面向生物燃料电池应用的三维碳微纳集成结构规模化制造新方法

Low-cost, highly-repeatability and scale integration of high-performance nanostructue into microstructure is a major challenge in micro-nanomanufacturing area. Based on our previous study in carbon MEMS and latest observation of wrinkled film intgration over carbon microelectrode array, we propose a novel approch for scalable manufacturing of 3-dimensioanl micro/nanointegrated carbon structure. The approach will combine thick-photoresist lithography and pyrolysis process of carbon MEMS with nanofilm coating process to fabricate 3-dimensional carbon microelectrode array with the integration of wrinkled nanofilm, which is low-cost, highly controllable and scalable. Meanwhile, the carbon micro-nanointegrated structure is biocompatible with good electrical, electrochemical, mechanical and surface properties, which could satisfy the requirements as the electrode design in the development of high-performance micro-devices for biological applications. Therefore, this investigation will be emphasized towards the application for biofuel cell. Through understanding of the process for micropattern carbonization evolution and the effects of micropattern surface stress, the mechansim of nanowrinkle formation will be clarified, the tuning of properties of the integrated structure will be realized, and the process for scalable manufacturing of micro-nanointegrated structure will be developed. In the end, based on the novel micro-nanoelectrode array, we will design and fabricate the prototype of biofuel cell. The study will greatly advance the development of carbon MEMS technology, and provide new principle and new method for micro-nanomanufacturing area.

低沉本、高重复性和规模化集成高性能的纳米结构材料到微结构上是当前微纳制造技术领域的一大挑战。基于在碳微机电系统方向的研究基础和最近发现的碳薄膜皱褶结构在碳微阵列结构上生成的新现象，提出规模化制造三维碳微纳集成结构的新方法。该方法将结合碳微机电系统技术的厚胶光刻和高温热解工艺及碳纳米镀膜工艺，可制造碳纳米皱褶集成的碳微电极阵列，具有低沉本、高可控性和规模化的特点。同时，碳微纳集成结构具有独特的生物兼容性，良好的电学、电化学、机械和表面特性，能满足研制高性能生物微纳器件电极结构的需求。为此，本研究将面向生物燃料微电池的应用，通过探索微图形的热解碳化演变规律和表面效应，揭示碳纳米皱褶的生成机制，调控纳米皱褶的集成特性，开发规模化的碳微纳集成结构的可控制造工艺。同时，基于新型碳微纳电极阵列结构，设计和研制生物燃料微电池。本研究将极大地促进碳微机电系统技术的发展，为微纳制造技术提供新原理和新方法。

要实现微纳米制造技术的应用还面临两个重要挑战，包括如何实现制造技术的规模化和如何基于微纳米尺度的结构构件宏观尺度的产品。为此，研究独特微纳结构的规模化集成制造技术具有重要意义。本研究着力开发规模化制造三维碳微纳集成结构的新方法，结合碳微机电系统技术和纳米制造技术制造碳纳米集成的碳微电极阵列。通过探索微图形的热解碳化演变规律和表面效应，揭示碳纳米结构的生成机制，调控微纳结构的集成特性，开发规模化的碳微纳集成结构的可控制造工艺。同时，基于新型碳微纳电极阵列结构，设计和研制微电池原型。通过碳基微纳结构的规模化制造原理、方法和工艺及在传感器和微能源领域的应用原型器件开发等方面的研究，取得了丰富的研究成果。开发了微纳复合结构的新制造工艺，碳基MEMS和NEMS工艺、制备了新型微纳集成结构，同时开发了基于新型微纳集成结构的微纳米器件，如微型传感器、超级电容和锂离子电池等。制备的集成复合结构集成了微结构和纳米结构如纳米线、纳米颗粒、纳米片、纳米皱褶等，不仅融合了碳材料的独特性能及纳米材料和结构的优良特性，还建立了纳、微和宏尺度之间的桥梁，为微纳米制造技术的广泛应用提供了可行的途径。另一方面，通过集成结构的原型器件开发，展示了该技术的应用思路，显示了微纳集成制造技术在新型产品微型化、柔性化和低功耗等方面的应用价值。项目执行中共发表论文23篇（21篇SCI杂志论文），批准国家发明专利2项，有力地促进了微纳米制造技术的发展和应用。