободностоящая, полые, 3D, многогранные, на основе графена материалов. В оригами как, свободные руки самостоятельно складной техники 2D lithographically рисунком Вселенский особенности (то есть, на основе графена мембраны) связаны с шарнирами (то есть, тепловой чувствительных полимеров, фоторезиста) на различных суставов, тем самым формирование 2D сети, которые складывают вверх когда петли нагреваются до плавления температура23,24,25,26. На основе графена кубов реализуются с окна мембранных компонентов, состоящий из нескольких слоев химического осаждения паров (CVD) выросли графена или графена оксид (GO) мембраны; Оба с использованием полимерной кадров и петли. Изготовление 3D кубов на основе графена включает в себя: (i) подготовка слоев защиты, (ii) графена мембраны передачи и кучность, (iii) металлическую поверхность, кучность на графена мембраны, (iv) рама и петли кучность и осаждения, (v). индивидуальной складывающиеся и (vi) удаление слоев защиты (Рисунок 1). Эта статья фокусируется в основном на самостоятельной складные аспекты изготовления 3D на основе графена кубов. Подробная информация о физических и оптических свойств 3D на основе графена кубов можно найти в наших других недавних публикаций27,28.

Protocol

Предупреждение: Некоторые из химических веществ, используемых в этих синтезы являются токсичными и может вызвать раздражение и тяжелая орган ущерб когда коснулся или дыхательные пути. Пожалуйста используйте соответствующие безопасности оборудования и носить индивидуальной защиты п…

Representative Results

Рисунок 2 показывает оптических изображений литографических процессов 2D графена и GO чистой структур и последующего самостоятельного складной процесса. Процесс самостоятельного складной контролируется в режиме реального времени через микроско?…

Discussion

Для кубов, изготовленных с CVD графена потому что каждый из заданного куба разработан с внешнюю рамку вокруг ~ 160 × 160 мкм2 области свободностоящая графена, один лист графена монослоя не имеют необходимые силы, чтобы разрешить Параллельная обработка кубов. По этой причине графена мем…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Этот материал основан на работе, поддерживаемых Фондом start-up в университете штата Миннесота, города-побратимы и NSF CAREER Award (CMMI-1454293). Частью этой работы были проведены в характеристике объекта в университете штата Миннесота, членом NSF финансируемых материалы исследования Услуги сети (через программу MRSEC. Часть этой работы были проведены в центре Миннесота Nano, который поддерживается Национальный научный фонд через национального нано скоординированной инфраструктуры сети (NNCI) под награду номер ECCS-1542202. C. D. признает поддержку от 3 M науки и технологии стипендий.

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

3D GrapheneGraphene PolyhedronsOrigami-like Self-folding2D Graphene3D MicrocubesGraphene Membrane TransferMetal Surface PatterningPolymer FramesHingesSelf-foldingProtection LayersElectron Beam EvaporationPhotolithography

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