Mekanism och mångsidighet hos självvikande SU8-filmer. a) Självvikande SU8-dubbelskikt där SU8-bottenskiktet är helt tvärbundet och det övre SU8-skiktet är delvis tvärbundet. SU8 dubbelskiktsfilmen viks uppåt vid lösningsmedelsutbytet mellan aceton och vatten. b) Självvikande SU8 med tvärbindningsdensitet med låg UV-dosgradient över den enda SU8-filmen. SU8-filmen viks nedåt vid lösningsmedelsutbytet mellan aceton och vatten. Tvåskikts SU8-balkarnas totala tjocklek var, c) 20 μm, och d) 10 μm, och UVr = 0,5. Kontrollerad vikning av dubbelskikts SU8-stjärnor, e) UVr = 0,8, tjockleken var 10 μm. f) UVr = 0,5, tjockleken var 10 μm. g) UVr = 0,5, tjockleken var 5 μm. h) SU8-band vikta till i) spiraler, och j) en SU8-stjärna vikt till k) en fyrkantig pyramid med användning av gradientmetoden. Skalstaplar är, c–g) 500 μm, h, i) 800 μm, och j, k) 300 μm. Kredit:Advanced Intelligent Systems, doi:10.1002/aisy.202000195
Stimuli-responsiv, självvikande, tvådimensionella (2-D) skiktade material har intressanta funktioner för flexibel elektronik, användbara, biosensorer, och fotoniktillämpningar. Dock, gränser med skalbarhet och brist på designverktyg kan förhindra hög integration och deras tillförlitliga funktion. I en ny rapport som nu publiceras den Avancerade intelligenta system , Qi Huang, och ett team av forskare inom kemisk och biomolekylär teknik och elektro- och datorteknik vid Johns Hopkins University, U.S., föreslog en massproduktionsstrategi för att skapa monolager grafenbaserade reversibla självvikbara strukturer. Materialet kan användas i mikrofluidik och mikromekaniska system. Som proof of concept, de uppnådde komplexa och funktionella enheter i form av ringar, polyeder, blommor och origami fåglar. De integrerade sedan guldelektroder till konstruktionerna för att förbättra deras detektionskänslighet. Experimenten föreslår ett omfattande ramverk för att rationellt designa och tillverka skalbara och komplexa, 3-D, självvikande optiska och elektroniska enheter genom att vika 2-D monolager grafen.
Utveckla 3D-mikrostrukturer från 2D-prekursorer
Utvecklingen av 3-D integrerade mikrostrukturer från wafer-skala, 2D-prekursorer kan vara användbara inom en mängd olika områden inklusive optik, elektronik, robotik och biomedicinsk teknik. Dock, det är ändå svårt att realisera wafer-skala on-chip eller fristående och reversibla 2-D skiktade materialbaserade hybridenheter. I det här arbetet, Huang et al. undersökte vikningsmekaniken hos differentiellt tvärbunden SU8 – dvs. en epoxibaserad ultraviolett (UV) tvärbindningsbar, negativ fotoresist baserad på ett kommersiellt harts, och interaktionen av ljus med flexibla grafen-guld (Au)-SU8 3-D mikrostrukturer. Teamet använde experiment och simuleringar för att introducera flera nya idéer och demonstrerade de självvikande SU8-grafenmikrostrukturerna. De varierade omfattningen av SU8-tvärbindning genom att justera UV-dosen för att utveckla en fysikbaserad, grovkornig modell som omfattade effekten av UV-ljus för materialmekanik och volymförändringar. De använde sedan metoden för att tillhandahålla exempel på 3D-former inklusive origami-fåglar. Metoden inkluderade också multilayer very-large-scale integration (VLSI) beräkningsmetoder. Metoden möjliggjorde enkla anslutningar med elektroder och annan elektronisk, optiska eller mikrofluidiska moduler. Studierna visade 3-D grafen hybridfunktionella enheter lämpliga för robotik, wearables och fotonik.
Mekanikdesignramverk för självvikande mikrostrukturer. a) Rita av elasticitetsmodulen (E) mot exponeringsintensiteten (I0) för SU8. Individuella punkter är uppmätta värden och den räta linjen indikerar en teoretisk passning till dessa punkter och modulvärdet vid tröskelexponeringen från SU8-databladet. b) En kurva över medelvärdet för ROC för en tvåskikts rektangulär SU8-stråle med dimensionerna 250 × 500 μm, som en funktion av tjockleken (t) och exponeringsintensiteten (I0) hos det översta lagret. Den röda anger det nedre SU8-skiktet (helt exponerat för UV med 240 mJ cm−2), och det blå skiktet är det översta SU8-skiktet (exponerat för UV med I0). c) En kurva över ROC för en gradient tvärbunden rektangulär SU8-stråle med dimensioner 250 × 500 μm, som en funktion av exponeringsintensitet (I0) för det översta lagret (färg i rött med energi av I0) och gradientintensitet som minskar längs tjockleken som ges av (
Rationell design av 3D självvikande SU8-strukturer
Huang et al. testade två metoder för att tillåta reversibel vikning av differentiellt tvärbundna SU8-filmer inklusive dubbelskikts- och gradientmetoder. För båda versionerna, de avsatte först ett 50 nm tjockt termiskt förångat kopparoffer på en oblat eller glasskiva. Under dubbelskiktsmetoden, de mönstrade SU8 dubbelskiktsfilmer med ett helt tvärbundet bottenskikt och ett delvis tvärbundet toppskikt med hjälp av fotolitografi för att underlätta böjning bort från skivan. De spinnbelade sedan SU8-skikten på materialet och konditionerade dubbelskiktsmönstren genom att doppa dem i aceton för att skapa självvikande prekursorer. De konditionerade strukturerna kunde reversibelt vikas och vecklas ut vid lösningsmedelsöverföring från aceton till vatten. Genom att variera mönstrets tjocklek, de satte ihop böjda balkar med olika radier och en mängd olika 3D-former. Teamet varierade också dosen av UV-exponeringsförhållandet för att öka graden av mönsterveckning. De noterade hur olika vikningsvinklar kunde uppnås genom att variera tjockleken och omfattningen av tvärbindningen. Arbetet gav de designkriterier som krävdes för att uppnå kontrollerad böjning och geometrier för SU8-mikrostrukturer. Simuleringarna var exakta reproduktioner av de experimentella vikningsformerna.
Konvertera grafen till 3D-former baserat på de självvikande SU8-strukturerna
De självvikande strukturerna kan viktigt stödja omvandlingen av platt monolagergrafen till 3D-former. Denna integrationsprocess innehöll några viktiga steg. I början, teamet överförde monolager grafen som odlats med hjälp av kemisk ångavsättning från en kopparbelagd skiva till det uppoffrande kopparbelagda kiselsubstratet genom att använda metoden polymetylmetakrylat (PMMA). Använd sedan Raman-spektra, Huang et al. noterade topparna motsvarande monolager grafen avsatt på SU8 som förväntat. Därefter, de mönstrade grafen via fotolitografi och plasmaetsning, och realiserade självrullning av grafen-SU8-strukturer med reversibel rullning/avrullning i vatten och aceton. Denna integrationsprocess av självrullande grafen-SU8 inträffade på en wafer-skala, underlätta införandet av andra element, inklusive guldlinjer eller mönster, för att bilda funktionella elektroniska eller optiska enheter.
Schematisk illustration av tillverkningsprocessen för fristående och 3D självvikta grafen–Au–SU8-balkar. a) Tillverkningsprocessflöde. b) Självviknings- och utvikningsprocess vid lösningsmedelsöverföring mellan vatten och aceton. c) Bild av en platt grafen–Au–SU8-stråle, och d) en självvikt grafen–Au–SU8-rulle. e) SEM-bild (Scanning electron microscope) från sidan av den självvikta strålen. Skalstaplar är c, d) 800 μm, och e) 200 μm. Kredit:Advanced Intelligent Systems, doi:10.1002/aisy.202000195
Utvecklar ultratunna formförändrande smarta material.
Materialforskare studerar vanligtvis grafen för dess elektroniska och optiska tillämpningar baserat på unika fysiska egenskaper, hög mekanisk hållfasthet, och materialets stabilitet. På grund av dess karakteristiska egenskaper hos optoelektronik, den höga laddningsbärarrörligheten hos grafen vid omgivningstemperaturer avslöjade potentiella tillämpningar i högfrekventa och höghastighetsenheter. Ändå, ljusabsorption och ljus-materia-interaktion av grafen är låg för atomärt tunna plana grafenbaserade enheter. Huang et al. utnyttjade därför den optiska transparensen hos SU8 för att utveckla 3D-självvikande grafenbaserade optiska enheter för att bilda flexibla optiska enheter och wearables. De skapade flervalsade 3D-grafenstrukturer för att övervinna gränserna för dålig absorptionsförmåga hos enskiktsgrafen. Forskarna använde sedan en platt grafen-guld-SU8-fotodetektor och testade substratet genom att belysa varje guldelektrod med en 488 nm-laser. Fotospänningen var större när laserbelysningen var direkt infallande på grafensidan jämfört med SU8-sidan. Den minskade belysningen resulterade från absorption av ljus i SU8-filmen. Fotospänningen som genererades i arbetet härrörde främst från det överlappande området av guld och grafen.
Bildar chipintegrerade 3D-grafhen-SU8-strukturer och fotodetektorer
Som proof of concept, Huang et al. utvecklat komplexa origami-inspirerade mönster och chipintegrerade strukturer. För att montera dem, de mönstrade kopparofferlagret och grafen och kontrollerade UV-exponeringen i specifika regioner för att selektivt vika SU8-mikrostrukturen, medan andra delar förblev plana. Sådana komplexa strukturer kommer att vara viktiga för mjuk robotteknik med ett grafen-guldgränssnitt för fjärrtillämpningar för optisk energiskörd. De på chip monterade konstruktionerna är också viktiga inom optoelektronik, vilket Huang et al. illustreras med vinkelupplösta fotodetektorer med en självvikt SU8-grafenfotodetektoruppsättning. Med hjälp av ljusbelysning, de visade olika fotoresponser baserat på laserns vinkel och materialets arkitektur. Teamet använde också simuleringar för att bestämma det vinkelupplösta svaret.
Fotorespons av fristående grafen–Au–SU8 självvikta balkar. a) En plot av fotospänningen när laserfläcken skannades tvärs över den laterala riktningen av den platta grafen-Au-SU8-strålen, och den heldragna linjen är en guide för ögonen. öppen krets fotospänning mätt i b) plattan, och c) självvikt Au-graphene-SU8-balk, när lasereffekten varierades från 1 till 5 mW bestrålades på en elektrod med olika exponeringstider. d) Jämförelse av fotoresponsen mellan 3D självrullande grafen–Au–SU8 och den platta grafen–Au–SU8-strålen. Kredit:Advanced Intelligent Systems, doi:10.1002/aisy.202000195
Syn
På det här sättet, Qi Huang och kollegor utvecklade en mycket parallell process för att montera 3D-flexibla grafenmikrostrukturer. Metoden har tre viktiga fördelar att erbjuda,
Chip-integrerade grafen-Au-SU8 3D självvikta mikrostrukturer och fotodetektion. a) Schematisk över processflödet. Optiska och SEM-bilder av självvikningen av en grafen-Au-SU8 origami-fågel från, b) platt till c) dess 3D-form. Optiska och SEM-bilder av självvikningen av en grafen–Au–SU8-blomma från, d) platt till e) dess 3D-form. f) Schematisk beskrivning av självvikta 3D-grafen–Au–SU8-arrayer på chip. g) SEM-bild av den självvikta grafen-Au-SU8-matrisen. h) Optisk bild av mätuppställningen. i) Schematisk över den vinkelberoende fotoresponsmätningen för den chip-integrerade grafen-Au-SU8 3D självvikt fotodetektor. j) Vinkelberoende fotospänningssvar för en enda grafen–Au–SU8 3D självvikt fotodetektor. (0°, 30°, och 60°). k) COMSOL-simulering av variationen av ljusabsorption som funktion av infallsvinklar. Skalstaplar är b–e) 500 μm och g) 200 μm. Kredit:Advanced Intelligent Systems, doi:10.1002/aisy.202000195
Den optiskt transparenta fotoresisten kan spinnbeläggas och underhållas med relativ flexibilitet. Strukturerna var stabila i luften och kan utgöra bättre lättviktsalternativ till kiselbaserade moduler för integration i flyg- och simrobotar. Den primära grunden för den självvikningsmekanismen förlitade sig på kemisk-lösningsmedelsdriven differentiell svällning för att underlätta viknings-/uppvikningsrörelser. Teamet förväntar sig att använda denna metod för att skapa en rad 3D-mikrostrukturer för bärbara enheter, rörliga robotar, i biosensorer och i energiinsamlingsanordningar.
© 2021 Science X Network
