Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont développé une nouvelle approche pour former des formes 3D à partir de plats, Feuilles 2D de graphène, ouvrant la voie à de futurs systèmes intégrés de dispositifs hybrides graphène-MEMS et d'électronique flexible.

"Au meilleur de nos connaissances, cette étude est la première à démontrer l'intégration du graphène à une variété de géométries microstructurées différentes, y compris les pyramides, piliers, dômes, pyramides inversées, et l'intégration 3D de structures hybrides nanoparticules d'or (AuNPs)/graphène, " a expliqué SungWoo Nam, professeur adjoint de sciences mécaniques et d'ingénierie à l'Illinois. "La flexibilité et la nature 3D de nos structures permettront des dispositifs de biodétection intime qui peuvent être conformes à la forme et aux caractéristiques de la peau humaine et d'autres systèmes biologiques. Les micro-structures saillantes 3D peuvent également atteindre une sensibilité accrue en maximisant la zone de contact efficace entre le capteurs et surfaces non planes.

"Nous prévoyons également que notre nouvelle approche d'intégration 3D facilitera les classes avancées de dispositifs hybrides entre les systèmes microélectromécaniques (MEMS) et les matériaux 2D pour la détection et l'actionnement."

Graphène, un réseau en nid d'abeilles bidimensionnel d'atomes de carbone liés par sp2, a été largement étudiée en raison de sa grande mobilité des porteurs, inertie chimique, et la biocompatibilité. À ce jour, diverses méthodes rapportées de transfert de graphène ont été principalement limitées aux surfaces planes ou curvilignes en raison des défis associés aux fractures dues aux contraintes locales lors du transfert sur des surfaces microstructurées 3D.

"Notre méthode utilise le transfert humide et l'ingénierie des substrats adaptatifs, offrant plusieurs avantages clés par rapport aux autres méthodes de fabrication/intégration du graphène 3D, " a déclaré Jonghyun Choi, un étudiant diplômé du groupe de recherche de Nam et premier auteur de l'article, "Intégration tridimensionnelle du graphène par gonflement, Contraction, et Adaptation, " apparaissant dans Lettres nano . "Nos résultats démontrent un simple, polyvalent, et méthode évolutive pour intégrer le graphène avec des géométries 3D avec diverses morphologies et dimensions. Non seulement ces fonctionnalités 3D sont plus grandes que celles rapportées dans les travaux précédents, mais nous démontrons également l'uniformité et la nature sans dommage du graphène intégré autour des fonctionnalités 3D."

L'approche robuste des chercheurs pour intégrer le graphène sur des surfaces microstructurées 3D maintient l'intégrité structurelle du graphène, où les dimensions hors plan des entités 3D varient de 3,5 à 50 μm. Le procédé comprend trois étapes séquentielles :1) gonflement du substrat à l'aide d'un solvant qui 2) se rétracte lors du processus d'évaporation, permettant au graphène de 3) s'adapter, ou épouser la forme d'un substrat préparé, pour obtenir sans dommage, intégration de grandes surfaces de graphène sur des microstructures 3D.

"Notre gonflement, contraction, et les étapes d'adaptation sont optimisées pour minimiser le degré de suspension de graphène autour des microstructures 3D et faciliter une intégration 3D réussie, " Nam ajouté. "Nous contrôlons la quantité de gonflement du substrat en ajustant le temps d'immersion dans le solvant organique et les rapports de mélange de monomère et agent de durcissement du substrat polydiméthylsiloxane (PDMS)."

Microscopie électronique à balayage détaillée, microscopie à force atomique, Spectroscopie Raman, et des études de mesure de résistance électrique montrent que la quantité de gonflement du substrat, ainsi que les rigidités en flexion du film de transfert, affecter le rendement d'intégration et la qualité du graphène intégré. Pour démontrer la polyvalence de leur approche, les chercheurs ont appliqué le processus à une variété de géométries microstructurées 3D, ainsi que l'intégration de structures hybrides de graphène décoré de nanoparticules d'or sur des substrats de microstructure 3D, démontrant la compatibilité de la méthode d'intégration avec d'autres nanomatériaux hybrides.