Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han desarrollado un nuevo enfoque para formar formas 3D a partir de planos, Hojas 2D de grafeno, allanando el camino para futuros sistemas integrados de dispositivos híbridos grafeno-MEMS y electrónica flexible.

"A lo mejor de nuestro conocimiento, este estudio es el primero en demostrar la integración del grafeno en una variedad de diferentes geometrías microestructuradas, incluyendo pirámides, pilares, cúpulas pirámides invertidas, y la integración 3D de nanopartículas de oro (AuNP) / estructuras híbridas de grafeno, "explicó SungWoo Nam, profesor asistente de ciencias mecánicas e ingeniería en Illinois. "La flexibilidad y la naturaleza 3D de nuestras estructuras permitirán dispositivos biosensores íntimos que pueden adaptarse a la forma y características de la piel humana y otros sistemas biológicos. Las microestructuras 3D que sobresalen también pueden lograr una mayor sensibilidad al maximizar el área de contacto efectivo entre los sensores y superficies no planas.

"También esperamos que nuestro nuevo enfoque de integración 3D facilite clases avanzadas de dispositivos híbridos entre sistemas microelectromecánicos (MEMS) y materiales 2D para detección y actuación".

Grafeno una red bidimensional en forma de panal de átomos de carbono unidos sp2, ha sido ampliamente estudiado debido a su alta movilidad de portador, inercia química, y biocompatibilidad. Hasta la fecha, Varios métodos informados de transferencia de grafeno se han limitado principalmente a superficies planas o curvilíneas debido a los desafíos asociados con las fracturas por estrés local durante la transferencia a superficies microestructuradas 3D.

"Nuestro método utiliza ingeniería de sustrato adaptativa y de transferencia húmeda, proporcionando varias ventajas clave sobre otros métodos de fabricación / integración de grafeno 3D, "declaró Jonghyun Choi, estudiante de posgrado en el grupo de investigación de Nam y primer autor del artículo, "Integración tridimensional del grafeno a través de la hinchazón, Contracción, y Adaptación, "apareciendo en Nano letras . "Nuestros resultados demuestran una versátil, y método escalable para integrar grafeno con geometrías 3D con diversas morfologías y dimensiones. Estas características 3D no solo son más grandes que las informadas en trabajos anteriores, pero también demostramos la uniformidad y la naturaleza libre de daños del grafeno integrado alrededor de las características 3D ".

El enfoque sólido de los investigadores para integrar el grafeno en superficies microestructuradas 3D mantiene la integridad estructural del grafeno. donde las dimensiones fuera del plano de las características 3D varían de 3,5 a 50 μm. El proceso incorpora tres pasos secuenciales:1) hinchamiento del sustrato usando un solvente que 2) encoge durante el proceso de evaporación, permitiendo que el grafeno 3) se adapte, o adaptarse a la forma de un sustrato preparado, para lograr libre de daños, integración de gran área de grafeno en microestructuras 3D.

"Nuestra hinchazón, contracción, y los pasos de adaptación están optimizados para minimizar el grado de suspensión de grafeno alrededor de las microestructuras 3D y facilitar la integración 3D exitosa, Nam añadió. "Controlamos la cantidad de hinchamiento del sustrato ajustando el tiempo de inmersión en disolvente orgánico y las proporciones de mezcla de monómero y agente de curado del sustrato de polidimetilsiloxano (PDMS)".

Microscopía electrónica de barrido detallada, Fuerza atómica microscópica, Espectroscopía Raman, y los estudios de medición de la resistencia eléctrica muestran que la cantidad de hinchamiento del sustrato, así como las rigideces a la flexión de la película de transferencia, afectar el rendimiento de integración y la calidad del grafeno integrado. Para demostrar la versatilidad de su enfoque, los investigadores aplicaron el proceso a una variedad de geometrías microestructuradas 3D, además de integrar estructuras híbridas de grafeno decoradas con nanopartículas de oro en sustratos de microestructura 3D, demostrando la compatibilidad del método de integración con otros nanomateriales híbridos.