KR20180061344A

KR20180061344A - 그래핀-기반의 다중-모드형 센서

Info

Publication number: KR20180061344A
Application number: KR1020187012574A
Authority: KR
Inventors: 알략산드르 자렛스키; 데런 제이. 리포미; 알렉스 사브첸코; 엘레나 몰로카노바; 마크 머콜라
Original assignee: 더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2018-06-07
Also published as: US10641710B2; US20180100802A1; EP3359639A4; CN113176247A; US11879848B2; JP2021047189A; EP3359639A1; US9863885B2; US20220091042A1; JP2019504290A; US20170102334A1; US20200333254A1; CN108368469A; US11193890B2; JP7291112B2; HK1258239A1; JP2021121800A; WO2017062784A1

Abstract

복합 필름 구조의 금속층의 원하는 형태를 결정하는 단계, 결정에 기초하여 제1 금속 기재를 선택하는 단계, 제1 금속 기재 위에 그래핀층을 전달하는 단계, 원하는 형태를 얻기 위해 그래핀층 위에 금속층을 증착하는 단계, 및 복합 필름 구조를 생성하기 위해 증착된 금속층 및 그래핀으로부터 제1 금속 기재를 제거하는 단계를 포함하는, 복합 필름 구조의 제작 방법. 제1 금속 기재 및 증착된 금속층 사이의 표면 에너지 차이가 금속층의 원하는 형태를 가져온다.

Description

그래핀-기반의 다중-모드형 센서

관련 출원에 대한 상호-참조

본 출원은 2015.10.07에 제출된 "그래핀-기반(graphene-based)의 다중-모드형(multi-modal) 센서"의 제목의 미국 임시출원 제62/238,489호 및 2015.10.07에 제출된 "그래핀-기반의 다중-모드형 센서"의 제목의 미국 임시출원 제62/238,495호의 우선일의 이익을 주장한다. 이 임시출원들의 모든 내용은 여기서 참조로써 인용된다.

기술 분야

본 발명은 센서에 관한 것이다.

그래핀은 여러 흥미로운 특징을 가진다. 금속 필름에 비해 연질, 신축성, 전도성이 있고, 투명하며, 많은 기재에서 넓은 면적의 성장 및 전달이 가능하고, 이의 결정립은 1 cm에 이르는 치수까지 확장될 수 있다.

개시된 다중-모드형 센서는 기계적 자극 (인장, 압축 변형)에 대해 전기적 반응을 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라 라만 분광에 의한 국소적 화학적 환경을 평가하기 위한 표면-증강 라만 산란 (SERS) 기재로써 역할을 할 수 있다.

본원에 개시된 센서 및 방법은 전례 없는 고감도 (1 % 변형률에서 ~700의 게이지 수치(gauge factor)), 0.001 % 변형률 내지 10 % 초과까지의 변형률의 유용한 범위, 및 좋은 주기성을 가지는 변형률 센서에 관한 것이다.

개시된 센서 및 방법은 원거리 라만 감지 응용을 가능케 하는 광섬유의 팁 위에 증착된 그래핀-지지된 SERS 기재를 또한 포함한다.

본원에 개시된 시스템 및 방법은 기계적 변형률 센서를 사용한 심근 세포 수축을 측정하는 첫 번째 설명을 제공한다. 심근 세포를 센서 기재 위에 배양함으로써, 본원에 개시된 센서 및 방법을 사용하여 자발적 및 자극에 의한 심근 세포 수축을 기록하고 분석하는 것이 가능하다. 본원에 개시된 변형률 센서는 구조적 상태 모니터링 (토목 공학, 항공), 생체 인식 (심박수, 운동 감지), 지하수 오염 테스트, 생체-내의 생화학물 분석 (광섬유 카테터 삽입), 및 약물 발견 (신약 스크리닝, 심장 독성 연구)에 또한 사용될 수 있다.

일 측면에서, 복합 필름 구조의 금속층의 원하는 형태를 결정하는 단계, 결정에 기초하여 제1 금속 기재를 선택하는 단계, 제1 금속 기재 위에 그래핀층을 전달하는 단계, 원하는 형태를 얻기 위해 그래핀층 위에 금속층을 증착하는 단계, 및 복합 필름 구조를 생성하기 위해 증착된 금속층 및 그래핀으로부터 제1 금속 기재를 제거하는 단계를 포함하는 복합 필름 구조의 제작 방법이다. 제1 금속 기재 및 증착된 금속층 사이의 표면 에너지 차이는 금속층의 원하는 형태의 결과를 낳는다.

구현예는 일 이상의 하기 특징을 포함할 수 있다. 원하는 형태는 나노섬(nanoisland)을 포함할 수 있다. 금속층의 나노섬의 모서리 사이의 거리는 분자 단위의 치수일 수 있다. 금속층을 증착하는 단계는 금속 원자의 증발된 플럭스의 증착을 포함할 수 있다. 상기 금속 원자의 증발된 플럭스는 원하는 형태를 산출하도록 자가-조립될 수 있다. 금속 원자의 증발된 플럭스는 전자 빔 증발, 열적 증발 또는 스퍼터링에 의해 제조될 수 있다. 제1 금속 기재 위에 그래핀층을 전달하는 단계는 제2 금속 기재 위에 성장한 그래핀을 박리하는 단계 및 제1 금속 기재 위에 그래핀층을 위치시키는 단계를 포함할 수 있다. 그래핀은 단일층의 그래핀을 포함할 수 있다. 그래핀은 화학 기상 증착법을 사용하여 제2 금속 기재 위에 성장할 수 있다. 제1 금속 기재는 전이 금속을 포함할 수 있다. 전이 금속은 금, 은, 또는 니켈을 포함할 수 있다.

구현예는 일 이상의 하기 특징을 포함할 수 있다. 제1 금속 기재 위에 그래핀층을 증착하는 단계, 그래핀층 위에 복수의 금속 나노섬을 증착하는 단계, 표면-증강 라만 산란을 위한 기재를 생성하기 위해 증착된 복수의 금속 나노섬 및 그래핀으로부터 제1 금속 기재를 제거하는 단계를 포함하는 표면-증강 라만 산란을 위한 기재의 생성 방법이다. 표면-증강 라만 산란을 위한 기재를 생성하는 단계, 광섬유 위에 기재를 전달하는 단계, 기재 위에 분석물을 코팅하는 단계, 및 분석물로부터의 표면-증강 라만 산란 신호를 기록하는 단계를 포함하는 분석물의 표면-증강 라만 산란을 수행하는 방법이다. 복수의 금속 나노섬은 플라즈몬 활성 금속을 포함할 수 있다. 플라즈마 활성 금속은 구리, 은, 팔라듐, 금, 또는 백금 나노섬을 포함할 수 있다.

또 다른 측면에서, 제1 금속 기재 위에 그래핀층을 증착하는 단계, 그래핀층 위에 금속층을 증착하는 단계, 그래핀층 및 금속층 위에 중합체를 도포하는 단계; 및 제1 금속 기재를 4 자릿수까지의 변형률을 검출할 수 있는 변형률 센서를 생성하기 위해 에칭하는 단계를 포함하는 박막 변형률 센서를 제작하기 위한 방법이다.

구현예는 일 이상의 하기 특징을 포함할 수 있다. 금속층은 팔라듐을 포함할 수 있고, 제1 금속 기재를 구리를 포함하며 중합체는 폴리디메틸실록산을 포함한다.

또 다른 측면에서, 샘플을 복합 필름 구조와 접촉시키는 단계, 및 기계적 거동에 의해 유발된 전기적 신호를 측정하기 위해 복합 필름 구조를 사용하는 단계를 포함하는 샘플의 기계적 거동을 검출하는 방법이다. 복합 필름 구조는 그래핀층 위에 증착된 금속층 및 그래핀층 및 금속층 위의 중합체층을 포함한다.

구현예는 일 이상의 하기 특징을 포함할 수 있다. 샘플은 항공기 부품을 포함할 수 있고, 기계적 거동은 항공기 부품의 휨을 포함할 수 있다. 기계적 거동을 검출하는 것은 구조의 균열을 검출하는 것을 포함할 수 있다. 샘플은 생물학적 샘플을 포함할 수 있고 복합 필름 구조는 몸체 외부에서 사용된다. 생물학적 샘플은 대기와의 계면을 가지는 기관을 포함할 수 있다. 기계적 거동은 생리학적 정보를 전달할 수 있다. 생리학적 정보는 일 이상의 심박수, 맥압, 근육의 거동, 호흡을 포함할 수 있다. 몸체는 대기와의 계면을 가지는 인체의 일부분이다. 기계적 거동은 생리학적 정보를 전달할 수 있다. 생리학적 정보는 일 이상의 심박수, 맥압, 근육의 거동, 호흡을 포함할 수 있다. 복합 필름 구조는 피부 또는 의류에 대한 웨어러블 센서의 일부일 수 있다. 웨어러블 센서는 촉각 응용에 사용될 수 있다. 웨어러블 센서는 계장된 보철물에 사용될 수 있다.

복합 필름 구조는 인체의 외부의 응용에서 사용될 수 있다. 복합 필름 구조는 헬스케어 응용에서 사용될 수 있다.

그래핀층은 금속층이 그래핀층 위에 증착되기 전에 제1 금속 기재 위에 증착 될 수 있고, 중합체는 그래핀층 및 금속층에 도포될 수 있다.

본 방법은 샘플이 복합 필름 구조와 접촉하는 단계 이전에 제1 금속 기재에 에칭하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.

샘플이 복합 필름 구조와 접촉하는 단계는 복합 필름 구조를 샘플 위로 전달하는 것에 의해 복합 필름 구조로 샘플을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.

샘플은 생물학적 세포를 포함한다. 생물학적 세포는 일 이상의 심근 세포, 신경 세포, 근육 세포, 및 표피 세포를 포함한다. 금속층은 금 나노섬을 포함하며 중합체는 폴리메틸메타크릴레이트를 포함한다.

또 다른 측면에서, 그래핀의 층, 그래핀층 위의 복수의 금속 나노섬을 포함하고, 복수의 나노섬의 나노섬의 모서리 사이의 거리는 분자 단위의 치수인 기재이다. 기재는 표면-증강 라만 산란을 위해 구성될 수 있다.

구현예는 일 이상의 하기 특징을 포함할 수 있다. 그래핀은 단일층의 그래핀을 포함하며 복수의 금속 나노섬은 금 나노섬을 포함한다.

또 다른 측면에서, 그래핀층, 그래핀층 위의 금속층; 및 그래핀층 및 금속층 위의 중합체를 포함하는 변형률 센서이다. 변형률 센서의 압저항은 4 자릿수까지의 변형률을 검출할 수 있게 한다.

구현예는 일 이상의 하기 특징을 포함할 수 있다. 금속층은 팔라듐을 포함할 수 있고, 제1 금속 기재는 구리를 포함할 수 있으며 중합체는 폴리디메틸실록산을 포함할 수 있다. 그래핀층은 금속층을 통한 균열 전파를 억제하도록 구성될 수 있다. 변형률 센서의 1 % 변형률에서의 게이지 수치는 적어도 1,300일 수 있다.

또 다른 측면에서, 생물학적 샘플의 기계적 거동을 검출하기 위한 방법은, 생물학적 샘플 위로 복합 필름 구조를 전달시키는 것에 의해 생물학적 샘플을 복합 필름 구조로 코팅하는 단계를 포함한다. 방법은 기계적 거동에 의해 유발된 전기적 신호를 측정하기 위해 복합 필름 구조를 사용하는 단계를 포함한다. 복합 필름 구조는 그래핀층 위에 증착된 금속층, 및 그래핀층 및 금속층 위의 중합체층을 포함하며, 생물학적 샘플은 조작된, 배양된 또는 수확된 세포 또는 조직, 및/또는 내부 기관을 포함한다.

구현예는 일 이상의 하기 특징을 포함할 수 있다. 생물학적 샘플은 배양된 세포를 포함하며 배양된 세포는 일 이상의 심근 세포, 신경 세포, 근육 세포, 및 표피 세포를 포함한다. 생물학적 샘플은 배양된 조직을 포함한다. 배양된 조직은 근육 세포를 포함한다. 생물학적 샘플은 내부 기관을 포함한다. 내부 기관은 심장을 포함한다. 그래핀층은 그래핀층 위에 금속층이 증착되기 전에 제1 금속 기재 위에 증착된다. 중합체는 그래핀층 및 금속층 위에 도포된다. 본 방법은 생물학적 샘플을 복합 필름 구조로 코팅하기 이전에 제1 금속 기재를 에칭하는 단계를 포함한다. 제1 금속 기재는 전이 금속을 포함한다. 금속층은 금 나노섬을 포함하며 중합체는 폴리메틸메타크릴레이트를 포함한다.

또 다른 측면에서, 챔버, 생물학적 샘플이 위에 배치되고, 그래핀층과 접촉하는 금속층, 및 금속층 또는 그래핀층 중 하나와 접촉하는 중합체층을 포함하는 복합 필름 구조를 가지는, 생물학적 샘플의 기계적 거동을 측정하기 위한 시스템이다. 시스템은 복합 필름 구조를 전기적으로 접속시키기 위한 전기적 연결을 포함한다. 시스템은 복합 필름 구조 위에 배치된 생물학적 샘플을 수용하도록 구성된, 챔버의 중심 개구부를 포함한다. 생물학적 샘플은 배양된 세포 또는 조직을 포함한다. 금속층은 복수의 금속 나노섬을 포함한다.

구현예는 일 이상의 하기 특징을 포함할 수 있다. 중합체층은 금속층과 접촉하고 있으며 생물학적 샘플은 그래핀층 위에서 직접 성장한다. 중합체층은 그래핀층과 접촉하고 있으며 생물학적 샘플은 금속층 위에서 직접 성장한다. 중합체층은 투명한 중합체를 포함한다. 투명한 중합체는 일 이상의 폴리디메틸실록산 (PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA), 및 파릴렌을 포함한다. 그래핀의 층은 단일층 그래핀을 포함하고 배양된 세포는 기재 위에서 배양된 심근 세포를 포함한다. 복수의 금속 나노섬은 플라즈몬 활성 금속을 포함한다. 플라즈몬 활성 금속은 금 나노섬을 포함하며, 전기적 연결은 전극을 포함한다. 복합 필름 구조는 배양된 세포의 수축 활동으로 인한 변형률에 기초한 전기적 신호를 발생하도록 구성된다. 시스템은 배양된 세포를 지탱하는 복합 필름 구조를 샌드위치하도록 구성된 제2 쌍의 기재를 포함한다. 복합 필름 구조는 40 초과의 신호-대비-잡음 비를 가지는 신호를 발생시키도록 구성된다. 복합 필름 구조는 밀리초보다 짧은 반응 시간을 보인다. 시스템은 배양된 세포의 기계적 거동의 일시적인 프로파일 및 진폭을 제공하도록 구성된다. 시스템은 배양된 세포의 활동과 연관된 전기적 임피던스 프로파일을 제공하도록 구성된다. 시스템은 복수의 전극을 포함하며, 여기서 제1 전극은 배양된 세포의 일 측면에 위치하고, 제2 전극은 배양된 세포의 반대편에 위치한다. 시스템은 시간-분해 방식으로 빠른 전류-전압 신호를 기록할 수 있는 증폭기를 더 포함한다. 시스템은 배양된 세포의 활동으로 인한 세포 막 포텐셜 프로파일을 제공하도록 구성된다. 시스템은 복수의 금속 나노섬의 금속 나노섬 사이의 거리의 변화의 광학적 관찰을 통해 세포 수축성의 프로파일을 제공하도록 구성된다. 금속 나노섬 사이의 거리의 변화는 광학적 관찰을 위해 사용되는 광학 광의 파장을 변화하도록 구성된다. 시스템은 암시야 현미경 관찰 데이터를 제공하도록 구성된다. 시스템은 배양된 세포로부터 라만 산란 데이터를 제공하도록 구성된다.

본 발명의 일 이상의 실시태양의 자세한 것은 하기의 도면 및 상세한 설명에 따라 설명된다. 본 발명의 다른 특징, 목적, 및 이점은 상세한 설명 및 도면, 및 청구항으로부터 명백해 질 것이다.

도 1: 나노섬 (NI)을 만들기 위해 사용되는 공정의 개략도 (상단) 및 그래핀/금속 기재 (x-축) 위로 증발물(y-축)의 전자 빔 증발에 의해 얻어진 다양한 기재 위의 금속 나노섬의 주사 전자 현미경 사진 (하단). 다음 기재 (좌에서 우로) 위로 증발된 10 nm의 금 (1 행) 및 10 nm의 은 (2 행): 구리 포일 위의 그래핀 (성장한 것), 니켈 위의 MAE-전달된 그래핀, 금 위의 MAE-전달된 그래핀, 은 위의 MAE-전달된 그래핀. 각각의 증발물은 동일한 챔버에서 동시에 기재 위로 증착되었다. 축척: 200 nm. 삽도의 축척: 50 nm.
도 2: 분자 동역학 시뮬레이션에 의해 예측된 나노섬의 미세구조 진화. a, 구리 위의 그래핀 위로 1.5 nm의 금의 시뮬레이션된 증발. b, 500 K, 20 ns의 진공 어닐링 동안 금 나노섬의 총 표면적의 변화 플롯. 나노섬의 병합은 결정학적 정렬 및 넥킹 (necking) (표면적 증가)이 선행된다. c, 구리 위의 그래핀 위로 증발된 1 nm의 금의 주사 전자 현미경 사진. 축척: 50 nm.
도 3: 나노섬의 응용. a, 광섬유의 팁 위로 자유-부유하는 금 나노섬/그래핀 SERS 기재의 증착의 개략도. b, 광섬유의 팁 위의 그래핀/AuNI SERS 기재의 주사 전자 현미경 사진 (금은 가색(false-color)화되었다). 축척: 150 μm, 좌삽도에서 2 μm, 우삽도에서 500 nm. c, 그래핀/AuNI 코팅된 광섬유로부터 (회색) 및 구조화되지 않은 100 nm-두께의 금 필름 (검정색)으로부터 1-부탄티올레이트의 라만 스펙트럼. d, 맥의 검출을 위해 요골 동맥 꼭대기에 위치한 PDMS/그래핀/PdNI 변형률 센서의 사진 (도면에 오버레이됨). e, 1, 2, 3, ... 9 % 변형률까지 주기적으로 (각 변형률마다 20 주기) 늘어난 PDMS/그래핀/PdNI 변형률 센서의 정규화된 저항 플롯. f, 130 μm-두께의 유리 커버슬립의 표면 위의 0.001 % 인장 변형률을 감지하기 위해 사용되는 그래핀/PdNI 변형률 센서의 개략도 (13 μm와 동일한 굴절 진폭을 가지는 캔틸레버로 사용됨). 캔틸레버 표면 위의 변형률의 유한-요소 분석법 (FEA) 모델 (좌삽도). 주기적인 인장 변형률 0.001 % 하에서 그래핀/PdNI 변형률 센서의 정규화된 저항 플롯 (우삽도). g, 인장 변형률 ~0.001 % 하에서 유리/그래핀/PdNI 변형률 센서의 주사 전자 현미경 사진. 축척: 100 nm. 삽도의 축척: 25 nm. h, 인장 변형률 ~3 % 하에서 PDMS/그래핀/PdNI 변형률 센서의 주사 전자 현미경 사진. 축척: 100 nm. 삽도의 축척: 25 nm.
도 4: 세포 전기 생리학을 위한 기재로써 그래핀 위의 나노섬. a 및 b, PMMA/AuNI/그래핀 기재 위에 고정된 세포 배양물의 주사 현미경 이미지 (세포는 가색화된 녹색이며 금은 가색화된 노란색이다). 축척: 각각 5 μm 및 200 nm. c, 심근 세포 수축을 기록하기 위해 사용되는 전기 생리학적 챔버의 개략도. d, 세포의 자발적 수축 도중 PMMA/AuNI/그래핀 위의 세포 배양물로부터 얻어진 신호 변조. 신호 상승 위상의 프로파일 (좌삽도). 신호 하강 위상의 프로파일 (우삽도).
도 5: 단일층 그래핀. 90 nm 열적 산화물을 실리콘 웨이퍼에 습식-전사(wet-transfer)한 단일층 CVD 그래핀 광학 현미경 사진 (상단). 축척: 100 μm. 90 nm 열적 산화물을 가진 실리콘 웨이퍼에 습식-전사된 단일층 CVD 그래핀의 라만 스펙트럼 (하단). 두드러진 그래핀 피크의 비는 고-품질의, 주로 단일층 그래핀을 나타낸다 (D/G 비: 0.019, 2D/G 비: 3.1).
도 6: 상이한 기재 과립 배향 위의 NI. 구리 위의 그래핀 위의 AgNI (10 nm 증착)의 주사 전자 현미경 사진. 축척: 1 μm. 이미지를 대각선으로 가로지르는 구리 과립 경계 (좌하단에서 우상단으로) 및 각 구리 과립 위의 AgNI 형태의 차이(퍼콜레이션(percolation), 이방성의 수준)를 주목해야 한다.
도 7: 다중층의 그래핀 위의 NI. 파릴렌-C 위로 전달된 그래핀 위의 AuNI (구리 위의 그래핀 위로 10 nm 증착)의 주사 전자 현미경 사진 (파릴렌 C의 1 μm-두께 필름의 증착 이후 구리를 에칭) (그래핀은 본 이미지의 상단에 있으며, 금 섬을 덮고 있다). 구리 위의 그래핀의 1, 2, 및 3 층에 증착된 금 섬의 퍼콜레이션 양의 차이를 주목해야 한다. 축척: 2 μm.
도 8: 높은 증발 속도에서 증착된 NI. 2 Å/s의 속도에서 증착된 구리 위의 그래핀 위의 AuNI (10 nm 증착)의 주사 전자 현미경 사진. 낮은 속도의 증착 (0.1 Å/s, 도 1, 하단)과 비교하여, 금 섬의 구조는 현저하게 높은 입도, 완전한 퍼콜레이션, 및 현저하게 높은 면적 도포율을 시연한다. 축척: 200 nm.
도 9: 상승된 온도에서 증착된 NI. 기재 온도 ~500 K 및 0.1 Å/s의 속도에서 증착된 구리 위의 그래핀 위의 AuNI (8 nm 증착)의 주사 전자 현미경 사진 (도 1의 SDC보다 100 K 높다).
도 10: AuNI의 열적 어닐링. 1 시간 동안 600 K에서 진공 어닐링 이후의 구리 포일 위의 그래핀 위의 AuNI (10 nm 증착)의 주사 전자 현미경 사진. 어닐링되지 않은 샘플 (도 2, 좌상단)과 비교하여, 섬의 병합 및 분포에 주목해야 한다. 축척: 200 nm. 삽도의 축척: 50 nm.
도 11: AuNI의 습식 전사 변형. 구리 포일 위의 그래핀 위에 합성되고 유리 슬라이드 위로 전달된 AuNI (10 nm 증착)의 주사 전자 현미경 사진. 축척: 200 nm. 삽도의 축척: 50 nm. 전달되지 않은 샘플과 비교하여 (도 1, 좌하단), 완전히 퍼콜레이트된 네트워크의 섬의 병합 및 결정 면의 평활화를 주목해야 한다. 변형은 잠재적으로 구리 기재(표면 에너지 1650 mJ/m²)의 에칭 및 습식-전사 공정 도중 물의 표면 위에 부유하는 Au 섬/그래핀 필름(표면 에너지 72 mJ/m²)에 의한 것이다. 축척: 200 nm. 삽도의 축척: 50 nm.
도 12: 박막 성장 모델. 증발물/기재 표면 에너지 불일치 (수직 축) vs. 증발물/기재 (그래핀) 격자 불일치 (수평)의 플롯. 필름 성장의 세 가지의 주요 모드의 안정성 구역은 플롯에 나타나 있다: 층별 (망상선), 층/섬 (회색), 섬 (밝은 회색). 그래핀의 젖음 투명도 (wetting transparency)로 인해, 기재의 표면 에너지는 기재 금속의 표면 에너지로 2 % 미만으로 계산됨을 주목해야 한다. (이런 이유로, -0.02의 동일-증발물/동일-금속 기재 (Au/Gr 위의 Au 및 Ag/Gr 위의 Ag)의 수직 위치를 주목해야 한다). 기재 격자 상수는 그래핀의 것 (2.46 Å)으로부터 얻어진다 (하면 기재에 의한 그래핀의 변형률 (

0.5 %)의 효과는 무시될 수 있으며, 고려되지 않는다). 이 모델은 나노섬 형태에 영향을 줄 수 있는 모아레' (Moire') 패턴을 고려하지 않는다 (1차: 기재/그래핀 및 2차: 기재/그래핀/증발물). 실험 결과와 모델의 좋은 일치에 주목해야 한다 (도 1, 하단): 볼머-웨버 (Volmer-Weber) 안정성 영역 (Ag/Gr 위의 Ag, Ag/Gr 위의 Au, 및 Au/Gr 위의 Au)에 위치한 시스템은 순수한 나노섬 형태를 분명하게 가지는 반면, 고도의 나노섬 퍼콜레이션 및 그래핀 면적 도포율은 스트란스키-크라스타노프 (Stranski-Krastanov) 모드 (Cu/Gr, Ni/Gr 기재)를 제시한다.
도 13: 그래핀/금 계면 이벤트의 모니터링. 구리 위의 그래핀 위의 금 나노섬의 열적 어닐링 (500 ˚K)의 LAMMPS 시뮬레이션. 표현된 것은 어닐링 동안 5 나노초-주기에 걸친 (그래핀과 접촉하는) 금의 하부층의 재구성이다. 점 결함 이동 및 병합된 섬 사이의 과립 경계의 재구성을 주목해야 한다.
도 14: 증착 도중 AuNI 높이 분포의 모니터링. 금의 2개의 단일층의 증착 도중 AuNI (그래핀 및 금)의 높이의 시뮬레이션된 분포.
도 15: 작은 변형률 하에서 유리의 FEA. 캔틸레버의 모서리에 0.1 N의 힘을 가한 이후의 그래핀/PdNI 변형률 센서를 지탱하는 유리 캔틸레버 위의 동등한 변형률의 유한 요소 분석법 시뮬레이션. 캔틸레버의 상단 표면은 0.001 %의 최대 인장 변형률을 겪는다.
도 16: 그래핀/PdNI 센서의 3가지 감지 모드. 게이지 수치 대비 그래핀/PdNI 변형률 센서의 변형률 %의 플롯은 3가지 주요 감지 모드를 나타낸다: 입자간 터널링 저항 변조 (<<1 % 변형률), PdNI 필름 균열 (<6 % 변형률), 및 그래핀 균열 (>6 % 변형률). 0.001 % 변형률의 가장 낮은 수치가 그래핀/PdNI 필름을 지탱하는 130 μm-두께의 유리 슬라이드(도 22a)의 휨으로부터 얻어지는 반면에, 나머지 수치는 PDMS 스트립에 전달된 센서(도 22b)로 얻어짐을 주목해야 한다.
도 17: 변형률 센서로써의 그래핀. 1, 2, 3, ... 9 % 변형률까지 주기적으로(각 변형률마다 20 주기) 늘어난 PDMS 위의 그래핀의 정규화된 저항 플롯. 20 변형률 주기의 집합 내의 기준선이 6 % 변형률에 도달할 때까지 안정함을 주목해야 한다 (그래핀 균열의 시작). 다른 주기의 집합 사이의 단계적인 기준선 시프트는 PDMS 기재의 점탄성 반응에 의한 것이다.
도 18: 5 % 변형률 하에서 그래핀/PdNI 센서. ~5 % (h)의 인장 변형률 하에서 PDMS/그래핀/PdNI 변형률 센서의 주사 전자 현미경 사진. 축척: 200 nm.
도 19: 고체 Pd 박막 센서 vs. 그래핀/PdNI 센서. 0.003 % 주기적 인장 변형률 하에서 유리 커버슬립 위의 고체 (100 nm) 필름 Pd 변형률 센서 (a) 및 0.003 % 주기적 인장 변형률 하에서 유리 커버슬립 위의 그래핀/PdNI 변형률 센서 (b)의 정규화된 저항 플롯. 0.003 %에서 유사한 게이지 수치 (~17)에서, 고체 Pd 필름 센서는 적용된 변형률을 기록하나 저항 값을 유지하지 못하며, 다시 기준선으로 되돌아가는 반면, PdNI 센서는 안정한 행동 (1초 변형률 주기 동안 저항 값을 유지)을 시연함을 주목해야 한다 (센서가 변형되지 않은 상태로 돌아갈 때, 저항 값은 떨어지고 1초 변형되지 않은 주기 동안 기준선으로 되돌아 간다). 이 관찰은 매우 작은 변형률 (<<1 %)에서, 고체 Pd 필름의 과립 경계는 과립 사이의 분리를 최소화하기 위해 재구성 됨을 제시하며, 이는 이러한 센서의 정적 변형률을 기록하는 것을 불가능하게 만든다. 반면에, PdNI 센서는 정적 변형률 측정에 대한 좋은 안정성을 시연한다.
도 20: 자유-부유하는 그래핀/NI 필름. 구리 에칭 이후 및 DI 수조로 전달된 자유-부유하는 그래핀/PdNI/PMMA 필름의 사진.
도 21: 그래핀/NI 전달. 최종 수용 기재 위로 자유-부유하는 그래핀/NI/중합체 지지체 (또는 중합체가 없는 것)의 증착의 렌더링된 개략도.
도 22: 경질, 연질, 및 신축성이 있는 기재의 그래핀/PdNI 센서. 유리 커버슬립 위로 전달되고 EGaIN 및 구리 선으로 전기적으로 접속된 그래핀/PdNI 필름 (a), 인장 변형률 주기적 로딩 하에서 PDMS의 스트립 위로 전달된 그래핀/PdNI 필름 (b), 변형되지 않은 (c) 및 ~1 %의 인장 변형률 하에서 이쑤시개를 감싸 두르는 (d) PET/PdNI/그래핀 변형률 센서의 광학적 사진.
도 23: 금 섬이 증착된 것과 같은 배위 수 확률 분포의 진화.
도 24: 센서 기준선 안정성. PDMS 위의 PdNI 센서 (검정 삼각형) 및 PDMS 위의 그래핀 (사각형)의 1 % 변형률 증가 (증가마다 20 주기) 이후의 기준선 시프트 (정규화된 저항)의 플롯. PdNI 센서의 안정성에 주목해야 한다 (3 내지 4 % 변형률에 도달하기까지 정규화된 저항의 기준선은 0.11까지 떨어지며, Pd 입자의 다시 채워짐에 의한 것일 수 있다; 이후 9 % 변형률 주기 이후 최소한 1.18까지 오른다). 그래핀 대조군의 기준선은 5 내지 6 %에 도달하기 전까지 지속적으로 상승했으며 (그래핀 균열의 시작), 이후 기준선은 기하급수적으로 상승하며 9 % 변형률 주기 이후에 6.80까지 도달하였다. 이는 PdNI 필름의 균열이 효과적으로 재 밀폐되어 높은 변형률에서 센서의 안정성을 보장할 수 있음을 나타낸다.
도 25: 시뮬레이션 상자. 그래핀/구리 기재의 기하학적 구조를 보여주는 개략도.
여러 도면들의 유사한 참조 부호는 유사한 요소를 나타낸다.

금속 박막의 물리 기상 증착 (PVD)은 제조 및 연구에서 사용될 수 있다. 이는 물리적 자가-조립체의 공정으로써 이해될 수 있다. 즉, PVD의 증착 챔버 안에서 제조된 금속 원자의 증발된 플럭스는 기재 위에 증착된 박막이 될 수 있고, 박막의 구조는 압력, 온도 및 증착 속도와 함께 기재 및 금속의 복잡한 기능이다. 유리, 중합체 필름, 규소, 질화 붕소, 및 탄화 규소와 같은 단일 결정 기재 등과 같은 전형적인 기재의 낮은 공칭 두께에서 (예컨대, <50 nm), 종종 많이 제조되는 형태는 연결되지 않은 섬이다. 일반적으로, 섬은 격리되어 있는 필름의 영역이다. 이 형태는 일반적으로 박막 전자 제품에 호환 가능한 것으로 여겨지지 않는다. 그러나, 단, 섬이 재현성있게 및 임의의 다른 표면으로의 손쉬운 전달을 허용하는 지지체 위에 생성될 수 있다면, 이 섬들의 다양한 특징을 이용하는 응용들이 있다.

그래핀의 젖음 투명도 (즉, 그래핀에 의한 이의 하부층 기재의 표면 에너지의 채택)는 그래핀을 지지하는 기재의 본질에 기초하여 달라지게 하기 위한 증발에 의해 그래핀 위에 증착된 얇은 금속 필름의 형태 (예컨대,

20 nm,

10 nm)를 허용한다. 예컨대, 형태는 그래핀을 지지하는 기재에 강하게 의존할 수 있다.

이런 식으로, 그래핀은 기하학적 구조의 범위의 생성의 조절을 허용한다: 3 nm까지, 또는 ~2 Å에서 수 나노미터까지와 같이 분자 단위의 치수까지 조절 가능한 간격의 밀집된 나노구체, 잘 다듬어진 나노결정, 및 섬-유사 생성물. 밀집된 것은 최대 숫자의 바로 인접한 이웃을 가지는 단일층의 나노입자를 지칭할 수 있다. 나노구체는 구체 형태로 채택된 나노섬의 일종이다.

이 그래핀-지지된 구조는 임의의 표면으로 전달될 수 있고, 표면-증강 라만 산란 (SERS)를 위한 기재 (예컨대, 광섬유의 팁을 비롯한 것) 및 구조적 상태 모니터링, 전자 피부, 및 심근 세포와 같은 세포의 수축 측정의 응용으로써 넓은 유용한 범위를 가지는 초고감도 기계적 신호 변환기 (예컨대, 적어도 4 자릿수의 변형률)로써 기능할 수 있다. 금속 및 그래핀의 이 복합 필름 구조는 이에 따라 다중모드형 감지를 위한 플랫폼 기술로써 다루어질 수 있다.

구조적 상태 모니터링은 변형률 측정 및 교각, 빌딩 기반, 항공기 날개 및 터빈 날 등을 통한 균열 전파의 모니터링을 포함할 수 있다. 전자 피부는 피부 위로 입을 수 있는 표피 센서를 지칭하며, 피부 기계적 성질과 유사한 기계적 성질을 가진다. 이 센서들은 예컨대 촉각, 온도, 및 근접도를 감지할 수 있다.

게다가, 예컨대 20 nm 이하의 두께인 낮은 프로파일, 기계적으로 견고하며, 반-투명성이며, 넓은 면적에서 재현성있는 제조의 잠재성을 가진다. 반-투명성인 것은 또한 이 센서들이 전투기 헤드-업 디스플레이 (HUD), 창 유리에 위치할 수 있도록 한다. 반-투명성은 또한 현미경 아래의 센서를 통해 세포 (또는 다른 샘플)의 이미징을 허용케 한다.

그래핀은 기능성 나노복합 박막 구조로 도입될 때 여러 흥미로운 특징을 가진다. 연질의(-금속 필름과 비교하여- 5 내지 6 %의 변형률에서 신축성이 있고), 전도성이 있고, 투명하며, 넓은-면적 성장 및 많은 기재로 전달이 가능하고, 이의 결정립은 1 cm에 이르는 치수까지 확장될 수 있다.

그래핀은 젖음 투명도를 생성할 수 있는 가장 얇게 얻어질 수 있는 2D 물질이다. 젖음 투명도는 접촉 각도와 같은 양이 그래핀을 지지하는 기재 또는 층의 표면 에너지에 강하게 의존할 수 있는 주로 액체와 관련하여 이전에 탐구되었다.

여기서 개시된 시스템 및 방법은 이 개념이 원자의 증발된 플럭스로 확장됨을 시연한다. 금속/그래핀 이중층 또는 금속/그래핀 복합 필름 구조는 전자 빔 (e-beam) 증발에 의한 - 나노구체, 나노결정, 및 퍼콜레이션된 네트워크 - 다양하고 조절 가능한 형태의 나노입자의 자가-조립체를 위한 형틀로써 역할을 할 수 있다. 도 1은 이 개념 및 오직 증발된 금속 (금 및 은) 및 기재 (구리, 니켈, 금, 및 은)가 변화하고, 다른 모든 파라미터가 상수로써 유지될 때 가능한 형태의 범위를 표현한다. 이 그래핀/나노섬 (NI) 필름은 거의 임의의 모든 표면으로 전달되기에 충분한 견고성을 보인다. 필름은 화학적, 광학적, 및 기계적 자극의 감지를 그것이 가능하도록 만드는, 날카로운 끝 및 분자 치수에 달하는 간격 (즉, 나노섬의 모서리 사이의 거리)으로 또한 특징된다.

나노섬은 도 5에서 보여지듯이, 화학 기상 증착 (CVD)에 의해 구리 포일 위에 합성된 단일층 그래핀 위에 자가-조립될 수 있다. 다른 금속 (금, 은, 및 니켈) 위로 구리로부터 그래핀을 전달하기 위해, 금속-보조 박리(MAE)가 사용될 수 있다.

다양한 기재 (예컨대, 구리, 니켈, 금 및 은) 위의 그래핀 위로 얇은 (예컨대, 10 nm) 금속 필름 (예컨대, 금, 은, 또는 팔라듐)의 단일 동시 증착에서, 결과로 얻어진 나노섬의 겉보기 결정도, 모양 및 크기 분포, 퍼콜레이션의 범위, 뿐만 아니라 섬 사이의 간격은 각각의 기재에 따라 다를 수 있다. 퍼콜레이션의 범위는 섬 사이의 연결성의 양이다.

예를 들어, 결과로 얻어진 형태는 도 6에서 보여지듯이, 이것의 표면 에너지 및 결정학적 배향과 같은 기재 물질의 본질에 직접적으로 의존할 수 있다. 결과로 얻어진 형태는 또한 (도 1의 하단에서 보여지듯이) 그래핀과의 이의 표면 에너지 및 격자 불일치, (도 S3에서 보여지듯이) 그래핀층의 수, 뿐만 아니라 (도 S4에서 보여지듯이) 속도 및 (도 S5에서 보여지듯이) 기재의 온도, 증착의 양, (도 S6에서 보여지듯이) 증착 후의 열적 어닐링 및 (도 S7에서 보여지듯이) 최종 수용 기재로의 전달과 같은 가공 파라미터와 같은 증발된 금속의 특징에 의존할 수 있다.

그래핀을 지지하는 금속의 본질에 대한 섬의 최종 형태의 강한 의존성은 에피텍셜 (epitaxial) 성장을 위해 개발된 그것들과 유사한 규칙을 따를 수 있는 성장을 제시한다. 일반적으로, 필름 성장의 3 가지 주요 모드는 2-요소 (예컨대, 증발물 및 금속 기재) 시스템에서 존재할 수 있다: 층별 (프랭크-반데르머브 (Frank-Van der Merve)), 층/섬 (스트란스키-크라스타노프), 및 섬 선호 (볼머-웨버).

이 모드들은 주로 증발물 및 기재 사이의 격자 치수 및 표면 에너지의 불일치에 의해 결정된다. 양의 표면 에너지 차이, (γ_기재 - γ_필름)/γ_기재, 는 층별 성장을 선호하는 반면, 큰 격자 불일치는 섬 성장을 선호한다. 이에 따라, 증발물 및 기재 사이에 그래핀을 삽입하는 것은 그래핀의 어느 정도의 젖음 투명도를 가정하면, 기재 금속의 변화에 의한 표면 에너지의 동조를 허용하였다. 증발물 및 그래핀 사이의 격자 불일치는 필수적으로 고정될 수 있다 (그래핀 위의 기재-유도된 변형률로 인한, ±0.5 %의 불일치 수치). 격자 불일치는 그들 (예컨대, 기재) 중 하나의 주기적인 원자간 거리에 의해 나누어진 두 물질의 (결정 물질 내의) 주기적인 원자간 거리 사이의 산술적 차이이다.

확산 장벽 (E_d)은 한 격자 위치로부터 이웃의 것으로 이동하기 위해 흡착된 원자가 극복해야만 하는 에너지의 양이다. 금의 E_d는 0.05 ± 0.01 eV이다. (열역학적 - 속도론적과 반대되는- 조절과 일치하는) 그래핀 위의 금 및 은의 매우 낮은 확산 장벽 및 증착의 낮은 속도를 고려하면, 그래핀의 시스템은 섬 성장 모드에 치우쳐져 있으나 (도 S8에 보여지듯이) 여전히 이 모델과 잘 연관되어 있다. 생성물 B가 보다 안정함에도 불구하고, 생성물 A의 활성화 에너지가 생성물 B의 것보다 낮기 때문에 첫 번째 생성물 (예컨대 생성물 A)이 두 번째 생성물 (예컨대 생성물 B)보다 빨리 생성될 때, 이에 따라 생성물 A는 속도론적 조절 하에서 선호되는 생성물이며 생성물 B는 열역학적 생성물이며 열역학적 조절 하에서 선호된다.

그래핀-코팅된 구리 (111) 표면 위로 금 원자의 증착 및 어닐링의 대용량 병렬 원자 시뮬레이션은 나노섬 생성의 기전을 밝히기 위해 수행될 수 있다. 정확한 원자간 포텐셜은 구리/그래핀/금에 가능하며, 이러한 구성의 실험적 제작은 최소한의 단계에서 수행될 수 있다.

400 K, 150 ns의 과정에서 3 × 3 구리/그래핀 모아레 슈퍼 셀 (~240,000 원자) 위로 금 (~30,000 원자)의 5 개의 단일층의 증착이 연구되었다. 시뮬레이션 된 증착 속도는 실험적 속도 (단일층마다 30 s)보다 약 9 자릿수 더 빨랐으며, 도 2a에서 보여지듯이, 속도론적으로 조절된 시뮬레이션 된 증착에서 초기 형태를 제조했다.

500 K에서 20 ns간 구리 위의 그래핀 위의 금 나노섬 (증착된 금의 3 개의 단일층)의 열적 어닐링의 시뮬레이션은 실험과 비교하여 열역학적으로 조절된 형태를 만들기 위해 수행되었다. 도 2b는 어닐링 동안 금의 총 표면적의 감소를 보여준다. 금의 실 표면적의 감소에서 볼 수 있듯이, 섬의 병합은 초기 15 ns 동안 발생되었고, 그 후, 섬 형태의 변화의 속도가 감소되었다. 이 관찰은 시뮬레이션된 증착 공정은 실제로 짧은 (ns) 시간스케일 상에서 응집된 속도론적으로 붙잡힌 클러스터를 발생시킨다는 것을 제시하였다. 도 2a 및 도 2b의 시뮬레이션에 의해 예측된 형태는 도 2c의 1 nm 금의 증착에서 실험적으로 밝혀졌다. 시뮬레이션된 및 실험적인 형태 사이의 유사도는 실험이 시뮬레이션 이후에 수행되었고, 시뮬레이션에서 사용된 파라미터는 실험에 맞추기 위해 조정되지 않았다는 것을 고려할 때 두드러진다.

그래핀-지지된 나노섬의 형태 및 조작용이성을 예측하는 능력은 화학적 및 기계적 감지에서의 응용을 가능할 수 있게 한다.

예를 들어, 귀금속의 필름은 표면-증강 라만 산란 (SERS)를 위한 기재로써 폭넓게 사용된다. 플라즈몬 진동수, ω_p와 공진하는 진동수를 가진 방사선의 조명에 대한 금속 나노구조 사이의 간격에서의 전기장의 큰 증가는 라만 산란을 강화하며 나노구조 부근의 분자의 비표지 식별을 가능케 한다. 플라즈몬 진동수는 또한 필름을 구성하는 물질과 더불어 입자의 기하학적 형태의 함수일 수 있다. 나노구조는 예를 들어 기재 위로의 스퍼터링에 의해, 용액/공기 계면으로부터 필름 내로 자가-조립된, 예를 들어 고체 필름에 패턴화된, 랑뮈에-블라제 (Langmuir-Blodgett) 필름과 같이 제조된, 귀금속의 필름에서 제공된다.

광섬유 위에 SERS-활성 기재를 위치시키는 것은 원거리 감지를 허용케 할 수 있다. 원거리 감지는 분석 장치로부터 물리적으로 제거된 화학적 환경의 감지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 분석을 위한 샘플 추출의 필요 없이 실시간으로 100 ft 심해의 훼손으로 인한 수질 오염을 감지하기 위한 100 ft의 광섬유의 사용.

일부 실시태양에서, 그래핀/AuNI 필름은 그래핀/AuNI 필름의 AuNI에 의해 생성된 표면 구조 위로 단일층의 1-부탄티올레이트 (BT)가 증착되기 이전에 (도 3a 및 3b에서 보여지듯이) 광섬유의 팁 위로 전달될 수 있다. 큰 라만 신호는 변형된 광섬유 위에 증착된 단일층의 BT로부터 관찰되었다. 반면에, 규소 층에 의해 지지된 구조화되지 않은 금 필름 위에 증착된 BT는 (도 3c에 보여지듯이) 어떠한 신호를 발생시키지 않았다. 경질, 연질, 또는 신축성 기재에 의해 지지된 그래핀 위의 복합 금속 나노섬의 압저항은 변형률 센서로써의 용도에 매우 적합하다. 경질 기재의 예는 유리를 포함하고, 연질 기재의 예는 중합체 폴리(메틸 메타크릴레이트) (PMMA)를 포함하며, 신축성 중합체의 예는 폴리디메틸실록산 (PDMS)을 포함한다.

일부 실시태양에서, 인간 심박수를 표피로 측정할 수 있도록 하는 고감도 변형률 센서는 금속 기재 (예컨대 구리 기재) 위의 그래핀 위로 금속 (예컨대 팔라듐)의 얇은 층 (예컨대 8 내지 10 nm)의 증착 및 중합체를 스핀-코팅하여 얇은 (예컨대 약 8 μm) 중합체 (예컨대, 폴리디메틸실록산 (PDMS)) 위로 복합 필름 구조를 전달함으로써 제작될 수 있다. 구리 기재는 이후, 고감도 변형률 센서를 얻기 위해 (도 3d에서 보여지듯이) 에칭 될 수 있다. 예컨대, 1 % 변형률에서의 게이지 수치는 적어도 1,335 일 수 있다. 게이지 수치 GF =

이고, 여기서 ε은 변형률이며,

는 정규화된 저항이다. GF는 여러 신축/이완 주기 이후에 감소할 수 있다 (예컨대, 도 3e에서 보여지듯이, 19 번의 신축/이완 주기 이후 743).

0.001 %의 작은 변형률은 130 μm-두께 유리 커버슬립 위로 증착된 그래핀/PdNI 센서로 측정할 수 있다. 이러한 작은 변형률은 정확하게 및 반복적으로 경질의 기재 위로 센서를 위치시켜 유도될 수 있다. 경질 기재는 특정 두께 (예컨대, 13 μm의 두께)를 가지는 접착제 테이프 (예컨대, 폴리이미드 테이프)를 지탱할 수 있고, 테이프는 도 3f에 보여지듯이 커버슬립의 절반 (나머지 절반은 캔틸레버를 구성)을 지지한다. 캔틸레버에 작은 힘 (예컨대, ~0.1 N)을 가하고 먼 모서리를 기재와 접촉시킴으로써, 유리 표면 위의 (도 15에서 보여지듯이) 0.001 % 인장 변형률을 센서로 반복적으로 측정하고 얻을 수 있다.

그래핀/PdNI 변형률 센서는 4 자릿수까지의 변형률을 검출할 수 있다. 센서는, 다른 감지 모드의 존재를 나타낼 수 있는, 도 16에서 보여지듯이, 적어도 두 개의 굴절 지점에서 저항 vs. 변형률 (즉, 게이지 수치)의 변화의 비선형성 비를 보일 수 있다.

최저의 변형률 체계 (~0.001 % 내지 ~0.1 %)의 압저항 효과는 도 3g에서 보여지듯이 PdNI가 분리에서 작은 변화를 겪을 때 터널링 전류의 변화로 인한 것일 가능성이 매우 크다. 이 체계의 게이지 수치 10은 변형률 <<1 %, 예컨대 (0.02 % 내지 0.27 % 사이)에서 터널링 저항의 변화의 문헌 수치와 유사하다. 여기서 개시된 그래핀/PdNI 필름은 (예컨대 경질 기재 위에서) 지지되고 이에 따라 계면 자가-조립체에 의해 제조된 지지되지 않은 센서와 비교하여 더 기계적으로 견고할 수 있다.

낮은 한자리수의 변형률에서, 균열은 PdNI 필름에 (도 3h에 보여지듯이) 나타날 수 있다. PdNI는 구형이며 별개의 구형 나노입자의 연속적인 단일층을 포함하는 필름을 생성하는 나노섬이다.

주기적 로딩에 응답하는 이 균열의 개폐는 예컨대 0.1 % 내지 5 % 사이의 변형률의 가장 민감한 체계에서 관찰되는 압저항을 설명할 수 있다. 주기적 로딩은 그의 반복적인 탈형의 결과를 낳는 센서에 대한 힘의 반복적인 적용이다.

임의의 특정 이론에 결부되지 않고, PdNI 필름을 통한 균열 전파는 하면 그래핀의 단단함에 의해 억제될 수 있고, 이는 (각각, 1 % 및 5 % 변형률에서) 735에서 316으로의 게이지 수치의 감소로 보여질 수 있다. 약 5 내지 6 % 변형률에서, 감도는 다시 증가하며, (도 17, 18, 24에서 보여지듯이) 하면 그래핀의 균열 개시 및 이에 따라 PdNI 필름을 통한 증가된 균열 전파로써 설명될 수 있다.

그래핀/금속 나노섬 복합 필름 구조는 매우 다양한 샘플을 모니터링 하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 항공기 날개와 같은 항공기 부품의 휨, 교각과 같은 구조물의 균열의 모니터링.

그래핀/금속 나노섬 복합 필름 구조는 또한 생물학적 환경에 배치될 수 있다. 예를 들어, 생물학적 환경의 그래핀/AuNI 센서의 성능은 복합 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA)/AuNI/그래핀 필름 구조로 코팅된 커버슬립 위의 신생아 쥐 심근 세포 (CM)를 배양한 것에 의해 테스트된다.

도 4a 및 4b에서 보여지듯이, 광학 및 주사 전자 현미경은 추가의 접착 촉진제의 필요 없이 살아있는 CM에 대한 기재의 뛰어난 생체적합성을 보여준다. 도 4c에서 보여지고 하기에서 자세히 설명된 전문화된 챔버를 사용하여, 도 4d에 보여지듯이, 심근 세포의 자발적 활동과 연관된 센서 신호의 가역적 변화가 검출될 수 있다.

블레비스타틴과 같은, 미오신 주기를 억제하고 세포의 수축을 멈추나 전기적 활동은 멈추게 하지 않는, 여기-수축 짝풀게 (uncoupler)는 변형률 센서에 의해 검출된 신호가 세포의 수축 또는 전기적 활동과 관련된 것인지 아닌지를 구분하기 위해 사용될 수 있다. 어떠한 주목할 만한 신호 변조가 세포 주위의 용액의 10 μM 블레비스타틴 존재에서 발견되지 않았고, 센서가 수축에 반응하며 세포 내의 전기적 활동에 반응하는 것이 아니라는 가설을 지지한다.

변형률 센서는 도 4d의 좌상단에서 보여지듯이 밀리초 (ms)보다 짧은 반응 시간 (ton = 0.8 ± 0.2 ms, n = 173) 및 매우 높은 신호-대비-잡음 비 (다른 강도의 CM 수축에 대해 42 및 100 사이)를 보였다. 도 4d의 우상단에서 보여지듯이, 기하급수적 감소 프로파일은 모든 수축에서 유사했으며 하나의 기하급수 함수에 맞추어졌다 (toff = 68.6 ± 1.5 ms, n = 173). 변형률 센서에 의해 검출된 것과 같은 CM 수축의 일시적인 프로파일 및 진폭은 CM 반응의 자세한 특징화를 허용케 하며 약물 발견 응용을 위한 다양한 약리학적 화합물의 테스트를 가능케 할 수 있다.

그래핀 표면 위에 증착된 금속 나노섬은 - 이의 형태는 그래핀을 지지하는 기재의 본질에 의해 조절될 수 있으며 계산에 의해 예측될 수 있다 - 다중모드형 감지를 위한 유망한 플랫폼 시스템을 제공한다. 다른 과정에서 생성된 금속 나노입자의 필름과 비교하여, 그래핀-지지된 나노섬은 거의 임의의 모든 표면에 용이한 전달 및 조작의 능력을 가진다. 그래핀-지지된 나노섬의 조작은 전달, 및 또한 예컨대 픽업, 부양, 정렬, 패터닝, 및 배치를 포함한다. 상기 특성은 SERS에 의한 원거리 감지를 위한 광섬유의 팁 위에 직접적으로 구조를 마운팅하는 것 및 수중 내지 혈류와 같은 이러한 시스템 내로 광섬유를 삽입하는 것을 허용케 할 수 있다.

비교적 경질 (유리), 연질 (PMMA), 또는 신축성 (PDMS) 기재 위의 이 구조들의 증착은 적어도 4 자릿수까지 이어진 시연된 감도의 인간 및 구조적 상태 모니터링의 응용을 허용케 하며 지금까지 보고된 임의의 박막 변형률 센서의 가장 높은 게이지 수치를 가질 수 있다. 이 구조들의 감도 및 생체적합성은 심근 세포의 수축의 비-침습적 측정을 허용하며 심근 세포로부터 유래된 줄기-세포의 기능적 특징화 및 심장 독성 및 심혈관 약물 발견을 위한 신약 후보의 다중-모드형 스크리닝을 위한 귀중한 도구가 될 수 있다.

실시예

그래핀을 10 cm × 11 cm의 치수의 25-μm-두께 구리 포일 (알파 에이사 (Alpha Aesar), 13382, 99.8%) 위에 합성하였다 (18 cm × 20 cm 크기의 그래핀 시트를 합성하였고 하기에 기재된 금속 보조 박리 (MAE)에 의해 전달하였다). 그래핀의 성장에 앞서, 구리 포일을 얕은 아세톤 용기에 담가 킴와이프 (Kimwipe) 티슈로 (아세톤 내에서) 그것을 닦아냄으로써 세척하였다. 포일을 아세톤으로 헹구어내고, 이소프로필 알코올 (IPA)가 찬 유사한 용기로 전달한 후, 기계적인 세척을 이 용매 내에서 반복하였다. 기계적인 세척은 IPA 및 아세톤 내에서 초음파 처리에 의한 포일의 세척과 비교하여 더욱 깨끗한 그래핀의 결과를 낳는다. 본 방법은 또한 (넓은-면적의 구리 포일을 초음파 처리하기 위해 사용하는 많은 부피를 고려할 때) 양 용매의 상당한 양을 아끼도록 할 수 있다. IPA 내에서의 기계적인 세척 이후, 포일을 IPA로 헹구어내고, 압축 공기의 스트림으로 건조하였다.

구리 포일의 전해 연마. 그래핀 합성에 앞서 구리 포일의 전해 연마는 주로 단일층 그래핀을 만드는데 도움이 될 수 있다. 깨끗하고, 건조한 구리 포일을 250-mL 비이커 내에 비이커의 벽면의 윤곽을 따라 배치하고, 애노드로써 사용하였다. 구리 파이프 (d = 2.54 cm, l = 15 cm)를 원통 축을 따라 비이커 내로 삽입하였고, 캐소드로 사용하였다. 캐소드의 원통형 형태와 애노드의 굴곡진 표면은 전해 연마 동안 균일한 전기장을 만들었다. 농축된 인산 (H₃PO₄, 15 M)을 전해질로 사용하였고 캐소드 및 애노드를 각각 클램프 및 엘리게이터 클립 (alligator clip)으로 고정시킨 후에 비이커에 부었다. 20 W DC 전원 공급 장치가 전류 및 전압을 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 전압은 1.6 V로 설정되었고 전해 연마는 전류가 50 % 떨어질 때까지 진행되었고 초기 수치에서 유지되었다 (보통 5 내지 10 분 사이). 전해 연마 이후, 캐소드 및 전해질을 비이커로부터 제거하였고 구리 포일을 DI 수 (3 분)로 광범위하게 헹구었다. 이후, 구리 포일을 IPA로 헹구었으며, 압축 공기의 스트림 하에서 송풍-건조하고, 즉시 화학 기상 증착 (CVD) 반응기의 석영 튜브의 중간에 로딩하였다.

그래핀의 합성. 대기-압력 CVD 그래핀 합성을 다음의 튜브 치수를 가지는 석영 튜브 노 (furnace) (MTI OTF-1200X-HVC-UL)에서 수행하였다: d = 7.6 cm, l = 100 cm. CVD 챔버 및 반응기 가스-공급 라인을 다이어프램 진공 펌프를 이용하여 챔버를 진공으로 하는 동안 모든 합성 가스 (수소, 메탄, 및 아르곤)의 혼합물을 그의 최대 유속에서 흘려 보냄으로써 5 분 동안 공기로 퍼징하였다. 5 분 후, 가스 흐름을 멈추었고 챔버를 가스-혼합 및 반응기 챔버로부터 메탄 및 수소를 제거하기 위함뿐 아니라 구리 포일의 표면으로부터 가능한 유기 오염물을 탈착하기 위해 터보분자 진공 펌프로 약 10^-4 torr로 비웠고, 이후 노를 730 ℃로 가열하였다. 이후, 챔버를 초고순도 아르곤으로 대기압까지 재 가압하였고 (700 SCCM), 그래핀 합성 전 공정 동안 일정하게 흘려 보냈다. 구리 포일을 아르곤 흐름에서 1050 ℃까지 가열하였다 (30 분). 이 온도에 도달하면, 추가의 수소 (60 SCCM)를 60 분간 구리 기재를 어닐링하고 활성화하기 위해 흘려 보냈다. 60 분의 어닐링 이후, 수소의 유속을 5 SCCM까지 줄였다. 30 분 후, 0.3 SCCM의 메탄을 40 분간 그래핀의 합성을 위해 흘려 보냈다 (전체 가스 유속: 700 SCCM 아르곤 + 5 SCCM 수소 + 0.3 SCCM 메탄 = 705.7 SCCM). 40 분 이후, 메탄의 유속을 0.7 SCCM까지 증가하였다. 60 분의 전체 그래핀 성장 시간 이후 (메탄 흐름과 함께), (동일한 가스 흐름을 지속하면서) 노를 껐으며 5 cm 열었다. 노가 700 ℃까지 냉각되었을 때 (ca. 5 분), 10 cm까지 열려있었다. 350 ℃ (ca. 30 분)에서, 노를 완전히 열었다. 200 ℃에서, 수소 및 메탄 흐름을 끊었고 반응기 챔버를 아르곤 흐름에서 실온까지 냉각하도록 하였다 (총 냉각 시간은 대략 1 h였다). 합성된 그래핀을 도 5에 보여지듯이 광학 현미경 및 라만 분광현미경에 의해 분석하였다. 그래핀은 고품질이고 몇 개의 추가-층과 함께 단일층을 포함한다. 추가-층은 층의 수가 1을 초과하는 그래핀 영역이다. 그래핀 합성의 완료시에, 그래핀을 지탱하는 구리 포일을 (대기로부터 우발적인 흡착물에 의해 그래핀이 오염되는 것을 막기 위해) 산소 플라즈마-처리된 파이렉스(Pyrex) 접시로 전달하였고 금속의 증발을 클린룸 환경에서 즉시 수행하였다.

금속-보조 박리 (MAE). 금속-보조 박리 (MAE)를 구리로부터 다른 금속 (금, 은, 및 니켈) 위로 그래핀을 전달하기 위해 사용하였다. 간략하게, 그래핀은 구리 기재 위에서 성장하고, 이후 상부에 다른 금속 (예컨대, 금속, 은, 및/또는 니켈)의 시트가 적층된다. 그래핀이 구리에 보다 금에 더 잘 접착하기 때문에, 전체 그래핀 단일층은 쉽게 제거되며 넓은 면적에 걸쳐 손상되지 않은 채로 남아있을 수 있다. MAE 동안 고 진공 환경에서의 등각의 그래핀/수용하는 금속 계면의 생성은 계면이 산화물 및 다른 오염물이 없게 유지하도록 할 수 있다. 등각인 것은 그래핀 표면 원자와 100 % 접촉하는 증발된 금속을 포함할 수 있다. 예컨대, 구리 위의 그래핀은 현저한 표면 조도를 가질 수 있고, 따라서 등각도는 전달에 중요할 수 있다.

후속적인 나노섬 증착 이후 결과로 얻어진 형태는 오로지 연관된 물질(예컨대 증발물, 및 금속 기재)의 기능 및 공정 파라미터일 수 있다.

금속의 증착 및 NI의 자가-조립체. 하부층 기재의 선택으로부터 결과로 얻어진 NI 형태를 비교하기 위해, 테메스칼 (Temescal) BJD-1800 e-빔 증발기를 구리, 니켈, 금, 및 은에 의해 지지된 그래핀 위로 10 nm의 증발물(금 또는 은)을 증착하기 위해 사용하였다. 그래핀-지탱하는 기재를 샘플 스테이지에 고정하였고 증발물의 공급원의 바로 아래에 위치하였다 (40 cm의 거리에서). 금속 증발 속도를 낮게 유지하였고 (0.1 Ås^-1석영 결정 미량저울로 모니터링) 및 챔버 압력을 증발 동안 7 Х 10^-7 torr로 유지하였다. 증발의 마지막에서 기재의 온도는 400 K였다 (또한 표준 증착 조건 - SDC로써 일컬어진다). 증발의 속도 및 기재의 온도는 결과로 얻어진 NI의 형태를 결정하는 중요한 파라미터일 수 있다.

구리에 의해 지지된 그래핀 위로 10 nm의 금의 증발 조절을 2 Å/s, 400 K 및 0.1 Å/s, 500 K에서 수행하였다. 그래핀이 금 및 은 원자에 대해 매우 낮은 확산 장벽을 제공한다 하여도, 증발의 더 빠른 속도 (0.1 Å/s와는 대조적으로 2 Å/s)는 공정을 더욱 속도론적-조절되도록 편향하며 도 S4에서 보여지듯이 덜-구조화된 형태의 결과를 낳는다. 정반대로, 높은 공정 온도 (400 K과는 대조적으로 500 K)는 도 S5에서 보여지듯이 더 높은 결정도의 형태 및 더 낮은 면적 도포율의 결과를 낳을 수 있다.

모든 샘플을 XL30 FEI SFEG UHR 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용하여 분석하였다. SEM 이미징은 NI 위의 형태가 하면 기재의 결정학적 배향에 의존한다는 것을 보여준다. 도 6은 두 이웃하는 다른 배향의 구리 과립을 가진 구리 기재 (SDC에서) 위의 그래핀 위로 10 nm의 은의 증착으로부터 결과로 얻어진 AgNI의 형태의 차이를 시연한다. SDC에서 10 nm의 금을 기재 및 증발물 사이의 그래핀층의 수가 NI 자가-조립체에 영향을 주는지 결정하기 위해 추가-층의 높은 밀도를 가지는 그래핀을 지탱하는 구리 기재 위에 증착하였다. 나아가, 구리/그래핀/AuNI를 1 μm의 파릴렌 C로 PDS 2010 파릴렌 코팅기를 사용하여 코팅하였다. 하면 구리의 에칭시에, 파릴렌/AuNI/그래핀을 SEM을 사용하여 이미징 하였다 (AuNI는 하면 그래핀을 통해 이미징 하였다). 도 S3에서, 점차적으로 더 많은 층을 지탱하는 그래핀에서 AuNI의 퍼콜레이션 양이 감소했음을 보여준다. 이는, 추가적인 그래핀층이 순차적으로 구리의 표면 에너지를 낮추기 때문에, 박막 성장을 위한 모델과 잘 연관되어 있다.

많은 응용을 위한 그래핀/NI 필름의 전달. NI는 이들이 그 위에 생성된 기재로부터 최종 수용 기재 (광섬유, 유리 슬라이드, PDMS, PET, 인간 피부, 등) 위로 전달될 수 있다. 유리 커버슬립, 실리콘 웨이퍼 및 PDMS의 스트립으로의 전달을 그래핀을 전달하기 위한 표준 방법을 사용하여 수행하였다. 첫 번째로, PMMA의 지지층을 (예컨대, 100 나노미터 두께) 구리/그래핀/NI 위로 스핀-코팅하였으며, 뒤이어 1 시간 동안 염화 철(III) (FeCl₃) 1 M에서 구리 기재를 에칭하였다. 이 후, 그래핀/NI/PMMA 필름을 에칭용 시약의 표면 위에 자유-부유하게 하였으며, 떠내어, 구리의 에칭으로부터 오염물 잔여물을 제거하기 위해 탈이온수를 함유하는 비이커 내로 전달하였다 (각 비이커에서 3 번, 5 분). 이후, 그래핀/NI/PMMA을 실리콘 웨이퍼 조각으로 SEM 분석을 위해 떠냈다 (도 S7).

두드러지게, 실리콘 웨이퍼로 전달된 그래핀/AuNI의 형태는 도 1에 보여지듯이 전달 이전과는 매우 다르다. AuNI는 완전히 퍼콜레이션 된 네트워크를 생성하고 날카로운 결정 모서리 및 둥근 형체에 선호되는 모퉁이를 잃는다. 이 효과는 낮은 표면 에너지 (72 mJ/m²)의 물을 그래핀/AuNI 아래로부터 높은 표면적 (구리, 1650 mJ/m²)의 기재로 (즉시) 치환하는 것에 의한 것일 수 있다. 안정화 기재 결정도는 또한 구리의 에칭으로 사라진다. 이 단계에서, AuNI는 겉보기에 가장 열역학적으로 선호되는 구성으로 재구성되며 최종 수용 기재 위에 그것을 배치할 때 이를 유지할 수 있다. 과격한 재구성은 STP 조건에서 발생할 수 있다. 그래핀/NI/중합체 (도 20)를 포함하는 자유-부유하는 필름은 그래핀 또는 반면에 지지하는 중합체와 맞닿는 최종 수용 기재, 두 방법 중 하나에서 기재 위로 증착 될 수 있다. 첫 번째 경우에서, 기재는 DI 수 내로 먼저 담글 수 있으며 랑뮈에-블라제 패션의 부유하는 복합 필름 구조를 잡아 물 밖으로 천천히 들어올릴 수 있다. 광섬유, 유리 커버슬립 및 PDMS 스트립을 라만 감지를 위해 이 방법으로 코팅할 수 있다. 변형률 감지를 위한 경질 기재 및 연질 기재를 또한 이 방법으로 코팅할 수 있다.

두 번째 경우에서, 기재를 부유하는 그래핀/NI/중합체 필름 내로 밀어 넣고 물 속으로 더 내린다 (도 21). 심근세포 배양물 및 수축 실험뿐만 아니라 심박수 모니터링을 위한 기재를 이 방법으로 코팅할 수 있다. 만약 전달 도중 센서가 PMMA로 지지된다면, 이 지지하는 중합체 필름을 아세톤으로 쉽게 제거할 수 있다. 주목할만한 점은, (이러한 것이 일어날 때) 팁의 면적 (~0.03 mm²)이 지지되지 않은 그래핀/NI 필름의 파손으로부터 결과로 얻어진 조각보다 현저하게 작기 때문에, 어떠한 지지하는 중합체도 광섬유의 팁을 그래핀/AuNI 필름으로 코팅하는데 사용되지 않았다.

상기 언급된 전달 방법과 더불어, 중합체 필름을 구리/그래핀/NI 필름 위에 (예컨대, 상용화된 적층기로) 적층할 수 있고, 이에 따라 구리 에칭시에 최종 수용 기재 및 지지체로써 역할을 한다⁸. 이러한 전달은 125 μm-두께 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET)에 의해 지지되는 연질 변형률 센서를 만들 수 있다 (도 22c, d).

원자 물리 기상 증착 시뮬레이션. 모든 시뮬레이션을 샌디아고 슈퍼컴퓨터 센터 (the San Diego Supercomputer Center)의 코멧 슈퍼컴퓨터 (the Comet supercomputer)에서 사용 가능한 오픈-소스 시뮬레이션 패키지 LAMMPS (12/09/2014)⁹를 사용하여 수행하였다. 시뮬레이션을 총 48 개의 인텔 제온 프로세서 (Intel Xeon processors)를 포함하는 2개의 컴퓨터 노드에 분산된 메시지-전달 인터페이스를 사용하는 동역학적으로 부하-분산된 도메인 분해 기법을 이용하여 가속화하였다. ~5 ns/day의 효율성에 상응하는 최대 ~20x의 병렬 속도를 얻었다. 시각화 및 사후-공정 분석을 오픈-소스 시각화 장치, OVITO를 주문 제작한 파이썬 모듈과 함께 사용하여 수행하였다.

그래핀/구리 (111) 표면의 초기 구성은 쥘레 (Suele)등에 의한 절차에 따라 만들어지고 평형화되었다. 특히, 두꺼운 구리 지지체 (30 층)을 가진 3 × 3 모아레 슈퍼 셀을 벌크 구리 표면을 효과적으로 모델링 하기 위해 이의 가장 밑의 층으로써 사용하였다. 4 nm의 높이의 진공층을 금 원자를 증착 시키기 위해 표면 위에 삽입하였고, 성장하기 위해 섬을 위한 공간을 제공하였다. 반사 경계 조건은 수직 방향으로, 주기적인 경계는 수평 방향으로 부과되었다. 초기 시뮬레이션 셀의 개략도가 도 25에 제공되었다.

시뮬레이션된 금 증착. 증착 공정을 시뮬레이션 하기 위해, 금 원자를 진공 영역의 삽입 평면 내 무작위 위치에 나노초 당 200 개의 입자 속도로 표면을 향해 도입하였다. 이 증착 속도는 계산 제약으로 인해 선택되었다. 비록 이는 실험 속도보다 훨씬 더 크지만, 선택된 속도는 시뮬레이션을 현재의 컴퓨터 자원으로 합리적인 시간에서 수행되도록 하며 문헌 전체에서 표준적인 관행이다. 입자 속도를 실험 증발 온도에 상응하는 온도에서 맥스웰-볼츠만 분포 (the Maxwell-Boltzmann distribution)로부터 샘플링 하였다. 전체 시스템의 온도를 0.01 ps의 시간 상수를 가진 NVT 앙상블 (ensemble)에서 노즈-후버 (Nose-Hoover) 스타일의 온도 조절 장치를 사용한 증착 공정에 걸쳐 400 K로 유지하였다. 운동 방정식을 수치적으로 안정한 시뮬레이션을 얻는 것으로 밝혀진, 1 펨토초의 시간 단위를 사용하는 시간-가역적, 계수 보존형 베를레 (Verlet) 알고리즘으로 적분하였다.

열적 어닐링의 시뮬레이션. 증착 공정에 따라, 실험의 진공 어닐링 공정은 온도를 500 K까지 올림으로써 시뮬레이션 되었고, 형태가 안정해질 때까지 (~15 ns) 금 섬이 응집되고 확산되는 것을 허용하였다. 어닐링 동안, 금 클러스터의 표면적을 2.5 Å의 프로브 구 반경 및 20의 평탄화 레벨을 가진 OVITO 소프트웨어 패키지로부터 표면 메쉬 변형을 사용하여 모니터링 하였다.

시스템의 하이브리드 성질로 인해, 각 쌍방향 상호작용을 적합한 원자간 포텐셜과 독립적으로 다루었다. 금속-금속 상호작용을 금속 시스템의 문헌을 통해 광범위하게 사용되고 증명된, 임베디드-원자 방법을 사용하여 모두 계산하였다. 탄소-탄소 상호작용은 그래핀에 대해 좋은 모델로 보여진, AIREBO 포텐셜²을 사용하여 다루었다. 탄소-구리 상호작용은 높은 레벨의 밀도-범함수 이론 계산을 사용하는 이 시스템에 특정하게 매개화된, 각-의존성 아벨-티소프 (Abell-Tersoff) 포텐셜을 사용하여 다루었다. 마지막으로, 탄소-금 상호작용은, 본원의 경우와 같이, 어떠한 결함 또는 과립 경계가 존재하지 않는한, 그래핀 위의 금의 결합 및 확산의 정확한 기술을 제공하기 위해 보여진, 레너드-존스 (Lennard-Jones) 포텐셜 (엡실론 = .0341 eV, 시그마 = 3.003 옹스트롬)을 사용하여 다루었다. 사용된 원자간 포텐셜의 요약은 표 S1에서 볼 수 있다.

섬 성장의 통계적 분석. 물리 기상 증착 시뮬레이션으로부터의 궤적 파일 출력은 형태학적 진화 및 나노섬의 성장을 양적으로 특징짓기 위해 사용될 수 있는 풍부한 정보를 제공한다. 이 지표들은 다른 시스템을 비교하기 위한 기초를 제공하며 실험만으로 달성할 수 없는 하면 섬 성장의 물리적 기전에 대한 통찰을 제공할 수 있다. 상당히 쉽게 모니터링 될 수 있는 하나의 양은 개별 금 원자의 배위 수이다. 궤적 파일의 스냅 사진을 계속 분석하였고 모든 가장 근접한 이웃들을 거리 컷 오프로써 결합 길이를 사용하여 모든 금 입자에 대해 계산하였다. 도 23은 섬이 성장함에 따른 금 입자의 배위 수의 확률 분포의 진화를 보인다. 이 결과들은 0.5 nm의 Au가 증착된 후, 대다수의 금 원자가 6의 배위 수를 가지고, 클러스터의 표면에 대응됨을 보인다. 1 nm가 증착된 후 대다수의 금 원자가 12의 배위 수를 보이며, 클러스터의 벌크에 대응된다.

금 섬 성장을 특징짓기 위해 사용될 수 있는 또 다른 양적 지표는 금 입자의 높이의 분포이다. 그것의 수직 높이에 관한 궤적 스냅 사진으로부터 금 입자를 비닝 (binning)하고 분포를 정규화함으로써 계산하였다. 도 14는 증착 공정 동안 확률 분포의 진화를 보인다. 오로지 증착된 0.5 nm Au에 대해, 최대한의 섬 높이는 6 층 (22 Å)이다. 이 결과는 표면 상에 퍼지기 보다 무리를 지는 금 클러스터의 선호도를 보이며, 금/기재 상호작용에 대해 더 선호되는 금/금 상호작용에 기인한 것일 수 있다. 상기 분석은 미래의 컴퓨터 실험에서 섬 성장에 미치는 증착된 금속 및 하부층 기재의 영향을 비교하기 위해 사용되었다.

광섬유 라만 센서. 지지되지 않는 그래핀/AuNI을 비표지형 감지를 위한 SERS 기재로써 그래핀/NI 복합 필름 구조를 사용하는 가능성을 연구하기 위해 깨끗하게-갈라진 300 μm-두께 광섬유 (중심: 반경 50 μm, 50 μm-두께의 클래딩, 50 μm-두께의 외피)의 팁 위로 전달하였다. 7.5 nm의 금을 그것들 사이에 최소한의 간격 (예컨대, 3 내지 20 nm 사이)을 가진 퍼콜레이션 되지 않은 AuNI를 얻기 위해 구리 위의 그래핀 위로 증발시켰다 (도 3b, 우삽도). 7.5 내지 8 nm의 Au 증착이 AuNI에 대한 퍼콜레이션 역치로써 설정된다. 필름의 전달 및 대기에서 밤새 섬유를 건조한 후, 금 표면 위에 1-부탄티올 (BT)의 자가-조립된 단일층 (SAM)을 생성하기 위해 (대조군 기재로써) 증발된 100 nm-두께 필름의 금을 갖는 1 cm²의 실리콘 웨이퍼 조각과 함께 10 mM 1-부탄티올 (BT)의 에탄산 용액을 포함한 비이커 내에 위치하였다. 이 두께에서, 금은 투명하지 않고 따라서 기재 SiO₂ 또는 Si/SiO₂의 본질은 중요하지 않다.

24 시간 후, 테스트 기재를 DI 수와 이소프로판올 (IPA)로 완전히 헹구었고 대기에서 건조하였다.

라만 분광 분석. 테스트 기재로부터 라만 스펙트럼을 얻기 위해, 역전된 스테이지를 가진 라만 현미경 (레니쇼 인비아 (Renishaw inVia))와 785 nm 여기 공급원을 사용하였다. 테스트 샘플 및 대조군 모두, 레이저 빔이 2 μm 빔 지점으로 집중되었고 0.5 mW 파워에서 60 초간 노출이 설정되었다. 빔 파워를 심지어 5에서 50 mW로 올려도 60 s 노출에서 어떠한 BT 신호도 얻어지지 않은 반면, 심지어 1초만큼 낮은 노출에도 코팅된 광섬유의 팁으로부터 뚜렷한 BT 신호를 (심지어 낮은 신호-대비-잡음 비로) 얻었다. 이는 그래핀/AuNI가 적합한 SERS 기재이며 구조화되지 않은 금 필름보다 훨씬 더 우월함을 나타낸다. 이 실시태양은 복합 그래핀/NI 필름 구조의 조작 가능성을 시연한다. 이는 원거리 감지의 매우 유망한 응용을 허용하는, 광섬유의 팁과 같은 작은 물체 위로 전달될 수 있다.

변형률 센서로써의 그래핀/PdNI 필름. SDC 하에서 구리 위의 그래핀 위로 ~10 nm Pd의 증착은 구형 입자 (4 내지 5 nm의 직경)의 균일한 단일층의 생성의 결과로 나타난다. 이 구형 입자들은, 심지어 매우 다른 모양일지라도, 여전히 물질 선택의 함수이며 여기서 개시된 다른 나노섬과 같은 동일한 방법으로 제작될 수 있다. 이 그래핀/PdNI는 경질 (유리), 연질 (PET) 및 신축성 (PDMS) 기재 (도 22)위로 넓은 변형률 범위에 걸쳐 그들의 압저항 성질을 테스트하기 위해 전달 될 수 있다.

경질 기재 위의 PdNI 센서. 매우 낮은 변형률 <<1 % 하에서 변형률 센서로써 PdNI의 성능을 평가하기 위해, 3 - 5 × 25 mm의 그래핀/PdNI/PMMA 스트립을 130 μm 두께인 1" × 1" 유리 커버슬립 위로 전달하였다. PMMA를 제거하기 위해, 슬라이드를 아세톤으로 헹구었다. 센서를 전기적으로 접속하기 위해, 구리 선 (36 게이지)을 전도성 접착제를 지탱하는 구리 테이프로 PdNI 및 유리 커버슬립에 부착하였고 EGaIn 방울을 안정적인 전기 접촉을 보장하기 위해 느슨한 선 말단에 위치하였다 (도 22a). 모든 경우에 있어서, 전극의 부착 이후 PdNI 센서의 종횡 비는 3 내지 10 사이일 수 있고 변형되지 않은 저항은 644 내지 2015 Ohm 사이일 수 있다.

PdNI 센서에 매우 작은 변형률 (0.001 % 내지 0.003 %)을 도입하고 기록하기 위해, 13 μm-두께 폴리이미드 (PI) 테이프 (1 층에 대해 0.001 % 및 3 층에 대해 0.003 % 변형률)를 3" × 2" 유리 슬라이드 위로 위치하였다. 테이프 위에 PdNI-코팅된 유리 커버슬립의 절반을 놓고 고정시키고, 커버슬립의 나머지 절반 아래에 커버슬립 및 유리 슬라이드 사이의 간격을 만들어 캔틸레버를 만들기 위해, PI 테이프를 조절 가능한 높이의 단으로써 사용하였다 (도 3f). 작은 힘 (~0.1 N)을 캔틸레버의 자유 말단에 적용하고 이를 유리 슬라이드와 접촉함으로써, 유리 슬라이드는 구부러져 이의 PdNI-코팅된 표면에 인장 변형을 유도하며 맞춤-제작된 랩뷰 (LabVIEW) 코드를 사용하여 케이틀리 (Keithley) 2400 소스/미터로 저항성 변화를 기록하였다 (도 3f, 우삽도). 고체 Pd 필름 대조군 샘플은 유사한 방식으로 분석되었다 (도 19).

신축성 기재 위의 PdNI 센서. 높은 변형률 (>1 %)에서 PdNI 센서의 압저항을 측정하기 위해, PdNI 센서를 PDMS의 스트립 위로 전달했고 (3 mm × 10 mm × 100 mm), 구리 선 및 EGaIn (공융된 갈륨 인듐)으로 그것들을 연결시켰고, PDMS를 신축하기 위해 고-정밀 선형 액츄에이터를 사용하였다 (도 22b). (PdNI 없이) 그래핀 대조군 샘플을 유사한 방법으로 분석하였다. 센서는 1 % 인터벌에서 0 % 및 9 % 변형률 사이에서 주기적으로 반복되었다 (각 1 % 인터벌 당 20 주기) (도 3e). 센서는 안정한 기준선을 유지하며 매우 높은 게이지 수치 및 주기 조절성을 보였다 (도 24).

심박수 측정. 생체 측정의 신호를 얻기 위해, 8 μm-두께 PDMS 필름을 구리/그래핀/PdNI 위에 스핀-코팅하였고, PDMS를 10 분간 100 ℃에서 전열기 위에서 경화하였다. 구리를 1 시간 동안 염화 철 (III) 1 M에서 에칭하였다. 자유-부유하는 그래핀/PdNI/PDMS 필름을 DI 수 내로 (3 번) 전달하였고 (요골 동맥 꼭대기 위의) 팔목 위의 피부 위로 DI 수와 센서가 있는 그릇 내로 팔목을 담가 센서를 증착하였다 (도 3d).

소수성인, PDMS 표면은 피부와 좋은 계면을 생성한다. 센서의 증착에 앞서, 접착제 테이프의 스트립을 요골 동맥 위의 피부의 한 부분을 테이프가 없도록 남겨두고 팔목 주위에 붙였다. 접착제 테이프는 두 가지 목적으로 역할을 한다: 이는 부착을 도우며 전기적 접촉 선의 위치를 유지하며 테이프로 덮인 피부를 신축성 없게 함으로써 피부의 테이프가 없는 부분의 변형률을 국소화한다. 하나의 센서는 심박수를 측정할 수 있으며, (3 개 센서 모두가 팔목 및 개별적인 손가락 움직임을 높은 신뢰도로 기록할 수 있지만) 두 개의 다른 센서는 전달 공정 동안 PDMS의 주름을 생성하며 충분히 민감하지 않다

PdNI 센서 상에서의 현장 SEM. 0.001 %, 3 %, 및 5 % 변형률 하에서 PdNI 센서의 필름 형태를 기록하기 위해, 센서를 XL30 FEI SFEG UHR 주사 전자 현미경으로 이미징 하였다. 경질 기재 위의 작은 변형률 하에서 센서를 이미징 하기 위해, PI 테이프 단(step) 방법론이 사용되었다. 여기서, 캔틸레버 위에 간헐적인 힘을 적용하는 대신에, 캔틸레버의 자유 말단을 전도성 구리 테이프로 유리 슬라이드에 영구적으로 부착하였다. 이 테이프는 또한 SEM 스테이지로 샘플을 방전하는 전기적 접지 전극으로써 역할을 한다.

3 % 및 5 % 변형률 하에서 센서 필름의 이미지를 얻기 위해, 1 mm-두께 PDMS 스트립에 의해 지지된 센서를 또한 샘플을 SEM 스테이지로 전기적으로 접지하도록 역할을 하는 접착성 구리 테이프를 사용하여 각각 15 mm 및 10 mm의 곡률 반경을 가진 3D-프린팅된 절반-실린더의 곡면에 부착하였다 (특정된 반경으로 PDMS 스트립을 구부리면 3 및 5 %의 표면 인장 변형률이 발생되었다).

전기 생리학. 신생아 쥐 심실 심근 세포를 신생아 쥐 심근 세포 분리 키트 (워딩턴 (Worthington))를 사용하여 분리하였고 37 ℃, 5 % CO₂에서 배양하였다. 간략하게, 심실을 태어난 지 하루의 Hsd:SD 쥐 (스프라그 다울리 (Sprague Dawley))로부터 해부하였고, 이후 트립신으로 4 ℃에서 밤새 소화하였다. 소화는 다음날 오전에 대략 60 분간 37 ℃에서 콜라게나제를 이용하여 지속하였다. 세포를 섬유 아세포를 제거하기 위해 90 분간 사전-평판배양하였고, 2 Х 10⁵세포/cm²의 고-혈청 배지 (DMEM/F12 [1:1], 0.2% BSA, 3 mM 피루브산 나트륨, 0.1 mM 아스코르브산, 4 mg/리터 트랜스페린, 2 mM　L-글루타민, 100 nM 감상선 포르몬 (T3)와 10% 말 혈청 및 5% 태아 소 혈청이 보충됨)에서 PMMA/AuNI/그래핀으로 코팅된 12 mm 유리 커버슬립 위에 플레이팅하였다. 24 h 이후, 배지를 저-혈청 배지(단지 0.25 % 태아 소 혈청을 제외하고는 위와 동일)로 교체하였다. 3 가지 세포 배양물을 각 세포 배양물에서 적어도 8 개의 기재의 PMMA/AuNI/그래핀 위에 평판배양하였다. 몇몇 PMMA/AuNI/그래핀 기재을 노출된 PMMA/AuNI/그래핀 기재 및 메트리겔 (Matrigel)로 코팅된 것들에 대한 세포의 접착력을 비교하기 위해 각 세포 배양물 평판배양에서 메크리겔로 코팅하였다. 샘플간 세포 접착력 및 생존 능력에서 어떠한 차이도 발견되지 않았다.

주사 전자 현미경. 첫 번째로, 세포를 0.1 M 포스페이트 완충용액 (pH 7.4)으로 세척하였고, 이후 4 % 포름알데히드 용액에서 2 시간 동안 실온에서 고정하였고, 동일한 완충용액으로 각 5 분간 3 번 세척하였다. 등급이 매겨진 일련의 알코올로 탈수하는 단계를 거쳐 (30 % 에탄올 - 10 분, 50 % 에탄올 - 10 분, 70 % 에탄올 - 10 분, 80 % 에탄올 - 10 분, 95 % 에탄올 - 10 분간 2 번 교환, 100 % 에탄올 - 15 분간 3 번 교환), 모든 샘플을 진공 챔버에서 동결 건조하였고, 스퍼터링 된 이리듐으로 코팅하였다. 주사 전자 현미경 이미지는 10 kV 에너지 빔을 사용하면서 5 mm의 작업 거리에서 XL30 FEI SFEG UHR에서 얻어졌다.

전기 생리학적 측정. 맞춤 제작된 전기 생리학적 챔버는 PDMS (실가드 (Sylgard) 184)가 경화된 3D 프린팅된 금형으로 제작되었다. 마감 처리된 챔버는 중앙 개구부(세포 배양물 및 배지용) 및 측면 개구부(공융된 전극 배치용)를 가지며 AuNI 기재의 중앙 부분이 중앙 개구부 내에 위치하고 AuNI 기재의 모서리를 측면 개구부를 통해 EGaIn을 사용하여 전기적으로 연결하여 접속할 수 있는 방법으로 PMMA/AuNI/그래핀 및 CM 배양물을 지탱하는 유리 커버슬립의 상부에 위치하였다 (도 4a). 그 후, 조립체를 두 개의 3" × 1" 유리 슬라이드 사이에 샌드위치하고, 좋은 밀봉을 보장하기 위해 바인더 클립으로 고정시켰다. 배지와 블레비스타틴을 챔버의 중앙 개구부로 넣는 것을 가능케 하기 위해 상부 유리 슬라이드에 5 mm 구멍을 미리 뚫었다. 챔버 개구부 사이의 PDMS 벽은 EGaIn 전극을 세포 배지로부터 분리하도록 역할을 한다 (mM의 단위로, NaCl, 135; KCl, 2.5; CaCl₂, 2; NaHCO₃, 1; Na₂HPO₄, 0.34; KH₂PO₄, 0.44; 글루코오스, 20; 및 HEPES, 10 (pH 7.4)). 전기 생리학적 기록을 디지데이터 1322 인터페이스 (Digidata 1322 interface), 악소패치 200B 증폭기 (Axopatch 200B amplifier), 및 pClamp 소프트웨어 (몰레큘러 디바이스즈 코아퍼레이션 (Molecular Devices Corp.))를 사용하여 전류-클램프 구성에서 수행하였다. 데이터를 50 kHz에서 디지털화하여 샘플링하였고 2 kHz에서 필터링하였다. 실험을 실온에서 수행하였다. 블레비스타틴 (10 μM, 토크리스 (Tocris)), 및 KCl (30 mM)을 CM 수축의 비에 영향을 주기 위해 실험 챔버에 직접 추가하였다. 각 수축을 나타내는 모든 기록은 클램프핏 10.3 (Clampfit 10.3) 및 오리진프로2015 (OriginPro2015)를 사용하여 기하급수 함수에 맞추었다.

표 1

본 연구에서 사용된 원자간 포텐셜의 요약

본원에 개시된 방법 및 시스템은 또한 세포 (예컨대, 배양된 세포)의 활동의 전기적 임피던스 프로파일을 제공한다. 임피던스의 일반식은 Z=R+jX로, R은 "일반적인" 저항, 및 허수부 jX는 회로의 리액턴스의 위상 시프트에 관한다. 임피던스는 AC 전류 측정에 관련될 수 있다. DC 전류 측정에서, 임피던스는 회로의 저항과 같다. 저항 기록에 대해 임피던스를 사용하는 것은 전극의 전극의 위상-시프트된 축전 용량 방전-재충전과 관련된 세포 행동의 추가 요소를 통해 부가 정보가 수집되도록 할 수 있다.

일반적으로, 임피던스는 변화하는 전류에 변화하는 전압의 진동수-도메인 비를 더한다. 수축하는 세포 (예컨대, 수축하는 배양된 세포)의 임피던스 프로파일을 측정하는 방법은 세포층의 반대 면 위의 두 개의 전극을 포함할 수 있다. 시스템은 적어도 하나의 전극이 세포층의 각 면에 위치하는, 다수의 전극을 가진 기록 회로망을 포함할 수 있다.

예를 들어, 임피던스 측정값은 시간-분해 방식으로 빠른 전류-전압 신호를 기록할 수 있는, 전기 생리학-유사 증폭기로 수집될 수 있다.

세포 (예컨대, 배양된 세포)가 전극을 덮을 때, 전극 및 용액 사이의 전기적 임피던스는 증가할 수 있다. 그것들이 수축함에 따라 (즉, 면적이 줄어듬), 노출된 전극 면적은 증가하고 임피던스는 떨어지며, 이에 따라 박동 (및 이의 진폭)을 기록한다.

본원에 개시된 시스템 및 방법은 세포 막 축전 용량에 대한 전압 프로파일의 1차 미분을 비롯한 여러 파라미터를 측정할 수 있다. 세포 막 포텐셜은 세포 막의 내부 (세포질) 리플렛 (leaflet) 및 외부 (세포외) 부분 사이의 전압차이다. 전극이 세포 막과 접촉할 때, 세포 (예컨대, 배양된 세포)의 활동 (예컨대, 수축 활동)이 세포 막 포텐셜 프로파일을 모니터링 함으로써 추적될 수 있다. 예를 들어, 본원에 개시된 시스템 및 방법은 세포 활동으로 인한 전압 동적 변화의 여러 요소를 측정할 수 있다.

본원에 개시된 시스템 및 방법은 예컨대, 암시야 현미경을 사용하여, 나노섬 사이의 입자간 거리 변화의 광학적 관찰에 의한 세포 수축의 프로파일을 제공할 수 있다. 암시야 현미경은 이미지 대조를 강화하는 조명 기술을 포함할 수 있다. 조명 빛은 매우 강할 수 있고, 샘플의 조명 이후, 직접적인 조명 빛 빔을 샘플을 보기 위해 사용하는 대물 렌즈로 진입하지 못하게 막는다. 결과적으로, 대물 렌즈로 진입하는 유일한 빛은 샘플로부터 산란된 빛일 것이다. 상기 현미경 기법은 어두운 배경에 대하여 밝은 빛나는 이미지로 거의 검은 배경을 만든다.

나노섬의 크기는 광학 현미경의 회절 한계보다 작을 수 있다. 그러나, 더 큰 (예컨대, 훨씬 더 큰) 크기의 섬 및 국소화된 표면 플라즈몬 공명에 의해 유발된 효과로, 암시야 이미지는 검출될 수 있다.

이러한 시스템의 장점은 금속 나노섬의 추적 및 분석의 용이함일 것이다. 배양된 심근 세포와 같은 세포는 나노섬에 대해 수축 힘을 가할 수 있고 그것들 주위로 시프트할 수 있다. 시프트의 양 및 다른 파라미터 (색 변화/빛 파장 변화)가 검출을 위해 사용될 수 있다.

본원에 개시된 방법 및 시스템은 칼슘 이온 농도의 광학 관찰에 의한 세포 수축성의 프로파일을 제공하도록 구성될 수 있다. 심근 세포 내의 칼슘 이온 농도 변화의 동역학은 심근 세포 활동을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 특별하게 배합된 형광 칼슘 지시제 염료의 사용에 의함. 각 염료 분자는 칼슘 이온과 결합할 때 이의 형광도를 변화시킬 수 있다. 이 염료는 예컨대 관습적인 형광 현미경에 의한, 기록 이전에 배양된 세포 (예컨대, 심근 세포 또는 임의의 다른 세포 종류) 내부로 로딩되어야 한다. 세포 내부의 칼슘 농도의 상승은 세포 수축의 결과를 낳는 액틴/미오신 커플링을 시작하게 할 수 있다. 이에 따라, (금속 나노섬 근처의 이온과는 반대로) 세포 내의 칼슘 농도의 동역학적 변화는 세포 수축 활동의 적절한 "대리 측정"일 수 있다. 기록된 신호는 좋은 동적 범위로, 빠르고 밝을 수 있다.

본원에 개시된 방법 및 시스템은 배양된 세포로부터 라만 산란 데이터를 제공하도록 구성될 수 있다. 세포로부터 라만 스펙트럼 데이터는 주 센서 양상에 추가된 것이다. 세포 표면 위의 생화학적 활성 구조로부터의 라만 신호는 수축 활동 도중 막 화학적 조성물의 변화를 반영할 수 있을 수 있다.

세포가 플라즈몬 활성 나노섬 (예컨대, 금 섬)과 직접적으로 접촉할 수 있기 때문에, 후자는 발현된 막 단백질, 세포 분석물, 시토카인 등뿐만 아니라 세포 체 내로 가는 수십 나노미터의 화학 물질로부터의 라만 신호를 강화할 수 있다. 여기서 개시된 방법 및 시스템은 구조화되지 않은 금 필름보다 훨씬 더 플라즈몬 활성이기 때문에, 미토콘드리아 거동이 검출되며, 개시된 시스템의 분해능 및 신호-대비-잡음 비가 더 클 수 있다. 데이터 분석은 세포 생화학으로부터 얻어진 복합 신호의 디콘볼루션 (deconvolution)을 포함할 수 있다.

본원에 개시된 시스템 및 방법은 세포 활성을 전기적으로 자극시키도록 구성될 수 있다. 전기적으로 세포를 자극하는 방법은 세포 층의 양 면에 두 개의 별도의 전극을 사용하는 것을 포함할 수 있고, 이 두 전극 사이에 전압을 가할 수 있다. 여기서 개시된 방법 및 시스템은 하나의 전극은 세포의 위에 및 하나는 세포의 아래에 있는 수동 전극으로써 사용될 수 있다.

본원에 개시된 방법 및 시스템은 세포 활동을 광학적으로 자극할 수 있다. 예컨대, 금 나노섬은 플라즈몬 활성일 수 있고 한 밴드의 빛을 사용하여 세포 수축을 자극하면서 다른 밴드의 빛에 의해 광학 세포 활동 판독을 얻을 수 있도록 할 수 있다. 예컨대, 빛을 나노섬 (예컨대, 금 섬) 위에 성장한 세포에 비추면, 그것들은 더 빠르게 수축할 수 있다. 현저한 조명으로, 그것들은 지속 강직성 경련 (지속적인 수축 상태) 상태가 된다. 빛은 금 섬에서 플라즈몬 모드를 활성화시킬 수 있고 간격의 및 표면 위의 전기장을 변화시킬 수 있다. 이는 세포 막 탈분극 및 세포 활동을 유발할 수 있다.

본원에 개시된 방법 및 시스템은 피부 또는 의류에 대한 웨어러블 센서를 포함할 수 있다. 이러한 시스템의 응용은 헬스케어, 건강, 촉각 기술, 계장된 보철물, 및 나노섬 센서가 인체의 외부에서 사용되는 다른 응용을 포함할 수 있다.

본 발명의 다수의 실시태양이 기재되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 다른 실시태양은 하기의 청구항의 사상 내에 있다.

Claims

복합 필름 구조의 금속층의 원하는 형태를 결정하는 단계;
결정에 기초하여 제1 금속 기재를 선택하는 단계;
제1 금속 기재 위에 그래핀층을 전달하는 단계;
원하는 형태를 얻기 위해 그래핀층 위에 금속층을 증착하는 단계; 및
복합 필름 구조를 생성하기 위해 증착된 금속층 및 그래핀으로부터 제1 금속 기재를 제거하는데, 여기서 제1 금속 기재 및 증착된 금속층 사이의 표면 에너지 차이가 금속층의 원하는 형태를 가져오는 단계
를 포함하는, 복합 필름 구조의 제작 방법.
제1항에 있어서, 상기 원하는 형태는 나노섬 (nanoisland)을 포함하는 방법.
제2항에 있어서, 금속층의 상기 나노섬의 모서리 사이의 거리는 분자 단위의 치수인 방법.
제1항에 있어서, 상기 금속층을 증착하는 단계는 금속 원자의 증발된 플럭스의 증착을 포함하는 방법.
제4항에 있어서, 상기 금속 원자의 증발된 플럭스는 원하는 형태를 산출하도록 자가-조립되는 방법.
제4항에 있어서, 상기 금속 원자의 증발된 플럭스는 전자 빔 증발, 열적 증발 또는 스퍼터링에 의해 제조되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 금속 기재 위에 그래핀층을 전달하는 단계는 제2 금속 기재 위에 성장한 그래핀을 박리하는 단계 및 제1 금속 기재 위로 그래핀층을 위치시키는 단계를 포함하며; 및 여기서 그래핀은 단일층의 그래핀을 포함하는, 방법.
제7항에 있어서, 상기 그래핀은 화학 기상 증착법을 사용하여 제2 금속 기재 위에 성장한 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 금속 기재는 전이 금속을 포함하는 방법.
제9항에 있어서, 상기 전이 금속은 금, 은, 또는 니켈을 포함하는 방법.
제1 금속 기재 위에 그래핀층을 증착하는 단계;
그래핀층 위에 복수의 금속 나노섬을 증착하는 단계;
표면-증강 라만 산란을 위한 기재를 생성하기 위해 증착된 복수의 금속 나노섬 및 그래핀으로부터 제1 금속 기재를 제거하는 단계
를 포함하는, 표면-증강 라만 산란을 위한 기재의 생성 방법.
제11항의 방법에 따른 표면-증강 라만 산란을 위한 기재를 생성하는 단계;
광섬유 위에 기재를 전달하는 단계;
기재 위에 분석물을 코팅하는 단계; 및
분석물로부터의 표면-증강 라만 산란 신호를 기록하는 단계
를 포함하는, 분석물의 표면-증강 라만 산란을 수행하는 방법.
제11항의 방법에 따른 표면-증강 라만 산란을 위한 기재를 생성하는 단계;
광섬유 위에 기재를 전달하는 단계;
분석물 내로 기재를 위치시키는 단계;
분석물로부터의 표면-증강 라만 산란 신호를 기록하는 단계
를 포함하는, 분석물의 표면-증강 라만 산란을 수행하는 방법.
제12항에 있어서, 상기 복수의 금속 나노섬은 플라즈몬 활성 금속을 포함하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 플라즈마 활성 금속은 구리, 은, 팔라듐, 금, 또는 백금 나노섬을 포함하는 방법.
그래핀층;
그래핀층 위의 금속층; 및
그래핀층 및 금속층 위의 중합체
를 포함하며, 여기서 변형률 센서의 압저항은 4 자릿수까지의 변형률을 검출할 수 있게 하는, 변형률 센서.
제16항에 있어서, 상기 금속층은 팔라듐을 포함하고, 상기 제1 금속 기재는 구리를 포함하며, 상기 중합체는 폴리디메틸실록산을 포함하는 변형률 센서.
제16항에 있어서, 상기 그래핀층은 금속층을 통한 균열 전파를 억제하도록 구성된 변형률 센서.
제16항에 있어서, 상기 변형률 센서의 1 % 변형률에서의 게이지 수치는 적어도 1,300인 변형률 센서.
챔버;
생물학적 샘플이 위에 배치되고, 그래핀층과 접촉하는 금속층, 및 금속층 또는 그래핀층 중 하나와 접촉하는 중합체층을 포함하는 복합 필름 구조;
복합 필름 구조를 전기적으로 접속시키기 위한 전기적 연결; 및
복합 필름 구조 위에 배치된 생물학적 샘플을 수용하도록 구성된 챔버의 중심 개구부를 포함하고, 여기서 생물학적 샘플은 배양된 세포 또는 조직을 포함하며, 여기서 금속층은 복수의 금속 나노섬을 포함하는,
생물학적 샘플 내의 기계적 거동을 측정하기 위한 시스템.
제20항에 있어서, 상기 중합체 층은 금속층과 접촉하고 있으며 생물학적 샘플은 그래핀층 위에서 직접 성장하는 시스템.
제20항에 있어서, 상기 중합체 층은 그래핀층과 접촉하고 있으며 생물학적 샘플은 금속층 위에서 직접 성장하는 시스템.
제20항에 있어서, 상기 시스템은 배양된 세포의 기계적 거동의 일시적인 프로파일 및 진폭을 제공하도록 구성되는 시스템.
제20항에 있어서, 상기 시스템은 배양된 세포의 활동과 연관된 전기적 임피던스 프로파일을 제공하도록 구성되는 시스템.
제20항에 있어서, 복수의 전극을 더 포함하며, 여기서 제1 전극은 배양된 세포의 일 측면에 위치하고, 제2 전극은 배양된 세포의 반대편에 위치하는, 시스템.
제20항에 있어서, 배양된 세포를 지탱하는 복합 필름 구조를 샌드위치하도록 구성된 제2 쌍의 기재를 더 포함하는 시스템.
제20항에 있어서, 상기 시스템은 복수의 금속 나노섬의 금속 나노섬 사이의 거리의 변화의 광학적 관찰을 통해 세포 수축성의 프로파일을 제공하도록 구성되는 시스템.
제20항에 있어서, 상기 시스템은 배양된 세포의 활동으로 인한 세포 막 포텐셜 프로파일을 제공하도록 구성되는 시스템.
제20항에 있어서, 상기 시스템은 복수의 금속 나노섬의 금속 나노섬 사이의 거리 변화의 광학적 관찰을 통해 세포 수축성의 프로파일을 제공하도록 구성되는 시스템.
제20항에 있어서, 상기 시스템은 배양된 세포로부터 라만 산란 데이터를 제공하도록 구성되는 시스템.