Procédure pour le transfert de films polymères sur des substrats poreux avec des défauts minimisés
Summary
Nous présentons une procédure pour le transfert fortement commandé et sans ride des films minces de copolymère de bloc sur les substrats poreux de support utilisant une chambre de vidange 3D-imprimée. La conception de la chambre de vidange est d’intérêt général pour toutes les procédures impliquant le transfert de films macromoléculaires sur des substrats poreux, ce qui est normalement fait à la main d’une manière irréproductible.
Abstract
La fabrication d’appareils contenant de fines membranes composites de film nécessite le transfert de ces films sur les surfaces de substrats de soutien arbitraires. Accomplir ce transfert d’une manière hautement contrôlée, mécanisée et reproductible peut éliminer la création de structures de défauts macro-échelle (p. ex. déchirures, fissures et rides) dans le film mince qui compromet les performances de l’appareil et la zone utilisable. par échantillon. Ici, nous décrivons un protocole général pour le transfert fortement commandé et mécanisé d’un film mince polymère sur un substrat poreux arbitraire de support pour l’utilisation éventuelle comme dispositif de membrane de filtration d’eau. Plus précisément, nous fabriquons un copolymère de bloc (BCP) film mince sur le dessus d’un sacrifice, soluble dans l’eau poly (acide acrylique) (PAA) couche et substrat de plaquette de silicium. Nous utilisons ensuite un outil de transfert imprimé sur mesure et imprimé en 3D et un système de chambre de vidange pour déposer, décoller et transférer le film mince BCP sur le centre d’un disque de support poreuse d’oxyde d’aluminium anodisé (AAO). Le film mince DE BCP transféré est montré pour être uniformément placé sur le centre de la surface de support en raison de la conduite du ménisque formé entre l’eau et la chambre de vidange en plastique 3D-imprimée. Nous comparons également nos films minces traités par transfert mécanisé à ceux qui ont été transférés à la main avec l’utilisation de pinces à épiler. L’inspection optique et l’analyse d’image des films minces transférés du processus mécanisé confirment que peu ou pas d’inhomogénéités macro-échelles ou de déformations plastiques sont produites, par rapport à la multitude de larmes et de rides produites à partir de manuels transfert à la main. Nos résultats suggèrent que la stratégie proposée pour le transfert de film mince peut réduire les défauts par rapport à d’autres méthodes dans de nombreux systèmes et applications.
Introduction
Les dispositifs à film mince et à base de nanomembrane ont récemment suscité un grand intérêt en raison de leur utilisation potentielle dans un large éventail d’applications, allant du photovoltaïque flexible et de la photonique, des écrans pliables et de l’électronique portable1, 2 (en) , 3. Une exigence pour la fabrication de ces différents types d’appareils est le transfert de couches minces à la surface de substrats arbitraires, ce qui reste difficile en raison de la fragilité de ces films et de la production fréquente de défauts macro-échelles structures, telles que les rides, les fissures et les larmes, dans les films après le transfert4,5,6,7. Le transfert manuel à la main, les pinces et les boucles de fil sont des méthodes courantes de transfert de film mince, mais entraînent inévitablement des incongruités structurelles et une déformation plastique8,9. Divers types de méthodes de transfert de pellicules minces ont été explorées telles que : 1) le transfert de timbres polydiméthylsiloxane (PDMS), qui implique l’utilisation d’un timbre élastomérique pour obtenir la pellicule mince du substrat du donneur et ensuite transférer à la réception substrat10, et 2) transfert de couche sacrificielle11, dans lequel un etchant est utilisé pour dissoudre sélectivement une couche sacrificielle entre le substrat de soutien et le film mince, soulevant ainsi le film mince. Cependant, ces techniques à elles seules ne permettent pas nécessairement le transfert de film mince sans encourir des dommages ou la formation de défaut dans les films minces12.
Ici, nous présentons une méthode nouvelle, peu coûteuse et facile et généralisable basée sur le décollage de la couche sacrificielle et le transfert guidé par le ménisque dans un système de chambre de vidange imprimé en 3D sur mesure, pour placer mécaniquement des films minces de copolymère de bloc (BCP) sur le les centres des substrats poreux tels que les disques anodisés d’oxyde d’aluminium (AAO) avec peu ou pas les structures de défaut macroscale encourues, telles que des rides, des déchirures, et des fissures. Dans le contexte actuel, ces couches minces transférées peuvent alors être utilisées comme dispositifs dans les études de filtration de l’eau, potentiellement après le traitement de synthèse par infiltration séquentielle (SIS)9. L’analyse d’images de films transférés obtenus à partir d’une microscopie optique montre que le système de chambre de vidange guidé par le ménisque fournit des échantillons lisses, robustes et sans rides. En outre, les images démontrent également la capacité du système à placer de manière fiable les membranes minces du film sur les centres des substrats récepteurs. Nos résultats ont des implications significatives pour tout type d’application de dispositif exigeant le transfert des structures minces de film sur les surfaces des substrats poreux arbitraires.
Protocol
Representative Results
Discussion
Alors que bon nombre des étapes énumérées dans ce protocole sont cruciales pour le succès du transfert de film mince, la nature de la chambre de vidange imprimée 3D conçue sur mesure permet une grande flexibilité, selon les exigences spécifiques de l’utilisateur. Par exemple, si le substrat du récepteur a un diamètre plus grand que les disques AAO de 25 mm de diamètre utilisés dans cette étude, la chambre de vidange peut être modifiée de façon appropriée pour s’adapter aux nouvelles spécifications. Cep…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu dans le cadre du Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Center, un Centre de recherche sur la frontière énergétique financé par le Département de l’énergie des États-Unis, Office of Science, Basic Energy Sciences. Nous remercions les discussions utiles avec Mark Stoykovich et 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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