Plasma-Direktschreibaufbau

Wie in Abb. 1 dargestellt. Wie in Abb. 1 dargestellt, besteht unser selbstgebauter experimenteller Plasma-Direktschreibaufbau aus einer fadenförmigen Plasmaentladung (Plasmastreamer), die von einer Wolfram-Mikroelektrodenspitze erzeugt wird, einer Wasserdampfversorgung für den Plasmastreamer und einer 3-Achsen-Bewegungssteuerungsplattform. Die Einzelheiten des Aufbaus sind im Abschnitt „Materialien und Methoden“ beschrieben. Eine Hochspannungsquelle zündet die Entladung des Mikroplasmastrahlers zwischen einer Wolfram-Mikroelektrodenspitze (100 μm Durchmesser) und einer auf einer leitfähigen Plattform positionierten Kohlenstoffelektrode. Bei der Kohlenstoffelektrode handelt es sich um einen 10 μm dicken Mikrofilm, der mit Hilfe des Kohlenstoff-MEMS-Verfahrens aus gemustertem SU-8 auf einem Siliziumwafer hergestellt wurde. Die Plasmaentladung ionisiert Wassermoleküle zu H2O+, OH+, H+, OH-, O- und H- Ionen26,27. Die Plasmaentladung kann entweder ein positiver oder negativer Strom sein, abhängig von der Vorspannung der Spannungsquelle an der Wolfram-Mikroelektrode. Die entstehenden Ionen beschießen die Oberfläche der Kohlenstoffelektrode, brechen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen auf und erzeugen dabei C-OH- und C-O-OH-Bindungen.

a Plasma-Direktschreibdüsensystem. b Plasmastrahl (fadenförmige Entladung) von der Düse zu einer Kohlenstoffelektrode auf einem Siliziumwafer. c Schematische Darstellung des Mechanismus der Ionisierung von Wassermolekülen und der Oberflächenfunktionalisierung der Kohlenstoffelektrode

Abbildung 2a zeigt eine schematische Darstellung der Bewegungsrichtung der Plasmamikroelektrode während der Strukturierung. Ein optisches Bild des Musters auf der Kohlenstofffilmelektrode ist in Abb. 2b dargestellt. Aus den EDS-Messungen geht hervor, dass positives Plasmaschreiben zu einem leichten Anstieg der sauerstofffunktionellen Gruppen (von ~5 auf ~6 %) auf der Oberfläche führt. Die EDS-Analyse zeigt auch das Vorhandensein von Wolfram (~1%) auf der Kohlenstoffoberfläche, was auf eine gewisse Zersetzung der Wolfram-Plasmaelektrode hinweist. Wolfram ist auf der mit dem negativen Streamer behandelten Oberfläche nicht vorhanden, da Wolfram zu positiven Ionen ionisiert. In Abb. 2 vergleichen wir die Ergebnisse des direkten Schreibens mit positiven und negativen Plasmastrahlern auf pyrolysierten Kohlenstofffilmen. Die Behandlung mit positiven Ionen führte zur Bildung von Mikropunkten auf der Kohlenstoffoberfläche (Abb. 2c). Bei stärkerer Vergrößerung zeigen diese Mikropunkte mikroblumenartige Verzweigungsmuster (Abb. 2d), die auch als Lichtenberg-Figuren29 bekannt sind. Diese Muster deuten auf einen elektrischen Durchschlag des Kohlenstoffmaterials hin. Es wurde experimentell gezeigt, dass ein Wasserplasma eine viel höhere Dichte an positiven Ionen (hauptsächlich H2O+) als an negativen Ionen (OH-) enthält26,27. Daher führt der positive Streamer mit seiner höheren Ionenkonzentration zu höheren Strömen, die einen elektrischen Durchschlag verursachen. Diese Muster wurden auch bei einem negativen Plasma beobachtet, wenn das Plasma in eine Bogenentladung überging. Da die Reaktivität des Plasmas von der Stromdichte des Streamers abhängt, haben die positiven Plasmaströme mit hohen Strömen und die elektrischen Lichtbögen mit hohen Strömen eine ätzende Wirkung auf die Kohlenstoffelektrode und legen das darunter liegende Siliziumsubstrat frei. Durch Begrenzung des Plasmastroms mit einer hochohmigen Last kann die Entladung des negativen Koronastroms stabilisiert werden, so dass sie nicht in eine Bogenentladung übergeht. Durch direktes Schreiben mit negativem Plasma können wir feine Muster von Sauerstoffgruppen schreiben, wie in Abb. 2e-h gezeigt. Die begleitenden EDS-Elementkarten bestätigen die Muster der Sauerstofffunktionalitäten in den direkt geschriebenen Bereichen des Plasmas.

a Schematische Darstellung der programmierten Bewegungsrichtung der Spitze beim Plasmadirektschreiben eines 1-mm-Quadratmusters. b Optisches Bild der Kohlenstofffilmelektrode mit plasmabehandelten Mustern. c FESEM-Bild des Direktschreibens eines 500-μm-Quadratmusters mit einem positiven Plasmastrahler. d Vergrößerung eines behandelten Bereichs aus c, der blumenähnliche Muster zeigt. e Ein FESEM-Bild, das die direkte Plasmabeschriftung eines 500-μm-Quadrats mit einem negativen Plasmastreamer zeigt. f EDS-Elementkartierung von Sauerstoff, die einem Bild (e) überlagert ist. g Ein beliebiges Muster „UM“, gezeichnet mit negativem Plasma-Direktschreiben. h EDS-Elementkartierung von Sauerstoff aus (g)

Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis

Abbildung 3a zeigt eine Reihe von FESEM- und EDS-Mikroaufnahmen von 1-mm-Quadratmustern, die mit Plasma direkt geschrieben wurden. Die programmierte Spitzenbewegung der Muster ist in Abb. 2a dargestellt. Beim Mikroplasma-Direktschreiben läuft der Plasmastrom während einer Funktionalisierungsbehandlung viele Male über einen Punkt. Daher entspricht die Gesamtprozesszeit nicht der gesamten Belichtungszeit eines behandelten Bereichs, anders als bei der herkömmlichen Plasmabehandlung. Hier messen wir die Belichtung anhand der Anzahl der Schreib-Scans während einer Behandlung. In allen Experimenten betrug die Plasmascanrate 400 mm min-1 (6,67 mm s-1). Für das in Abb. 3a gezeigte 1-mm-Quadratmuster entsprechen 100 Schreibabtastungen theoretisch einer Belichtungszeit von 60 s. Da das 3-Achsen-Bewegungssteuerungssystem jedoch eine Verzögerung von einigen Millisekunden zwischen der Ausführung jedes Maschinencodebefehls aufweist, ist die Gesamtzeit etwas länger. Diese Verzögerung erklärt auch die ungleichmäßige Funktionalisierung eines Musters, die zu einer stärkeren Oxidation an den Ecken des quadratischen Musters führt, da die Düse dort für einige Millisekunden stehen bleibt, bevor sie weiterfährt (siehe Abb. 3a bei 250 Wiederholungen). Dieser Effekt wird jedoch bei höheren Belichtungszeiten abgeschwächt, da die Sauerstoffgruppen gesättigt werden.

a FESEM- und EDS-Elementkartierung von O bei steigender Belichtung. Atomarer Sauerstoffanteil und atomares C/O-Verhältnis über b verschiedene Plasma-Direktschreibwiederholungen bei einer 1-mm-Wolfram-Elektrodenspitze zum Abstand der Kohlenstoffoberfläche und c verschiedene Elektrodenspitzen zu Oberflächenabständen bei 200 Schreibwiederholungen (N = 3-6)

Abbildung 3b zeigt eine Verringerung des C/O-Verhältnisses, d.h. einen Anstieg der Sauerstoffkonzentration, wenn die Anzahl der Direktschreibwiederholungen zunimmt. Die C/O-Verhältnisse werden aus den Prozentsätzen von atomarem Kohlenstoff und Sauerstoff berechnet, die aus den EDS-Spot- und Flächen-Scans gewonnen werden. In unseren Experimenten erreichten wir ein minimales C/O-Atomverhältnis von 2,75 ± 0,4 (was einem Gewichtsverhältnis von 2,06 ± 0,29 entspricht). Dieses Ergebnis ist deutlich besser als das, das bei der Oberflächenbehandlung von pyrolysiertem SU-8-Kohlenstoff durch Kammerplasma- oder Säurebehandlung erzielt wurde, wie zuvor berichtet wurde3; die angegebenen minimalen C/O-Verhältnisse in Gewichtsprozent betrugen ~4,9 sowohl für Plasma- als auch für starke Säurebehandlungen. Hier erreichten wir nach 300 Durchgängen eine maximale Oberflächenoxidation von 26,85 ± 3% in Atomprozent. Der Rückgang des C/O-Verhältnisses stagnierte, als die Schreibwiederholungen weiter zunahmen und die Kohlenstoffoberfläche mit sauerstofffunktionellen Gruppen gesättigt wurde, so dass nur noch wenig Platz für eine weitere Funktionalisierung blieb. Dieses Phänomen wurde in einer früheren Studie über die Plasmabehandlung von Kohlenstoff-Nanoröhren beobachtet30. Zum Vergleich: Das in dieser Studie erzielte C/O-Verhältnis entspricht in etwa dem von nicht reduziertem Graphenoxid31,32. Während Graphenoxid nicht leitfähig ist, ist eine mit Sauerstoff funktionalisierte pyrolysierte Kohlenstoffstruktur elektrisch leitfähig3. Man beachte, dass der große Fehlerbalken im C/O-Verhältnis (18-48) für den unbehandelten Kohlenstoff in Abb. 3b durch eine geringfügige Variation in der Menge des entsprechenden Sauerstoffanteils (5-2%) verursacht wird.

Wir untersuchten auch die Auswirkung des Abstands zwischen der Wolfram-Elektrodenspitze und der Kohlenstoffoberfläche auf die Sauerstoffkonzentration der direkt geschriebenen Muster. Das Diagramm in Abb. 3c zeigt, dass die Sauerstoffkonzentration an der Oberfläche nicht signifikant ansteigt, wenn der Abstand weniger als 0,6 mm beträgt. Bei einem Abstand von ca. 1 mm verbessert sich die Sauerstoffkonzentration deutlich, um dann bei noch größeren Abständen wieder leicht zu sinken. Bei den kleinsten Elektrodenabständen ist die sekundäre Ionenemission aus der Townsend-Lawine geringer, da sich weniger Gasmoleküle im Entladungsweg befinden, was einen geringeren Funktionalisierungsgrad zur Folge haben kann. Andererseits wird mit zunehmendem Elektrodenabstand die Energie der Plasmaionen reduziert, was ebenfalls zu einer geringeren Sauerstoffkonzentration führt.

Was die Schreibauflösung betrifft, so wurden die Linienbreiten der plasmageschriebenen Muster mittels EDS-Elementar-Mapping gemessen. Sauerstoffmuster in Elementkarten wurden nur beobachtet, wenn die Sauerstoffkonzentration an der Oberfläche höher als ~15 % war. Daher konnten wir keine Musterauflösungen messen, die unter 200 Schreib-Scans erfasst wurden. Bei den Proben, die gemessen werden konnten, stellten wir fest, dass die Linienbreite bei verschiedenen Schreibwiederholungen und Elektrodenabständen nur unwesentlich variiert. Die Linienbreite der direkt geschriebenen Muster beträgt durchschnittlich 141 µm mit einer Standardabweichung von 30 µm (N = 12). Diese Auflösung steht im Einklang mit dem Mikroplasmadruck von Nanomaterialien, über den bereits berichtet wurde20. Um die Lebensdauer der plasmageschriebenen Oberflächenfunktionalisierung zu testen, untersuchten wir die Sauerstoffkonzentration nach 3-monatiger Lagerung der strukturierten Kohlenstoffproben unter normalen Raumbedingungen. EDS-Scans der plasmabehandelten Stellen zeigten, dass die Sauerstoffkonzentration um durchschnittlich 1,9 % (N = 4) abnahm, während die unbehandelten Bereiche gleich blieben.

XPS-Analyse

Obwohl EDS-Scans die Atom- und Gewichtsprozentsätze von Sauerstoff und Kohlenstoff auf der Elektrodenoberfläche bestimmen können, geben sie keinen Aufschluss über die Art der Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung, wie z. B. bei Carbonyl-, Hydroxyl-, Epoxyl- oder Carboxylbindungen. Daher wird XPS durchgeführt, um die genaue Art der sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen auf der Kohlenstoffoberfläche nach dem Mikroplasma-Direktschreiben zu ermitteln. Eine Fläche von 3 mm × 2 mm einer Kohlenstoffoberfläche wurde durch direktes Schreiben im Plasma behandelt, wobei die Wolframspitze 1 mm von der Kohlenstoffoberfläche entfernt war, und 300 Mal gescannt. Die XPS-Spektren wurden von den ursprünglichen und den mikroplasmabehandelten Bereichen desselben Kohlenstofffilms aufgenommen, und die Ergebnisse sind in Abb. 4 dargestellt. Die gesamte atomare Sauerstoffkonzentration stieg von 3,9 % im unbehandelten Bereich auf 27,24 % in den behandelten Bereichen (Abb. 4e). Folglich wurde das atomare C/O-Verhältnis von 24,5 auf 2,56 reduziert, was mit den oben beschriebenen EDS-Messungen übereinstimmt. Das C/O-Verhältnis in unbehandeltem pyrolysiertem SU-8-Kohlenstoff stimmte auch mit früheren Literaturdaten überein, bei denen 3,1 % atomarer Sauerstoff mittels XPS gemessen wurde33. Bei einer XPS-Untersuchung des behandelten Bereichs wurden auch Spuren von Natrium und Kalzium mit 1,04 % bzw. 1,24 % festgestellt, was auf mögliche gelöste Salze in der Wasserdampfquelle hinweist.

Hochauflösende XPS-Spektren von C1s von a unberührten und b plasmadirektbeschichteten Proben. Hochauflösende XPS-Spektren von O1s von c unbehandelten und d plasmabehandelten Proben. e Atomarer Anteil von C1s und O1s, gemessen durch XPS. f Relativer Anteil von sauerstofffunktionellen Gruppen vor und nach der Plasmabehandlung. Die Plasmabehandlung in den Diagrammen wurde in einem Abstand von 1 mm für 300 Wiederholungen durchgeführt

Die hochauflösenden XPS-Spektren wurden mit einem Programm zur nichtlinearen Kurvenanpassung dekonvolutiert. Die C1s-Spektren wurden in fünf Peaks zerlegt, die sich auf Kohlenstoffatome in C-C-Bindungen bei 284,80 eV, C-O-Bindungen bei 285,91 eV, die auf mögliche Phenol-, Hydroxyl-, Alkohol- und Ethergruppen hinweisen, C=O-Bindungen bei 286,78 eV, die auf Carbonyl- und Chinongruppen hinweisen, und O-C=O-Gruppen bei 288,50 eV, die auf Carboxylgruppen hinweisen, beziehen34. Die π-π*-Übergänge sind bei 290,31 eV zu erkennen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass unberührte Kohlenstoffoberflächen einige Sauerstoffgruppen aufweisen, bei denen es sich um Reste von Epoxid- und Phenolgruppen handeln könnte, die ursprünglich in der SU-8-Vorstufe vorhanden waren. Nach der Plasmabehandlung nahm der Prozentsatz der Sauerstofffunktionen in den C1-Spektren zu, und die Peaks verschoben sich leicht nach links. Alle Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen nahmen nach der Behandlung zu, wie aus Abb. 4f hervorgeht. Die signifikanteste Veränderung ist bei den Carboxylgruppen (COOH) zu verzeichnen, die sich um das Vierfache von 3,68 % auf 14,92 % des C1s-Spektrums erhöht haben. Die erhöhte Carboxylierung ist wichtig für die Immobilisierung von Biomolekülen bei der Herstellung von MEMS-basierten Biosensoren aus Kohlenstoff. Die Entfaltung des XPS-O1s-Peaks ergab zwei Peaks: einen bei 533,54 eV und einen bei 532 eV. Ersterer entspricht C-O-C- und C-OH-Gruppen, während letzterer auf C=O-Gruppen von funktionellen Carbonyl- und Carboxylgruppen hinweist34,35. Abbildung 5 zeigt eine Verringerung des Kontaktwinkels mit zunehmender Wiederholung des Plasmaschreibens, von ~90° bei der unbehandelten Oberfläche auf ~20° nach 300 Schreibvorgängen. Wie aus der XPS-Analyse hervorgeht, erhöht das direkte Plasmaschreiben die Anzahl der hydrophilen funktionellen Gruppen, wie Hydroxyl- und Carboxylgruppen, die hydrophile -OH-Endgruppen aufweisen. Daher steigt die Benetzbarkeit der Kohlenstoffelektrode mit zunehmenden sauerstofffunktionellen Gruppen bei längeren Behandlungszeiten.

a Kontaktwinkel als Funktion der Plasmadirektschreib-Wiederholungen (N = 3). b Repräsentative Fotografien von Wassertropfen bei verschiedenen Direktschreibzeiten

In Tabelle 1 wird ein Vergleich verschiedener Oberflächenbehandlungen von Kohlenstoffmaterialien und der daraus resultierenden Verringerung des C/O-Verhältnisses (d. h., erhöhter Sauerstoffanteil). Der Oxidationsgrad durch die Oberflächenbehandlung wurde in der Literatur in verschiedenen Formen beschrieben, z. B. durch das C/O-Verhältnis3, das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis (O/C)36 und den prozentualen Sauerstoffanteil34,37, was einen direkten Vergleich zwischen verschiedenen Datenquellen erschwert. Hier haben wir alle Werte zum Vergleich in das C/O-Verhältnis umgerechnet. Von den verglichenen Behandlungsmethoden zeigt die Plasmadirektschreibmethode die deutlichste Erhöhung des Sauerstoffanteils, und sie verkürzt auch die Behandlungszeit (bei kleinflächiger Behandlung).

Elektrochemische Charakterisierung

Die Wirkung von oberflächengebundenen sauerstofffunktionellen Gruppen auf der Kohlenstoffoberfläche wurde mit Hilfe der zyklischen Voltammetrie (CV) in einer 0,5 M H2SO4-Lösung bewertet. Die Experimente zur Doppelschichtaufladung wurden in einem nichtfaradatischen Spannungsbereich, d.h. 0,3-0,5 V, bei verschiedenen Scanraten von 10 mV s-1 bis 100 mV s-1 durchgeführt. Die Doppelschichtkapazität (Cdl) wurde berechnet, indem 1/2 der Differenz zwischen den anodischen und kathodischen Stromdichten (Δj/2) bei 0,4 V gegen die Scanrate (s) aufgetragen wurde. Die Steigung dieser Kurve entspricht der elektrochemischen Doppelschichtkapazität (siehe Abb. 6c). Aus diesem Diagramm geht hervor, dass die Doppelschichtkapazität der unberührten Kohlenstoffoberfläche und der direkt mit Plasma beschichteten Kohlenstoffoberfläche 0,0183 mF cm-2 bzw. 0,1492 mF cm-2 beträgt. Dieser Anstieg um das ~8-fache deutet darauf hin, dass die Mikroplasma-Direktbeschriftung die Dichte der phenolischen Hydroxylgruppen erhöht, was die Doppelschichtkapazität verbessert14,38.

Zyklische Voltammogramme (CV) einer unberührten Kohlenstoff- und einer Plasma-Direktschreib-Kohlenstoff b-Oberfläche in 0,5 M H2SO4 mit Abtastraten von 10 mV s-1 bis 100 mV s-1. c Beziehung zwischen der Abtastrate und der Hälfte der Differenz zwischen anodischen und kathodischen Stromdichten (Δj/2) bei 0,4 V. Die Steigung ist Cdl. d CV von Kohlenstoffelektroden in 0,5 M H2SO4 bei einer Abtastrate von 50 mV s-1. e Spezifische Kapazität von Kohlenstoffelektroden bei verschiedenen Abtastraten. f Elektrochemische Reaktion von Elektroden in 1 mM K3 /0,1 M KCL-Lösung bei einer Abtastrate von 10 mV s-1. (Alle Plasmabehandlungen in den Diagrammen wurden im Abstand von 1 mm für 300 Wiederholungen durchgeführt.)

Die CVs der plasmabehandelten Proben unter Verwendung einer Drei-Elektroden-Zelle in Abb. 6d zeigen den Faraday’schen Strombeitrag bei einem breiten Peak von 0,1-0,4 V, was auf die Entwicklung der Pseudokapazität hinweist. Die geometrische spezifische Kapazität (Cs) der Kohlenstoffelektroden wurde in einem größeren Potentialfenster von 0 bis 1 V bewertet. Die Berechnungen basierten auf dem folgenden Ausdruck:39

wobei \({\int} {V \right){\mathrm{d}}V}\) die Gesamtladung ist, die man durch Integration der anodischen und kathodischen Ströme in einem zyklischen Voltammogramm erhält, s die Abtastrate ist, ΔV der Spannungsbereich des CV-Sweeps und A die aktive Oberfläche ist. Die spezifischen Kapazitäten der unbehandelten und der behandelten Kohlenstoffelektroden bei einer Abtastrate von 25 mV s-1 betragen 8,82 mF cm-2 bzw. 46,64 mF cm-2, was einen Anstieg um das Fünffache bei verschiedenen Abtastraten bedeutet (Abb. 6e). Die Gesamtverbesserung der spezifischen Kapazität kann der verbesserten Hydrophilie der Elektrode sowie den erhöhten Hydroxyl-, Carbonyl- und Carboxylgruppen zugeschrieben werden, die schnellere faradische Reaktionen ermöglichen und die Pseudokapazität erhöhen12,13,14,15. Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass plasmabehandelte Elektroden eine Mischung aus Pseudokapazitäts- und elektrischen Doppelschichtkapazitätseigenschaften aufweisen.

Die faradische elektrochemische Leistung von Kohlenstoffelektroden wird häufig unter Verwendung eines Ferri/Ferrocyanid-Redoxpaares in Lösung bewertet40,41,42. In unseren Experimenten wurde eine elektrochemische Zelle mit drei Elektroden verwendet, die eine große Kohlenstoff-Gegenelektrode, eine Ag/AgCl-Referenz und eine Arbeitselektrode aus pyrolysiertem Kohlenstoff in einer 1 mM K3 /0,1 M KCL-Lösung umfasste. Der Spitzenstrom und der Abstand von Spitzenwert zu Spitzenwert des Potenzials sind wichtige Indikatoren für die Ladungsübertragungseigenschaften einer Elektrodenoberfläche. Die anodische Spitzenstromdichte der plasmabehandelten Kohlenstoffelektroden beträgt 790,51 µA cm-2 und die des as-pyrolysierten Kohlenstoffs 497,01 µA cm-2. Das Verhältnis der anodischen zu den kathodischen Spitzenströmen (Ipa/Ipc) verbesserte sich deutlich von 0,55 bei unbehandeltem Kohlenstoff auf 0,98 nach der Plasmadirektbeschichtung. Diese Verbesserung in Richtung 1 deutet auf eine reversiblere Reaktion auf der Elektrodenoberfläche nach der Behandlung hin. Die Spitze-Spitze-Trennung (ΔEp) der plasmageschriebenen Oberfläche betrug 0,17 ± 0,02 mV im Vergleich zu 0,5 ± 0,12 mV bei der unbehandelten Elektrode, was ebenfalls auf einen schnelleren Elektronentransport und eine höhere elektrochemische Reversibilität nach der Plasmabehandlung hinweist. Dieser schnellere Ladungstransfer mit einer funktionalisierten Kohlenstoffoberfläche wurde auf das Vorhandensein von sauerstoffhaltigen Gruppen zurückgeführt, insbesondere auf doppelt gebundenes C=O in Carbonyl- und Carboxylgruppen14. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Mikroplasma-Direktbeschriftung die elektrochemischen Eigenschaften von MEMS-Kohlenstoffelektroden verbessert, indem sie den Ladungstransfer fördert und sie so für elektrochemische Sensoranwendungen, z. B. in Dopaminsensoren, besser geeignet macht. Diese Oberflächenbehandlung kann auch bei der Strukturierung von Protein- und DNA-Mikroarrays auf C-MEMS-Elektroden eingesetzt werden, da carboxylfunktionelle Gruppen mit den terminalen Aminen von Biomolekülen vernetzt werden können.

Schlussfolgerungen

Wir haben gezeigt, dass das direkte Schreiben mit Mikroplasma, unterstützt durch Wasserdampf, eine effiziente, schnelle und ortsselektive Oberflächenbehandlungstechnik ist. Diese gezielte Oberflächenbehandlung kann für die Strukturierung von Kohlenstoffelektroden mit sauerstofffunktionellen Gruppen bei Atmosphärendruck eingesetzt werden. Wir untersuchten die Auswirkung von positiven und negativen Corona-Plasmastrahlern auf die Funktionalisierungseffizienz. Die Behandlung mit einem negativen Plasmastrahler erhöhte den Gehalt an atomarem Sauerstoff nach 300 Scan-Wiederholungen (180 s für eine Länge von 4 mm) von ~3 auf 27 %. Die XPS-Ergebnisse deuten auf eine Verbesserung der Carbonyl-, Carboxyl- und Hydroxylgruppen auf der behandelten Kohlenstoffoberfläche hin, wobei die Carboxylgruppen die größte Verbesserung aufweisen. Folglich verbessert das direkte Beschreiben mit Plasma die Hydrophilie und die elektrochemischen Eigenschaften der Kohlenstoffoberfläche. Die spezifische Kapazität der behandelten Fläche beträgt 46,64 mF cm-2 bei einer Abtastrate von 25 mV s-1, was eine fünffache Steigerung gegenüber dem unbehandelten Kohlenstoff darstellt. Darüber hinaus verbessern mikroplasmabehandelte Kohlenstoffoberflächen auch die elektrochemische Reversibilität und ermöglichen einen schnelleren Elektronentransfer. Daher kann diese Technik zur Verbesserung der bio- und elektrochemischen Sensorleistung sowie der Energiespeichereffizienz von Kohlenstoff-Mikro-/Nanoelektroden eingesetzt werden.