Mécanisme et polyvalence des films auto‐pliants SU8. a) Bicouche auto-pliante SU8 où la couche inférieure SU8 est entièrement réticulée et la couche supérieure SU8 est partiellement réticulée. Le film bicouche SU8 se replie vers le haut lors de l'échange de solvant entre l'acétone et l'eau. b) SU8 auto-pliant avec une faible densité de réticulation à gradient de dose UV à travers le film SU8 unique. Le film SU8 se replie vers le bas lors de l'échange de solvant entre l'acétone et l'eau. Les épaisseurs totales des poutres bicouche SU8 étaient, c) 20 μm, et d) 10 μm, et UVr = 0,5. Pliage contrôlé des étoiles bicouche SU8, e) UVr = 0,8, l'épaisseur était de 10 µm. f) UVr = 0,5, l'épaisseur était de 10 µm. g) UVr = 0,5, l'épaisseur était de 5 µm. h) rubans SU8 pliés en i) hélices, et j) une étoile SU8 pliée en k) une pyramide carrée en utilisant la méthode du gradient. Les barres d'échelle sont, c–g) 500 μm, h, i) 800 μm, et j, k) 300 μm. Crédit : Systèmes intelligents avancés, doi:10.1002/aisy.202000195
Réactif aux stimuli, repliable, les matériaux stratifiés bidimensionnels (2-D) ont des fonctions intéressantes pour l'électronique flexible, portables, biocapteurs, et applications photoniques. Cependant, les limites de l'évolutivité et le manque d'outils de conception peuvent empêcher une intégration élevée et leur fonctionnement fiable. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Systèmes intelligents avancés , Qi Huang, et une équipe de scientifiques en génie chimique et biomoléculaire et en génie électrique et informatique à l'Université Johns Hopkins, NOUS., a proposé une stratégie de production de masse pour créer des structures auto-pliantes réversibles à base de graphène monocouche. Le matériau peut être utilisé dans les systèmes microfluidiques et micromécaniques. Comme preuve de concept, ils ont réalisé des dispositifs complexes et fonctionnels sous forme d'anneaux, polyèdres, fleurs et oiseaux en origami. Ils ont ensuite intégré des électrodes en or aux constructions pour améliorer leur sensibilité de détection. Les expériences suggèrent un cadre complet pour concevoir et fabriquer rationnellement des éléments évolutifs et complexes, 3-D, dispositifs optiques et électroniques auto-pliants par pliage de graphène monocouche 2-D.
Développement de microstructures 3D à partir de précurseurs 2D
Le développement de microstructures intégrées 3-D à l'échelle d'une plaquette, Les précurseurs 2D peuvent être utiles dans divers domaines, notamment l'optique, électronique, robotique et génie biomédical. Cependant, il est encore difficile de réaliser des dispositifs hybrides à base de matériaux en couches 2-D sur puce ou autonomes et réversibles à l'échelle d'une plaquette. Dans ce travail, Huang et al. étudié la mécanique de pliage de SU8 différentiellement réticulé - c'est-à-dire, un réticulable ultraviolet (UV) à base d'époxy, photoresist négatif à base d'une résine commerciale, et l'interaction de la lumière avec des microstructures 3-D flexibles graphène-or (Au)-SU8. L'équipe a utilisé des expériences et des simulations pour introduire plusieurs nouvelles idées et a démontré les microstructures auto-pliantes du graphène SU8. Ils ont fait varier l'étendue de la réticulation du SU8 en ajustant la dose d'UV pour développer un système basé sur la physique, modèle à gros grains qui englobait l'effet de la lumière UV sur la mécanique des matériaux et les changements de volume. Ils ont ensuite utilisé l'approche pour fournir des exemples de formes 3D, y compris des oiseaux en origami. La méthode comprenait également des approches informatiques multicouches d'intégration à très grande échelle (VLSI). La méthode a permis des connexions simples avec des électrodes et d'autres appareils électroniques, modules optiques ou microfluidiques. Les études ont montré des dispositifs fonctionnels hybrides de graphène 3D adaptés à la robotique, wearables et photonique.
Cadre de conception mécanique pour les microstructures auto‐pliantes. a) Tracé du module d'élasticité (E) en fonction de l'intensité d'exposition (I0) pour SU8. Les points individuels sont des valeurs mesurées et la ligne droite indique un ajustement théorique à ces points et la valeur du module au seuil d'exposition de la fiche technique SU8. b) Un tracé du ROC moyenné pour une poutre SU8 rectangulaire bicouche de dimensions 250 × 500 μm, en fonction de l'épaisseur (t) et de l'intensité d'exposition (I0) de la couche supérieure. Le rouge indique la couche inférieure SU8 (entièrement exposée aux UV avec 240 mJ cm-2), et la couche bleue est la couche supérieure SU8 (exposée aux UV avec I0). c) Un tracé du ROC pour une poutre SU8 rectangulaire réticulée en gradient de dimensions 250 × 500 μm, en fonction de l'intensité d'exposition (I0) de la couche supérieure (couleur en rouge d'énergie I0) et de l'intensité du gradient décroissant le long de l'épaisseur donnée par (
Concevoir rationnellement des structures SU8 auto-pliantes en 3D
Huang et al. testé deux méthodes pour permettre le pliage réversible de films SU8 à réticulation différentielle, y compris les méthodes à double couche et à gradient. Pour les deux versions, ils ont d'abord déposé une couche sacrificielle de cuivre évaporé thermiquement de 50 nm d'épaisseur sur une plaquette ou une lame de verre. Au cours de la méthode bicouche, ils ont modelé des films bicouches SU8 avec une couche inférieure entièrement réticulée et une couche supérieure partiellement réticulée en utilisant la photolithographie pour faciliter la flexion loin de la plaquette. Ils ont ensuite appliqué par centrifugation les couches de SU8 sur le matériau et conditionné les motifs bicouches en les immergeant dans de l'acétone pour créer des précurseurs auto-pliants. Les structures conditionnées pourraient se replier et se déplier de manière réversible lors du transfert de solvant de l'acétone à l'eau. En variant l'épaisseur du motif, ils ont assemblé des poutres incurvées avec différents rayons et une variété de formes 3D. L'équipe a également modifié la dose d'exposition aux UV pour augmenter l'étendue du pliage des motifs. Ils ont noté comment différents angles de pliage pouvaient être obtenus en faisant varier l'épaisseur et l'étendue de la réticulation. Le travail a fourni les critères de conception requis pour obtenir une flexion et des géométries contrôlées pour les microstructures SU8. Les simulations étaient des reproductions précises des formes de pliage expérimentales.
Conversion du graphène en formes 3D basées sur les structures SU8 auto-pliantes
Les structures auto-pliantes pourraient soutenir de manière importante la transformation du graphène monocouche plat en formes 3D. Ce processus d'intégration comprenait quelques étapes clés. En premier, l'équipe a transféré le graphène monocouche cultivé par dépôt chimique en phase vapeur d'une plaquette recouverte de cuivre au substrat sacrificiel de silicium recouvert de cuivre en utilisant la méthode de polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Puis en utilisant les spectres Raman, Huang et al. noté les pics correspondant au graphène monocouche déposé sur SU8 comme prévu. Après, ils ont modelé le graphène par photolithographie et gravure au plasma, et réalisé l'auto-laminage de structures en graphène-SU8 avec un laminage/déroulage réversible dans l'eau et l'acétone. Ce processus d'intégration du graphène-SU8 auto-roulant s'est produit à l'échelle d'une plaquette, facilitant l'inclusion d'autres éléments, y compris des lignes ou des motifs dorés, pour former des dispositifs électroniques ou optiques fonctionnels.
Illustration schématique du processus de fabrication de poutres autoportantes et auto-pliées en graphène–Au–SU8. a) Flux du processus de fabrication. b) Processus d'auto-pliage et de dépliage par transfert de solvant entre l'eau et l'acétone. c) Image d'un faisceau plat de graphène–Au–SU8, et d) un rouleau de graphène-Au-SU8 autoplié. e) Image au microscope électronique à balayage (MEB) latérale du faisceau autoplié. Les barres d'échelle sont c, d) 800 μm, et e) 200 µm. Crédit : Systèmes intelligents avancés, doi:10.1002/aisy.202000195
Développer des matériaux intelligents ultrafins qui changent de forme.
Les scientifiques des matériaux étudient généralement le graphène pour ses applications électroniques et optiques sur la base de caractéristiques physiques uniques, haute résistance mécanique, et la stabilité du matériau. En raison de ses propriétés caractéristiques de l'optoélectronique, la mobilité élevée des porteurs de charge du graphène à température ambiante a révélé des applications potentielles dans les dispositifs à haute fréquence et à grande vitesse. Néanmoins, l'absorption de la lumière et l'interaction lumière-matière du graphène sont faibles pour les dispositifs à base de graphène planaire atomiquement mince. Huang et al. a donc tiré parti de la transparence optique de SU8 pour développer des dispositifs optiques 3-D auto-pliants à base de graphène pour former des dispositifs optiques flexibles et des dispositifs portables. Ils ont créé des structures de graphène 3-D multi-roulées pour surmonter les limites de la faible capacité d'absorption du graphène monocouche. Les scientifiques ont ensuite utilisé un photodétecteur plat au graphène-or-SU8 et testé le substrat en illuminant chaque électrode en or avec un laser à 488 nm. Le photovoltage était plus important lorsque l'éclairage laser était directement incident du côté du graphène par rapport au côté SU8. L'éclairage réduit résulte de l'absorption de la lumière dans le film SU8. Le photovoltaïque généré dans le travail résultait principalement de la zone de chevauchement de l'or et du graphène.
Formation de structures et de photodétecteurs 3-D Grapahene-SU8 intégrés à la puce
Comme preuve de concept, Huang et al. développé des conceptions complexes inspirées de l'origami et des structures intégrées à la puce. Pour les assembler, ils ont modelé la couche sacrificielle de cuivre et le graphène et contrôlé l'exposition aux UV dans des régions spécifiques pour plier sélectivement la microstructure SU8, tandis que d'autres parties sont restées clouées à plat. De telles structures complexes seront importantes pour la robotique douce avec une interface graphène-or pour les applications de récupération d'énergie optique à distance. Les conceptions assemblées sur puce sont également importantes en optoélectronique, que Huang et al. illustré à l'aide de photodétecteurs à résolution angulaire avec un réseau de photodétecteurs de graphène SU8 replié. En utilisant un éclairage lumineux, ils ont montré différentes photoréponses en fonction de l'angle du laser et de l'architecture du matériau. L'équipe a également utilisé des simulations pour déterminer la réponse à résolution angulaire.
Photoréponse de poutres auto‐pliées graphène–Au–SU8 autoportantes. a) Un tracé de la tension photovoltaïque lorsque le spot laser a été balayé dans la direction latérale du faisceau plat de graphène-Au-SU8, et la ligne continue est un guide pour les yeux. Photovoltage en circuit ouvert mesuré dans l'appartement b), et c) poutre autopliée Au–graphène–SU8, lorsque la puissance du laser variait de 1 à 5 µmW irradiée sur une électrode avec des temps d'exposition différents. d) Comparaison de la photoréponse entre le faisceau 3D auto‐roulé graphène–Au–SU8 et le faisceau plat graphène–Au–SU8. Crédit : Systèmes intelligents avancés, doi:10.1002/aisy.202000195
Perspectives
De cette façon, Qi Huang et ses collègues ont développé un processus hautement parallèle pour assembler des microstructures de graphène flexibles en 3D. La méthode a trois avantages clés à offrir,
Microstructures 3D autopliées en graphène–Au–SU8 intégré à la puce et photodétection. a) Schéma du déroulement du processus. Images optiques et SEM de l'auto‐pliage d'un oiseau origami graphène–Au–SU8 de, b) à plat en c) sa forme 3D. Images optiques et SEM de l'auto‐pliage d'une fleur de graphène–Au–SU8 de, d) à plat dans e) sa forme 3D. f) Schéma de matrices 3D autopliées de graphène–Au–SU8 sur puce. g) Image SEM du réseau auto‐plié graphène–Au–SU8. h) Image optique du montage de mesure. i) Schéma de la mesure de la photoréponse dépendante de l'angle pour le photodétecteur autoplié 3D graphène-Au-SU8 intégré à la puce. j) Réponse photovoltaique dépendante de l'angle d'un seul photodétecteur autoplié 3D graphène–Au–SU8. (0°, 30°, et 60°). k) Simulation COMSOL de la variation de l'absorption lumineuse en fonction des angles d'incidence. Les barres d'échelle sont b–e) 500 μm et g) 200 μm. Crédit : Systèmes intelligents avancés, doi:10.1002/aisy.202000195
La résine photosensible optiquement transparente peut être revêtue par centrifugation et conservée avec une relative flexibilité. Les structures étaient stables dans l'air et peuvent constituer de meilleures alternatives légères aux modules à base de silicium pour l'intégration dans les robots volants et nageurs. La base principale du mécanisme d'auto-pliage reposait sur un gonflement différentiel entraîné par un solvant chimique pour faciliter les mouvements de pliage/dépliage. L'équipe prévoit d'utiliser cette approche pour créer une gamme de microstructures 3D pour les vêtements, robots en mouvement, dans les biocapteurs et dans les dispositifs de récupération d'énergie.
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