Selvfoldende 3-D lysfølsomme grafenarkitekturer

Stimuli-responsiv, selvfoldende, todimensionelle (2-D) lagdelte materialer har interessante funktioner til fleksibel elektronik, wearables, biosensorer, og fotonikapplikationer. Imidlertid, grænser med skalerbarhed og mangel på designværktøjer kan forhindre høj integration og deres pålidelige funktion. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Avancerede intelligente systemer , Qi Huang, og et team af videnskabsmænd inden for kemisk og biomolekylær teknik og elektro- og computerteknik ved Johns Hopkins University, OS., foreslået en masseproduktionsstrategi for at skabe monolags grafen-baserede reversible selvfoldende strukturer. Materialet kan anvendes i mikrofluidik og mikromekaniske systemer. Som proof of concept, de opnåede komplekse og funktionelle enheder i form af ringe, polyeder, blomster og origami fugle. De integrerede derefter guldelektroder til konstruktionerne for at forbedre deres detektionsfølsomhed. Eksperimenterne foreslår en omfattende ramme til rationelt at designe og fremstille skalerbare og komplekse, 3-D, selvfoldende optiske og elektroniske enheder ved at folde 2-D monolags grafen.

Udvikling af 3-D mikrostrukturer fra 2-D forstadier

Udviklingen af ​​3-D integrerede mikrostrukturer fra wafer-skala, 2-D-prækursorer kan være nyttige på tværs af en række områder, herunder optik, elektronik, robotteknologi og biomedicinsk teknik. Imidlertid, det er stadig vanskeligt at realisere wafer-skala on-chip eller fritstående og reversible 2-D lagdelt materialebaserede hybridenheder. I dette arbejde, Huang et al. undersøgte foldemekanikken ved differentielt tværbundet SU8 - dvs. en epoxybaseret ultraviolet (UV) tværbindelig, negativ fotoresist baseret på en kommerciel harpiks, og lysets interaktion med fleksible grafen-guld (Au)-SU8 3-D mikrostrukturer. Holdet brugte eksperimenter og simuleringer til at introducere flere nye ideer og demonstrerede de selvfoldende SU8 grafenmikrostrukturer. De varierede omfanget af SU8-tværbinding ved at indstille UV-dosis for at udvikle en fysik-baseret, grovkornet model, der omfattede effekten af ​​UV-lys for materialemekanik og volumenændringer. De brugte derefter tilgangen til at give eksempler på 3D-former, herunder origami-fugle. Metoden omfattede også multilags meget storskala integration (VLSI) beregningsmetoder. Metoden tillod enkle forbindelser med elektroder og anden elektronisk, optiske eller mikrofluidiske moduler. Undersøgelserne viste 3-D grafen hybrid funktionelle enheder egnet til robotteknologi, wearables og fotonik.

Rationelt design af 3-D selvfoldende SU8-strukturer

Huang et al. testede to metoder til at tillade reversibel foldning af differentielt tværbundne SU8-film, herunder dobbeltlags- og gradientmetoder. For begge versioner, de afsatte først et 50 nm tykt termisk fordampet kobber-offerlag på en oblat eller et objektglas. Under dobbeltlagsmetoden, de mønstrede SU8 dobbeltlagsfilm med et fuldt tværbundet bundlag og et delvist tværbundet toplag ved hjælp af fotolitografi for at lette bøjning væk fra waferen. De spin-coatede derefter SU8-lagene på materialet og konditionerede dobbeltlagsmønstrene ved at nedsænke dem i acetone for at skabe selvfoldende prækursorer. De konditionerede strukturer kunne foldes og udfoldes reversibelt ved opløsningsmiddeloverførsel fra acetone til vand. Ved at variere tykkelsen af ​​mønsteret, de samlede buede bjælker med forskellige radier og en række 3D-former. Holdet varierede også dosis af UV-eksponeringsforhold for at øge omfanget af mønsterfoldning. De bemærkede, hvordan forskellige foldevinkler kunne opnås ved at variere tykkelsen og omfanget af tværbinding. Arbejdet gav de designkriterier, der kræves for at opnå kontrolleret bøjning og geometrier for SU8-mikrostrukturer. Simuleringerne var nøjagtige gengivelser af de eksperimentelle foldeformer.

Konvertering af grafen til 3D-former baseret på de selvfoldende SU8-strukturer

De selvfoldende strukturer kunne vigtigt understøtte transformationen af ​​fladt monolagsgrafen til 3D-former. Denne integrationsproces omfattede et par vigtige trin. I første omgang, holdet overførte monolagsgrafen dyrket ved hjælp af kemisk dampaflejring fra en kobberbelagt wafer til det offerkobberbelagte siliciumsubstrat ved hjælp af polymethylmethacrylat (PMMA) metoden. Brug derefter Raman-spektre, Huang et al. noterede toppene svarende til monolagsgrafen aflejret på SU8 som forventet. Derefter, de mønstrede grafen via fotolitografi og plasmaætsning, og realiserede selvrulning af grafen-SU8 strukturer med reversibel rulle/afrulning i vand og acetone. Denne integrationsproces af selvrullende grafen-SU8 fandt sted på en wafer-skala, lette medtagelsen af ​​andre elementer, herunder guldlinjer eller mønstre, at danne funktionelle elektroniske eller optiske enheder.

Udvikling af ultratynde, formændrende smarte materialer.

Materialeforskere studerer typisk grafen for dets elektroniske og optiske anvendelser baseret på unikke fysiske egenskaber, høj mekanisk styrke, og materialets stabilitet. På grund af dets karakteristiske egenskaber ved optoelektronik, den høje ladningsbærermobilitet af grafen ved omgivende temperaturer afslørede potentielle anvendelser i højfrekvente og højhastighedsenheder. Alligevel, lysabsorption og lys-stof interaktion af grafen er lav for atomisk tynde plane grafen-baserede enheder. Huang et al. udnyttede derfor den optiske gennemsigtighed af SU8 til at udvikle 3-D selvfoldende grafen-baserede optiske enheder til at danne fleksible optiske enheder og wearables. De skabte multi-rullede 3-D grafen strukturer for at overvinde grænserne for dårlig absorptionsevne af enkeltlags grafen. Forskerne brugte derefter en flad grafen-guld-SU8 fotodetektor og testede substratet ved at belyse hver guldelektrode med en 488 nm laser. Fotospændingen var større, når laserbelysningen var direkte indfaldende på grafensiden sammenlignet med SU8-siden. Den reducerede belysning skyldes absorption af lys i SU8-filmen. Fotospændingen, der blev genereret i arbejdet, skyldtes hovedsageligt guld- og grafenoverlappende område.

Danner chip-integrerede 3-D grapahene-SU8 strukturer og fotodetektorer

Som proof of concept, Huang et al. udviklet komplekse origami-inspirerede designs og chip-integrerede strukturer. For at samle dem, de mønstrede kobberofferlaget og grafen og kontrollerede UV-eksponeringen i specifikke områder for selektivt at folde SU8-mikrostrukturen, mens andre dele forblev fastspændte. Sådanne komplekse strukturer vil være vigtige for blød robotteknologi med en grafen-guld-grænseflade til fjernoptisk energihøstapplikationer. De on-chip-samlede designs er også vigtige inden for optoelektronik, som Huang et al. illustreret ved hjælp af vinkelopløste fotodetektorer med et selvfoldet SU8 grafen fotodetektorarray. Ved hjælp af lysbelysning, de viste forskellige fotoresponser baseret på laserens vinkel og materialets arkitektur. Holdet brugte også simuleringer til at bestemme det vinkelopløste svar.

Outlook

På denne måde Qi Huang og kolleger udviklede en meget parallel proces til at samle 3-D fleksible grafenmikrostrukturer. Metoden har tre hovedfordele at tilbyde,

1. Fritstående materialer og chip-integration
2. Meget parallel integration af fleksible og gennemsigtige 3-D grafenenheder, og
3. Reversibel rekonfiguration.

Den optisk transparente fotoresist kan spin-coates og vedligeholdes med relativ fleksibilitet. Strukturerne var stabile i luften og kan danne bedre letvægtsalternativer til siliciumbaserede moduler til integration i flyvende og svømmende robotter. Det primære grundlag for den selvfoldende mekanisme var baseret på kemisk-opløsningsmiddeldrevet differentiel kvældning for at lette folde-/udfoldningsbevægelser. Holdet forventer at bruge denne tilgang til at skabe en række 3-D mikrostrukturer til wearables, bevægende robotter, i biosensorer og i energihøstudstyr.

© 2021 Science X Network