I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno sviluppato un nuovo approccio per formare forme 3D da piatti, fogli 2D di grafene, aprendo la strada a futuri sistemi integrati di dispositivi ibridi grafene-MEMS ed elettronica flessibile.

"Al meglio delle nostre conoscenze, questo studio è il primo a dimostrare l'integrazione del grafene in una varietà di diverse geometrie microstrutturate, comprese le piramidi, pilastri, cupole, piramidi invertite, e l'integrazione 3D di strutture ibride di nanoparticelle d'oro (AuNPs)/grafene, " ha spiegato SungWoo Nam, un assistente professore di scienze meccaniche e ingegneria all'Illinois. "La flessibilità e la natura 3D delle nostre strutture consentiranno dispositivi di biorilevamento intimo che possono essere conformati alla forma e alle caratteristiche della pelle umana e di altri sistemi biologici. Le microstrutture sporgenti 3D possono anche ottenere una maggiore sensibilità massimizzando l'effettiva area di contatto tra il sensori e superfici non piane.

"Ci aspettiamo inoltre che il nostro nuovo approccio di integrazione 3D faciliti classi avanzate di dispositivi ibridi tra sistemi microelettromeccanici (MEMS) e materiali 2D per il rilevamento e l'attuazione".

Grafene, un reticolo a nido d'ape bidimensionale di atomi di carbonio legati sp2, è stato ampiamente studiato per la sua elevata mobilità dei portatori, inerzia chimica, e biocompatibilità. Ad oggi, vari metodi riportati di trasferimento del grafene sono stati per lo più limitati a superfici planari o curvilinee a causa delle sfide associate alle fratture da stress locale durante il trasferimento su superfici microstrutturate 3D.

"Il nostro metodo utilizza il trasferimento a umido e l'ingegneria adattiva del substrato, fornendo numerosi vantaggi chiave rispetto ad altri metodi di fabbricazione/integrazione del grafene 3D, " ha dichiarato Jonghyun Choi, uno studente laureato nel gruppo di ricerca di Nam e primo autore dell'articolo, "Integrazione tridimensionale del grafene tramite rigonfiamento, restringendo, e adattamento, " che appare in Nano lettere . "I nostri risultati dimostrano un semplice, versatile, e metodo scalabile per integrare il grafene con geometrie 3D con varie morfologie e dimensioni. Non solo queste caratteristiche 3D sono più grandi di quelle riportate nei lavori precedenti, ma dimostriamo anche l'uniformità e la natura priva di danni del grafene integrato attorno alle caratteristiche 3D".

Il solido approccio dei ricercatori per integrare il grafene su superfici microstrutturate 3D mantiene l'integrità strutturale del grafene, dove le dimensioni fuori dal piano delle caratteristiche 3D variano da 3,5 a 50 μm. Il processo comprende tre fasi sequenziali:1) rigonfiamento del substrato mediante un solvente che 2) si restringe durante il processo di evaporazione, permettendo al grafene di 3) adattarsi, o conformarsi alla forma di un substrato preparato, per ottenere senza danni, integrazione ad ampia area del grafene su microstrutture 3D.

"Il nostro gonfiore, restringendosi, e le fasi di adattamento sono ottimizzate per ridurre al minimo il grado di sospensione del grafene attorno alle microstrutture 3D e facilitare l'integrazione 3D di successo, " Ha aggiunto Nam. "Controlliamo la quantità di rigonfiamento del substrato regolando il tempo di immersione nel solvente organico e i rapporti di miscelazione del monomero e dell'agente indurente del substrato di polidimetilsilossano (PDMS)."

Microscopia elettronica a scansione dettagliata, microscopia a forza atomica, spettroscopia Raman, e studi di misurazione della resistenza elettrica mostrano che la quantità di rigonfiamento del substrato, così come le rigidità flessionali del film di trasferimento, influenzare la resa di integrazione e la qualità del grafene integrato. Per dimostrare la versatilità del loro approccio, i ricercatori hanno applicato il processo a una varietà di geometrie microstrutturate 3D, oltre a integrare strutture ibride di grafene decorate con nanoparticelle d'oro su substrati di microstruttura 3D, dimostrare la compatibilità del metodo di integrazione con altri nanomateriali ibridi.