3D成型石墨烯-膨胀，收缩，适应

从2D到3D对于石墨烯界来说是一个很大的挑战。由于局部应力在石墨烯中产生断裂，已证明将二维石墨烯转移到三维表面上很困难。尽管研究人员已经研究了石墨烯在微结构表面上的整合（例如：“ 用于转移纳米结构的通用且快速的方法 ”和“ 用于石墨烯表面力平衡的超平转移方法 ”），但石墨烯在3D结构周围的无损伤性质以前没有得到证明。

伊利诺伊大学香槟分校的新研究注定会改变这一状况。机械科学与工程学系助理教授SungWoo Nam领导的一个团队已经证明了石墨烯可以集成到各种不同的微结构几何形状中，如金字塔，柱子，穹顶，倒金字塔，以及石墨烯的混合结构的集成。石墨烯在3D结构上装饰有金纳米颗粒。

该小组在2015年6月18日的Nano Letters在线版（“通过膨胀，收缩和适应的石墨烯三维集成”）中报告了他们的发现。

石墨烯的3D集成的示意图。（a）将具有支撑层的石墨烯转移到3D溶胀的PDMS衬底上。具有支撑层的石墨烯被悬浮（即，不符合基底）。（b）在溶剂（例如甲苯）蒸发期间，PDMS基材收缩。通过该步骤实现了石墨烯/支撑层的三维匹配。（c）用适当的蚀刻剂（例如，用于PMMA的丙酮）去除转印膜。（d）（a）的详细示意图。石墨烯粘附到金字塔的附近平面区域和金字塔的顶部，充当锚定点（绿色箭头）。石墨烯不符合要求，并悬浮在金字塔周围。l是悬浮石墨烯的长度，a‘和b‘分别是悬浮石墨烯下面的平面区域和棱锥的长度。（e）（b）的详细示意图。在收缩期间，实现了石墨烯在金字塔上的3D适应，并且出现了一些小的石墨烯皱纹/皱纹。a和b表示基材收缩后石墨烯下平面区域和锥体的最终长度。黑色箭头指示收缩方向。（经美国化学学会许可转载）（点击图片放大）

Nam告诉Nanowerk：“我们通过基板工程技术展示了石墨烯的完全保形3D集成。” “为避免拉伸和/或毛细应力对石墨烯造成损害，并实现在3D微结构表面上的均匀整合，我们开发了三个连续步骤：基材膨胀，收缩和适应。”

“我们的方法利用了湿转移和自适应衬底工程技术，与3D石墨烯的其他制造/集成方法相比，具有几个关键优势，” Chonghyun Choi解释说。，是Nam研究小组的一名研究生，是该论文的第一作者。“首先，我们将具有50nm PMMA转移膜的石墨烯转移到膨胀的PDMS衬底上，其中转移的PMMA /石墨烯最初悬浮在3D特征上-而不是与衬底进行保形接触。随着衬底在蒸发过程中收缩溶剂用于使PDMS溶胀，悬浮结构逐渐整合到下面的3D基板上，实现了3D适应性。最后，我们使用适当的蚀刻剂溶液轻轻地去除了转移膜，从而使3D石墨烯与预先设计的基板融为一体。”

Nam补充说：“悬浮的石墨烯容易受到PMMA去除和后续溶剂干燥过程中石墨烯与基材之间产生的拉伸应力和毛细应力的损害。” “因此，我们优化了膨胀，收缩和适应步骤，以最大程度地降低3D微观结构周围石墨烯的悬浮程度，并促进成功的3D集成。”

为了提高集成产量并减少不必要的起皱，该团队优化了基材膨胀量和转移膜的厚度-这是该技术的两个关键集成参数。

演示3D集成的多功能性。（ae）SEM图像显示了石墨烯整合到（a）长金字塔，（b）圆形柱，（c）矩形柱，（d）圆顶和（e）反金字塔上的结果。（f）集成在金字塔基底上的AuNPs /石墨烯杂化结构的SEM图像。右面板显示了左侧红色虚线正方形的放大图像，表明金字塔的墙壁上存在AuNP。（经美国化学学会许可转载）（点击图片放大）

该团队通过扫描电子显微镜和原子力显微镜展示了其3D集成石墨烯的坚固特性，其中微观结构特征的平面外尺寸范围从几微米到50微米。

根据研究人员的说法，这种制造技术可用于开发有源生物传感设备，因为结构的灵活性和3D性质符合生物系统的机械特性和多维性。

这种新颖的策略也可以应用于3D电极阵列，用于电生理细胞/组织的电生理研究。

另外，它可以解决与石墨烯与各种微机电系统（MEMS）集成相关的挑战。

展望未来，Nam的团队将研究其他低维纳米材料（例如过渡金属二硫化碳单层）与可拉伸3D电子学和生物电子学的集成。例如，通过这种3D转移方法对2D材料进行异质应变工程可用于新型光电，超材料和热电应用。 信息来源：Nanowerk