研究人员开发出基于单层石墨烯的可逆自折叠结构
美国约翰霍普金斯大学的科研团队开发了一种石墨烯量产方式，以制备基于单层石墨烯的可逆自折叠结构。该材料可用于微流体设计和微机械系统中。
基于二维层状材料(2DLMs)的刺激响应自折叠结构对于柔性电子器件、可穿戴设备、生物传感器、生物电子学和光子学非常重要。在此之前，已经开发出了自折叠2D材料以形成各种机器人、传感器和驱动器的策略。然而，在可伸缩性方面存在局限性，并且缺乏设计工具来获得可逆驱动、高集成度和可靠功能的复杂结构。
基于此，美国约翰霍普金斯大学的科研团队开发了一种可以大规模生产的策略，该策略使用在微流体和微机械系统（即SU8）中广泛使用的负型环氧光刻胶的梯度或差分交联膜来创建基于单层石墨烯的可逆自折叠结构。实现了晶圆级尺度的图形化，并以环、多面体、花和双向折叠的折纸鸟的形式集成了复杂的功能器件。此外，还集成了用于实现功能性石墨烯-金肖特基界面的金（Au）电极，该电极具有增强的光响应和3D角度灵敏检测功能。通过包括粗粒度模型在内的理论方法对实验进行了指导和合理化，其中包括为这种光刻胶的可调谐力学（专门模拟折叠动力学）和有限单元法（FEM）电磁仿真而专门开发的粗粒度模型。
该研究小组测试了两种方法以允许可逆折叠的SU8薄膜的可逆折叠，包括双层和梯度方法。对于这两种版本，他们首先在晶圆或载玻片上沉积了一个50 nm厚的热蒸发铜牺牲层。在双层方法中，使用光刻技术对具有完全交联的底层和部分交联的顶层的SU8双层薄膜进行了构图，以利于从晶圆上弯曲。然后，将SU8层旋涂到材料上，并通过将双层图样浸入丙酮中以形成自折叠前体来调节双层图样。当溶剂从丙酮转移到水中时，调节后的结构可以可逆地折叠和展开。
通过改变图案的厚度，他们组装了具有不同半径和各种3D形状的弯曲结构。研究小组还改变了紫外线照射的剂量比例，以增加图案折叠的程度。他们指出，通过改变交联的厚度和程度，可以实现不同的折叠角度。这项工作提供了SU8微结构控制弯曲和几何形状所需的设计标准。
独立式和3D自折叠石墨烯-Au-SU8结构的制造过程示意图。
a）制造工艺流程。
b）在水和丙酮之间进行溶剂转移的自折叠和展开过程。
c）平坦的石墨烯–Au–SU8光束的图像，
d）自折叠石墨烯–Au–SU8卷。
e）自折叠光束的侧视图扫描电子显微镜（SEM）图像。
比例尺为c，d）800μm，e）200μm。
这种自折叠结构可以重要地支持扁平单层石墨烯转化为3D形状。这个集成过程包括几个关键步骤。首先，该团队使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)方法将化学气相沉积法生长的单层石墨烯从镀铜晶片转移到镀铜硅衬底上。然后，利用拉曼光谱记录了SU8上沉积的单层石墨烯所对应的峰。随后，他们通过光刻和等离子体蚀刻对石墨烯进行了图纹，并实现了石墨烯- su8结构在水和丙酮中的可逆折叠/展开的自发进行。这种自滚动石墨烯- su8的集成过程发生在晶圆规模上，促进了包括金线或图案在内的其他元素的加入，从而形成功能性的电子或光学器件。
材料科学家通常基于石墨烯独特的物理特性、高机械强度和材料的稳定性来研究其电子和光学应用。由于其光电特性，石墨烯在室温下的高载流子迁移率揭示了其在高频和高速器件中的潜在应用。然而，石墨烯的光吸收和光物质相互作用对于原子级平面石墨烯基器件来说是很低的。因此，Huang等人利用SU8的光学透明度开发了基于石墨烯的3D自折叠光学设备，形成了柔性光学设备和可穿戴设备。
芯片集成石墨烯- au - su8三维自折叠微结构和光探测。
a)工艺流程示意图。
石墨烯-Au-SU8折纸鸟的自折叠的光学和SEM图像，其b）平面图c）其3D形状。
e)其三维形状的石墨烯- au - su8花自折叠的光学和扫描电镜图像。
f)自折叠三维石墨烯- au - su8芯片阵列原理图。
g)自折叠石墨烯- au - su8阵列的SEM图像。
h)测量装置的光学图像。
i)芯片集成石墨烯- au - su8三维自折叠光电探测器的角相关光响应测量原理图。
j)石墨烯- au - su8三维自折叠光电探测器的角相关光电电压响应。(0° 30°, 60°)。
k) COMSOL模拟光吸收随入射角的变化。
比例尺为b-e) 500μm和g) 200μm。
通过这种方式，该团队开发了一种高度并行的工艺来组装3D柔性石墨烯微结构。该方法具有三个关键优势:独立材料和芯片集成，灵活透明的3D石墨烯器件高度并行集成，可逆重构。
该光学透明光刻胶可以旋转涂覆，并保持相对的柔韧性。该结构在空气中稳定，可以形成更好的轻质替代硅基模块集成在飞行和游泳机器人。自折叠机制的主要基础是依靠化学溶剂驱动的微分膨胀来促进折叠/展开运动。该团队希望利用这种方法为可穿戴设备、移动机器人、生物传感器和能量收集设备创造一系列3D微结构。
相关文献：DOI: 10.1002/aisy.202000195