Forskare från University of Illinois i Urbana-Champaign har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för att forma 3D-former från platta, 2D ark av grafen, banar väg för framtida integrerade system av grafen-MEMS hybridenheter och flexibel elektronik.

"Som vi förstår det, denna studie är den första som visar grafenintegrering med en mängd olika mikrostrukturerade geometrier, inklusive pyramider, pelare, kupoler, inverterade pyramider, och 3D-integrering av guldnanopartiklar (AuNP)/grafenhybridstrukturer, " förklarade SungWoo Nam, en biträdande professor i mekanisk vetenskap och teknik vid Illinois. "Våra strukturers flexibilitet och 3D-natur kommer att möjliggöra intima bioavkänningsanordningar som kan anpassas till formen och egenskaperna hos mänsklig hud och andra biologiska system. De 3D-utskjutande mikrostrukturerna kan också uppnå ökad känslighet genom att maximera den effektiva kontaktytan mellan sensorer och icke-plana ytor.

"Vi förväntar oss också att vår nya 3D-integrationsmetod kommer att underlätta avancerade klasser av hybridenheter mellan mikroelektromekaniska system (MEMS) och 2D-material för avkänning och aktivering."

grafen, ett tvådimensionellt bikakenät av sp2-bundna kolatomer, har studerats flitigt på grund av dess höga transportörerlighet, kemisk tröghet, och biokompatibilitet. Hittills, olika rapporterade metoder för grafenöverföring har mestadels varit begränsade till plana eller kurvlinjära ytor på grund av utmaningarna förknippade med frakturer från lokal stress under överföring till 3D-mikrostrukturerade ytor.

"Vår metod använder våtöverföring och adaptiv substratteknik, ger flera viktiga fördelar jämfört med andra tillverknings-/integrationsmetoder för 3D-grafen, " sa Jonghyun Choi, en doktorand i Nams forskargrupp och första författare till artikeln, "Tredimensionell integration av grafen via svullnad, Krymper, och anpassning, " dyker upp i Nanobokstäver . "Våra resultat visar en enkel, mångsidig, och skalbar metod för att integrera grafen med 3D-geometrier med olika morfologier och dimensioner. Inte bara är dessa 3D-funktioner större än de som rapporterats i tidigare arbeten, men vi visar också enhetligheten och den skadefria naturen hos integrerat grafen runt 3D-funktionerna."

Forskarnas robusta tillvägagångssätt för att integrera grafen på 3D-mikrostrukturerade ytor upprätthåller den strukturella integriteten hos grafen, där dimensionerna utanför planet för 3D-funktionerna varierar från 3,5 till 50 μm. Processen innefattar tre steg i följd:1) substratsvällning med hjälp av ett lösningsmedel som 2) krymper under förångningsprocessen, tillåta grafen att 3) anpassa sig, eller överensstämma med formen av ett förberett substrat, för att uppnå skadefri, storarea integration av grafen på 3D-mikrostrukturer.

"Vår svullnad, krymper, och anpassningsstegen är optimerade för att minimera graden av grafenupphängning runt 3D-mikrostrukturerna och underlätta framgångsrik 3D-integration, ", tillade Nam. "Vi kontrollerar mängden substratsvällning genom att justera tiden för nedsänkning i organiskt lösningsmedel och blandningsförhållandena för monomer och härdare av polydimetylsiloxan (PDMS)-substratet."

Detaljerad svepelektronmikroskopi, atomkraftsmikroskopi, Raman spektroskopi, och elektriska resistansmätningar visar att mängden substratsvällning, såväl som överföringsfilmens böjstyvhet, påverka integrationsutbytet och kvaliteten på den integrerade grafenen. För att visa mångsidigheten i deras tillvägagångssätt, forskarna tillämpade processen på en mängd olika 3D-mikrostrukturerade geometrier, såväl som att integrera hybridstrukturer av grafen dekorerade med guldnanopartiklar på 3D-mikrostruktursubstrat, demonstrerar integrationsmetodens kompatibilitet med andra hybrid nanomaterial.