Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben een nieuwe benadering ontwikkeld voor het vormen van 3D-vormen van platte, 2D-platen van grafeen, de weg vrijmaken voor toekomstige geïntegreerde systemen van grafeen-MEMS hybride apparaten en flexibele elektronica.

"Voor zover wij weten, deze studie is de eerste die grafeenintegratie aantoont met een verscheidenheid aan verschillende microgestructureerde geometrieën, inclusief piramides, pijlers, koepels, omgekeerde piramides, en de 3D-integratie van gouden nanodeeltjes (AuNP's) / grafeen hybride structuren, " legde SungWoo Nam uit, een assistent-professor mechanische wetenschappen en techniek in Illinois. "De flexibiliteit en 3D-aard van onze structuren zullen intieme biosensing-apparaten mogelijk maken die kunnen worden aangepast aan de vorm en kenmerken van de menselijke huid en andere biologische systemen. De 3D uitstekende microstructuren kunnen ook een verbeterde gevoeligheid bereiken door het effectieve contactgebied tussen de sensoren en niet-vlakke oppervlakken.

"We verwachten ook dat onze nieuwe 3D-integratiebenadering geavanceerde klassen van hybride apparaten tussen micro-elektromechanische systemen (MEMS) en 2D-materialen voor detectie en bediening mogelijk zal maken."

grafeen, een tweedimensionaal honingraatrooster van sp2-gebonden koolstofatomen, is uitgebreid bestudeerd vanwege de hoge mobiliteit van de drager, chemische inertie, en biocompatibiliteit. Daten, verschillende gerapporteerde methoden voor grafeenoverdracht zijn meestal beperkt tot vlakke of kromlijnige oppervlakken vanwege de uitdagingen die gepaard gaan met breuken door lokale stress tijdens overdracht op 3D-microgestructureerde oppervlakken.

"Onze methode maakt gebruik van natte transfer en adaptieve substraat-engineering, biedt verschillende belangrijke voordelen ten opzichte van andere fabricage- / integratiemethoden van 3D-grafeen, " verklaarde Jonghyun Choi, een afgestudeerde student in Nam's onderzoeksgroep en eerste auteur van het artikel, "Driedimensionale integratie van grafeen via zwelling, Krimpen, en aanpassing, " verschijnen in Nano-letters . "Onze resultaten tonen een eenvoudige, veelzijdig, en schaalbare methode om grafeen te integreren met 3D-geometrieën met verschillende morfologieën en dimensies. Deze 3D-functies zijn niet alleen groter dan die in eerdere werken zijn gemeld, maar we demonstreren ook de uniformiteit en schadevrije aard van geïntegreerd grafeen rond de 3D-functies."

De robuuste benadering van de onderzoekers om grafeen te integreren op 3D-microgestructureerde oppervlakken handhaaft de structurele integriteit van grafeen, waarbij de out-of-plane afmetingen van de 3D-functies variëren van 3,5 tot 50 m. Het proces omvat drie opeenvolgende stappen:1) het opzwellen van het substraat met behulp van een oplosmiddel dat 2) krimpt tijdens het verdampingsproces, waardoor grafeen kan 3) aanpassen, of zich aanpassen aan de vorm van een voorbereid substraat, schadevrij te bereiken, grote gebiedsintegratie van grafeen op 3D-microstructuren.

"Onze zwelling, krimpen, en aanpassingsstappen zijn geoptimaliseerd om de mate van grafeensuspensie rond de 3D-microstructuren te minimaliseren en succesvolle 3D-integratie te vergemakkelijken, " Nam toegevoegd. "We controleren de hoeveelheid substraatzwelling door de tijd van onderdompeling in organisch oplosmiddel en de mengverhoudingen van monomeer en verharder van het polydimethylsiloxaan (PDMS) substraat aan te passen."

Gedetailleerde scanning elektronenmicroscopie, atoomkrachtmicroscopie, Raman-spectroscopie, en elektrische weerstandsmetingen laten zien dat de hoeveelheid zwelling van het substraat, evenals de buigstijfheid van de transferfilm, invloed hebben op de integratieopbrengst en kwaliteit van het geïntegreerde grafeen. Om de veelzijdigheid van hun aanpak te demonstreren, de onderzoekers pasten het proces toe op een verscheidenheid aan 3D-microgestructureerde geometrieën, evenals het integreren van hybride structuren van grafeen versierd met gouden nanodeeltjes op 3D-microstructuursubstraten, het aantonen van de compatibiliteit van de integratiemethode met andere hybride nanomaterialen.