Procedure for overførsel af polymer film på porøse substrater med minimerede defekter
Summary
Vi præsenterer en procedure for stærkt kontrolleret og rynke-fri overførsel af blok copolymer tynde film på porøse støtte substrater ved hjælp af et 3D-trykt dræn kammer. Dræn kammer designet er af generel relevans for alle procedurer, der involverer overførsel af makromolekylære film på porøse substrater, som normalt udføres i hånden på en ureproducerbar måde.
Abstract
Fremstillingen af anordninger, der indeholder tynde film komposit membraner, nødvendiggør overførsel af disse film på overfladen af vilkårlige støtte substrater. Gennemførelse af denne overførsel i en meget kontrolleret, mekaniseret og reproducerbar måde kan eliminere oprettelsen af makro skala defekt strukturer (f. eks tårer, revner og rynker) i den tynde film, der kompromitterer enhedens ydeevne og det brugbare område pr. prøve. Her beskriver vi en generel protokol for den stærkt styrede og mekaniserede overførsel af en polymert tynd film på en vilkårlig porøs støtte substrat til eventuel brug som en vand filtrerings membran enhed. Specifikt, vi fabrikere en blok copolymer (BCP) tynd film på toppen af et offer, vandopløselige poly (akrylsyre) (PAA) lag og silicium wafer substrat. Vi bruger derefter en specialdesignet, 3D-trykt Transfer værktøj og dræn kammer system til at deponere, løft-off, og overføre BCP tynd film på midten af en porøs anodiseret aluminiumoxid (AAO) støtte disk. Den overførte BCP tynd film er vist at være konsekvent placeret på midten af støttefladen på grund af vejledning af menisk dannet mellem vandet og det 3D-trykte plastik afløb kammer. Vi sammenligner også vores mekaniserede Transfer-forarbejdede tynde film til dem, der er blevet overført i hånden med brug af pincet. Optisk inspektion og billedanalyse af de overførte tynde film fra den mekaniserede proces bekræfter, at der kun produceres lidt-til-ingen makro skala inhomogeniteter eller plastiske deformationer, sammenlignet med de mange tårer og rynker, der er fremstillet af manuelle overførsel i hånden. Vores resultater tyder på, at den foreslåede strategi for tynd film overførsel kan reducere defekter i forhold til andre metoder på tværs af mange systemer og applikationer.
Introduction
Tynde film og nanomembrane-baserede enheder har for nylig høstet bred interesse på grund af deres potentielle brug i en bred vifte af applikationer, der spænder fra fleksibel fotovoltaik og fotonika, sammenfoldelige displays, og bærbar elektronik1, 2 af , 3. et krav til fremstilling af disse forskellige typer af udstyr er overførsel af tynde film til overfladen af vilkårlige substrater, som fortsat er udfordrende på grund af disse Films skrøbelighed og den hyppige produktion af makro skala defekt strukturer, såsom rynker, revner og tårer, inden for filmene efter overførsel4,5,6,7. Manuel overførsel i hånden, pincet, og wire loops er almindelige metoder til tynd film overførsel, men uundgåeligt resultere i strukturelle uoverensstemmelser og plastisk deformation8,9. Forskellige typer af metoder til overførsel af tynde film er blevet undersøgt, såsom: 1) stempel overførsel af Polydimethylsiloxan (PDMS), som indebærer anvendelse af et elastomer stempel til at opnå den tynde film fra donor substratet og derefter overføres til den modtagende substrat10, og 2) offer lag overførsel11, hvor en ætsemidlet bruges til selektivt opløse et offer lag mellem støtte substratet og den tynde film, og dermed løfte den tynde film. Men, disse teknikker alene ikke nødvendigvis giver mulighed for tynd film overførsel uden at pådrage sig skade eller defekt dannelse i de tynde film12.
Her præsenterer vi en ny, billig, og generaliserbar facile metode baseret på offer lag løft-off og meniscus-guidet overførsel inden for et specialdesignet, 3D-trykt dræn kammer system, til mekanisk sted blok copolymer (BCP) tynde film på Centre af porøse substrater såsom anodiseret aluminiumoxid (AAO) diske med lidt-til-ingen opstået makro skala defekt strukturer, såsom rynker, tårer, og revner. I den foreliggende sammenhæng kan disse overførte tynde film derefter anvendes som udstyr i vand filtrerings undersøgelser, potentielt efter sekventiel infiltration syntese (SIS) behandling9. Billedanalyse af overførte film opnået fra Optisk mikroskopi viser, at det meniscus-styrede, dræn kammer system giver glatte, robuste og rynke frie prøver. Desuden viser billederne også systemets evne til pålideligt at placere de tynde film membraner på centrene af de modtagende substrater. Vores resultater har betydelige konsekvenser for enhver form for anordning ansøgning kræver overførsel af tynde film strukturer på overfladerne af vilkårlige porøse substrater.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mens mange af de skridt, der er anført i denne protokol er afgørende for succesen af den tynde film overførsel, karakteren af den specialdesignede 3D trykte dræn kammer giver mulighed for bred fleksibilitet, i henhold til brugerens specifikke krav. For eksempel, hvis modtageren substrat har en større diameter end de 25-mm-diameter AAO skiver anvendes i denne undersøgelse, afløbs kammeret kan ændres korrekt til at passe de nye specifikationer. Der er dog visse aspekter af protokollen, der er nødvendige for at sik…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev understøttet som en del af de avancerede materialer til Energy-Water Systems (AMEWS) Center, en energi Frontier Forskningscenter finansieret af U.S. Department of Energy, Office of Science, grundlæggende energi videnskab. Vi anerkender taknemmeligt nyttige diskussioner med Mark Stoykovich og 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 |
Referenzen
- Shah, A., Torres, P., Tscharner, R., Wyrsch, N., Keppner, H. Photovoltaic technology: the case for thin-film solar cells. Science. 285 (5428), 692-698 (1999).
- Kim, T. H., et al. Full-colour quantum dot displays fabricated by transfer printing. Nat. Photon. 5 (3), 176 (2011).
- Nomura, K., et al. Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors. Nature. 432 (7016), 488 (2004).
- Pirkle, A., et al. The effect of chemical residues on the physical and electrical properties of chemical vapor deposited graphene transferred to SiO2. Applied Physics Letters. 99 (12), 122108-122110 (2011).
- Chae, S. J., et al. Synthesis of large-area graphene layers on poly-nickel substrate by chemical vapor deposition: wrinkle formation. Advanced Materials. 21 (22), 2328-2333 (2009).
- Zhu, W., et al. Structure and electronic transport in graphene wrinkles. Nano Letters. 12 (7), 3431-3436 (2012).
- Paronyan, T. M., Pigos, E. M., Chen, G., Harutyunyan, A. R. Formation of ripples in graphene as a result of interfacial instabilities. ACS Nano. 5 (12), 9619-9627 (2011).
- Stadermann, M., et al. Fabrication of large-area free-standing ultrathin polymer films. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (100), e52832 (2015).
- Zhou, C., et al. Fabrication of Nanoporous Alumina Ultrafiltration Membrane with Tunable Pore Size Using Block Copolymer Templates. Advanced Functional Materials. 27 (34), 1701756 (2017).
- Meitl, M. A., et al. Transfer printing by kinetic control of adhesion to an elastomeric stamp. Nature Materials. 5 (1), 33 (2006).
- Suk, J. W., et al. Transfer of CVD-grown monolayer graphene onto arbitrary substrates. ACS Nano. 5 (9), 6916-6924 (2011).
- Chen, Y., Gong, X. L., Gai, J. G. Progress and Challenges in Transfer of Large-Area Graphene Films. Advanced Science. 3 (8), 1500343 (2016).
