Robust ny proces danner 3D-former fra flade ark af grafen

Forskere fra University of Illinois i Urbana-Champaign har udviklet en ny tilgang til dannelse af 3D-former fra flade, 2D ark grafen, baner vejen for fremtidige integrerede systemer af grafen-MEMS-hybridenheder og fleksibel elektronik.

"Så vidt vi ved, denne undersøgelse er den første til at demonstrere grafenintegration til en række forskellige mikrostrukturerede geometrier, herunder pyramider, søjler, kupler, omvendte pyramider, og 3D -integrationen af ​​guldnanopartikler (AuNP'er)/grafenhybridstrukturer, "forklarede SungWoo Nam, en assisterende professor i mekanisk videnskab og teknik i Illinois. "Fleksibiliteten og 3D-karakteren af ​​vores strukturer vil muliggøre intime biosensorer, der kan tilpasses form og egenskaber ved menneskelig hud og andre biologiske systemer. 3D-fremspringende mikrostrukturer kan også opnå øget følsomhed ved at maksimere det effektive kontaktområde mellem sensorer og ikke-flade overflader.

"Vi forventer også, at vores nye 3D -integrationsmetode vil lette avancerede klasser af hybridenheder mellem mikroelektromekaniske systemer (MEMS) og 2D -materialer til registrering og aktivering."

Graphene, et todimensionalt bikagegitter af sp2-bundne carbonatomer, er blevet bredt undersøgt på grund af dets høje mobilitet, kemisk inertitet, og biokompatibilitet. Til dato, forskellige rapporterede metoder til grafenoverførsel har for det meste været begrænset til plane eller krumme linier på grund af udfordringerne forbundet med brud fra lokal stress under overførsel til 3D mikrostrukturerede overflader.

"Vores metode anvender vådoverførsel og adaptiv substratteknik, giver flere vigtige fordele i forhold til andre fremstillings-/integrationsmetoder for 3D -grafen, "sagde Jonghyun Choi, en kandidatstuderende i Nams forskningsgruppe og første forfatter til artiklen, "Tredimensionel integration af grafen via hævelse, Krymper, og tilpasning, "vises i Nano bogstaver . "Vores resultater viser en enkel, alsidig, og skalerbar metode til at integrere grafen med 3D -geometrier med forskellige morfologier og dimensioner. Disse 3D -funktioner er ikke kun større end dem, der er rapporteret i tidligere værker, men vi demonstrerer også ensartethed og skadefri karakter af integreret grafen omkring 3D-funktionerne. "

Forskernes robuste tilgang til at integrere grafen på 3D mikrostrukturerede overflader bevarer den strukturelle integritet af grafen, hvor dimensioner uden for flyet af 3D-funktionerne varierer fra 3,5 til 50 μm. Processen inkorporerer tre sekventielle trin:1) substrat hævelse ved hjælp af et opløsningsmiddel, der 2) krymper under fordampningsprocessen, tillader grafen at 3) tilpasse sig, eller i overensstemmelse med formen på et forberedt substrat for at opnå skadefri, stor områdeintegration af grafen på 3D -mikrostrukturer.

"Vores hævelse, krymper, og tilpasningstrin er optimeret til at minimere graden af ​​grafensuspension omkring 3D -mikrostrukturer og lette en vellykket 3D -integration, "Nam tilføjet." Vi styrer mængden af ​​substrathævelse ved at justere nedsænkningstidspunktet i organisk opløsningsmiddel og blandingsforholdene mellem monomer og hærdningsmiddel af polydimethylsiloxan (PDMS) substratet. "

Detaljeret scanningselektronmikroskopi, atomkraftmikroskopi, Raman -spektroskopi, og elektriske modstandsmålinger viser, at mængden af ​​substrat hævelse, såvel som overføringsfilmens bøjningsstivhed, påvirke integrationsudbyttet og kvaliteten af ​​det integrerede grafen. For at demonstrere alsidigheden i deres tilgang, forskerne anvendte processen på en række 3D -mikrostrukturerede geometrier, samt integration af hybridstrukturer af grafen dekoreret med guldnanopartikler på 3D -mikrostruktursubstrater, demonstrere kompatibiliteten af ​​integrationsmetoden med andre hybrid nanomaterialer.