聚合物薄膜在多孔基板上的转移程序,具有最小化的缺陷
Summary
我们提出了一种使用 3D 打印排放室将块共聚物薄膜转移到多孔支撑基板上的高度受控和无皱程序。排水室设计与涉及将大分子薄膜转移到多孔基板上的所有程序具有一般相关性,通常以不可重复的方式手工完成。
Abstract
制造含有薄膜复合膜的装置需要将这些薄膜转移到任意支撑基板的表面。以高度可控、机械化和可重复的方式完成此传输,可以消除在薄膜内产生影响器件性能和可用区域的宏观缺陷结构(例如,撕裂、裂纹和皱纹)每个样品。在这里,我们描述了一个高度控制和机械化地将聚合物薄膜转移到任意多孔支撑基板上的通用协议,以便最终用作水过滤膜装置。具体来说,我们在牺牲性水溶性聚(丙烯酸)层和硅晶片基板之上制造块共聚物(BCP)薄膜。然后,我们使用定制设计的 3D 打印传输工具和排放室系统将 BCP 薄膜沉积、提升并将薄膜转移到多孔阳极氧化铝 (AAO) 支撑盘的中心。由于水和 3D 打印塑料排水室之间形成的半月板的引导,可显示转移的 BCP 薄膜始终放置在支撑表面的中心。我们还将我们的机械化转移处理薄膜与手工转让的薄膜与使用钳子进行比较。从机械化工艺中转移的薄膜的光学检测和图像分析证实,与手动产生的大量眼泪和皱纹相比,几乎不产生大尺度不均匀或塑性变形用手转移。我们的结果表明,与许多系统和应用中的其他方法相比,提出的薄膜转移策略可以减少缺陷。
Introduction
薄膜和纳米膜器件最近引起了广泛的兴趣,因为它们有可能用于广泛的应用,包括柔性光伏和光子、可折叠显示器和可穿戴电子产品1。2,3.制造这些各类装置的一项要求是将薄膜转移到任意基板的表面,由于这些薄膜的脆弱性和宏观缺陷的频繁生产,这仍然具有挑战性结构,如皱纹,裂缝,和眼泪,在薄膜内转移后转移4,5,6,7。手工手移、钳子和线环是薄膜转移的常用方法,但不可避免地会导致结构不协调、塑性变形8、9。已经探索了各种类型的薄膜转移方法,例如:1) 聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 邮票转移,这涉及使用弹性邮票从供体基质获得薄膜,然后转移到接收基板10和2)牺牲层转移11,其中蚀刻剂用于选择性地溶解支撑基板和薄膜之间的牺牲层,从而解除薄膜。然而,这些技术本身并不一定允许薄膜转移,而不会对薄膜12内造成损伤或缺陷形成。
在这里,我们展示了一种基于牺牲层提升和半月板引导转移的新型、低成本和通用的易感方法,采用定制设计的 3D 打印排放室系统,以机械方式将块共聚物 (BCP) 薄膜放置在多孔基板的中心,如阳极氧化铝(AAO)盘,具有很少到无的宏观缺陷结构,如皱纹、撕裂和裂纹。在目前的情况下,这些转移的薄膜然后可用作设备在水过滤研究,有可能在顺序渗透合成(SIS)处理9。从光学显微镜获得的转移膜的图像分析表明,半月板引导的漏室系统提供平滑、坚固和无皱的样品。此外,这些图像还展示了系统能够可靠地将薄膜膜放置在接收基板的中心。我们的结果对需要将薄膜结构转移到任意多孔基板表面的任何类型的器件应用都有着重要影响。
Protocol
Representative Results
Discussion
虽然该协议中列出的许多步骤对于薄膜传输的成功至关重要,但定制设计的 3D 打印排放室的性质允许根据用户的具体要求实现广泛的灵活性。例如,如果接收器基板的直径大于本研究中使用的 25 mm 直径 AAO 盘,则可以对排放室进行适当修改以适应新的规格。但是,协议的某些方面对于确保有效的传输结果是必要的。
为转移工具和排放室选择 3D 打印材料对于该协议的成功非常重要?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作是能源-水系统先进材料(AMEWS)中心的一部分,该中心是一个能源前沿研究中心,由美国能源部、科学办公室、基础能源科学部资助。我们感谢与马克·斯托伊科维奇和保罗·尼利的有益讨论。
Materials
| 35% sodium polyacrylic acid solution | Sigma Aldrich | 9003-01-4 | |
| Amicon Stirred Cell model 8010 10mL | Millipore | 5121 | |
| Anodized aluminum oxide, 0.2u thickness, 25mm diameter | Sigma Aldrich | WHA68096022 | |
| o ring neoprene 117 | Grainger | 1BUV7 | |
| Objet500 Connex3 3D Printer | Stratasys | ||
| Onshape 3D software | onshape | ||
| Polylactic acid filament | Ultimaker | ||
| ultimaker3 3d filament printer | Ultimaker | ||
| Vero Family printable materials | Stratasys |
References
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