Op prikkels reagerende, zelfvouwend, tweedimensionale (2-D) gelaagde materialen hebben interessante functies voor flexibele elektronica, wearables, biosensoren, en fotonica toepassingen. Echter, limieten met schaalbaarheid en een gebrek aan ontwerptools kunnen een hoge integratie en hun betrouwbare functie in de weg staan. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op Geavanceerde intelligente systemen , Qi Huang, en een team van wetenschappers in chemische en biomoleculaire techniek en elektrotechniek en computertechniek aan de Johns Hopkins University, ONS., stelde een massaproductiestrategie voor om monolaag-grafeen-gebaseerde omkeerbare zelfvouwende structuren te creëren. Het materiaal kan worden gebruikt in microfluïdische en micromechanische systemen. Als proof-of-concept, ze bereikten complexe en functionele apparaten in de vorm van ringen, veelvlakken, bloemen en origami vogels. Vervolgens integreerden ze gouden elektroden in de constructies om hun detectiegevoeligheid te verbeteren. De experimenten suggereren een alomvattend kader voor het rationeel ontwerpen en fabriceren van schaalbare en complexe, 3D, zelfvouwende optische en elektronische apparaten door 2-D monolaag grafeen te vouwen.

Ontwikkeling van 3D-microstructuren van 2D-precursoren

De ontwikkeling van 3D geïntegreerde microstructuren op waferschaal, 2-D-precursoren kunnen nuttig zijn op verschillende gebieden, waaronder optica, elektronica, robotica en biomedische technologie. Echter, het is nog moeilijk om op een chip of op een chip of vrijstaande en omkeerbare 2D gelaagde, op materiaal gebaseerde hybride apparaten op waferschaal te realiseren. In dit werk, Huang et al. onderzocht de vouwmechanica van differentieel verknoopte SU8, d.w.z. een op epoxy gebaseerde ultraviolet (UV) cross-linkable, negatieve fotoresist op basis van een commerciële hars, en de interactie van licht met flexibele grafeen-goud (Au)-SU8 3-D microstructuren. Het team gebruikte experimenten en simulaties om verschillende nieuwe ideeën te introduceren en demonstreerde de zelfvouwende SU8-grafeenmicrostructuren. Ze varieerden de mate van SU8-verknoping door de UV-dosis af te stemmen om een ​​op fysica gebaseerde, grofkorrelig model dat het effect van UV-licht voor materiaalmechanica en volumeveranderingen omvatte. Vervolgens gebruikten ze de aanpak om voorbeelden van 3D-vormen te geven, waaronder origami-vogels. De methode omvatte ook computationele benaderingen met meerdere lagen van zeer grootschalige integratie (VLSI). De methode maakte eenvoudige verbindingen met elektroden en andere elektronische, optische of microfluïdische modules. De onderzoeken toonden 3D-grafeen hybride functionele apparaten die geschikt zijn voor robotica, wearables en fotonica.

Rationeel ontwerpen van 3D zelfvouwende SU8-structuren

Huang et al. testte twee methoden om omkeerbaar vouwen van differentieel verknoopte SU8-films mogelijk te maken, inclusief bilaag- en gradiëntmethoden. Voor beide versies is ze legden eerst een 50 nm dikke thermisch verdampte koperen opofferingslaag af op een wafel of glasplaatje. Tijdens de dubbellaagse methode, ze vormden SU8 dubbellaagse films met een volledig verknoopte onderlaag en een gedeeltelijk verknoopte bovenlaag met behulp van fotolithografie om het buigen van de wafer te vergemakkelijken. Vervolgens brachten ze de SU8-lagen op het materiaal aan en conditioneerden ze de dubbellaagse patronen door ze onder te dompelen in aceton om zelfvouwende voorlopers te creëren. De geconditioneerde structuren kunnen reversibel vouwen en ontvouwen bij oplosmiddeloverdracht van aceton naar water. Door de dikte van het patroon te variëren, ze assembleerden gebogen balken met verschillende radii en een verscheidenheid aan 3D-vormen. Het team varieerde ook de dosis van de UV-blootstellingsverhouding om de mate van patroonvouwing te vergroten. Ze merkten op hoe verschillende vouwhoeken konden worden bereikt door de dikte en mate van verknoping te variëren. Het werk leverde de ontwerpcriteria op die nodig zijn om gecontroleerde buiging en geometrieën voor SU8-microstructuren te bereiken. De simulaties waren nauwkeurige reproducties van de experimentele vouwvormen.

Grafeen omzetten in 3D-vormen op basis van de zelfvouwende SU8-structuren

De zelfvouwende structuren kunnen in belangrijke mate de transformatie van plat monolaag grafeen in 3D-vormen ondersteunen. Dit integratieproces omvatte een aantal belangrijke stappen. Aanvankelijk, het team bracht het monolaag grafeen dat was gegroeid met behulp van chemische dampafzetting van een met koper beklede wafel over naar het opofferingsgecoate siliciumsubstraat met behulp van de polymethylmethacrylaat (PMMA) -methode. Dan met behulp van Raman-spectra, Huang et al. merkte de pieken op die overeenkomen met monolaag grafeen afgezet op SU8 zoals verwacht. Daarna, ze vormden grafeen via fotolithografie en plasma-etsen, en realiseerde het zelfrollen van grafeen-SU8-structuren met omkeerbaar rollen / afrollen in water en aceton. Dit integratieproces van zelfrollend grafeen-SU8 vond plaats op een wafelschaal, het vergemakkelijken van de opname van andere elementen, waaronder gouden lijnen of patronen, om functionele elektronische of optische apparaten te vormen.

Het ontwikkelen van ultradunne vormveranderende slimme materialen.

Materiaalwetenschappers bestuderen doorgaans grafeen voor zijn elektronische en optische toepassingen op basis van unieke fysieke kenmerken, hoge mechanische sterkte, en stabiliteit van het materiaal. Vanwege de karakteristieke eigenschappen van opto-elektronica, de hoge mobiliteit van de ladingsdragers van grafeen bij omgevingstemperaturen onthulde mogelijke toepassingen in hoogfrequente en snelle apparaten. Hoe dan ook, lichtabsorptie en licht-materie-interactie van grafeen is laag voor atomair dunne vlakke op grafeen gebaseerde apparaten. Huang et al. maakte daarom gebruik van de optische transparantie van SU8 om 3D zelfvouwende, op grafeen gebaseerde optische apparaten te ontwikkelen om flexibele optische apparaten en wearables te vormen. Ze creëerden multi-gewalste 3D-grafeenstructuren om de limieten van het slechte absorptievermogen van enkellaags grafeen te overwinnen. De wetenschappers gebruikten vervolgens een platte grafeen-goud-SU8-fotodetector en testten het substraat door elke gouden elektrode te verlichten met een 488 nm-laser. De fotospanning was groter wanneer de laserverlichting direct op de grafeenzijde viel in vergelijking met de SU8-zijde. De verminderde verlichting was het gevolg van absorptie van licht in de SU8-film. De fotospanning die in het werk werd gegenereerd, was voornamelijk het gevolg van het overlappende gebied van goud en grafeen.

Vorming van chip-geïntegreerde 3D-grafaheen-SU8-structuren en fotodetectoren

Als proof-of-concept, Huang et al. ontwikkelde complexe origami-geïnspireerde ontwerpen en chip-geïntegreerde structuren. Om ze in elkaar te zetten, ze vormden een patroon van de koperen offerlaag en grafeen en regelden de UV-blootstelling in specifieke regio's om de SU8-microstructuur selectief te vouwen, terwijl andere delen plat vastgepind bleven. Dergelijke complexe structuren zullen belangrijk zijn voor zachte robotica met een grafeen-gouden interface voor optische energieoogsttoepassingen op afstand. De on-chip geassembleerde ontwerpen zijn ook belangrijk in de opto-elektronica, die Huang et al. geïllustreerd met behulp van hoek-opgeloste fotodetectoren met een zelfgevouwen SU8 grafeen fotodetectorarray. Met behulp van lichte verlichting, ze vertoonden verschillende fotoreacties op basis van de hoek van de laser en de architectuur van het materiaal. Het team gebruikte ook simulaties om de hoekopgeloste respons te bepalen.

Outlook

Op deze manier, Qi Huang en collega's ontwikkelden een zeer parallel proces om 3D-flexibele grafeenmicrostructuren te assembleren. De methode heeft drie belangrijke voordelen te bieden,

1. Vrijstaande materialen en chipintegratie
2. Zeer parallelle integratie van flexibele en transparante 3D-grafeenapparaten, en
3. Omkeerbare herconfiguratie.

De optisch transparante fotoresist kan met relatieve flexibiliteit worden gespincoat en onderhouden. De structuren waren stabiel in de lucht en kunnen betere lichtgewicht alternatieven vormen voor op silicium gebaseerde modules voor integratie in vliegende en zwemmende robots. De primaire basis van het zelfvouwende mechanisme was gebaseerd op door chemische oplosmiddelen aangedreven differentiële zwelling om vouw-/ontvouwingsbewegingen te vergemakkelijken. Het team verwacht deze aanpak te gebruiken om een ​​reeks 3D-microstructuren voor wearables te creëren, bewegende robots, in biosensoren en in apparaten voor het oogsten van energie.

© 2021 Science X Network