Meccanismo e versatilità dei film SU8 autopieganti. a) Doppio strato di SU8 autopiegante in cui lo strato inferiore di SU8 è completamente reticolato e lo strato superiore di SU8 è parzialmente reticolato. Il film a doppio strato SU8 si piega verso l'alto durante lo scambio di solvente tra acetone e acqua. b) SU8 auto-piegante con densità di reticolazione a gradiente di dose UV bassa attraverso il singolo film SU8. Il film SU8 si piega verso il basso durante lo scambio di solvente tra acetone e acqua. Gli spessori totali delle travi SU8 a doppio strato sono stati, c) 20μm, e d) 10μm, e UVr = 0.5. Piegatura controllata di stelle SU8 a doppio strato, e) UVr = 0,8, lo spessore era di 10µm. f) UVr = 0,5, lo spessore era di 10µm. g) UVr = 0,5, lo spessore era 5 μm. h) nastri SU8 piegati in i) eliche, e j) una stella SU8 piegata in k) una piramide quadrata usando il metodo del gradiente. Le barre della scala sono, c–g) 500μm, h, i) 800μm, e j, k) 300μm. Credito:sistemi intelligenti avanzati, doi:10.1002/aisy.202000195
Risposta agli stimoli, auto pieghevole, i materiali stratificati bidimensionali (2-D) hanno funzioni interessanti per l'elettronica flessibile, Indossabili, biosensori, e applicazioni fotonica. Però, i limiti con la scalabilità e la mancanza di strumenti di progettazione possono impedire un'elevata integrazione e la loro funzione affidabile. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Sistemi intelligenti avanzati , Qi Huang, e un team di scienziati in ingegneria chimica e biomolecolare e ingegneria elettrica e informatica presso la Johns Hopkins University, NOI., ha proposto una strategia di produzione di massa per creare strutture auto-pieganti reversibili a base di grafene monostrato. Il materiale può essere utilizzato in sistemi microfluidici e micromeccanici. Come prova del concetto, hanno realizzato dispositivi complessi e funzionali sotto forma di anelli, poliedri, fiori e uccelli origami. Hanno quindi integrato elettrodi d'oro nei costrutti per migliorare la loro sensibilità di rilevamento. Gli esperimenti suggeriscono un quadro completo per progettare razionalmente e fabbricare scalabili e complessi, 3-D, dispositivi ottici ed elettronici auto-pieganti mediante piegatura di grafene monostrato 2-D.
Sviluppo di microstrutture 3-D da precursori 2-D
Lo sviluppo di microstrutture 3D integrate da scala wafer, I precursori 2-D possono essere utili in una varietà di campi tra cui ottica, elettronica, robotica e ingegneria biomedica. Però, è ancora difficile realizzare dispositivi ibridi basati su materiali stratificati 2-D su scala wafer o indipendenti e reversibili. In questo lavoro, Huang et al. ha studiato la meccanica di piegatura di SU8 reticolato in modo differenziale, vale a dire, un reticolabile ultravioletto (UV) a base epossidica, fotoresist negativo basato su una resina commerciale, e l'interazione della luce con microstrutture 3-D flessibili di grafene-oro (Au)-SU8. Il team ha utilizzato esperimenti e simulazioni per introdurre diverse nuove idee e ha dimostrato le microstrutture di grafene SU8 auto-pieganti. Hanno variato l'entità della reticolazione SU8 regolando la dose UV per sviluppare un modello a grana grossa che comprendeva l'effetto della luce UV per la meccanica dei materiali e le variazioni di volume. Hanno quindi utilizzato l'approccio per fornire esempi di forme 3D che includono uccelli origami. Il metodo includeva anche approcci computazionali di integrazione multistrato su scala molto ampia (VLSI). Il metodo consentiva semplici collegamenti con elettrodi e altri dispositivi elettronici, moduli ottici o microfluidici. Gli studi hanno mostrato dispositivi funzionali ibridi di grafene 3-D adatti alla robotica, indossabili e fotonica.
Quadro di progettazione meccanica per microstrutture auto-pieganti. a) Grafico del modulo elastico (E) in funzione dell'intensità di esposizione (I0) per SU8. I singoli punti sono valori misurati e la linea retta indica un adattamento teorico a questi punti e il valore del modulo alla soglia di esposizione dal foglio dati SU8. b) Un grafico del ROC medio per una trave SU8 rettangolare a doppio strato con dimensioni 250 × 500 μm, in funzione dello spessore (t) e dell'intensità di esposizione (I0) dello strato superiore. Il rosso indica lo strato SU8 inferiore (completamente esposto ai raggi UV con 240 mJ cm-2), e lo strato blu è lo strato SU8 superiore (esposto ai raggi UV con I0). c) Un grafico del ROC per un raggio SU8 rettangolare reticolato a gradiente con dimensioni 250 × 500 μm, in funzione dell'intensità di esposizione (I0) dello strato superiore (colore in rosso con energia di I0) e dell'intensità del gradiente decrescente lungo lo spessore dato da (
Progettare razionalmente strutture SU8 auto-pieganti 3-D
Huang et al. ha testato due metodi per consentire la piegatura reversibile di film SU8 reticolati in modo differenziale, compresi i metodi a doppio strato ea gradiente. Per entrambe le versioni, hanno prima depositato uno strato sacrificale di rame evaporato termicamente dello spessore di 50 nm su un wafer o su un vetrino. Durante il metodo del doppio strato, hanno modellato film a doppio strato SU8 con uno strato inferiore completamente reticolato e uno strato superiore parzialmente reticolato utilizzando la fotolitografia per facilitare la piegatura dal wafer. Hanno quindi rivestito per rotazione gli strati di SU8 sul materiale e hanno condizionato i modelli a doppio strato immergendoli in acetone per creare precursori auto-pieganti. Le strutture condizionate potrebbero piegarsi e dispiegarsi in modo reversibile durante il trasferimento del solvente dall'acetone all'acqua. Variando lo spessore del disegno, hanno assemblato travi curve con raggi diversi e una varietà di forme 3D. Il team ha anche variato la dose del rapporto di esposizione ai raggi UV per aumentare l'estensione della piegatura del modello. Hanno notato come è possibile ottenere diversi angoli di piega variando lo spessore e l'estensione della reticolazione. Il lavoro ha fornito i criteri di progettazione necessari per ottenere flessione e geometrie controllate per le microstrutture SU8. Le simulazioni erano riproduzioni accurate delle forme pieghevoli sperimentali.
Conversione di grafene in forme 3D basate sulle strutture SU8 auto-pieganti
Le strutture auto-ripieganti potrebbero supportare in modo importante la trasformazione del grafene piatto monostrato in forme 3D. Questo processo di integrazione comprendeva alcuni passaggi chiave. All'inizio, il team ha trasferito il grafene monostrato cresciuto utilizzando la deposizione chimica da vapore da un wafer rivestito di rame al substrato sacrificale di silicio rivestito di rame utilizzando il metodo del polimetilmetacrilato (PMMA). Quindi utilizzando gli spettri Raman, Huang et al. annotato i picchi corrispondenti al grafene monostrato depositato su SU8 come previsto. Successivamente, hanno modellato il grafene tramite fotolitografia e incisione al plasma, e realizzato auto-rotolamento di strutture grafene-SU8 con rotolamento/svolgimento reversibile in acqua e acetone. Questo processo di integrazione del grafene-SU8 autopulente è avvenuto su scala wafer, facilitare l'inclusione di altri elementi tra cui linee o motivi dorati, per formare dispositivi elettronici o ottici funzionali.
Illustrazione schematica del processo di fabbricazione per fasci di grafene–Au–SU8 autoportanti e 3D auto-piegati. a) Flusso del processo di fabbricazione. b) Processo di autopiegatura e distensione sul trasferimento del solvente tra acqua e acetone. c) Immagine di un fascio piatto di grafene–Au–SU8, e d) un rotolo di grafene-Au-SU8 auto-piegato. e) Immagine al microscopio elettronico a scansione laterale (SEM) del fascio auto-piegato. Le barre della scala sono c, d) 800μm, e e) 200µm. Credito:sistemi intelligenti avanzati, doi:10.1002/aisy.202000195
Sviluppo di materiali intelligenti ultrasottili che cambiano forma.
Gli scienziati dei materiali in genere studiano il grafene per le sue applicazioni elettroniche e ottiche basate su caratteristiche fisiche uniche, elevata resistenza meccanica, e stabilità del materiale. Grazie alle sue proprietà caratteristiche dell'optoelettronica, l'elevata mobilità dei portatori di carica del grafene a temperatura ambiente ha rivelato potenziali applicazioni in dispositivi ad alta frequenza e alta velocità. Tuttavia, l'assorbimento della luce e l'interazione luce-materia del grafene sono bassi per i dispositivi a base di grafene planare atomicamente sottili. Huang et al. ha quindi sfruttato la trasparenza ottica di SU8 per sviluppare dispositivi ottici 3-D auto-pieganti a base di grafene per formare dispositivi ottici flessibili e indossabili. Hanno creato strutture di grafene 3D multilaminati per superare i limiti della scarsa capacità di assorbimento del grafene a strato singolo. Gli scienziati hanno quindi utilizzato un fotorilevatore piatto di grafene-oro-SU8 e hanno testato il substrato illuminando ciascun elettrodo d'oro con un laser a 488 nm. La fototensione era maggiore quando l'illuminazione laser era direttamente incidente sul lato grafene rispetto al lato SU8. L'illuminazione ridotta derivava dall'assorbimento della luce nel film SU8. Il fotovoltaggio generato nell'opera derivava principalmente dall'area di sovrapposizione dell'oro e del grafene.
Formazione di strutture e fotorivelatori di grapahene-SU8 3D integrati nel chip
Come prova del concetto, Huang et al. sviluppato progetti complessi ispirati agli origami e strutture integrate con chip. Per assemblarli, hanno modellato lo strato sacrificale di rame e il grafene e hanno controllato l'esposizione ai raggi UV in regioni specifiche per piegare selettivamente la microstruttura SU8, mentre altre parti sono rimaste bloccate. Tali strutture complesse saranno importanti per la robotica morbida con un'interfaccia grafene-oro per applicazioni di raccolta di energia ottica remota. I progetti assemblati su chip sono importanti anche nell'optoelettronica, quale Huang et al. illustrato utilizzando fotorivelatori ad angolo risolto con un array di fotorivelatori di grafene SU8 ripiegato automaticamente. Usando l'illuminazione della luce, hanno mostrato diverse fotorisposte in base all'angolo del laser e all'architettura del materiale. Il team ha anche utilizzato simulazioni per determinare la risposta risolta dall'angolo.
Fotorisposta di fasci auto-piegati di grafene–Au–SU8. a) È stato scansionato un grafico della fototensione quando lo spot laser è stato scansionato lungo la direzione laterale del raggio piatto di grafene-Au-SU8, e la linea continua è una guida per gli occhi. Fototensione a circuito aperto misurata nel b) appartamento, e c) fascio di Au-grafene-SU8 auto-piegato, quando la potenza del laser è stata variata da 1 a 5 mW irradiato su un elettrodo con tempi di esposizione differenti. d) Confronto della fotorisposta tra il raggio 3D self-rolled grafene–Au–SU8 e il fascio piatto di grafene–Au–SU8. Credito:sistemi intelligenti avanzati, doi:10.1002/aisy.202000195
Veduta
In questo modo, Qi Huang e colleghi hanno sviluppato un processo altamente parallelo per assemblare microstrutture di grafene flessibili 3D. Il metodo ha tre vantaggi chiave da offrire,
Microstrutture 3D auto-piegate e fotorilevamento di grafene-Au-SU8 integrato nel chip. a) Schema del flusso di processo. Immagini ottiche e SEM dell'auto-piegatura di un uccello origami grafene-Au-SU8 da, b) piatto in c) la sua forma 3D. Immagini ottiche e SEM dell'auto-piegatura di un fiore di grafene-Au-SU8 da, d) piatto in e) la sua forma 3D. f) Schema di array 3D grafene–Au–SU8 auto-piegati su chip. g) Immagine SEM dell'array self-folded grafene–Au–SU8. h) Immagine ottica del setup di misura. i) Schema della misurazione della fotorisposta dipendente dall'angolo per il fotorilevatore 3D auto-piegato grafene-Au-SU8 integrato nel chip. j) Risposta al fotovoltaggio dipendente dall'angolo di un singolo fotorivelatore 3D autopiegato grafene–Au–SU8. (0°, 30°, e 60°). k) Simulazione COMSOL della variazione dell'assorbimento della luce in funzione degli angoli di incidenza. Le barre della scala sono b–e) 500 µm e g) 200 µm. Credito:sistemi intelligenti avanzati, doi:10.1002/aisy.202000195
Il fotoresist otticamente trasparente può essere rivestito per rotazione e mantenuto con relativa flessibilità. Le strutture erano stabili nell'aria e possono formare alternative più leggere ai moduli a base di silicio per l'integrazione in robot volanti e nuotatori. La base principale del meccanismo di auto-ripiegamento si basava sul rigonfiamento differenziale guidato da solventi chimici per facilitare i movimenti di piegatura/apertura. Il team prevede di utilizzare questo approccio per creare una gamma di microstrutture 3D per dispositivi indossabili, robot in movimento, nei biosensori e nei dispositivi per la raccolta di energia.
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