Procedura per il trasferimento di pellicole polimeriche su substrati porous con difetti ridotti al minimo
Summary
Presentiamo una procedura per il trasferimento altamente controllato e senza rughe di pellicole sottili copolimeri che bloccano su substrati di supporto porosi utilizzando una camera di scarico stampata in 3D. Il design della camera di scarico è di rilevanza generale per tutte le procedure che comportano il trasferimento di pellicole macromolecolari su substrati porosi, che normalmente viene fatto a mano in modo irriproducibile.
Abstract
La fabbricazione di dispositivi contenenti membrane composte a pellicola sottile richiede il trasferimento di queste pellicole sulle superfici di substrati di supporto arbitrario. Realizzare questo trasferimento in modo altamente controllato, meccanizzato e riproducibile può eliminare la creazione di strutture difettose su macroscala (ad esempio, strappi, crepe e rughe) all’interno della pellicola sottile che compromette le prestazioni del dispositivo e l’area utilizzabile per campione. Qui, descriviamo un protocollo generale per il trasferimento altamente controllato e meccanizzato di una pellicola sottile polimerica su un substrato di supporto poroso arbitrario per l’eventuale utilizzo come dispositivo a membrana filtrante dell’acqua. In particolare, creiamo una pellicola sottile di copolimero a blocchi (BCP) sopra uno strato di poli (acido acrilico) sacrificale e solubile in acqua (PAA) e un substrato di wafer di silicio. Utilizziamo quindi uno strumento di trasferimento stampato su misura e un sistema di camera di drenaggio per depositare, sollevare e trasferire la pellicola sottile BCP al centro di un disco di supporto anodizzato (AAO) di ossido di alluminio anodizzato pomeso. La pellicola sottile BCP trasferita è mostrata costantemente posizionata al centro della superficie di supporto a causa della guida del menisco formato tra l’acqua e la camera di scarico in plastica stampata in 3D. Confrontiamo anche le nostre pellicole sottili meccanizzate trattate a trasferimento con quelle che sono state trasferite a mano con l’uso di pinzette. L’ispezione ottica e l’analisi delle immagini delle pellicole sottili trasferite dal processo meccanizzato confermano che vengono prodotte inomogeneità o deformazioni plastiche piccole o no, rispetto alla moltitudine di lacrime e rughe prodotte manuali trasferimento manuale. I nostri risultati suggeriscono che la strategia proposta per il trasferimento di pellicole sottili può ridurre i difetti rispetto ad altri metodi in molti sistemi e applicazioni.
Introduction
Le pellicole sottili e i dispositivi basati su nanomembrana hanno recentemente suscitato ampio interesse grazie al loro potenziale utilizzo in un’ampia gamma di applicazioni, che vanno da fotovoltaica e fotonica flessibili, display pieghevoli ed elettronica indossabile1, 2 Il nome del sistema , 3. Un requisito per la fabbricazione di questi vari tipi di dispositivi è il trasferimento di pellicole sottili sulle superfici di substrati arbitrari, che rimane difficile a causa della fragilità di queste pellicole e della frequente produzione di difetti su macroscala quali rughe, crepe e lacrime, all’internodelle pellicole dopo il trasferimento 4,5,6,7. Il trasferimento manuale a mano, pinzette e anelli di filo sono metodi comuni di trasferimento di pellicola sottile, ma inevitabilmente si traducono in incongruenze strutturali e deformazione plastica8,9. Sono stati esaminati vari tipi di metodologie di trasferimento di pellicole sottili, come: 1) trasferimento di francobolli polidimethylsiloxane (PDMS), che prevede l’uso di un timbro elastomerico per ottenere la pellicola sottile dal substrato del donatore e successivamente il trasferimento al ricevimento substrato10, e 2) trasferimento strato sacrificale11, in cui un etchant viene utilizzato per sciogliere selettivamente uno strato sacrificale tra il substrato di supporto e la pellicola sottile, sollevando così la pellicola sottile. Tuttavia, queste tecniche da sole non consentono necessariamente il trasferimento di pellicole sottili senza incorrere in danni o formazione di difetti all’interno delle pellicole sottili12.
Qui, presentiamo un nuovo, a basso costo, e generalizzabile metodo facile basato sul decollo dello strato sacrificale e sul trasferimento guidato dal menisco all’interno di un sistema di camera di scarico con stampa 3D su misura, per posizionare meccanicamente pellicole sottili copolimeri (BCP) di substrati porosi come l’ossido di alluminio anodizzato (AAO) con strutture di difetti macroscala poco-no, come rughe, lacrime e crepe. Nel contesto attuale, queste pellicole sottili trasferite possono quindi essere utilizzate come dispositivi negli studi di filtrazione dell’acqua, potenzialmente dopo l’elaborazione di sintesi sequenziale di infiltrazione (SIS)9. L’analisi delle immagini delle pellicole trasferite ottenute dalla microscopia ottica mostra che il sistema guidato da meniscus, della camera di scarico fornisce campioni fluidi, robusti e privi di rughe. Inoltre, le immagini dimostrano anche la capacità del sistema di posizionare in modo affidabile le membrane sottili delle pellicole sui centri dei substrati riceventi riceventi riceventi riceventi. I nostri risultati hanno implicazioni significative per qualsiasi tipo di applicazione di dispositivo che richieda il trasferimento di strutture di pellicole sottili sulle superfici di substrati porosi arbitrari.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mentre molti dei passaggi elencati in questo protocollo sono cruciali per il successo del trasferimento di pellicola sottile, la natura della camera di scarico stampata in 3D su misura consente un’ampia flessibilità, in base alle specifiche esigenze dell’utente. Ad esempio, se il substrato ricevente ha un diametro maggiore rispetto ai dischi AAO di 25 mm di diametro utilizzati in questo studio, la camera di scarico può essere modificata in modo appropriato per adattarsi alle nuove specifiche. Tuttavia, ci sono alcuni a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato come parte dell’Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Center, un Energy Frontier Research Center finanziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, Office of Science, Basic Energy Sciences. Ringraziamo con gratitudine le utili discussioni con Mark Stoykovich e Paul Nealey.
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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