Fabricación de sistemas microelectromecánicos de carbono 3D (C-MEMS)

Resumen

Se fabricaron microfibras de carbono vítreo largas y huecas basadas en la pirólisis de un producto natural, cabello humano. Las dos etapas de fabricación de los sistemas microelectromecánicos de carbono y nanoelectromecánicos de carbono, o C-MEMS y C-NEMS, son: (i) fotolitografía de un precursor de polímero rico en carbono y (ii) pirólisis del precursor de polímero modelado.

Resumen

Una gran variedad de fuentes de carbono están disponibles en la naturaleza, con una variedad de configuraciones de micro / nanoestructura. Aquí, se introduce una nueva técnica para fabricar microfibras de carbono vítreo largas y huecas derivadas de pelos humanos. Las estructuras de carbono largas y huecas se hicieron mediante la pirólisis del cabello humano a 900 ° C en una atmósfera de N2. La morfología y composición química de cabellos humanos naturales y pirolizados fueron investigadas mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopia de rayos X de dispersión de electrones (EDX), respectivamente, para estimar los cambios físicos y químicos debidos a la pirólisis. La espectroscopia Raman se utilizó para confirmar la naturaleza vítrea de las microestructuras de carbono. Se introdujo carbón de cabello pirolizado para modificar electrodos de carbón de pantalla impresa; Los electrodos modificados se aplicaron luego a la detección electroquímica de dopamina y ácido ascórbico. El rendimiento de detección de los sensores modificados se mejoró en comparación con el método unmodiSensores. Para obtener el diseño de la estructura de carbono deseada, se desarrolló la tecnología del sistema micro-nanoelectromecánico de carbono (C-MEMS / C-NEMS). El proceso más común de fabricación de C-MEMS / C-NEMS consiste en dos etapas: (i) el modelado de un material base rico en carbono, tal como un polímero fotosensible, usando fotolitografía; Y (ii) carbonización a través de la pirólisis del polímero modelado en un entorno libre de oxígeno. El proceso de C-MEMS / NEMS ha sido ampliamente utilizado para desarrollar dispositivos microelectrónicos para diversas aplicaciones, incluyendo micro-baterías, supercapacitores, sensores de glucosa, sensores de gas, pilas de combustible y nanogeneradores triboeléctricos. Aquí, se discuten desarrollos recientes de microestructuras sólidas y huecas de carbono de alto aspecto con fotorresistencias SU8. La contracción estructural durante la pirólisis se investigó utilizando microscopía confocal y SEM. La espectroscopia Raman se utilizó para confirmar la cristalinidad de la estructura, y el porcentaje atómico de los elementos preseNt en el material antes y después de la pirólisis se midió usando EDX.

Introducción

El carbón tiene muchos alótropos y, dependiendo de la aplicación particular, se puede elegir uno de los siguientes alótropos: nanotubos de carbono (CNTs), grafito, diamante, carbono amorfo, lonsdaleita, buckminsterfullereno (C ₆₀ ), fullerita (C ₅₄₀ ), fullereno C ^{$ _ $} ), y carbono vítreo ^{1 , 2 , 3 , 4} . El carbono vítreo es uno de los alótropos más utilizados debido a sus propiedades físicas, incluyendo alta isotropía. También tiene las siguientes propiedades: buena conductividad eléctrica, bajo coeficiente de dilatación térmica e impermeabilidad al gas.

Ha habido una búsqueda continua de materiales precursores ricos en carbono para obtener estructuras de carbono. Estos precursores pueden ser materiales artificiales o productos naturales que están disponibles en formas particulares, e incluso incluyen productos de desecho. Una amplia variedad de micr Las nanoestructuras se forman a través de procesos biológicos o ambientales en la naturaleza, dando como resultado características únicas que son extremadamente difíciles de crear usando herramientas de fabricación convencionales. Como el patrón se llevó a cabo naturalmente en este caso, la síntesis de nanomateriales utilizando precursores de hidrocarburos naturales y residuos podría llevarse a cabo utilizando un fácil, un paso de proceso de descomposición térmica en una atmósfera inerte o vacío, llamada pirólisis [ ^5] . Se han producido grafeno de alta calidad, CNT de una pared, CNTs de paredes múltiples y puntos de carbono por descomposición térmica o pirólisis de precursores y desechos derivados de plantas, incluyendo semillas, fibras y aceites, tales como aceite de trementina, aceite de sésamo , Aceite de neem ( Azadirachta indica ), aceite de eucalipto, aceite de palma y aceite de jatrofa. También se han utilizado productos de alcanfor, extractos de árboles de té, alimentos de desecho, insectos, desechos agrícolas y productos alimenticios ^{6 , 7 ,}8 ^{, 9} Recientemente, los investigadores han utilizado incluso los capullos de seda como material precursor para preparar microfibras porosas de carbono [ ^10] . El cabello humano, generalmente considerado como un material de desecho, fue utilizado recientemente por este equipo. Está constituido por aproximadamente 91% de polipéptidos, que contienen más de 50% de carbono; El resto son elementos como oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y azufre ¹¹ . El cabello también viene con varias propiedades interesantes, como degradación muy lenta, alta resistencia a la tracción, alto aislamiento térmico y alta recuperación elástica. Recientemente, se ha utilizado para preparar copos de carbono empleados en supercondensadores ¹² y para crear microfibras huecas de carbono para detección electroquímica ¹³ .

El mecanizado de un material de carbono a granel para fabricar estructuras tridimensionales (3D) es una tarea difícil, ya que el material es muy quebradizo. Ión enfocadoAm ^{14 , 15} o grabado con iones reactivos ¹⁶ pueden ser útiles en este contexto, pero son procesos costosos y que consumen tiempo. La tecnología del sistema microelectromecánico de carbono (C-MEMS), que se basa en la pirólisis de estructuras poliméricas modeladas, representa una alternativa versátil. En las últimas dos décadas, C-MEMS y sistemas nanoelectromecánicos de carbono (C-NEMS) han recibido mucha atención debido a los sencillos y económicos pasos de fabricación involucrados. El proceso de fabricación de C-MEMS convencional se lleva a cabo en dos etapas: (i) modelar un precursor de polímero ( por ejemplo, un fotorresistente) con fotolitografía y (ii) pirólisis de las estructuras modeladas. Los precursores del polímero ultravioleta (UV) -curables, tales como fotorresistencias SU8, se usan a menudo para modelar estructuras basadas en fotolitografía. En general, el proceso de fotolitografía incluye etapas para el recubrimiento por centrifugado, cocción suave, exposición a UV, post horneado y desarrollo.Desarrollo. En el caso de C-MEMS; silicio; dióxido de silicio; Nitrido de silicona; cuarzo; Y, más recientemente, el zafiro se han utilizado como sustratos. Las estructuras de polímero con motivos fotográficos se carbonizan a una temperatura elevada (800-1100 ° C) en un entorno libre de oxígeno. A esas elevadas temperaturas en vacío o atmósfera inerte, se eliminan todos los elementos que no son de carbono, dejando sólo carbono. Esta técnica permite la obtención de estructuras de carbono vítreo de alta calidad, que son muy útiles para muchas aplicaciones, incluyendo la detección electroquímica ¹⁷ , el almacenamiento de energía ¹⁸ , la nanogeneración triboeléctrica ¹⁹ y la manipulación de partículas electroquinéticas ^20. También, la fabricación de microestructuras 3D con Las proporciones de aspecto altas usando C-MEMS se han vuelto relativamente fáciles y han conducido a una amplia variedad de aplicaciones de electrodos de carbono ^{18 , 21 , 22 , 23} , reemplazando a menudo los electrodos de metal noble.

En este trabajo se introduce el desarrollo reciente de una manera sencilla y rentable de fabricar microfibras huecas de carbono a partir del cabello humano usando tecnología C-MEMS no convencional ¹³ . El proceso C-MEMS convencional basado en polímero SU8 también se describe aquí. Específicamente, se describe el procedimiento de fabricación para sólidos de relación de aspecto alto y estructuras SU8 huecas ^24.

Protocolo

1. 3D cabello humano derivado de la estructura de carbono de fabricación

NOTA: Use equipo de protección personal. Siga las instrucciones del laboratorio para usar los instrumentos y trabajar dentro del laboratorio.

1. Prepare el pelo humano recogido lavándolo con agua DI y secándolo con gas N2.
2. Colocar los pelos como se desee, como en hilos paralelos, cruzar, con dos pelos enrollados juntos, etc.
3. Conecte los pelos a un sustrato de silicio utilizando SU8 o guárdelos directamente en un barco de cerámica.
4. Coloque el substrato o el barco de silicio unido al cabello en un horno.
5. Encienda el horno y abra la válvula de un tanque de gas inerte (N ₂ ).
   NOTA: El caudal de gas óptimo depende del volumen del tubo del horno. Se aplicó un caudal de 6 l / min para un volumen de tubo de 6 L. Para establecer un entorno completamente inerte en el tubo del horno, un caudal de gas 1,5 veces mayor que el gas óptimo fSe aplicó una tasa baja durante los primeros 15 min.
6. Ajuste los parámetros, incluyendo la temperatura máxima de pirólisis, la velocidad de rampa de temperatura y el caudal de gas inerte, y ejecute el horno.
   1. Por ejemplo, aumente la temperatura desde la temperatura ambiente a 300 ° C a una velocidad de rampa de 5 ° C / min. Manténgalo a 300 ° C durante 1 h para estabilizarlo. Aumentar la temperatura a 900 ° C y mantenerla durante 1 h más para la carbonización.
   2. Enfriar el horno hasta 300 ° C a una velocidad de 10 ° C / min y apagar el calentador del horno, ya que después de 300 ° C no es necesario el enfriamiento controlado. Dejar las muestras en el horno hasta que la temperatura alcance la temperatura ambiente por flujo de N2 solamente.
7. Apague el horno y el flujo de gas al finalizar el proceso de pirólisis.
8. Saque las muestras del horno.

2. Fabricación de la estructura del polímero 3D: Fotolitografía

1. DesUn diseño 2D de la estructura fotorresistente 3D deseada utilizando un paquete de software apropiado y preparar la máscara impresa ( es decir, una máscara de fotofilme de polietileno).
   NOTA: Se utilizó un servicio comercial para obtener el diseño impreso. El tamaño de la máscara generalmente depende del diseño.
2. En un laboratorio limpio, encienda dos placas calientes y establezca las temperaturas a 65 ° C y 95 ° C, respectivamente.
3. Encienda una máquina de rotación y una bomba de vacío. Asegúrese de que la bomba de vacío esté conectada a través de un tubo a la cabeza giratoria.
4. Ajuste los parámetros del giro de dos pasos, como la velocidad de giro, la rampa y la duración. Para el primer paso, ajuste la velocidad de giro a 500 rpm, la rampa a 100 rpm / sy el tiempo de giro a 10 s para comenzar el ciclo de centrifugado. Para el siguiente paso, ajuste la velocidad de giro a 1.000 rpm, la rampa a 100 rpm / sy el tiempo de giro a 30 s para extender uniformemente el fotorresistente.
5. Coloque un sustrato ( es decir, un 4 pulgadas x 4 pulgadas y 5501; m 2,25 μm de espesor de la oblea de Si con una capa de SiO2 de 1 μm de espesor) en el centro del soporte.
6. Depósito de polímero fotosensible (es decir, fotorresistencia SU8) directamente sobre el centro del sustrato. Use lo suficiente para cubrir la superficie.
7. Presione el botón de "vacío" para sostener el sustrato.
8. Presione el botón "run" para cubrir el sustrato con SU8 y lograr un espesor final de 250 μm.
9. Después de completar el proceso de hilatura, presione el botón "vacío" de nuevo para liberar el sustrato recubierto del soporte.
10. Sostenga cuidadosamente el sustrato revestido con una pinza para mantener la superficie lisa y limpia. Transferir el sustrato directamente sobre la placa caliente a 65 ° C durante 6 minutos y luego sobre la placa caliente a 95 ° C durante 40 minutos (horneado suave).
    NOTA: Se requiere hornear a 65 ° C para asegurar la evaporación lenta del disolvente, resultando en un mejor recubrimiento y mejor adherencia.O el sustrato, mientras que la cocción a 95 ° C densifica aún más el SU8.
11. Mientras tanto, presione el interruptor para encender el sistema de exposición a los rayos UV y ajuste el tiempo de exposición a "12 s" utilizando el botón de ajuste del sistema.
    NOTA: Para una capa SU8 de 250 μm de espesor, la energía de exposición debe ser de 360 ​​mJ / cm ² .
12. Una vez completada la etapa de cocción (paso 2.10), coloque el sustrato en el sistema de exposición a los rayos UV y coloque el lado impreso de una fotomáscara (del paso 2.1) sobre el mismo. Utilice todo el área de la máscara para cubrir el sustrato recubierto y presione suavemente para asegurar que no haya espacio entre la máscara y el sustrato.
13. Exponer el sustrato recubierto de SU8 a la radiación UV a través de la fotomáscara utilizando configuraciones UV predefinidas.
14. Calentar nuevamente el sustrato colocándolo directamente sobre la placa de cocción a 65 ° C durante 5 min ya 95 ° C durante 14 min para una cocción post-exposición (PEB).
    NOTA: El PEB aumenta el grado de reticulación en las áreas expuestas a los rayos UV yRevestimiento más resistente a los disolventes en la etapa de desarrollo.
15. Eliminar las regiones fotorresistentes no expuestas sumergiendo el sustrato en la solución reveladora dedicada, colocada en un vaso de precipitados, durante 20 min. Agite continuamente la solución (con cuidado) para asegurar la eliminación completa de las áreas de resistencia no expuestas.
16. Seque las estructuras desarrolladas sujetando el sustrato y soplando nitrógeno o aire comprimido sobre él.
17. Inspeccione la oblea bajo un microscopio con una ampliación de 50X para comparar los patrones transferidos a la fotorresistencia con los patrones deseados.

3. Fabricación de la estructura del carbón 3D: Pirólisis

1. Colocar las muestras preparadas usando fotolitografía (pasos 2.1-2.17) dentro de un horno a presión de tubo abierto.
2. Encienda el horno y establezca los parámetros para la pirólisis, como se mencionó anteriormente en el paso 1. Repita el proceso desde el paso 1.6-1.8.
3. Manejar las muestras con cuidado usando pinzas y proceda a caracterizarCión.

Resultados

En la figura 1 se muestra un esquema del proceso de fabricación de microfibras huecas de carbono derivadas del cabello humano. El cabello humano carbonizado se caracterizó utilizando SEM para estimar la contracción. El diámetro del cabello disminuyó de 82,88 ± 0,003 μm a 31,42 ± 0,003 μm debido a la pirólisis. En la Figura 2 se muestran imágenes microscópicas electrónicas de barrido (SEM) de diversos patrones realiz...

Discusión

En este trabajo se informaron los métodos para fabricar una variedad de microestructuras de carbono basadas en la pirólisis de materiales precursores naturales o estructuras poliméricas con motivos fotográficos. Los materiales de carbono resultantes de los procesos C-MEMS / C-NEMS tradicionales y no convencionales se encuentran típicamente que son carbones vítreos. El carbono vítreo es un material de electrodo ampliamente utilizado para la electroquímica y también para aplicaciones de alta temperatura. La micro...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
SU8-2100	Microchem	Product number-Y1110750500L
Spinner	Laurell Technologies Corporation	Model-WS650HZB-23NPP/UD3
Hotplate	Torrey Pines Scientific	HS61
UV-exposer	Mercury Lamp, SYLVANIA	H44GS-100M, P/N-34-0054-01
Photomask	CAD/Art		No number
Developer	Microchem	Y020100 4000L
DI water system	Milli Q	ZOOQOVOTO
IPA	CTR Sientific	CTR 01244
N2 gas	AOC Mexico		No number
Furnace	PEO 601, ATV Technologie GMBH	Model-PEO 601, Serial no.-195
Si/SiO2	Noel Technologies