Este trabajo fue apoyado por el Tecnológico de Monterrey y la Universidad de California en Irvine.

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. <ol><li> Prepare el pelo humano recogido lavándolo con agua DI y secándolo con gas N2. </li><li> Colocar los pelos como se desee, como en hilos paralelos, cruzar, con dos pelos enrollados juntos, etc. </li><li> Conecte los pelos a un sustrato de silicio utilizando SU8 o guárdelos directamente en un barco de cerámica. </li><li> Coloque el substrato o el barco de silicio unido al cabello en un horno. </li><li> 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Apague el horno y el flujo de gas al finalizar el proceso de pirólisis. </li><li> Saque las muestras del horno. </li></ol> 2. Fabricación de la estructura del polímero 3D: Fotolitografía <ol><li> 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. </li><li> En un laboratorio limpio, encienda dos placas calientes y establezca las temperaturas a 65 ° C y 95 ° C, respectivamente. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Depósito de polímero fotosensible (es decir, fotorresistencia SU8) directamente sobre el centro del sustrato. Use lo suficiente para cubrir la superficie. </li><li> Presione el botón de &quot;vacío&quot; para sostener el sustrato. </li><li> Presione el botón &quot;run&quot; para cubrir el sustrato con SU8 y lograr un espesor final de 250 μm. </li><li> Después de completar el proceso de hilatura, presione el botón &quot;vacío&quot; de nuevo para liberar el sustrato recubierto del soporte. </li><li> 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. </li><li> Mientras tanto, presione el interruptor para encender el sistema de exposición a los rayos UV y ajuste el tiempo de exposición a &quot;12 s&quot; 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 . </li><li> 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. </li><li> Exponer el sustrato recubierto de SU8 a la radiación UV a través de la fotomáscara utilizando configuraciones UV predefinidas. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Seque las estructuras desarrolladas sujetando el sustrato y soplando nitrógeno o aire comprimido sobre él. </li><li> Inspeccione la oblea bajo un microscopio con una ampliación de 50X para comparar los patrones transferidos a la fotorresistencia con los patrones deseados. </li></ol> 3. Fabricación de la estructura del carbón 3D: Pirólisis <ol><li> Colocar las muestras preparadas usando fotolitografía (pasos 2.1-2.17) dentro de un horno a presión de tubo abierto. </li><li> 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. </li><li> Manejar las muestras con cuidado usando pinzas y proceda a caracterizarCión. </li></ol>

<ol>
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B., Kim, D. M., Lee, W., Shim, Y. B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. J., Hwang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+hair-derived+hollow+carbon+microfibers+for+electrochemical+sensing.">Human hair-derived hollow carbon microfibers for electrochemical sensing.</a> Carbon. 107, 872-877 (2016).</li><li>Miura, N., Numaguchi, T., Yamada, A., Konagai, M., Shirakashi, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Room+temperature+operation+of+amorphous+carbon-based+single-electron+transistors+fabricated+by+beam-induced+deposition+techniques.">Room temperature operation of amorphous carbon-based single-electron transistors fabricated by beam-induced deposition techniques.</a> Jpn J Appl Phys. 37 (2), L423-L425 (1998).</li><li>Irie, M., Endo, S., Wang, C. L., Ito, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+and+properties+of+lateral+p-i-p+structures+using+single+crystalline+CVD+diamond+layers+for+high+electric+&#64257;eld+applications.">Fabrication and properties of lateral p-i-p structures using single crystalline CVD diamond layers for high electric &#64257;eld applications.</a> Diamond Rel Mater. 12, 1563-1568 (2003).</li><li>Tay, B. K., Sheeja, D., Yu, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+stress+reduction+of+tetrahedral+amorphous+carbon+&#64257;lms+for+moving+mechanical+assemblies.">On stress reduction of tetrahedral amorphous carbon &#64257;lms for moving mechanical assemblies.</a> Diamond Rel Mater. 12 (2), 185-194 (2003).</li><li>Kamath, R. R., 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=Three-dimensional+carbon+interdigitated+electrode+arrays+for+redox-amplification.">Three-dimensional carbon interdigitated electrode arrays for redox-amplification.</a> Anal Chem. 86 (6), 2963-2971 (2014).</li><li>Sharma, S., Khalajhedayati, A., Rupert, T. J., 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=SU8+derived+glassy+carbon+for+lithium+ion+batteries.">SU8 derived glassy carbon for lithium ion batteries.</a> ECS Trans. 61 (7), 75-84 (2014).</li><li>Kim, D., Pramanick, B., Salazar, A., Tcho, I. -. W., Madou, M. J., Jung, E. S., Choi, Y. -. K., Hwang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+carbon+electrode+based+triboelectric+nanogenerator.">3D carbon electrode based triboelectric nanogenerator.</a> Adv Mater Technol. 1 (8), 1-7 (2016).</li><li>Duarte, R. M., Gorkin, R. A., Samra, K. B., 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=The+integration+of+3D+carbon-electrode+dielectrophoresis+on+a+CD-like+centrifugal+microfluidic+platform.">The integration of 3D carbon-electrode dielectrophoresis on a CD-like centrifugal microfluidic platform.</a> Lab Chip. 10 (8), 1030-1043 (2010).</li><li>Mund, K., Richter, G., Weidlich, E., Fahlstrom, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+properties+of+platinum,+glassy+carbon,+and+pyrographite+as+stimulating+electrodes.">Electrochemical properties of platinum, glassy carbon, and pyrographite as stimulating electrodes.</a> Pacing Clin Electrophysiol. 9 (6), 1225-1229 (1986).</li><li>Xua, H., Malladi, K., Wang, C., Kulinsky, L., Song, M., Madou, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+post-microarrays+for+glucose+sensors.">Carbon post-microarrays for glucose sensors.</a> Biosens Bioelectron. 23 (11), 1637-1644 (2008).</li><li>Sharma, S., Madou, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro+and+nano+patterning+of+carbon+electrodes+for+bioMEMS.">Micro and nano patterning of carbon electrodes for bioMEMS.</a> Bioinspir Biomim Nanobiomat. 1, 252-265 (2012).</li><li>Pramanick, B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+biocompatible+hollow+microneedles+using+the+C-MEMS+process+for+transdermal+drug+delivery.">Fabrication of biocompatible hollow microneedles using the C-MEMS process for transdermal drug delivery.</a> ECS Trans. 72 (1), 45-50 (2016).</li></ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

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...

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<html> 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 , </sup&gt; 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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="690">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">SU8-2100</td>
			<td style="width:141px;">Microchem</td>
			<td style="width:167px;">Product number-Y1110750500L</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Spinner</td>
			<td style="width:141px;">Laurell Technologies Corporation</td>
			<td style="width:167px;">Model-WS650HZB-23NPP/UD3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Hotplate</td>
			<td style="width:141px;">Torrey Pines Scientific</td>
			<td style="width:167px;">HS61</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">UV-exposer</td>
			<td style="width:141px;">Mercury Lamp, SYLVANIA</td>
			<td style="width:167px;">H44GS-100M, P/N-34-0054-01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Photomask</td>
			<td style="width:141px;">CAD/Art</td>
			<td style="width:167px;"></td>
			<td>No number</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Developer&#160;</td>
			<td style="width:141px;">Microchem</td>
			<td style="width:167px;">Y020100 4000L&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">DI water system</td>
			<td style="width:141px;">Milli Q</td>
			<td style="width:167px;">ZOOQOVOTO</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">IPA</td>
			<td style="width:141px;">CTR Sientific</td>
			<td style="width:167px;">CTR 01244</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">N2 gas</td>
			<td style="width:141px;">AOC Mexico</td>
			<td style="width:167px;"></td>
			<td>No number</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Furnace</td>
			<td style="width:141px;">PEO 601, ATV Technologie GMBH</td>
			<td style="width:167px;">Model-PEO 601, Serial no.-195</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Si/SiO2</td>
			<td style="width:141px;">Noel Technologies</td>
			<td style="width:167px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication of 3d carbon microelectromechanical systems (c-mems)

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.

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...

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Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems C-MEMS

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.

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

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems (C-MEMS)

12.0K vistas.  Tecnologico de Monterrey.  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. 

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Fabrication, Densification, and Replica Molding of 3D Carbon Nanotube Microstructures

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip devices, and their applications. In particular, capabilities for cost-effective fabrication of polymer microstructures were transformed by the advent of soft lithography and other micromolding techniques 1, 2, and this led a revolution in applications of microfabrication to biomedical engineering and biology. Nevertheless, it remains challenging to fabricate microstructures with well-defined nanoscale surface textures, and to fabricate arbitrary 3D shapes at the micro-scale. Robustness of master molds and maintenance of shape integrity is especially important to achieve high fidelity replication of complex structures and preserving their nanoscale surface texture. The combination of hierarchical textures, and heterogeneous shapes, is a profound challenge to existing microfabrication methods that largely rely upon top-down etching using fixed mask templates. On the other hand, the bottom-up synthesis of nanostructures such as nanotubes and nanowires can offer new capabilities to microfabrication, in particular by taking advantage of the collective self-organization of nanostructures, and local control of their growth behavior with respect to microfabricated patterns. 
Our goal is to introduce vertically aligned carbon nanotubes (CNTs), which we refer to as CNT "forests", as a new microfabrication material. We present details of a suite of related methods recently developed by our group: fabrication of CNT forest microstructures by thermal CVD from lithographically patterned catalyst thin films; self-directed elastocapillary densification of CNT microstructures; and replica molding of polymer microstructures using CNT composite master molds. In particular, our work shows that self-directed capillary densification ("capillary forming"), which is performed by condensation of a solvent onto the substrate with CNT microstructures, significantly increases the packing density of CNTs. This process enables directed transformation of vertical CNT microstructures into straight, inclined, and twisted shapes, which have robust mechanical properties exceeding those of typical microfabrication polymers. This in turn enables formation of nanocomposite CNT master molds by capillary-driven infiltration of polymers. The replica structures exhibit the anisotropic nanoscale texture of the aligned CNTs, and can have walls with sub-micron thickness and aspect ratios exceeding 50:1. Integration of CNT microstructures in fabrication offers further opportunity to exploit the electrical and thermal properties of CNTs, and diverse capabilities for chemical and biochemical functionalization 3.

We present methods for fabrication of patterned microstructures of vertically aligned carbon nanotubes (CNTs), and their use as master molds for production of polymer microstructures with organized nanoscale surface texture. The CNT forests are densified by condensation of solvent onto the substrate, which significantly increases their packing density and enables self-directed formation of 3D shapes.

Fabricación, densificación, y la réplica de Moldeo por inyección de microestructuras 3D nanotubos de carbono

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip ...

Investigación

Ingeniería

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.

De alta resolución, de alta velocidad, tridimensional de imágenes de vídeo con técnicas de proyección digital de Fringe

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

Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from the inherent strong electron correlations that reside within them. These materials can also possess electronic phase separation in which regions of vastly different resistive and magnetic behavior can coexist within a single crystal alloy material. By reducing the scale of these materials to length scales at and below the inherent size of the electronic domains, novel behaviors can be exposed. Because of this and the fact that spin-charge-lattice-orbital order parameters each involve correlation lengths, spatially reducing these materials for transport measurements is a critical step in understanding the fundamental physics that drives complex behaviors. These materials also offer great potential to become the next generation of electronic devices 1-3. Thus, the fabrication of low dimensional nano- or micro-structures is extremely important to achieve new functionality. This involves multiple controllable processes from high quality thin film growth to accurate electronic property characterization. Here, we present fabrication protocols of high quality microstructures for complex oxide manganite devices. Detailed descriptions and required equipment of thin film growth, photo-lithography, and wire-bonding are presented.

We describe the use of pulsed laser deposition (PLD), photolithography and wire-bonding techniques to create micrometer scale complex oxides devices. The PLD is utilized to grow epitaxial thin films. Photolithography and wire-bonding techniques are introduced to create practical devices for measurement purposes.

La fabricación de óxidos complejos espacialmente confinados

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from ...

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

Fabricación y Pruebas de microfluidos optomecánicos Osciladores

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Fabrication of Low Temperature Carbon Nanotube Vertical Interconnects Compatible with Semiconductor Technology

We demonstrate a method for the low temperature growth (350 &#176;C) of vertically-aligned carbon nanotubes (CNT) bundles on electrically conductive thin-films. Due to the low growth temperature, the process allows integration with modern low-&#954; dielectrics and some flexible substrates. The process is compatible with standard semiconductor fabrication, and a method for the fabrication of electrical 4-point probe test structures for vertical interconnect test structures is presented. Using scanning electron microscopy the morphology of the CNT bundles is investigated, which demonstrates vertical alignment of the CNT and can be used to tune the CNT growth time. With Raman spectroscopy the crystallinity of the CNT is investigated. It was found that the CNT have many defects, due to the low growth temperature. The electrical current-voltage measurements of the test vertical interconnects displays a linear response, indicating good ohmic contact was achieved between the CNT bundle and the top and bottom metal electrodes. The obtained resistivities of the CNT bundle are among the average values in the literature, while a record-low CNT growth temperature was used.

A method for the growth of low temperature vertically-aligned carbon nanotubes, and the subsequent fabrication of vertical interconnect electrical test structures using semiconductor fabrication is presented.

Fabricación de Baja Temperatura de nanotubos de carbono Interconexiones verticales Compatible con la tecnología de semiconductores

We demonstrate a method for the low temperature growth (350 &#176;C) of vertically-aligned carbon nanotubes (CNT) bundles on electrically conductive ...

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors (MKIDs) for the detection of faint astrophysical signatures, as well as for quantum computing applications and materials characterization. In this paper, procedures are presented for the fabrication and characterization of thin-film superconducting microwave resonators. The fabrication methodology allows for the realization of superconducting transmission-line resonators with features on both sides of an atomically smooth single-crystal silicon dielectric. This work describes the procedure for the installation of resonator devices into a cryogenic microwave testbed and for cool-down below the superconducting transition temperature. The set-up of the cryogenic microwave testbed allows one to do careful measurements of the complex microwave transmission of these resonator devices, enabling the extraction of the properties of the superconducting lines and dielectric substrate (e.g., internal quality factors, loss and kinetic inductance fractions), which are important for device design and performance.

Superconducting microwave resonators are of interest for detection of light, quantum computing applications and materials characterization. This work presents a detailed procedure for fabrication and characterization of superconducting microwave resonator scattering parameters.

Fabricación y caracterización de resonadores superconductores

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors ...

Two-way Valorization of Blast Furnace Slag: Synthesis of Precipitated Calcium Carbonate and Zeolitic Heavy Metal Adsorbent

The aim of this work is to present a zero-waste process for storing CO2 in a stable and benign mineral form while producing zeolitic minerals with sufficient heavy metal adsorption capacity. To this end, blast furnace slag, a residue from iron-making, is utilized as the starting material. Calcium is selectively extracted from the slag by leaching with acetic acid (2 M CH3COOH) as the extraction agent. The filtered leachate is subsequently physico-chemically purified and then carbonated to form precipitated calcium carbonate (PCC) of high purity (&lt;2 wt% non-calcium impurities, according to ICP-MS analysis). Sodium hydroxide is added to neutralize the regenerated acetate. The morphological properties of the resulting calcitic PCC are tuned for its potential application as a filler in papermaking. In parallel, the residual solids from the extraction stage are subjected to hydrothermal conversion in a caustic solution (2 M NaOH) that leads to the predominant formation of a particular zeolitic mineral phase (detected by XRD), namely analcime (NaAlSi2O6&#8729;H2O). Based on its ability to adsorb Ni2+, as reported from batch adsorption experiments and ICP-OES analysis, this product can potentially be used in wastewater treatment or for environmental remediation applications.

A protocol for the parallel production of precipitated calcium carbonate and zeolitic material from blast furnace slag via mineral carbonation and alkaline hydrothermal conversion, respectively, is presented. The performance of the zeolitic material towards nickel adsorption is tested.

Dos vías de valorización de escoria de alto horno: Síntesis de carbonato de calcio precipitado y zeolíticos adsorbente de metales pesados

The aim of this work is to present a zero-waste process for storing CO2 in a stable and benign mineral form while producing zeolitic minerals with ...

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) scaffolds with tunable specific surface areas up to 80 m2&#183;g-1. An aqueous solution of a zirconium salt, yttrium salt, and glucose is mixed with propylene oxide (PO) to form a gel. The gel is dried under ambient conditions to form a xerogel. The xerogel is pressed into pellets and then sintered in an argon atmosphere. During sintering, a YSZ ceramic phase forms and the organic components decompose, leaving behind amorphous carbon. The carbon formed in situ serves as a hard template, preserving a high surface area YSZ nanomorphology at sintering temperature. The carbon is subsequently removed by oxidation in air at low temperature, resulting in a porous, nanostructured YSZ scaffold. The concentration of the carbon template and the final scaffold surface area can be systematically tuned by varying the glucose concentration in the gel synthesis. The carbon template concentration was quantified using thermogravimetric analysis (TGA), the surface area and pore size distribution was determined by physical adsorption measurements, and the morphology was characterized using scanning electron microscopy (SEM). Phase purity and crystallite size was determined using X-ray diffraction (XRD). This fabrication approach provides a novel, flexible platform for realizing unprecedented scaffold surface areas and nanomorphologies for ceramic-based electrochemical energy conversion applications, e.g. solid oxide fuel cell (SOFC) electrodes.

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia YSZ Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

A protocol for fabricating porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ) scaffolds at temperatures between 1,000 &#176;C and 1,400 &#176;C is presented.

Alta Fabrication Temperatura de-estabilizada con itria-óxido de circonio andamios nanoestructurados (YSZ) por<em&gt; In Situ</em&gt; carbono Templating xerogeles

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) ...

Production and Characterization of Vacuum Deposited Organic Light Emitting Diodes

A method for producing simple and efficient thermally-activated delayed fluorescence organic light-emitting diodes (OLEDs) based on guest-host or exciplex donor-acceptor emitters is presented. With a step-by-step procedure, readers will be able to repeat and produce OLED devices based on simple organic emitters. A patterning procedure allowing the creation of personalized indium tin oxide (ITO) shape is shown. This is followed by the evaporation of all layers, encapsulation and characterization of each individual device. The end goal is to present a procedure that will give the opportunity to repeat the information presented in cited publication but also using different compounds and structures in order to prepare efficient OLEDs.

A protocol for the production of simple structured organic light-emitting diodes (OLEDs) is presented.

Producción y caracterización de vacío depositan diodos electroluminosos orgánicos

A method for producing simple and efficient thermally-activated delayed fluorescence organic light-emitting diodes (OLEDs) based on guest-host or exciplex ...

Atmospheric Pressure Fabrication of Large-Sized Single-Layer Rectangular SnSe Flakes

Tin selenide (SnSe) belongs to the family of layered metal chalcogenide materials with a buckled structure like phosphorene, and has shown potential for applications in two-dimensional nanoelectronics devices. Although many methods to synthesize SnSe nanocrystals have been developed, a simple way to fabricate large-sized single-layer SnSe flakes remains a great challenge. Herein, we show the experimental method to directly grow large-sized single-layer rectangular SnSe flakes on commonly used SiO2/Si insulating substrates using a straightforward two-step fabrication method in an atmospheric pressure quartz tube furnace system. The single-layer rectangular SnSe flakes with an average thickness of ~6.8 &#197; and lateral dimensions of about 30 &#181;m &#215; 50 &#181;m were fabricated by a combination of vapor transport deposition technique and nitrogen etching route. We characterized the morphology, microstructure, and electrical properties of the rectangular SnSe flakes and obtained excellent crystallinity and good electronic properties. This article about the two-step fabrication method can help researchers grow other similar two-dimensional, large-sized, single-layer materials using an atmospheric pressure system.

A protocol is presented demonstrating a two-step fabrication technique to grow large-sized single-layer rectangular shaped SnSe flakes on low-cost SiO2/Si dielectrics wafers in an atmospheric pressure quartz tube furnace system.

Presión atmosférica fabricación de escamas de gran tamaño SnSe Rectangular de una sola capa

Tin selenide (SnSe) belongs to the family of layered metal chalcogenide materials with a buckled structure like phosphorene, and has shown potential for ...