この研究は、Technologico de Monterreyとカリフォルニア大学アーバイン校の支援を受けました。

1.三次元人毛由来炭素構造体の作製注記：個人用保護具を使用してください。機器を使用し、検査室の内部で作業するために、検査室の指示に従ってください。 <ol><li>採取した人毛を脱イオン水で洗浄し、N 2ガスで乾燥させて準備する。 </li><li>平行な撚り線、クロスオーバー、2本の髪の毛を巻きつけるなど、必要に応じて髪を整えます。 </li><li> SU8を使用してシリコン基板に毛を付けたり、セラミックボートに直接入れてください。 </li><li>髪に付着したシリコン基板またはボートを炉に入れる。 </li><li>炉の電源を入れ、不活性ガス（N 2 ）タンクのバルブを開きます。 注：最適なガス流量はファーネスチューブの容積に依存します。 6Lの管容積に対して6L /分の流速を適用した。炉管内に完全に不活性な環境を確立するために、最適ガスfの1.5倍のガス流量低速を最初の15分間適用した。 </li><li> 最大熱分解温度、温度上昇率、不活性ガス流量などのパラメータを設定し、炉を運転します。 <ol><li>たとえば、室温から300℃まで5℃/分の上昇率で温度を上げます。安定化のために300℃で1時間保持する。さらに温度を900℃に上げ、炭化のために1時間以上維持します。 </li><li>炉を300℃まで10℃/分の速度で冷却し、炉のヒーターを止めます。300℃後に冷却を制御する必要はありません。温度がN 2フローのみによって室温に達するまで、試料を炉内に放置する。 </li></ol></li><li>熱分解プロセスの完了時に炉とガスの流れを止めてください。 </li><li>サンプルを炉から取り出します。 </li></ol> 2. 3Dポリマー構造作製：フォトリソグラフィー<ol><li>デス適切なソフトウェアパッケージを使用して所望の3Dフォトレジスト構造の2Dレイアウトを無視し、印刷されたマスク（ すなわち、ポリエチレンフォトマスクマスク）を準備する。 注：商業サービスを使用してデザインを印刷しました。マスクのサイズは、一般に設計に依存する。 </li><li>清潔な実験施設では、2枚のホットプレートをオンにし、温度をそれぞれ65℃と95℃に設定します。 </li><li>スピンコーターと真空ポンプを入れます。真空ポンプがチューブを通してスピナーヘッドに接続されていることを確認します。 </li><li>回転スピード、ランプ、継続時間などの2ステップスピンのパラメータを設定します。最初のステップでは、スピンサイクルを開始するためにスピンスピードを500 rpmに、ランプを100 rpm / sに、スピンタイムを10秒に設定します。次のステップでは、回転速度を1000rpmに、ランプを100rpmに、回転時間を30sに設定して、フォトレジストを均一に広げます。 </li><li>基板（ すなわち、 4インチ×4インチおよび5501;厚さ1μmのSiO 2層を有する厚さm±25μmのSiウェハ）をホルダの中央に配置する。 </li><li>感光性ポリマー（すなわち、 SU8フォトレジスト）を基板の中心に直接堆積させる。表面を十分に覆うように使用してください。 </li><li>基板を保持するために「真空」ボタンを押します。 </li><li> 「実行」ボタンを押して基板をSU8でコーティングし、250μmの最終厚さを達成する。 </li><li>紡糸プロセスの完了後、再び「真空」ボタンを押して、被覆された基材をホルダーから解放する。 </li><li>ピンセットを使用してコーティングされた基材を注意深く保持し、表面を滑らかできれいに保つ。ホットプレート上に直接65℃の温度で6分間、その後ホットプレート上で95℃の温度で40分間（ソフトベーク）転写します。 注：65℃でのベーキングは、溶媒の蒸発を遅くするために必要であり、その結果、より良好なコーティングおよびより良好な接着性が得られる95℃で焼成しながらSU8をさらに緻密化する。 </li><li>その間に、スイッチを押してUV露光システムをオンにし、システムの設定ボタンを使用して露光時間を「12秒」に設定します。 注：厚さ250μmのSU8層の場合、露光エネルギーは360 mJ / cm 2でなければなりません。 </li><li>ベーキングステップ（ステップ2.10）が完了したら、基板をUV露光システムに入れ、フォトマスク（ステップ2.1からの）の印刷面をその上に置く。コーティングされた基板を覆うマスク領域全体を使用し、マスクと基板の間に隙間がないように静かに押してください。 </li><li>所定のUV設定を使用して、フォトマスクを介してSU8被覆基板をUV放射に暴露する。 </li><li>露光後ベーク（PEB）のためにホットプレート上にホットプレート上に直接65℃で5分間、95℃で14分間置くことにより、基板を再び加熱する。 注：PEBは、紫外線にさらされた領域の架橋度を高め、現像工程において、より耐溶剤性の高い塗膜を形成する。 </li><li>ビーカーに入れた専用の現像液に基質を20分間浸漬することにより未露光のフォトレジスト領域を除去する。露光されていないレジスト領域が完全に除去されるように、溶液を（慎重に）連続的に振とうする。 </li><li>基板を保持し、窒素または圧縮空気をその上に吹き付けることによって、現像された構造体を乾燥させる。 </li><li> 50倍の倍率で顕微鏡下でウェーハを検査して、フォトレジストに転写されたパターンを所望のパターンと比較する。 </li></ol> 3. 3Dカーボン構造作製：熱分解<ol><li>フォトリソグラフィー（ステップ2.1~2.17）を用いて調製した試料を、加圧された開放端の管状炉内に配置する。 </li><li>ステップ1で述べたように、炉の電源を入れ、熱分解のパラメータを設定します。ステップ1.6-1.8からのプロセスを繰り返します。 </li><li>ピンセットを使用してサンプルを注意深く取り扱い、characterizに進むation。 </li></ol>

<ol>
	<li>Wang, C., Jia, G., Taherabadi, L. H., 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=A+novel+method+for+the+fabrication+of+high-aspect+ratio+C-MEMS+structures.">A novel method for the fabrication of high-aspect ratio C-MEMS structures.</a> J Microelectromech Syst. 14 (2), 348-358 (2005).</li><li>Jong, K. P. D., Geus, 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=Carbon+nano&#64257;bers:+catalytic+synthesis+and+applications.">Carbon nano&#64257;bers: catalytic synthesis and applications.</a> Catal Rev Sci Eng. 42, 481-510 (2000).</li><li>Elrouby, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+applications+of+carbon+nanotube.">Electrochemical applications of carbon nanotube.</a> J Nano Adv Mat. 1 (1), 23-38 (2013).</li><li>Baughman, R. H., Zakhidov, A. A., Heer, W. A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+nanotubes-the+route+toward+applications.">Carbon nanotubes-the route toward applications.</a> Science. 297, 787-792 (2002).</li><li>Kumar, R., Singh, R. K., Singh, D. 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(1-3), 184-190 (2006).</li><li>Sharma, S., Kalita, G., Hirano, R., Hayashi, Y., Tanemura, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+gas+composition+on+the+formation+of+graphene+domain+synthesized+from+camphor.">Influence of gas composition on the formation of graphene domain synthesized from camphor.</a> Mater Lett. 93, 258-262 (2013).</li><li>Ghosh, P., Afre, R. 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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>

著者は何も開示することはない。

この論文では、天然前駆体材料または光パターニングされたポリマー構造体の熱分解に基づいて様々な炭素微細構造を製造する方法が報告されている。従来のC-MEMS / C-NEMSプロセスの両方から得られる炭素材料は、典型的にはガラス状炭素であることが判明している。ガラス状炭素は、電気化学および高温用途に広く使用される電極材料である。ガラス状炭素の微細構造は、結晶質領域と非晶?...

カーボンナノチューブ（CNT）、グラファイト、ダイヤモンド、アモルファスカーボン、ロンズデライト、バックミンスターフラーレン（C 60 ）、フルメライト（C 540 ）、フラーレン（C 540 ）、およびこれらの混合物からなる群から選択される、 C 70 ）、およびガラス状炭素1,2,3,4が含まれる 。ガラス状炭素は、高い等方性を含むその物理的性質のために最も広く使用される同素体の1つである。また、良好な導電性、低い熱膨張係数、およびガス不透過性の特性を有する。 炭素構造を得るために、炭素に富む前駆物質を連続的に探索してきた。これらの前駆体は、人工材料または特定の形状で利用可能であり、廃棄物を含む天然製品であってもよい。様々なmicr<html> o /ナノ構造は、自然界の生物学的または環境的プロセスによって形成され、従来の製造ツールを使用して作成することが極めて困難な独自の特徴をもたらす。この場合自然にパターニングが行われるので、天然および廃水炭化水素前駆体を用いたナノ材料の合成は、熱分解と呼ばれる不活性または真空雰囲気中での熱分解の簡単な一段階プロセスを用いて行うことができる。植物由来の前駆体および廃棄物（種子、繊維、および油、例えば、テレピン油、ゴマ油など）の熱分解または熱分解によって、高品質のグラフェン、単層CNT、多層CNTおよび炭素ドットが製造されている、ニーム油（ Azadirachta indica ）、ユーカリ油、パーム油、およびジャトロファ油が挙げられる。また、樟脳製品、茶樹抽出物、老廃物、昆虫、農作物、および食品が6,7 、最近、研究者たちは、多孔質カーボンマイクロファイバーを調製するための前駆体材料としてシルクコクーンを使用しています10 。人間の髪は、通常廃棄物とみなされ、このチームによって最近使用されました。これは、約50％の炭素を含む約91％のポリペプチドで構成されている。残りは酸素、水素、窒素、硫黄などの元素である11 。髪にはまた、非常に遅い劣化、高い引張強さ、高い断熱性、および高い弾性回復などのいくつかの興味深い特性がある。最近、スーパーキャパシタ12に使用されるカーボンフレークを調製し、電気化学的センシング13のための中空炭素マイクロファイバーを生成するために使用されている。 材料が非常に脆いので、三次元（3D）構造を製造するためのバルク炭素材料の機械加工は困難な作業である。フォーカスされたイオンam14,15または反応性イオンエッチング16は、この文脈において有用であり得るが、それらは高価で時間のかかるプロセスである。パターニングされたポリマー構造の熱分解に基づいたカーボンマイクロエレクトロメカニカルシステム（C-MEMS）技術は、多目的な代替法である。過去20年間で、C-MEMSおよびカーボンナノエレクトロメカニカルシステム（C-NEMS）は、簡単で安価な製造工程が必要とされたことから注目を集めている。従来のC-MEMS製造プロセスは、（i）フォトリソグラフィを用いてポリマー前駆体（ 例えばフォトレジスト）をパターニングし、（ii）パターニングされた構造の熱分解の2つのステップで実施される。 SU8フォトレジストのような紫外線（UV）硬化性ポリマー前駆体は、フォトリソグラフィーに基づいて構造をパターン形成するためにしばしば使用される。一般に、フォトリソグラフィプロセスは、スピンコーティング、ソフトベーク、UV露光、ポストベーク、およびデベロップlopment。 C-MEMSの場合、シリコン;二酸化ケイ素;窒化ケイ素;石英;最近では、サファイアが基板として使用されている。光パターニングされたポリマー構造体は、無酸素環境下で高温（800〜1100℃）で炭化される。真空または不活性雰囲気中のそれらの高温では、非炭素元素の全てが除去され、炭素のみが残る。この技術は、電気化学的検出17 、エネルギー貯蔵18 、摩擦電​​気ナノ発電19 、および動電学的粒子操作20を含む多くの用途に非常に有用な高品質のガラス状炭素構造の達成を可能にする。 C-MEMSを使用した高アスペクト比は比較的容易になり、幅広い種類の炭素電極用途18,21 、 </sup&gt; 22,23 、しばしば貴金属電極を置き換える。 この研究では、非従来のC-MEMS技術13を使用して人間の毛髪から中空カーボンマイクロファイバーを製造する簡単かつ費用効果の高い方法の最近の開発が紹介されている。従来のSU8ポリマーベースのC-MEMSプロセスについてもここで説明します。具体的には、高アスペクト比の固体および中空SU8構造の製造手順が記載されている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)

様々なマイクロ/ナノ構造構成を有する広範囲の炭素源が本質的に利用可能である。ここでは、人の毛髪に由来する長く中空のガラス状炭素マイクロファイバーを製造するための新規な技術が導入されている。長い中空炭素構造は、N 2雰囲気中で900℃で人毛の熱分解によって作製された。熱分解に起因する物理的および化学的変化を推定するために、走査型電子顕微鏡（SEM）および電子分散型X線分光法（EDX）を用いて、天然および熱分解されたヒトの毛髪の形態および化学組成を調べた。ラマン分光法を用いて、炭素微細構造のガラス質性を確認した。熱分解した毛髪の炭素を導入してスクリーン印刷した炭素電極を改質した。修飾された電極を、ドーパミンおよびアスコルビン酸の電気化学的検出に適用した。変形されたセンサの感知性能は、fiedセンサー。所望の炭素構造設計を得るために、カーボンマイクロ/ナノ電気機械システム（C-MEMS / C-NEMS）技術が開発された。最も一般的なC-MEMS / C-NEMS製造プロセスは、（i）フォトリソグラフィを用いて感光性ポリマーのような炭素に富むベース材料のパターニング; （ii）無酸素環境下でのパターン化ポリマーの熱分解による炭化。 C-MEMS / NEMSプロセスは、マイクロバッテリ、スーパーキャパシタ、グルコースセンサ、ガスセンサ、燃料電池、および摩擦電気ナノ発電機を含む様々な用途のためのマイクロ電子デバイスを開発するために広く使用されてきた。ここでは、SU8フォトレジストを用いた高アスペクト比の中実カーボンおよび中空炭素微細構造の最近の発展が議論されている。共焦点顕微鏡法およびSEMを用いて、熱分解中の構造収縮を調べた。ラマン分光法を用いて構造の結晶化度を確認し、元素の原子百分率熱分解前後の物質中のntをEDXを用いて測定した。

人毛由来中空炭素マイクロファイバーの製造プロセスの概略を図1に示す 。炭化されたヒトの毛髪を、SEMを用いて収縮を評価するために特徴付けた。毛の直径は、熱分解により82.88±0.003μmから31.42±0.003μmに縮小した。毛髪由来カーボンマイクロファイバーを用いて作製された様々なパターンの走査電子顕微鏡（SEM）画像を図2</stron...

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Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems C-MEMS

天然の生成物であるヒトの毛髪の熱分解に基づいて、長くて中空のガラス状炭素マイクロファイバーが製造された。カーボンマイクロエレクトロメカニカルおよびカーボンナノエレクトロメカニカルシステム、またはC-MEMSおよびC-NEMSの2つの製造工程は、（i）炭素リッチなポリマー前駆体のフォトリソグラフィおよび（ii）パターン化ポリマー前駆体の熱分解である。

3Dカーボンマイクロエレクトロメカニカルシステム（C-MEMS）の製作

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 ビュー.  Tecnologico de Monterrey. 天然の生成物であるヒトの毛髪の熱分解に基づいて、長くて中空のガラス状炭素マイクロファイバーが製造された。カーボンマイクロエレクトロメカニカルおよびカーボンナノエレクトロメカニカルシステム、またはC-MEMSおよびC-NEMSの2つの製造工程は、（i）炭素リッチなポリマー前駆体のフォトリソグラフィおよび（ii）パターン化ポリマー前駆体の熱?...

ビデオ: Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems C-MEMS

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.

製造、ち密化、および3Dカーボンナノチューブの微細構造のレプリカ成形

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

工学

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.

デジタル干渉縞投影技術と高分解能、高速、三次元ビデオ画像

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.

空間的に閉じ込められた複合酸化物の作製

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.

作製とマイクロ流体光力学発振器のテスト

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.

半導体技術との互換性低温カーボンナノチューブ垂直相互接続の作製

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.

超伝導共振器の作製と評価

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.

高炉スラグの双方向の物価安定政策：沈殿した炭酸カルシウムおよびゼオライト重金属吸着剤の合成

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.

によってナノ構造イットリア安定化ジルコニア（YSZ）足場の高温製作<em&gt;その場での</em&gt;カーボンテンプレート化キセロゲル

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.

真空の作製と解析堆積有機発光ダイオード

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.

大型単層長方形 SnSe フレークの大気圧作製

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