This work was supported by the NSF (CMMI-1351370).

1. Design-Masken für die Herstellung von Donor-Substrat <ol><li> Entwerfen Sie eine Maske mit der gewünschten Geometrie. Bis 100 um x 100 um ² Silizium einzelnen Einheiten herzustellen, ziehen eine Reihe von 100 um · 100 um Quadraten. </li><li> Entwerfen Sie eine zweite Maske mit identischer Geometrie, mit jeder Seite, die sich eine zusätzliche 15 um. Für das Array mit 100 um · 100 um Plätze, ziehen eine Reihe von 130 um x 130 um Quadrate, die die Plätze in Schritt 1.1 abdecken kann. </li><li> Entwerfen Sie die Ankergeometrie. Zeichnen Sie vier 20 um x 40 um Rechtecke, die jeweils entlang einer Kante eines Quadrats zentriert. Zeigen der Strukturen, so daß die ersten 15 &amp;mgr; m umfasst die Vorlage 100 &amp;mgr; m × 100 &amp;mgr; m im Quadrat in Schritt 1.1 und die restlichen 25 &amp;mgr; m erstreckt sich nach außen (wie in Fig. 2 gezeigt). Hinweis: Alle Formen und Abmessungen können verwendet werden, solange wie die Ankerkontakte sowohl die strukturierte Material und dem Substrat. Ein Ende des Ankers erstreckt sich die Herkunftal Geometrie in Schritt 1.1 und das andere Ende sollte erstrecken sich die Geometrie in Schritt 1.2. </li></ol> 2. Bereiten Retrievable Donorsubstrats <ol><li> Vorbereitung einer p-dotierten Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafer mit 3 &amp;mgr; m Schichtdicke Vorrichtung mit Schichtwiderstand von 1-20 Ω • cm und Feld-Oxidschicht einer Dicke von 1 &amp;mgr; m. HINWEIS: Für verschiedene Anwendungen können diese Parameter verändert werden. </li><li> Spin Mantel Fotolack (AZ5214, 3.000 rpm für 30 sec, 1,5 um dick) und bringen Sie die in Schritt Maske 1.1 konzipiert. </li><li> Verwendung eines reaktiven Ionenätzens (RIE) Instrument Muster der Bauteilschicht des SOI-Wafers und die Photoresistmaske zu entfernen. Nach diesem Schritt wurde die RIE-geätzten Bereich der Oxidschicht Feld (2A) ausgesetzt ist. </li><li> Spin Mantel Fotolack (AZ5214, 3.000 rpm für 30 sec, 1,5 um dick) und Muster mit Maske in Schritt 1.2 konzipiert. </li><li> Erhitzen des Wafers bei 125 º C für 90 sec auf eine heiße Platte. </li><li> Tauchen Sie die Wafer in49% HF für 50 Sekunden ausgesetzt, um das Feld-Oxid-Schicht aus Schritt 2.3 ätzen. Nach dem vollständigen Trocknen, entfernen Sie die Maskierung Photoresist (2B). </li><li> Spin Mantel (AZ5214, 3.000 rpm für 30 sec, 1,5 um dick) und die Verankerungsmuster-Design von Schritt 1.3. </li><li> Erhitzen des Wafers bei 125 º C für 90 sec auf eine heiße Platte. </li><li> Tauchen Sie ein in 49% HF für 50 min. Dieser Schritt ätzt das unterhalb des verbleibenden gemusterten Siliciumbauelementschicht verbleibenden Feld-Oxidschicht, wodurch suspendiert Silizium individuellen Einheiten auf dem Photolack (Fig. 2C). </li></ol> 3. Design-Masken für eine Microtip Stamp <ol><li> Entwerfen Sie eine Maske mit einer einzigen 100 um x 100 um im Quadrat. </li><li> Entwerfen Sie eine Maske mit mehreren 12 um x 12 um Plätze in einem 100 um · 100 um Bereich. </li></ol> 4. Machen Sie die Form für eine Microtip Stamp <ol><li> Reinigen eines Silizium-Wafers mit Kristallorientierung von &lt;1-0-0&gt;, Depositzen 100 nm Siliziumnitrid mit Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) Ausrüstung. </li><li> Spin Mantel Fotolack (AZ5214, 3.000 rpm für 30 sec, 1,5 um dick) und Muster mit Maske in Schritt 3.2 konzipiert. </li><li> Muster der Siliziumnitrid-Schicht mit 10.01 Buffered Oxide Ätzmittel (BOE). </li><li> Man löst 80 g Kaliumhydroxid (KOH) in 170 ml entionisiertem Wasser und 40 ml Isopropylalkohol (IPA)-Gemisch ein Becherglas. </li><li> Erhitzen Sie das KOH, IPA, und Wasser-Gemisch bei 80 ° C auf einer Heizplatte. </li><li> Kant auf die vorbereitete Wafer in das Becherglas mit KOH Mischung auf die freiliegende Silizium im Kristallstruktur zu ätzen (Ätzrate etwa 1 &amp;mgr; m / min). </li><li> Nach dem freigelegten Silizium vollständig geätzt ist, entfernen Sie den Wafer von KOH Mischung, wegätzen die Siliziumnitrid mit HF und führen RCA 1 und 2 Cinch-Reinigung (3A). </li><li> Spin Mantel mit SU-8-100 und Muster mit den vorbereiteten Maske von Schritt 3.1 mit folgendem Rezept: 3.000 UUhr für 1 min, weich backen bei 65 ° C für 10 min und 95 ° C für 30 min, entlarven mit 550 mJ / cm 2, und nach backen bei 65 ° C für 1 min und 95 ° C für 10 min (3B ). </li><li> Nach der SU-8 100 vollständig ausgehärtet ist, gelten eine Monoschicht (Tridecafluor-1 ,1,2,3-Tetrahydro-octyl)-1-Trichlorsilan durch Fallen 3-5 Tropfen (Tridecafluor-1, 1,2,3 - Tetrahydro octyl)-1-Trichlorsilan in einem Vakuumgefäß und Platzieren der Wafer in der Glas-und Anlegen des Vakuums. </li></ol> 5. Duplizieren einer Microtip Stempel unter Verwendung einer Form <ol><li> Mischen Polydimethylsiloxan (PDMS)-Basis und Härter mit dem Verhältnis von 5:1. </li><li> Entgasen Sie die Mischung, indem Sie es in einem Vakuumgefäß. </li><li> Gießen Sie einen kleinen Teil der entgasten PDMS-Gemisch auf der Form und lassen Sie die PDMS-Reflow auf eine flache Oberfläche (3C) zu erreichen. </li><li> Plaziere die Form mit PDMS im Ofen bei 70 ° C für 2 Stunden, um die PDMS vollständig auszuhärten. </li><li> Entfernen Sie die Form aus demBackofen und schälen Sie die PDMS aus (3D). </li></ol> 6. Abrufen Tinte aus dem Spender und Substrat-und Print auf der Zielbereich <ol><li> Platzieren der Spendersubstrat auf motorisierte Dreh und x, y-Positionierer mit einem Mikroskop ausgestattet. </li><li> Befestigen Sie den Mikro Stempel zu einem unabhängigen vertikalen Translations Bühne. </li><li> Unter dem Mikroskop ausrichten Mikromarke mit dem Si-Tinte auf dem Donator-Substrat mit Translations-und Rotationsschritte. Weiterhin müssen die Neigungsausrichtung zwischen der Mikrospitze und der Oberfläche Si Tinte durch Einstellen eines Neigungsstufe. Danach bringen die Mikro Stempel auf Kontakt. </li><li> Langsam weiter nach unten bringen die Mikro Stempel nach dem ersten Kontakt, so dass kleine Tipps sind komplett zusammengebrochen und in Kontakt mit der Si-Tinte auf Donor-Substrat die gesamte Oberfläche ist. </li><li> Erhöhen Sie schnell die z Bühne, brechen die Anker aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen der Mikrospitze Tempel und der Si-Tinte, retrieve der Si-Tinte von der Donor-Substrat und befestigen es an der Mikrospitze Marke. HINWEIS: Wenn die Mikrotempel ist frei von Stress, stellt die Druckmikrospitze zu seiner ursprünglichen Pyramidenform, so minimalen Kontakt mit der abgerufenen Si Tinte. </li><li> Stellen Sie den Empfänger Substrat auf eine x, y-Verschiebetisch und ausrichten abgerufen Si Tinte unter der Mikrospitze Stempel an der gewünschten Stelle. </li><li> Abfahrt auf der Bühne, bis die z abgerufen Si Tinte macht kaum Kontakt mit dem Empfängersubstrat. </li><li> Nach Kontaktaufnahme, langsam erhöhen die z-Bühne, um die Si-Tinte zu lösen, Druck auf die gewünschte Stelle. </li></ol> 7. Bonding-Prozess <ol><li> Programm ein schnelles thermisches Wärmebehandlungsofen zu Zyklus von RT bis 950 ° C in 90 sec, bleiben bei 950 ° C für 10 min und Abkühlen auf Raumtemperatur (durch Entfernen von Wärmezufuhr im Ofen). </li><li> Legen des bedruckten Empfangssubstrats in den Ofen in einer Luftumgebung und Tempern bei 950 °C für 10 min für Si-Si-Bindung oder bei 360 ° C für 30 min für Si-Au-Bindung. </li></ol>

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	<li>Stix, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+&#8220;Point+one.">Toward &#8220;Point one.</a> Sci Am. Feb. , 90-95 (1995).</li><li>Appenzeler, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Man+Who+Dared+to+Think+Small.">The Man Who Dared to Think Small.</a> Science. 254, 1300-1301 (1991).</li><li>Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fundamentals+of+Microfabrications+The+Science+of+Miniaturization.">Fundamentals of Microfabrications The Science of Miniaturization.</a> , (2002).</li><li>Xia, Y., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+Lithography.">Soft Lithography.</a> Angew Chem Int Ed. 38, 551-575 (1998).</li><li>Judy, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microelectromechanical+systems+(MEMS)+fabrication,+design+and+applications.">Microelectromechanical systems (MEMS) fabrication, design and applications.</a> Smart Mater Struct. 10, 1134-1154 (2001).</li><li>Jain, V. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Micromanufacturing Process. , (2012).</li><li>Keum, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+micro-masonry+using+elastomeric+stamps+for+three-dimensional+microfabrication.">Silicon micro-masonry using elastomeric stamps for three-dimensional microfabrication.</a> J Micromech Microeng. 22, 55018 (2012).</li><li>Keum, H., Chung, H., Kim, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+Contact+at+The+Interface+between+Silicon+and+Transfer-Printed+Gold+Films+by+Eutectic+Joining.">Electrical Contact at The Interface between Silicon and Transfer-Printed Gold Films by Eutectic Joining.</a> ACS Appl Mater Interfaces. 5, 6061 (2013).</li><li>Keum, H., Seong, M., Sinha, S., Kim, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrostatically+Driven+Collapsible+Au+Thin+Films+Assembled+Using+Transfer+Printing+for+Thermal+Switching.">Electrostatically Driven Collapsible Au Thin Films Assembled Using Transfer Printing for Thermal Switching.</a> Appl Phys Lett. 100, 211904 (2012).</li><li>Klaassen, E. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+fusion+bonding+and+deep+reactive+ion+etching:+a+new+technology+for+microstructures.">Silicon fusion bonding and deep reactive ion etching: a new technology for microstructures.</a> Sens Actuators A. 52, 132-139 (1996).</li><li>Barth, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+fusion+bonding+for+fabrication+of+sensors+actuators+and+microstructures.">Silicon fusion bonding for fabrication of sensors actuators and microstructures.</a> Sens Actuators. A21 - A23, 919-926 (1990).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Mikromauerwerk, in 4 dargestellt, beinhaltet Siliziumschmelzverbindungsmaterial in einem Verbindungsschritt. Silizium-Fusionsbonden, indem die Probe in einem schnellen thermischen Ofen (RTA-Ofen) und Erhitzen der Probe bei 950 ° C für 10 min erreicht. Dieses Glühen Bedingung ist sowohl Herrenlose zwischen Si - Si-und Si - SiO 2-Bindung 10,11. Alternativ kann die Au mit einer Si Streifen gebunden, wie in 5C gefunden annimmt eutektisches Bonden, und daher ist die ...

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS), wie beispielsweise die Miniaturisierung von großen 3D gewöhnlichen Maschinen sind für die Förderung der modernen Technologien durch Leistungsverbesserungen und Fertigungskostenreduzierung 1,2 unverzichtbar. Allerdings kann die aktuelle Rate des technologischen Fortschritts in der MEMS nicht ohne kontinuierliche Innovationen im Fertigungstechnologien 6.3 beibehalten werden. Gemeinsamen monolithischen Mikro beruht primär auf der Schicht-für-Schicht-Prozesse für die Herstellung von integrierten Schaltungen (IC) entwickelt. Diese Methode ist sehr erfolgreich bei eine Massenproduktion von Hochleistungs MEMS-Geräte gewesen. Jedoch aufgrund seiner komplexen Schicht-für-Schicht und elektrochemisch subtraktiven Natur, die Herstellung von unterschiedlich geformten 3D-MEMS-Strukturen und Einrichtungen, während in der Makrowelt einfach, ist sehr anspruchsvoll mit diesem monolithischen Mikro zu erreichen. Um mehr flexible 3D-Mikrofabrikation mit weniger Prozesskomplexität ermöglichen, Ent wirwickelt eine 3D-additive Mikrofertigung Strategie (als &quot;Mikro / Nano-Mauerwerk&quot;), die eine Transferdruck-basierte Montage von Mikro / nanoskaligen Materialien in Verbindung mit Rapid Thermal Annealing-fähigen Material Verbindungstechniken beinhaltet. Transferdruck ist eine Methode zur Fest mikroskaligen Materialien (dh &#39;solid Farben&#39;) von einem Substrat, wo sie durch die Verwendung kontrollierter Trockenhaftung von elastomeren Stempel erzeugt werden oder in ein anderes Substrat aufgewachsen zu übertragen. Die typische Vorgehensweise von Mikro-Mauerwerk beginnt mit Transferdruck. Fertig feste Tinten sind Transfer gedruckt mit einer Mikrobriefmarke, die eine fortgeschrittene Form von elastomeren Stempel und die gedruckten Strukturen werden anschließend mit Rapid Thermal Annealing (RTA), Tinte-Tusche und Tinte-Substrat-Haftung zu verbessern geglüht ist. Dieses Herstellungs Ansatz ermöglicht die Konstruktion von Mikrostrukturen und ungewöhnliche Geräte, die nicht mit anderen bestehenden metho gebracht werden könnends 7. Micro-Mauerwerk bietet mehrere nicht in anderen Verfahren weisen attraktive Merkmale: (a) die Fähigkeit, funktionelle und strukturelle feste Tinten unterschiedlicher Materialien zu integrieren, um MEMS-Sensoren und Aktoren montieren alle innerhalb des 3D-Struktur integriert; (B) die Schnittstellen von zusammen feste Tinten kann als elektrische und thermische Kontakte funktionieren 9,10; (C) die Anordnung räumlicher Auflösung hohe (~ 1 um) durch Verwendung von hoch skalierbaren und gut verstanden lithographischen Verfahren zur Erzeugung fester Tinte und hochpräzise mechanische Stufen für den Transferdruck 7 ist; und (d) Funktions-und Struktur feste Tinten auf beiden starren und flexiblen Substraten in ebene oder gekrümmte Geometrien integriert werden.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="758">
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:217px;">Name of Material / Equipment</td>
			<td style="width:97px;">Company</td>
			<td style="width:97px;"></td>
			<td style="width:347px;">Comments / Description</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Az 5214</td>
			<td>Clariant</td>
			<td></td>
			<td>1.5 mm thick photoresist</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Su8-100</td>
			<td>Microchem</td>
			<td></td>
			<td>100 mm Photoresist used in mold</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Sylgard 184</td>
			<td>Dow Corning</td>
			<td></td>
			<td>PDMS mixed to fabricate stamp</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Hydrofluoric Acid</td>
			<td>Honeywell</td>
			<td></td>
			<td>Acid to etch silicon oxide layer</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Silicon on insulator</td>
			<td>Ultrasil</td>
			<td></td>
			<td>Donor substrate was fabricated</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">trichlorosilane</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td></td>
			<td>Chemical used to help pealing of PDMS from mold</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

micro-masonry for 3d additive micromanufacturing

Transferdruck ist eine Methode zur Fest micro / nanoskaligen Materialien (hier als &#39;Farben&#39;) von einem Substrat, wo sie zu einem anderen Substrat durch die Nutzung elastomeren Stempel erzeugt werden, zu übertragen. Transferdruck ermöglicht die Integration von heterogenen Materialien, um beispiellose Strukturen oder funktionellen Systemen, die in den letzten fortschrittliche Geräte, wie flexible und dehnbare Solarzellen und LED-Arrays gefunden werden, herzustellen. Während Transferdruck aufweist einzigartigen Eigenschaften der Materialanordnung Fähigkeit, die Verwendung von Klebeschichten oder die Oberflächenmodifizierung, wie Abscheidung von selbstorganisierten Monoschicht (SAM) auf Substraten zur Verbesserung der Druckprozesse behindert seine breite Anpassung in Mikromontage von mikroelektromechanischen System (MEMS)-Strukturen und Vorrichtungen. Um diesen Nachteil zu überwinden, einen erweiterten Modus von Transferdruck, die deterministisch versammelt einzelnen Mikro Objekte allein durch Steuern Oberflächenkontaktbereich entwickelten wirohne Veränderung der Oberfläche. Die Abwesenheit einer Klebstoffschicht oder einer anderen Modifikation und die nachfolgende Materialverbindungsverfahren sorgen nicht nur mechanische Verbindung, sondern auch thermische und elektrische Verbindung zwischen den zusammengesetzten Materialien, die weiter öffnet verschiedene Anwendungen in Anpassung an den Aufbau ungewöhnliche MEMS-Vorrichtungen.

Micro-Mauerwerk ermöglicht heterogenes Material Integration in MEMS-Strukturen, die sehr herausfordernd oder unmöglich, von monolithischen Mikrofabrikationsprozesse erreichen zu generieren. Um seine Fähigkeiten zu demonstrieren, wird eine Struktur (eine so genannte &quot;Mikro Teekanne &#39;) allein durch Mikro-Mauerwerk hergestellt. 4A ist eine optische Mikroskopbild hergestellt Si-Tinten auf einer Donor-Substrat. Die Tinten sind entworfen Discs mit verschiedenen Dimensionen der einkristallinen Sili...

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Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

Dieses Papier stellt eine 3D-additive Mikrofertigung Strategie (sog. &quot;Mikromauerwerk &#39;) für die flexible Fertigung von mikroelektromechanisches System (MEMS)-Strukturen und Geräte. Dieser Ansatz beinhaltet Transferdruck-basierte Montage von Mikro / nanoskaligen Materialien in Verbindung mit Rapid Thermal Annealing-fähigen Material Verbindungstechniken.

Micro-Mauerwerk für 3D-Additive Mikroproduktion

Transfer printing is a method to transfer solid micro/nanoscale materials (herein called &#8216;inks&#8217;) from a substrate where they are generated to ...

micro-masonry-for-3d-additive-micromanufacturing

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10.3K Aufrufe.  University of Illinois at Urbana-Champaign.  Dieses Papier stellt eine 3D-additive Mikrofertigung Strategie (sog. "Mikromauerwerk ') für die flexible Fertigung von mikroelektromechanisches System (MEMS)-Strukturen und Geräte. Dieser Ansatz beinhaltet Transferdruck-basierte Montage von Mikro / nanoskaligen Materialien in Verbindung mit Rapid Thermal Annealing-fähigen Material Verbindungstechniken. 

Serie: Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses triangulation between matching points in two views of the same scene at different angles to compute depth.&#160;However, unlike a stereo-based method, DFP uses a digital video projector to replace one of the cameras1. The projector rapidly projects a known sinusoidal pattern onto the subject, and the surface of the subject distorts these patterns in the camera&#8217;s field of view. Three distorted patterns (fringe images) from the camera can be used to compute the depth using triangulation.
Unlike other 3D measurement methods, DFP techniques lead to systems that tend to be faster, lower in equipment cost, more flexible, and easier to develop.&#160;DFP systems can also achieve the same measurement resolution as the camera.&#160;For this reason, DFP and other digital structured light techniques have recently been the focus of intense research (as summarized in1-5). Taking advantage of DFP, the graphics processing unit, and optimized algorithms, we have developed a system capable of 30&#160;Hz 3D video data acquisition, reconstruction, and display for over 300,000 measurement points per frame6,7.&#160;Binary defocusing DFP methods can achieve even greater speeds8.
Diverse applications can benefit from DFP techniques. Our collaborators have used our systems for facial function analysis9, facial animation10, cardiac mechanics studies11, and fluid surface measurements, but many other potential applications exist.&#160;This video will teach the fundamentals of DFP techniques and illustrate the design and operation of a binary defocusing DFP system.

This video describes the fundamentals of digital fringe projection techniques, which provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;It also demonstrates the design and operation of a high-speed binary defocusing system based on these techniques.

High-Auflösung, High-Speed-, Three-dimensional Imaging mit Digital-Video-Streifenprojektionstechnik

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Forschung

Ingenieurwesen

Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

Spring-like materials are ubiquitous in nature and of interest in nanotechnology for energy harvesting, hydrogen storage, and biological sensing applications.&#160; For predictive simulations, it has become increasingly important to be able to model the structure of nanohelices accurately.&#160; To study the effect of local structure on the properties of these complex geometries one must develop realistic models.&#160; To date, software packages are rather limited in creating atomistic helical models.&#160; This work focuses on producing atomistic models of silica glass (SiO2) nanoribbons and nanosprings for molecular dynamics (MD) simulations. Using an MD model of &#8220;bulk&#8221; silica glass, two computational procedures to precisely create the shape of nanoribbons and nanosprings are presented.&#160; The first method employs the AWK programming language and open-source software to effectively carve various shapes of silica nanoribbons from the initial bulk model, using desired dimensions and parametric equations to define a helix.&#160; With this method, accurate atomistic silica nanoribbons can be generated for a range of pitch values and dimensions.&#160; The second method involves a more robust code which allows flexibility in modeling nanohelical structures.&#160; This approach utilizes a C++ code particularly written to implement pre-screening methods as well as the mathematical equations for a helix, resulting in greater precision and efficiency when creating nanospring models.&#160; Using these codes, well-defined and scalable nanoribbons and nanosprings suited for atomistic simulations can be effectively created.&#160; An added value in both open-source codes is that they can be adapted to reproduce different helical structures, independent of material.&#160; In addition, a MATLAB graphical user interface (GUI) is used to enhance learning through visualization and interaction for a general user with the atomistic helical structures.&#160; One application of these methods is the recent study of nanohelices via MD simulations for mechanical energy harvesting purposes.

Accurate modeling of nanohelical structures is important for predictive simulation studies leading to novel nanotechnology applications.&#160; Currently, software packages and codes are limited in creating atomistic helical models.&#160; We present two procedures designed to create atomistic nanohelical models for simulations, and a graphical interface to enhance research through visualization.

Skalierbare Nanohelices für Predictive Studies und Enhanced 3D-Visualisierung

Spring-like materials are ubiquitous in nature and of interest in nanotechnology for energy harvesting, hydrogen storage, and biological sensing ...

Novel 3D/VR Interactive Environment for MD Simulations, Visualization and Analysis

The increasing development of computing (hardware and software) in the last decades has impacted scientific research in many fields including materials science, biology, chemistry and physics among many others. A new computational system for the accurate and fast simulation and 3D/VR visualization of nanostructures is presented here, using the open-source molecular dynamics (MD) computer program LAMMPS. This alternative computational method uses modern graphics processors, NVIDIA CUDA technology and specialized scientific codes to overcome processing speed barriers common to traditional computing methods. In conjunction with a virtual reality system used to model materials, this enhancement allows the addition of accelerated MD simulation capability. The motivation is to provide a novel research environment which simultaneously allows visualization, simulation, modeling and analysis. The research goal is to investigate the structure and properties of inorganic nanostructures (e.g., silica glass nanosprings) under different conditions using this innovative computational system. The work presented outlines a description of the 3D/VR Visualization System and basic components, an overview of important considerations such as the physical environment, details on the setup and use of the novel system, a general procedure for the accelerated MD enhancement, technical information, and relevant remarks. The impact of this work is the creation of a unique computational system combining nanoscale materials simulation, visualization and interactivity in a virtual environment, which is both a research and teaching instrument at UC Merced.

A new computational system featuring GPU-accelerated molecular dynamics simulation and 3D/VR visualization, analysis and manipulation of nanostructures has been implemented, representing a novel approach to advance materials research and promote innovative investigation and alternative methods to learn about material structures with dimensions invisible to the human eye.

Neuartige 3D / VR Interaktiv Raum für MD-Simulationen, Visualisierung und Analyse

The increasing development of computing (hardware and software) in the last decades has impacted scientific research in many fields including materials ...

Development of a 3D Graphene Electrode Dielectrophoretic Device

The design and fabrication of a novel 3D electrode microdevice using 50 &#181;m thick graphene paper and 100 &#181;m double sided tape is described. The protocol details the procedures to construct a versatile, reusable, multiple layer, laminated dielectrophoresis chamber. Specifically, six layers of 50 &#181;m x&#160;0.7 cm x&#160;2 cm graphene paper and five layers of double sided tape were alternately stacked together, then clamped to a glass slide. Then a 700 &#956;m diameter micro-well was drilled through the laminated structure using a computer-controlled micro drilling machine. Insulating properties of the tape layer between adjacent graphene layers were assured by resistance tests. Silver conductive epoxy connected alternate layers of graphene paper and formed stable connections between the graphene paper and external copper wire electrodes. The finished device was then clamped and sealed to a glass slide. The electric field gradient was modeled within the multi-layer device. Dielectrophoretic behaviors of 6 &#956;m polystyrene beads were demonstrated in the 1 mm deep micro-well, with medium conductivities ranging from 0.0001 S/m to 1.3 S/m, and applied signal frequencies from 100 Hz to 10 MHz. Negative dielectrophoretic responses were observed in three dimensions over most of the conductivity-frequency space and cross-over frequency values are consistent with previously reported literature values. The device did not prevent AC electroosmosis and electrothermal flows, which occurred in the low and high frequency regions, respectively. The graphene paper utilized in this device is versatile and could subsequently function as a biosensor after dielectrophoretic characterizations are complete.

A microdevice with high throughput potential is used to demonstrate three-dimensional (3D) dielectrophoresis (DEP) with novel materials. Graphene nanoplatelet paper and double sided tape were alternately stacked; a 700 &#956;m micro-well was drilled transverse to the layers. DEP behavior of polystyrene beads was demonstrated in the micro-well.

Entwicklung eines 3D-Graphen-Elektroden-Dielektrophoretische Geräte

The design and fabrication of a novel 3D electrode microdevice using 50 &#181;m thick graphene paper and 100 &#181;m double sided tape is described. The ...

Energy Dispersive X-ray Tomography for 3D Elemental Mapping of Individual Nanoparticles

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial resolution, and is even capable of providing atomically resolved elemental maps. In this technique, a highly focused electron beam is incident upon a thin sample and the energy of emitted X-rays is measured in order to determine the atomic species of material within the beam path. This elementally sensitive spectroscopy technique can be extended to three dimensional tomographic imaging by acquiring multiple spectrum images with the sample tilted along an axis perpendicular to the electron beam direction.
Elemental distributions within single nanoparticles are often important for determining their optical, catalytic and magnetic properties. Techniques such as X-ray tomography and slice and view energy dispersive X-ray mapping in the scanning electron microscope provide elementally sensitive three dimensional imaging but are typically limited to spatial resolutions of &gt; 20 nm. Atom probe tomography provides near atomic resolution but preparing nanoparticle samples for atom probe analysis is often challenging. Thus, elementally sensitive techniques applied within the scanning transmission electron microscope are uniquely placed to study elemental distributions within nanoparticles of dimensions 10-100 nm.
Here, energy dispersive X-ray (EDX) spectroscopy within the STEM is applied to investigate the distribution of elements in single AgAu nanoparticles. The surface segregation of both Ag and Au, at different nanoparticle compositions, has been observed.

The use of energy dispersive X-ray tomography in the scanning transmission electron microscope to characterize elemental distributions within single nanoparticles in three dimensions is described.

Energieröntgentomografie für 3D-Elementar Zuordnung einzelner Nanopartikel

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial ...

Methods for Measuring the Orientation and Rotation Rate of 3D-printed Particles in Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing technology is used to fabricate particles with slender arms connected at a common center. Shapes explored are crosses (two perpendicular rods), jacks (three perpendicular rods), triads (three rods in triangular planar symmetry), and tetrads (four arms in tetrahedral symmetry). Methods for producing on the order of 10,000 fluorescently dyed particles are described. Time-resolved measurements of their orientation and solid-body rotation rate are obtained from four synchronized videos of their motion in a turbulent flow between oscillating grids with R&#955; = 91. In this relatively low-Reynolds number flow, the advected particles are small enough that they approximate ellipsoidal tracer particles. We present results of time-resolved 3D trajectories of position and orientation of the particles as well as measurements of their rotation rates.

We use 3D printing to fabricate anisotropic particles in the shapes of jacks, crosses, tetrads, and triads, whose alignments and rotations in turbulent fluid flow can be measured from multiple simultaneous video images.

Verfahren zur Messung der Neigung und Drehrate von 3D-gedruckten Particles in Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing ...

3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D structures are most often perceived using the two-dimensional and exclusively visual medium of the computer screen. Converting digital 3D molecular data into real objects enables information to be perceived through an expanded range of human senses, including direct stereoscopic vision, touch, and interaction. Such tangible models facilitate new insights, enable hypothesis testing, and serve as psychological or sensory anchors for conceptual information about the functions of biomolecules. Recent advances in consumer 3D printing technology enable, for the first time, the cost-effective fabrication of high-quality and scientifically accurate models of biomolecules in a variety of molecular representations. However, the optimization of the virtual model and its printing parameters is difficult and time consuming without detailed guidance. Here, we provide a guide on the digital design and physical fabrication of biomolecule models for research and pedagogy using open source or low-cost software and low-cost 3D printers that use fused filament fabrication technology.

Physical models of biomolecules can facilitate an understanding of their structure-function for the researcher, aid in communication between researchers, and serve as an educational tool in pedagogical endeavors. Here, we provide detailed guidance for the 3D printing of accurate models of biomolecules using fused filament fabrication desktop 3D printers.

3D Printing of Biomolecular Modelle für Forschung und Pädagogik

The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D ...

A 3D-printed Chamber for Organic Optoelectronic Device Degradation Testing

In this manuscript, we outline the manufacture of a small, portable, easy-to-use atmospheric chamber for organic and perovskite optoelectronic devices, using 3D-printing. As these types of devices are sensitive to moisture and oxygen, such a chamber can aid researchers in characterizing the electronic and stability properties. The chamber is intended to be used as a temporary, reusable, and stable environment with controlled properties (including humidity, gas introduction, and temperature). It can be used to protect air-sensitive materials or to expose them to contaminants in a controlled way for degradation studies. To characterize the properties of the chamber, we outline a simple procedure to determine the water vapor transmission rate (WVTR) using relative humidity as measured by a standard humidity sensor. This standard operating procedure, using a 50% infill density of polylactic acid (PLA), results in a chamber that can be used for weeks without any significant loss of device properties. The versatility and ease of use of the chamber allows it to be adapted to any characterization condition that requires a compact-controlled atmosphere.

Here, we present a protocol for the design, manufacture, and use of a simple, versatile 3D-printed and controlled atmospheric chamber for the optical and electrical characterization of air-sensitive organic optoelectronic devices.

Ein 3D-gedruckten Kammer für organische opto-elektronischen Gerät Abbau testen

In this manuscript, we outline the manufacture of a small, portable, easy-to-use atmospheric chamber for organic and perovskite optoelectronic devices, ...

A Soft Tooling Process Chain for Injection Molding of a 3D Component with Micro Pillars

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection molding inserts with micro surface features. The Soft Tooling inserts are manufactured by Digital Light Processing (vat photo polymerization) using a photopolymer that can withstand relatively high temperaturea. The part manufactured here has four tines with an angle of 60&#176;. Micro pillars (&#216;200 &#181;m, aspect ratio of 1) are arranged on the surfaces by two rows. Polyethylene (PE) injection molding with the soft tooling inserts is used to fabricate the final parts. This method demonstrates that it is feasible to obtain injection-molded parts with microstructures on complex geometry by additive manufactured inserts. The machining time and cost is reduced significantly compared to conventional tooling processes based on computer numerical control (CNC) machining. The dimensions of the micro features are influenced by the applied additive manufacturing process. The lifetime of the inserts determines that this process is more suitable for pilot production. The precision of the inserts production is limited by the additive manufacturing process as well.

A protocol for fabricating injection molding inserts for complex geometry with micro features on surfaces employing Additive Manufacturing (AM) is presented.

Eine weiche Werkzeuge Prozesskette für das Spritzgießen von ein 3D-Bauteil mit Micro Säulen

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection ...

Multi-material Ceramic-Based Components &#8211; Additive Manufacturing of Black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing (CerAM - T3DP)

To combine the benefits of Additive Manufacturing (AM) with the benefits of Functionally Graded Materials (FGM) to ceramic-based 4D components (three dimensions for the geometry and one degree of freedom concerning the material properties at each position) the Thermoplastic 3D-Printing (CerAM -&#160;T3DP) was developed. It is a direct AM technology which allows the AM of multi-material components. To demonstrate the advantages of this technology black-and-white zirconia components were additively manufactured and co-sintered defect-free.
Two different pairs of black and white zirconia powders were used to prepare different thermoplastic suspensions. Appropriate dispensing parameters were investigated to manufacture single-material test components and adjusted for the additive manufacturing of multi-color zirconia components.

Here we describe a protocol for additively manufacturing black-and-white zirconia components by Thermoplastic 3D-Printing (CerAM -&#160;T3DP) and co-sintering defect-free.

-Multimaterial Keramik-basierte Komponenten – Additive Fertigung von schwarz-weiß-Zirkonia-Komponenten von thermoplastischen 3D-Druck (CerAM - T3DP)

To combine the benefits of Additive Manufacturing (AM) with the benefits of Functionally Graded Materials (FGM) to ceramic-based 4D components (three ...