We describe a method for the fabrication of large-area (up to 13 cm diameter) and ultrathin (as thin as 8 nm) polymer films. Instead of using a sacrificial interlayer to delaminate the film from its substrate, we use a self-limiting surface treatment suitable for arbitrarily large areas.
This procedure describes a method for the fabrication of large-area and ultrathin free-standing polymer films. Typically, ultrathin films are prepared using either sacrificial layers, which may damage the film or affect its mechanical properties, or they are made on freshly cleaved mica, a substrate that is difficult to scale. Further, the size of ultrathin film is typically limited to a few square millimeters. In this method, we modify a surface with a polyelectrolyte that alters the strength of adhesion between polymer and deposition substrate. The polyelectrolyte can be shown to remain on the wafer using spectroscopy, and a treated wafer can be used to produce multiple films, indicating that at best minimal amounts of the polyelectrolyte are added to the film. The process has thus far been shown to be limited in scalability only by the size of the coating equipment, and is expected to be readily scalable to industrial processes. In this study, the protocol for making the solutions, preparing the deposition surface, and producing the films is described.
Autónoma finas películas de polímero são utilizadas numa variedade de aplicações, incluindo sensores, 1-3 MEMs, catálise ou filtração, 4 e engenharia de tecidos. 5-8 Eles também são utilizados para estudos fundamentais que exploram o comportamento dos polímeros sob confinamento. 9- 13 Uma película de pés é um que é suportada sobre um substrato não-contínua, tal como um anel anular ou aro em oposição a uma pastilha de silício ou lâmina de vidro. Este trabalho descreve um procedimento simples, repetível fabricação de filmes ultrafinos free-standing de polímero que é adequado para filmes de grande-área ou de produção de alto rendimento. É compatível com uma variedade de diferentes polímeros, incluindo o poli (formal de vinilo), poliestireno e poli (metacrilato de metilo). Ele pode ser utilizado para fabricar películas estacionárias que são tão grandes como 13 cm de diâmetro ou tão fino como 10 nm.
A fabricação de polímeros free-standing consiste em três etapas básicas: 1) deposition de película de polímero sobre um substrato tradicional tal como uma pastilha ou corrediça, 2) libertação ou descolagem da película a partir do substrato, e 3) de captura da película resultante sobre um suporte. Este artigo detalha um procedimento que consta em um estudo anterior sobre vários métodos de liberação 14.
A deposição pode ser conseguida por qualquer número de tecnologias fina película de polímero de base, tais como spin-coating, deposição de vapor, ou de revestimento por imersão. Neste trabalho, nós utilizamos técnicas spin-coating padrão.
O "flutuar fora do elevador em" técnica é o método mais comum para a libertação de uma película ultrafina do seu substrato. 15 Nesta técnica, a película e o substrato estão imersos num banho de solvente adequado. O solvente incha o filme e induz a delaminação espontânea, libertando o filme e permitindo-lhe flutuar à superfície do banho. A espessura mínima de filme que podeser lançado usando elevador off-float é determinado pelo equilíbrio entre a energia descamação interfacial com a energia de deformação induzida por inchaço: 16
(1)
Onde L representa a espessura do filme, ν f é relação entre o filme de Poisson, E é o módulo de Young do filme, ξ é a proporção de inchamento do filme, e γ é a energia interfacial da casca. A maneira típica de contornar a limitação imposta pela Equação (1) é para depositar uma camada intermédia entre a película sacrificial e o substrato de deposição. 17-20 Quando esta camada intermédia se dissolve em um banho de solvente, a película é libertada e pode ser capturada num suporte . Um método relacionado é o método sobrecamada de sacrifício, a qual utiliza descamação mecânica do filme sobre uma camada de sacrifício prIOR à dissolução 21.
A utilização de materiais sacrificiais tem vários inconvenientes principais. Em primeiro lugar, a adição de um material do processo adicional e passo pode exigir um compromisso entre as condições de fabrico de filme óptimas condições de processamento e o material sacrificial. Em segundo lugar, materiais sacrificiais podem ser difíceis de depósito, sem afectar as propriedades mecânicas ou a pureza da película final de pés. Em terceiro lugar, o processo para a deposição do material sacrificial deve ser optimizado e monitorizados para a qualidade como uma operação na fabricação global película isenta de pé. 14
Neste trabalho, nós descrevemos uma técnica de modificação de superfície que diminui a energia interfacial descamação, permitindo que o elevador off-float sobre a técnica a ser utilizada para filmes ultrafinos. O substrato é modificada pela deposição de uma montagem de auto-limitada, a auto-optimização quase monocamada de o cloreto de policatião polydiallyldiammonium (PDAC). Por causa daa força da ligação entre o policatião e o substrato, esta modificação da superfície é robusta para os passos subsequentes do processo. A natureza auto-limitada e auto-otimização da formação de quase-monocamada requer praticamente zero otimização e é facilmente escalável para grandes áreas.
A seguir à remoção, o filme flutua no topo do banho de solvente, onde é capturado sobre um suporte do tipo aro. Apesar de não ser dada muita atenção na literatura existente, neste trabalho vamos descrever técnicas para capturar filmes da grande-área em suportes que reduzem a probabilidade de rasgar ou danificar o filme.
O tratamento do substrato PDAC é baseado em interacções electrostáticas auto-limitante, ou seja, os substratos de qualquer tamanho pode ser facilmente tratada, desde que eles são carregados negativamente (por exemplo, silício ou vidro). As Figuras 1-2 mostra muito grandes filmes finos (até 13 centímetros de diâmetro) fabricado usando este protocolo, com a única mudança sendo o volume de reagentes utilizados. O tamanho viável final parece ser limitada apenas pela deposição e delami…
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho realizado sob os auspícios do Departamento de Energia dos EUA por Lawrence Livermore National Laboratory sob contrato DE-AC52-07NA27344.
Vinylec E | SPI | ||
ethyl lactate, >98%, FCC, FG, | Sigma-Aldrich | W244007-1KG-K | |
4" silicon wafers <100>, Single side polished | International Wafer Service | ||
sulfuric acid, 98%, ACS reagent grade | Sigma-Aldrich | 320501-6X500ML | |
hydrogen peroxide, 30%, semiconductor grade | Sigma-Aldrich | 316989-3.7L | |
isopropanol, ACS grade, 4 L | Fisher Scientific | A464-4 | |
dichloromethane, ACS grade | Alfa-Aesar | 22917 | |
deionized water , distilled | |||
PDAC reagent (Sigma-Aldrich 409014) | Sigma-Aldrich | 409014 | |
Spin Coater | Laurell Technologies | WS-650-23 | |
Barnstead/Thermolyne Super Nuova explosion-proof hot plate | |||
explosion-proof forced air oven | VWR | 1330 FMS | |
balance with a range of 1 mg to 1020 g | Mettler Toledo | MS1003S | |
reflectance spectrometer | Filmetrics | F20-UV | |
manipulator consisting of a Klinger tilt stage, a Brinkman rack-and-pinion and a lab jack | |||
Cutting tool/template, LLNL-built, no drawings | |||
straight edge, LLNL, no drawings | |||
Tent hoop, LLNL | |||
culture dish 190 mm x 100 mm, Pyrex | VWR | ||
20 ml beaker, Pyrex | VWR | ||
250 ml beaker, Pyrex | VWR | ||
1000 ml beaker, Pyrex | VWR | ||
60 ml glass vial with plastic stopper | VWR | ||
petri dish, 150 mm diameter x2, Pyrex | VWR | ||
600 ml beaker x2, Pyrex | VWR | ||
tweezers, stainless steel | |||
cutting blade | Exacto | ||
clean room wipes | Contec | PNHS-99 | |
polyester knit 9/91 IPA/DI water wipes | Contec | Prosat | |
Fluoroware wafer trays | Ted Pella | 1395-40 | |
Nylon Micro fiber (camel hair) | |||
Disposable BD 3-mL plastic syringe | VWR | ||
0.2 um Luer-lock PTFE filters | Acrodisc | ||
0.45 um Luer-lock PTFE filters | Acrodisc |