Sensível a estímulos, auto-dobrável, materiais em camadas bidimensionais (2-D) têm funções interessantes para eletrônicos flexíveis, vestuário, biossensores, e aplicações fotônicas. Contudo, limites com escalabilidade e falta de ferramentas de design podem impedir a alta integração e sua função confiável. Em um novo relatório agora publicado em Sistemas Inteligentes Avançados , Qi Huang, e uma equipe de cientistas em engenharia química e biomolecular e engenharia elétrica e de computação na Universidade Johns Hopkins, NÓS., propôs uma estratégia de produção em massa para criar estruturas autodobráveis ​​reversíveis à base de grafeno monocamada. O material pode ser utilizado em sistemas microfluídicos e micromecânicos. Como prova de conceito, eles alcançaram dispositivos complexos e funcionais na forma de anéis, poliedros, flores e pássaros de origami. Em seguida, eles integraram eletrodos de ouro aos construtos para melhorar sua sensibilidade de detecção. Os experimentos sugerem uma estrutura abrangente para projetar e fabricar racionalmente, escalonável e complexo, 3-D, dispositivos ópticos e eletrônicos auto-dobráveis ​​dobrando grafeno monocamada 2-D.

Desenvolvimento de microestruturas 3-D a partir de precursores 2-D

O desenvolvimento de microestruturas integradas 3-D em escala de wafer, Os precursores 2-D podem ser úteis em uma variedade de campos, incluindo óptica, eletrônicos, robótica e engenharia biomédica. Contudo, ainda é difícil realizar dispositivos híbridos baseados em material em camadas em escala de wafer ou em camadas 2-D reversíveis e independentes. Nesse trabalho, Huang et al. investigou a mecânica de dobramento de SU8 diferencialmente reticulado - ou seja, um ultravioleta à base de epóxi (UV) reticulável, fotoresiste negativo com base em uma resina comercial, e a interação da luz com microestruturas 3-D de grafeno-ouro (Au) -SU8 flexíveis. A equipe usou experimentos e simulações para apresentar várias novas ideias e demonstrar as microestruturas de grafeno SU8 auto-dobráveis. Eles variaram a extensão da reticulação SU8 ajustando a dose de UV para desenvolver uma modelo de granulação grossa que englobava o efeito da luz ultravioleta para a mecânica do material e mudanças de volume. Em seguida, eles usaram a abordagem para fornecer exemplos de formas 3-D, incluindo pássaros de origami. O método também incluiu abordagens computacionais de integração multicamadas de muito grande escala (VLSI). O método permitiu conexões simples com eletrodos e outros eletrônicos, módulos ópticos ou microfluídicos. Os estudos exibiram dispositivos funcionais híbridos de grafeno 3-D adequados para robótica, wearables e fotônica.

Projetar racionalmente estruturas 3-D auto dobráveis ​​SU8

Huang et al. testou dois métodos para permitir o dobramento reversível de filmes SU8 diferencialmente reticulados, incluindo métodos de bicamada e gradiente. Para ambas as versões, eles primeiro depositaram uma camada sacrificial de cobre evaporado termicamente de 50 nm de espessura em um wafer ou lâmina de vidro. Durante o método de bicamada, eles padronizaram os filmes de bicamada SU8 com uma camada inferior totalmente reticulada e uma camada superior parcialmente reticulada usando fotolitografia para facilitar a curvatura para longe do wafer. Eles então revestiram as camadas de SU8 sobre o material e condicionaram os padrões de bicamada, imergindo-os em acetona para criar precursores autodobráveis. As estruturas condicionadas podem se dobrar e se desdobrar reversivelmente na transferência do solvente da acetona para a água. Variando a espessura do padrão, eles montaram vigas curvas com raios diferentes e uma variedade de formas 3-D. A equipe também variou a dose da taxa de exposição aos raios ultravioleta para aumentar a extensão da dobra do padrão. Eles observaram como diferentes ângulos de dobra poderiam ser alcançados variando a espessura e a extensão da reticulação. O trabalho forneceu os critérios de projeto necessários para obter curvas e geometrias controladas para as microestruturas SU8. As simulações foram reproduções precisas das formas de dobramento experimentais.

Convertendo grafeno em formas 3-D com base nas estruturas auto-dobráveis ​​SU8

As estruturas auto-dobráveis ​​podem suportar de maneira importante a transformação de grafeno de monocamada plana em formas 3-D. Esse processo de integração incluiu algumas etapas principais. Inicialmente, a equipe transferiu o grafeno monocamada cultivado usando deposição química de vapor de um wafer revestido de cobre para o substrato de silício revestido de cobre sacrificial usando o método de polimetilmetacrilato (PMMA). Então, usando espectros Raman, Huang et al. observou os picos correspondentes ao grafeno monocamada depositado no SU8 como esperado. Depois disso, eles padronizaram o grafeno por meio de fotolitografia e gravação de plasma, e autorrolamento realizado de estruturas de grafeno-SU8 com rolagem / desenrolamento reversível em água e acetona. Este processo de integração de grafeno-SU8 autorrolante ocorreu em uma escala de wafer, facilitando a inclusão de outros elementos, incluindo linhas ou padrões dourados, para formar dispositivos eletrônicos ou ópticos funcionais.

Desenvolvendo materiais inteligentes ultrafinos que mudam de forma.

Os cientistas de materiais normalmente estudam o grafeno para suas aplicações eletrônicas e ópticas com base em características físicas únicas, alta resistência mecânica, e estabilidade do material. Devido às suas propriedades características da optoeletrônica, a mobilidade de portadores de alta carga do grafeno em temperaturas ambientes revelou aplicações potenciais em dispositivos de alta frequência e alta velocidade. No entanto, a absorção de luz e a interação luz-matéria do grafeno são baixas para dispositivos baseados em grafeno planar atomicamente finos. Huang et al. portanto, alavancou a transparência ótica do SU8 para desenvolver dispositivos óticos 3-D auto-dobráveis ​​baseados em grafeno para formar dispositivos óticos flexíveis e vestíveis. Eles criaram estruturas de grafeno 3-D multi-laminados para superar os limites de baixa capacidade de absorção do grafeno de camada única. Os cientistas então usaram um fotodetector de grafeno-ouro-SU8 plano e testaram o substrato iluminando cada eletrodo de ouro com um laser de 488 nm. A fotovoltagem era maior quando a iluminação a laser incidia diretamente no lado do grafeno em comparação com o lado SU8. A iluminação reduzida resultou da absorção de luz no filme SU8. A fotovoltagem gerada no trabalho resultou principalmente da área de sobreposição de ouro e grafeno.

Formação de estruturas e fotodetectores 3-D grapahene-SU8 integrados com chip

Como prova de conceito, Huang et al. desenvolveu designs complexos inspirados em origami e estruturas integradas a chips. Para montá-los, eles padronizaram a camada sacrificial de cobre e grafeno e controlaram a exposição UV em regiões específicas para dobrar seletivamente a microestrutura SU8, enquanto outras partes permaneceram fixas e planas. Essas estruturas complexas serão importantes para a robótica leve com uma interface de grafeno-ouro para aplicações de coleta de energia óptica remota. Os projetos montados no chip também são importantes em optoeletrônica, qual Huang et al. ilustrado usando fotodetectores de ângulo resolvido com uma matriz de fotodetectores de grafeno SU8 dobrável. Usando iluminação leve, eles mostraram fotorrespostas diferentes com base no ângulo do laser e na arquitetura do material. A equipe também usou simulações para determinar a resposta resolvida em ângulo.

Panorama

Desta maneira, Qi Huang e colegas desenvolveram um processo altamente paralelo para montar microestruturas de grafeno flexível 3-D. O método tem três vantagens principais a oferecer,

1. Materiais autônomos e integração de chip
2. Integração altamente paralela de dispositivos de grafeno 3-D flexíveis e transparentes, e
3. Reconfiguração reversível.

O fotorresiste opticamente transparente pode ser revestido por rotação e mantido com relativa flexibilidade. As estruturas eram estáveis ​​no ar e podem formar melhores alternativas leves aos módulos baseados em silício para integração em robôs voadores e nadadores. A base primária do mecanismo de auto-dobramento dependia do intumescimento diferencial acionado por solvente químico para facilitar os movimentos de dobramento / desdobramento. A equipe espera usar esta abordagem para criar uma gama de microestruturas 3-D para vestíveis, robôs em movimento, em biossensores e em dispositivos de captação de energia.

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