Fabrication de systèmes microélectromécaniques en carbone 3D (C-MEMS)

Résumé

Des microfibres de carbone vitreuses longues et creuses ont été fabriquées sur la base de la pyrolyse d'un produit naturel, les cheveux humains. Les deux étapes de fabrication des systèmes microélectromécaniques de carbone et des systèmes nanoélectromécaniques de carbone, ou C-MEMS et C-NEMS sont: (i) la photolithographie d'un précurseur de polymère riche en carbone et (ii) la pyrolyse du précurseur de polymère à motifs.

Résumé

Une large gamme de sources de carbone sont disponibles dans la nature, avec une variété de configurations de micro-nanostructures. Ici, une nouvelle technique pour fabriquer des microfibres de carbone vitres longues et creuses dérivées de cheveux humains est introduite. Les structures de carbone longues et creuses ont été fabriquées par pyrolyse des cheveux humains à 900 ° C dans une atmosphère N ₂ . La morphologie et la composition chimique des poils humains naturels et pyrolysés ont été étudiés à l'aide d'une microscopie électronique à balayage (SEM) et d'une spectroscopie à rayons X à électrons (EDX) pour estimer les changements physiques et chimiques dus à la pyrolyse. La spectroscopie Raman a été utilisée pour confirmer la nature vitreuse des microstructures de carbone. Le carbone capillaire pyrolysé a été introduit pour modifier les électrodes de carbone imprimées à l'écran; Les électrodes modifiées ont ensuite été appliquées à la détection électrochimique de la dopamine et de l'acide ascorbique. La performance de détection des capteurs modifiés a été améliorée par rapport à l'unmodiDes capteurs fixés. Pour obtenir la conception souhaitée de la structure du carbone, on a développé une technologie de micro- / nanoélectromécanique du carbone (C-MEMS / C-NEMS). Le procédé de fabrication C-MEMS / C-NEMS le plus courant se compose de deux étapes: (i) le modelage d'un matériau de base riche en carbone, tel qu'un polymère photosensible, à l'aide de photolithographie; Et (ii) la carbonisation par pyrolyse du polymère à motif dans un environnement exempt d'oxygène. Le procédé C-MEMS / NEMS a été largement utilisé pour développer des dispositifs microélectroniques pour diverses applications, y compris dans les micro-batteries, les supercapacités, les capteurs de glucose, les capteurs de gaz, les piles à combustible et les nanogénérateurs triboélectriques. Ici, on discute des développements récents d'une microstructure de carbone solide et creuse à fort aspect, avec des photorésines SU8. Le rétrécissement structurel pendant la pyrolyse a été étudié à l'aide de microscopie confocale et de SEM. La spectroscopie Raman a été utilisée pour confirmer la cristallinité de la structure et le pourcentage atomique des éléments présélectionnésNt dans le matériau avant et après la pyrolyse a été mesurée à l'aide d'EDX.

Introduction

Le carbone a de nombreux allotropes et, selon l'application particulière, on peut choisir l'un des allotropes suivants: nanotubes de carbone (CNT), graphite, diamant, carbone amorphe, lonsdaleite, buckminsterfullerene (C ₆₀ ), fullerite (C ₅₄₀ ), fullerène ( C ₇₀ ), et du carbone vitreux ^{1 , 2 , 3 , 4} . Le carbone vitreux est l'un des allotropes les plus utilisés en raison de ses propriétés physiques, y compris l'isotropie élevée. Il possède également les propriétés suivantes: bonne conductivité électrique, faible coefficient de dilatation thermique et imperméabilité aux gaz.

Il y a eu une recherche continue de matériaux précurseurs riches en carbone pour obtenir des structures de carbone. Ces précurseurs peuvent être des matériaux artificiels ou des produits naturels qui sont disponibles dans des formes particulières, et même incluent des déchets. Une grande variété de micr Les o / nanostructures sont formées par des processus biologiques ou environnementaux dans la nature, ce qui se traduit par des caractéristiques uniques qui sont extrêmement difficiles à créer à l'aide d'outils de fabrication classiques. Comme le modelage a eu lieu naturellement dans ce cas, la synthèse des nanomatériaux utilisant des précurseurs d'hydrocarbures naturels et résiduaires pourrait être réalisée à l'aide d'un procédé simple de décomposition thermique dans une atmosphère inerte ou sous vide appelée pyrolyse ⁵ . Le graphène de haute qualité, les CNT à une seule paroi, les CNT à parois multiples et les points de carbone ont été produits par décomposition thermique ou la pyrolyse de précurseurs et de déchets dérivés de plantes, y compris les graines, les fibres et les huiles, comme l'huile de térébenthine, l'huile de sésame , L'huile de neem ( Azadirachta indica ), l'huile d'eucalyptus, l'huile de palme et l'huile de jatropha. En outre, les produits de camphère, les extraits de théiers, les déchets alimentaires, les insectes, les déchets agricoles et les produits alimentaires ont été utilisés ^{6 , 7 ,}Ass = "xref"> 8 ^{, 9} Récemment, les chercheurs ont même utilisé des cocons de soie comme matériau précurseur pour préparer des microfibres de carbone poreuses ¹⁰ . Les cheveux humains, généralement considérés comme des déchets, ont récemment été utilisés par cette équipe. Il est constitué d'environ 91% de polypeptides, qui contiennent plus de 50% de carbone; Le reste sont des éléments tels que l'oxygène, l'hydrogène, l'azote et le soufre ¹¹ . Les cheveux comportent également plusieurs propriétés intéressantes, telles qu'une dégradation très lente, une haute résistance à la traction, une isolation thermique élevée et une haute récupération élastique. Récemment, il a été utilisé pour préparer des flocons de carbone utilisés dans les supercondensateurs ¹² et pour créer des microfibres de carbone creuses pour la détection électrochimique ¹³ .

L'usinage d'un matériau carboné en vrac pour fabriquer des structures tridimensionnelles (3D) est une tâche difficile car le matériau est très fragile. L'ion focaliséAm ^{14 , 15} ou la gravure ionique réactive ¹⁶ peut être utile dans ce contexte, mais ce sont des processus coûteux et longs. La technologie du système microélectromécanique du carbone (C-MEMS), basée sur la pyrolyse des structures polymères à motifs, représente une alternative polyvalente. Au cours des deux dernières décennies, C-MEMS et les systèmes nanoélectromécaniques de carbone (C-NEMS) ont reçu beaucoup d'attention en raison des étapes de fabrication simples et peu coûteuses impliquées. Le procédé de fabrication C-MEMS classique se déroule en deux étapes: (i) la mise au point d'un précurseur polymère ( par exemple, un photorésist) avec une photolithographie et (ii) une pyrolyse des structures à motifs. Les précurseurs de polymères ultraviolets (UV), tels que les photorésines SU8, sont souvent utilisés pour structurer des structures basées sur la photolithographie. En général, le processus de photolithographie comprend des étapes pour le revêtement par centrifugation, le biscuit souple, l'exposition aux UV, le post-cuisson et le développementLopment. Dans le cas de C-MEMS; silicium; dioxyde de silicone; nitrure de silicium; quartz; Et, plus récemment, le saphir a été utilisé comme substrat. Les structures polymères à motifs photographiés sont carbonisées à une température élevée (800-1 100 ° C) dans un environnement exempt d'oxygène. À ces températures élevées dans un vide ou une atmosphère inerte, tous les éléments non-carbone sont enlevés, ne laissant que du carbone. Cette technique permet de réaliser des structures de carbone vitreux de haute qualité, qui sont très utiles pour de nombreuses applications, y compris la détection électrochimique ¹⁷ , le stockage d'énergie ¹⁸ , la nanogénération triboélectrique ¹⁹ et la manipulation de particules électrochimiques ^20. De même, la fabrication de microstructures 3D avec Les rapports d'aspect élevés en utilisant C-MEMS sont devenus relativement faciles et ont conduit à une grande variété d'applications d'électrodes de carbone ^{18 , 21 , 22 , 23} , remplaçant souvent les électrodes en métal noble.

Dans ce travail, le développement récent d'un moyen simple et rentable de fabriquer des microfibres de carbone creuses à partir de cheveux humains en utilisant la technologie C-MEMS non conventionnelle ¹³ est introduit. Le procédé C-MEMS classique à base de polymère SU8 est également décrit ici. Spécifiquement, la procédure de fabrication des solides à fort rapport et des structures SU8 creuses est décrite ^24.

Protocole

1. Fabrication de structure de carbone dérivée de cheveux humains 3D

REMARQUE: utiliser un équipement de protection individuelle. Suivez les instructions de laboratoire pour utiliser les instruments et travailler au laboratoire.

1. Préparez les cheveux humains collectés en le lavant avec de l'eau DI et en le séchant avec du N ₂ gaz.
2. Disposez les cheveux comme vous le souhaitez, par exemple dans des brins parallèles, traversez, avec deux cheveux enroulés ensemble, etc.
3. Fixez les cheveux sur un substrat de silicium en utilisant SU8 ou gardez-les directement dans un bateau en céramique.
4. Placez le substrat de silicium ou le bateau dans un four.
5. Allumez le four et ouvrez la soupape d'un réservoir de gaz inerte (N ₂ ).
   REMARQUE: Le débit de gaz optimal dépend du volume du tube du four. Un débit de 6 L / min a été appliqué pour un volume de tube de 6 L. Pour établir un environnement complètement inerte dans le tube du four, un débit de gaz 1,5 fois supérieur au gaz optimal fLe taux bas a été appliqué pendant les 15 premières minutes.
6. Réglez les paramètres, y compris la température maximale de pyrolyse, la vitesse de la rampe de température et le débit de gaz inerte, et faites fonctionner le four.
   1. Par exemple, augmenter la température de la température ambiante à 300 ° C à une vitesse de rampe de 5 ° C / min. Gardez-le à 300 ° C pendant 1 h pour la stabilisation. Augmentez encore la température à 900 ° C et maintenez-la pendant 1 heure de plus pour la carbonisation.
   2. Refroidir le four jusqu'à 300 ° C à une vitesse de 10 ° C / min et éteindre le chauffage du four, car le refroidissement contrôlé n'est pas nécessaire après 300 ° C. Laisser les échantillons dans le four jusqu'à ce que la température atteigne la température ambiante par écoulement N ₂ seulement.
7. Éteignez le four et le débit de gaz après la fin du processus de pyrolyse.
8. Sortez les échantillons hors du four.

2. Structure en polymère 3D: photolithographie

1. DesAffectez une mise en page 2D de la structure de photorésist 3D souhaitée en utilisant un progiciel approprié et préparez le masque imprimé ( c'est-à-dire un masque de photofilm en polyéthylène).
   REMARQUE: Un service commercial a été utilisé pour obtenir la conception imprimée. La taille du masque dépend généralement de la conception.
2. Dans une installation de laboratoire propre, allumez deux plaques chauffantes et réglez les températures à 65 ° C et 95 ° C, respectivement.
3. Allumez un revêtement rotatif et une pompe à vide. Assurez-vous que la pompe à vide est connectée par un tube à la tête de la filière.
4. Réglez les paramètres du spin en deux étapes, tels que la vitesse de rotation, la rampe et la durée. Pour la première étape, réglez la vitesse de rotation à 500 tr / min, la rampe à 100 tr / min et le temps de rotation à 10 s pour commencer le cycle d'essorage. Pour la prochaine étape, réglez la vitesse de rotation à 1.000 tr / min, la rampe à 100 tr / min et le temps de rotation à 30 s pour répartir uniformément le photorésist.
5. Placez un substrat ( c.-à-d. 4 pouces x 4 pouces et 5501; m ± 25 μm d'épaisseur de plaque de Si avec une couche de SiO _{2 de} 1 μm d'épaisseur) au centre du support.
6. Déposer le polymère photosensible (c'est-à-dire le photoréserve SU8) directement sur le centre du substrat. Utilisez suffisamment pour couvrir la surface.
7. Appuyez sur le bouton "vide" pour maintenir le substrat.
8. Appuyez sur le bouton "course" pour revêtir le substrat avec SU8 et pour atteindre une épaisseur finale de 250 μm.
9. Après l'achèvement du processus de filage, appuyez à nouveau sur le bouton "vide" pour libérer le support revêtu du support.
10. Tenir le substrat enduit avec précaution avec une pince pour maintenir la surface lisse et propre. Transférer le substrat directement sur la plaque chauffante à une température de 65 ° C pendant 6 min, puis sur la plaque chauffante à 95 ° C pendant 40 minutes (cuisson douce).
    REMARQUE: une cuisson à 65 ° C est nécessaire pour assurer l'évaporation lente du solvant, ce qui se traduit par un meilleur revêtement et une meilleure adhérence tO le substrat, tandis que la cuisson à 95 ° C densifie davantage le SU8.
11. En attendant, appuyez sur le bouton pour allumer le système d'exposition aux UV et réglez le temps d'exposition sur "12 s" à l'aide du bouton set du système.
    REMARQUE: Pour une couche SU8 de 250 μm d'épaisseur, l'énergie d'exposition doit être de 360 ​​mJ / cm ² .
12. Une fois que l'étape de cuisson (étape 2.10) est terminée, placez le substrat dans le système d'exposition aux UV et placez le côté imprimé d'un photomasque (de l'étape 2.1) sur celui-ci. Utilisez toute la zone du masque pour recouvrir le substrat revêtu et appuyez doucement pour s'assurer qu'il n'y a pas d'espace entre le masque et le substrat.
13. Exposez le substrat revêtu de SU8 aux rayons UV à travers le photomasque en utilisant des paramètres UV prédéfinis.
14. Chauffer le substrat à nouveau en le plaçant directement sur la plaque chauffante à 65 ° C pendant 5 min et à 95 ° C pendant 14 min pour une cuisson au post-exposition (PEB).
    REMARQUE: Le PEB augmente le degré de réticulation dans les zones exposées aux UV et rend leRevêtement plus résistant aux solvants dans l'étape de développement.
15. Retirez les régions photoresistantes non exposées en immergeant le substrat dans la solution de révélateur dédiée, placé dans un bécher, pendant 20 min. Secouez continuellement la solution (soigneusement) pour assurer l'élimination complète des zones de résistance non exposées.
16. Séchez les structures développées en maintenant le substrat et en soufflant d'azote ou d'air comprimé.
17. Inspectez la plaquette sous un microscope avec un grossissement de 50X pour comparer les motifs transférés au photorésist avec les motifs souhaités.

3. Fabrication de la structure du carbone 3D: pyrolyse

1. Placez les échantillons préparés à l'aide de la photolithographie (étapes 2.1-2.17) dans un four à tube à pression et sous pression.
2. Allumez le four et définissez les paramètres de pyrolyse, comme mentionné ci-dessus à l'étape 1. Répétez le processus à partir de l'étape 1.6-1.8.
3. Manipulez les échantillons avec soin à l'aide de pincettes et passez à la caractéristiqueAtion.

Résultats

Un schéma du procédé de fabrication des microfibres de carbone creuses dérivées des cheveux humains est représenté sur la figure 1 . Les cheveux humains carbonisés ont été caractérisés à l'aide de SEM pour estimer le retrait. Le diamètre des cheveux a diminué de 82,88 ± 0,003 μm à 31,42 ± 0,003 μm en raison de la pyrolyse. Des images microscopiques électroniques à balayage (SEM) de différents motifs fabriqués à l'aide de micr...

Discussion

Dans cet article, les procédés de fabrication d'une variété de microstructures de carbone basées sur la pyrolyse de matériaux précurseurs naturels ou de structures polymères à motifs photographiques ont été rapportés. Les matériaux carbonés résultant à la fois des procédés C-MEMS / C-NEMS traditionnels et non conventionnels se retrouvent généralement comme des carbones vitreux. Le carbone vitreux est un matériau d'électrode largement utilisé pour l'électrochimie et aussi pour les appl...

matériels

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