Este trabalho foi apoiado pelo Technologico de Monterrey e pela Universidade da Califórnia em Irvine.

1. Fabricação de estrutura de carbono derivada do cabelo humano 3D NOTA: Use equipamento de proteção pessoal. Siga as instruções do laboratório para usar os instrumentos e trabalhar dentro do laboratório. <ol><li> Prepare o cabelo humano coletado, lavando-o com água DI e secando-o com gás N2. </li><li> Organize os cabelos conforme desejado, como nos fios paralelos, atravesse, com dois cabelos enrolados juntos, etc. </li><li> Anexe os cabelos a um substrato de silício usando SU8 ou mantenha-os diretamente em um barco de cerâmica. </li><li> Coloque o substrato de silício ou o barco em um forno. </li><li> Ligue o forno e abra a válvula de um tanque de gás inerte (N 2 ). NOTA: A taxa de fluxo de gás ideal depende do volume do tubo do forno. Foi aplicado um caudal de 6 L / min para um volume de tubo de 6 L. Para estabelecer um ambiente completamente inerte no tubo do forno, uma taxa de fluxo de gás 1,5 vezes maior do que o gás ótimo fA taxa baixa foi aplicada durante os primeiros 15 min. </li><li> Defina os parâmetros, incluindo temperatura máxima de pirólise, taxa de rampa de temperatura e vazão de gás inerte, e execute o forno. <ol><li> Por exemplo, aumente a temperatura desde a temperatura ambiente até 300 ° C a uma taxa de rampa de 5 ° C / min. Mantenha-o a 300 ° C durante 1 h para estabilização. Aumente ainda mais a temperatura de 900 ° C e mantenha-a durante 1 h mais para carbonização. </li><li> Arrefecer o forno até 300 ° C a uma taxa de 10 ° C / min e desligar o aquecedor do forno, uma vez que o arrefecimento controlado não é necessário após 300 ° C. Deixe as amostras no forno até que a temperatura atinja a temperatura ambiente apenas com fluxo de N 2 . </li></ol></li><li> Desligue o forno e o fluxo de gás após a conclusão do processo de pirólise. </li><li> Retire as amostras do forno. </li></ol> 2. Fabricação de Estrutura de Polímero 3D: Fotolitografia <ol><li> DesIgnore um layout 2D da estrutura de fotorresis 3D desejada usando um pacote de software apropriado e prepare a máscara impressa ( ou seja, uma máscara de filme de polietileno). NOTA: Um serviço comercial foi usado para obter o design impresso. O tamanho da máscara geralmente depende do design. </li><li> Em uma instalação de laboratório limpa, ligue duas placas quentes e ajuste as temperaturas para 65 ° C e 95 ° C, respectivamente. </li><li> Ligue um revestidor de rotação e uma bomba de vácuo. Certifique-se de que a bomba de vácuo esteja conectada através de um tubo à cabeça giratória. </li><li> Defina os parâmetros da rotação em dois passos, como a velocidade de rotação, a rampa e a duração. Para o primeiro passo, ajuste a velocidade de rotação para 500 rpm, a rampa para 100 rpm / s e o tempo de rotação para 10 s para iniciar o ciclo de centrifugação. Para o próximo passo, ajuste a velocidade de centrifugação para 1.000 rpm, a rampa para 100 rpm / s e o tempo de rotação para 30 s para espalhar uniformemente o fotorresistente. </li><li> Coloque um substrato ( isto é, 4 polegadas x 4 polegadas e 5501; m ± 25 μm de espessura de Si com uma camada de SiO 2 de 1 μm de espessura) no centro do suporte. </li><li> Deposite o polímero fotossensível (isto é, o fotossurro SU8) diretamente no centro do substrato. Use o suficiente para cobrir a superfície. </li><li> Pressione o botão &quot;vácuo&quot; para segurar o substrato. </li><li> Pressione o botão &quot;executar&quot; para revestir o substrato com SU8 e atingir uma espessura final de 250 μm. </li><li> Após a conclusão do processo de centrifugação, pressione o botão &quot;vácuo&quot; novamente para liberar o substrato revestido do suporte. </li><li> Segure o substrato revestido com cuidado usando uma pinça para manter a superfície lisa e limpa. Transfira o substrato diretamente na placa quente a uma temperatura de 65 ° C durante 6 min e depois na placa quente a uma temperatura de 95 ° C durante 40 minutos (cozimento suave). NOTA: é necessário um cozimento a 65 ° C para garantir a evaporação lenta do solvente, resultando em melhor revestimento e melhor adesão tO o substrato, enquanto o cozimento a 95 ° C densifica ainda mais o SU8. </li><li> Enquanto isso, pressione o interruptor para ligar o sistema de exposição UV e ajuste o tempo de exposição para &quot;12 s&quot; usando o botão set no sistema. NOTA: Para uma camada SU8 de 250 μm de espessura, a energia de exposição deve ser de 360 ​​mJ / cm 2 . </li><li> Uma vez que o passo de cozedura (etapa 2.10) esteja completo, coloque o substrato no sistema de exposição UV e coloque o lado impresso de uma fotomátema (a partir do passo 2.1) sobre ele. Use toda a área da máscara para cobrir o substrato revestido e pressione suavemente para garantir que não haja espaço entre a máscara e o substrato. </li><li> Exponha o substrato revestido com SU8 para a radiação UV através da fotomask usando configurações UV predefinidas. </li><li> Aqueça o substrato de novo, colocando-o diretamente na placa de aquecimento a 65 ° C durante 5 min e a 95 ° C durante 14 min para uma assadeira pós-exposição (PEB). NOTA: O PEB aumenta o grau de reticulação nas áreas expostas a UV e faz com queRevestimento mais resistente aos solventes no passo de desenvolvimento. </li><li> Remova as regiões fotorresistentes não expostas mergulhando o substrato na solução de revelador dedicada, colocada em um copo, por 20 min. Agite continuamente a solução (cuidadosamente) para garantir a remoção completa das áreas de resistência não expostas. </li><li> Secar as estruturas desenvolvidas segurando o substrato e soprando nitrogênio ou ar comprimido sobre ele. </li><li> Inspecione a bolacha sob um microscópio com ampliação de 50X para comparar os padrões transferidos para a fotorresistência com os padrões desejados. </li></ol> 3. Fabricação de estrutura de carbono 3D: pirólise <ol><li> Coloque as amostras preparadas usando fotolitografia (passos 2.1-2.17) dentro de um forno de tubo pressurizado e aberto. </li><li> Ligue o forno e defina os parâmetros para a pirólise, conforme mencionado acima no passo 1. Repita o processo da etapa 1.6-1.8. </li><li> Manuseie cuidadosamente as amostras usando uma pinça e passe a caracterizarAtion. </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. 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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>

Os autores não têm nada a revelar.

Neste trabalho, foram relatados os métodos para a fabricação de uma variedade de microestruturas de carbono com base na pirólise de materiais precursores naturais ou estruturas de polímero com padrão de foto. Os materiais de carbono resultantes de processos convencionais e não convencionais C-MEMS / C-NEMS são normalmente encontrados como carbonos vítreos. O carbono transparente é um material de eletrodo amplamente utilizado para eletroquímica e também para aplicações de alta temperatura. A microestrutura ...

O carbono tem muitos alotrópios e, dependendo da aplicação específica, pode escolher-se um dos seguintes alotrópicos: nanotubos de carbono (CNTs), grafite, diamante, carbono amorfo, lonsdaleite, buckminsterfullerene (C 60 ), fullerite (C 540 ), fullereno ( C 70 ) e carbono vítreo 1 , 2 , 3 , 4 . O carbono transparente é um dos alototros mais utilizados devido às suas propriedades físicas, incluindo a alta isotropia. Ele também possui as seguintes propriedades: boa condutividade elétrica, baixo coeficiente de expansão térmica e impermeabilidade ao gás. Houve uma busca contínua de materiais precursores ricos em carbono para obter estruturas de carbono. Esses precursores podem ser materiais artificiais ou produtos naturais que estão disponíveis em formas particulares, e até incluem produtos de resíduos. Uma grande variedade de micr<html> O / nanoestruturas são formadas através de processos biológicos ou ambientais na natureza, resultando em características únicas que são extremamente difíceis de criar usando ferramentas de fabricação convencionais. Como o padrão ocorreu naturalmente neste caso, a síntese de nanomateriais que utilizam precursores de hidrocarbonetos naturais e de resíduos pode ser realizada usando um processo simples e de uma só etapa de decomposição térmica em atmosfera inerte ou vácuo, chamada pirólise 5 . O grafeno de alta qualidade, os CNT de parede única, os CNT de paredes múltiplas e os pontos de carbono foram produzidos por decomposição térmica ou a pirólise de precursores e resíduos derivados de plantas, incluindo sementes, fibras e óleos, como óleo de terebintina, óleo de gergelim , Óleo de neem ( Azadirachta indica ), óleo de eucalipto, óleo de palma e óleo de jatropha. Além disso, os produtos de cânfora, extratos de chá-árvore, desperdícios de alimentos, insetos, resíduos agropecuários e produtos alimentares foram utilizados 6 , 7 ,Asset = &quot;xref&quot;&gt; 8 , 9 Recentemente, os pesquisadores já usaram casulos de seda como material precursor para preparar microfibras de carbono porosas 10 . O cabelo humano, geralmente considerado um material de resíduos, foi usado recentemente por essa equipe. É constituído por aproximadamente 91% de polipéptidos, que contêm mais de 50% de carbono; O resto são elementos como oxigênio, hidrogênio, nitrogênio e enxofre 11 . O cabelo também vem com várias propriedades interessantes, como degradação muito lenta, alta resistência à tração, alto isolamento térmico e alta recuperação elástica. Recentemente, utilizou-se para preparar flocos de carbono empregados em supercondensadores 12 e para criar microfibras de carbono oco para detecção eletroquímica 13 . A usinagem de um material de carbono a granel para fabricar estruturas tridimensionais (3D) é uma tarefa difícil, pois o material é muito frágil. O íon focado sejaAm 14 , 15 ou gravura iónica reativa 16 pode ser útil neste contexto, mas eles são processos caros e demorados. A tecnologia do sistema microelectromecânico de carbono (C-MEMS), que se baseia na pirólise de estruturas poliméricas padronizadas, representa uma alternativa versátil. Nas duas últimas décadas, C-MEMS e sistemas nanoelectromecânicos de carbono (C-NEMS) receberam muita atenção devido às etapas de fabricação simples e baratas envolvidas. O processo convencional de fabricação de C-MEMS é realizado em duas etapas: (i) padronização de um precursor de polímero ( por exemplo, um fotorresistente) com fotolitografia e (ii) pirólise das estruturas padronizadas. Os precursores de polímeros duradouros ultravioleta (UV), como os fotoresistos SU8, são freqüentemente usados ​​para modelar estruturas com base na fotolitografia. Em geral, o processo de fotolitografia inclui etapas para revestimento de rotação, cozimento suave, exposição UV, pós cozido e desenvolvimentoLopment. No caso de C-MEMS; silício; Dióxido de silício; Nitreto de silício; quartzo; E, mais recentemente, a safira tem sido usada como substratos. As estruturas de polímero com padrão de foto são carbonizadas a uma temperatura elevada (800-1,100 ° C) em um ambiente livre de oxigênio. Às temperaturas elevadas no vácuo ou atmosfera inerte, todos os elementos não-carbono são removidos, deixando apenas carbono. Esta técnica permite a obtenção de estruturas de carbono vítreo de alta qualidade, que são muito úteis para muitas aplicações, incluindo detecção eletroquímica 17 , armazenamento de energia 18 , nanogeneração triboelétrica 19 e manipulação de partículas eletroquimáticas 20. Além disso, a fabricação de microestruturas 3D com As altas relações de aspecto usando C-MEMS tornaram-se relativamente fáceis e levaram a uma grande variedade de aplicações de eletrodos de carbono 18 , 21 , </sup&gt; 22 , 23 , substituindo frequentemente eletrodos de metal nobre. Neste trabalho, o desenvolvimento recente de uma maneira simples e econômica de fabricar microfibras de carbono oco de cabelos humanos usando a tecnologia C-MEMS não convencional 13 é introduzida. O processo C-MEMS convencional baseado em polímero SU8 também é descrito aqui. Especificamente, o procedimento de fabricação para sólidos de alta relação de aspecto e estruturas SU8 ocas é descrito 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)

Uma ampla gama de fontes de carbono estão disponíveis na natureza, com uma variedade de configurações de micro-nanoestrutura. Aqui, é introduzida uma nova técnica para fabricar microfibras de carbono vítreas longas e vazias derivadas de cabelos humanos. As estruturas de carbono longas e vazias foram feitas por pirólise de cabelo humano a 900 ° C em atmosfera de N2. A morfologia e a composição química dos cabelos humanos naturais e pirolysados ​​foram investigados utilizando microscopia eletrônica de varredura (SEM) e espectroscopia de raios-X elétron-dispersiva (EDX), respectivamente, para estimar as mudanças físicas e químicas devido à pirólise. A espectroscopia Raman foi utilizada para confirmar a natureza vítrea das microestruturas de carbono. O carbono do cabelo Pyrolyzed foi introduzido para modificar eletrodos de carbono impressos por tela; Os eletrodos modificados foram então aplicados ao sensor eletroquímico da dopamina e do ácido ascórbico. O desempenho sensitivo dos sensores modificados foi melhorado em comparação com o não modificadoFied sensores. Para obter o design desejado da estrutura de carbono, desenvolveu-se tecnologia de micro-nanoelectromecânica de carbono (C-MEMS / C-NEMS). O processo de fabricação C-MEMS / C-NEMS mais comum consiste em duas etapas: (i) o padrão de um material base rico em carbono, como um polímero fotossensível, usando fotolitografia; E (ii) carbonização através da pirólise do polímero padronizado em um ambiente livre de oxigênio. O processo C-MEMS / NEMS tem sido amplamente utilizado para desenvolver dispositivos microeletrônicos para várias aplicações, inclusive em micro baterias, supercondensadores, sensores de glicose, sensores de gás, células de combustível e nanogeneradores triboelétricos. Aqui, são discutidos os desenvolvimentos recentes de microestruturas de carbono sólido e oco de alta relação de aspecto com fotorresis SU8. O encolhimento estrutural durante a pirólise foi investigado usando microscopia confocal e SEM. A espectroscopia Raman foi utilizada para confirmar a cristalinidade da estrutura, e a porcentagem atômica dos elementos preseNt no material antes e depois da pirólise foi medida usando EDX.

Um esquema do processo de fabricação de microfibras de carbono vazias derivadas de cabelo humano é mostrado na Figura 1 . O cabelo humano carbonizado foi caracterizado usando SEM para estimar o encolhimento. O diâmetro do cabelo diminuiu de 82,88 ± 0,003 μm para 31,42 ± 0,003 μm devido à pirólise. As imagens microscópicas eletrônicas de varredura (SEM) de vários padrões feitos com microfibras de carbono derivadas de cabelo são mostradas na <st...

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Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems C-MEMS

As microfibras de carbono vítreas longas e vazias foram fabricadas com base na pirólise de um produto natural, cabelo humano. As duas etapas de fabricação de sistemas microelectromecânicos de carbono e nanoelectromecânicos de carbono, ou C-MEMS e C-NEMS, são: (i) fotolitografia de um precursor de polímero rico em carbono e (ii) pirólise do precursor de polímero padronizado.

Fabricação de sistemas 3D Microelectromecânicos de Carbono (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 visualizações.  Tecnologico de Monterrey.  As microfibras de carbono vítreas longas e vazias foram fabricadas com base na pirólise de um produto natural, cabelo humano. As duas etapas de fabricação de sistemas microelectromecânicos de carbono e nanoelectromecânicos de carbono, ou C-MEMS e C-NEMS, são: (i) fotolitografia de um precursor de polímero rico em carbono e (ii) pirólise do precursor de polímero padronizado. 

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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.

Fabricação, Densificação e Replica Moldagem de Microestruturas de Nanotubos de Carbono 3D

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

Engenharia

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 resolução, de alta velocidade, de imagens de vídeo tridimensional com Franja Digital Técnicas de Projeção

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.

Fabricação de óxidos complexos 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.

Fabricação e Teste de microfluídicos optomechanical 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.

Fabricação de Baixa Temperatura de Nanotubos de Carbono Vertical Interconexões Compatível com Semiconductor Tecnologia

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.

Fabricação e caracterização de supercondutores Resonators

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.

Two-way Valorização da escória de alto forno: Síntese de Precipitado de Carbonato de Cálcio e zeolítico Heavy Metal adsorvente

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.

Fabricação de alta temperatura de nanoestruturado ria-Stabilized Zirconia-Scaffolds (ZEI) pela<em&gt; In Situ</em&gt; Carbono Templating xerogéis

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.

Produção e caracterização de vácuo depositaram diodos emissores de luz orgânico

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.

Fabricação de pressão atmosférica de grande porte camada única retangular SnSe flocos

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