Summary

Процедура передачи полимерных пленок на пористые субстраты с минимичными дефектами

Published: June 22, 2019
doi:

Summary

Мы представляем процедуру для строго контролируемой и без морщин передачи блока copolymer тонких пленок на пористые подпоры поддержки с помощью 3D-печатной дренажной камеры. Конструкция дренажной камеры имеет общее отношение ко всем процедурам, связанным с передачей макромолекулярных пленок на пористые субстраты, что обычно делается вручную невосполнимым способом.

Abstract

Изготовление устройств, содержащих тонкопленочные композитные мембраны, требует переноса этих пленок на поверхности произвольных вспомогательных субстратов. Выполнение этой передачи в высоко контролируемой, механизированной и воспроизводимой манере может устранить создание макромасштабных дефектных структур (например, слезы, трещины и морщины) в тонкой пленке, которая ставит под угрозу производительность устройства и пригодную для узла область на образец. Здесь мы описываем общий протокол для высококонтролируемой и механизированной передачи полимерной тонкой пленки на произвольный пористый опорный субстрат для последующего использования в качестве мембранного устройства фильтрации воды. В частности, мы изготавливаем блок кополимера (BCP) тонкую пленку поверх жертвенного, водорастворимого поли (акриловой кислоты) (PAA) слоя и кремниевого вафелова. Затем мы используем специально разработанный, 3D-печатный инструмент передачи и системы дренажной камеры для депонирования, подъема, и передачи BCP тонкой пленки на центр пористой анодированного оксида алюминия (AAO) поддержки диска. Передаваемый БЦП тонкая пленка, как показано, постоянно помещается на центр опорной поверхности из-за наведения мениска, образовавого между водой и 3D-печатной пластиковой дренажной камерой. Мы также сравниваем наши механизированные обработанные тонкие пленки с теми, которые были переданы вручную с использованием пинцета. Оптический осмотр и анализ изображений переданных тонких пленок из механизированного процесса подтверждают, что практически нет макромасштабового неоднородности или пластических деформаций производятся, по сравнению с множеством слез и морщин, произведенных из ручного передачи вручную. Наши результаты показывают, что предлагаемая стратегия переноса тонкого пленки может уменьшить дефекты по сравнению с другими методами во многих системах и приложениях.

Introduction

Тонкая пленка и наномембранные устройства в последнее время получили широкий интерес из-за их потенциального использования в широком диапазоне приложений, начиная от гибкой фотоэлектрической и фотоники, складные дисплеи, и носимой электроники1, 2 , 3. Требование для изготовления этих различных типов приспособлений будет перенос тонких пленок к поверхностям произвольных субстратов, которые остают challenging из-за хрупкости этих пленок и частого продукции макромасштабного дефекта структуры, такие как морщины, трещины и слезы,в пленках после передачи 4,5,6,7. Ручная передача вручную, пинцет, и проводпета являются общими методами тонкой передачи пленки, но неизбежно приводят к структурным несоответствиям и пластиковой деформации8,9. Были изучены различные типы тонкой методологии передачи пленки, такие как: 1) полидиметилсилоксан (PDMS), что предполагает использование эластомической марки для получения тонкой пленки из донорского субстрата и последующего перевода на получение субстрат10, и 2) жертвенный слой передачи11, в котором etchant используется для выборочнорастворя жертвенный слой между подпортом поддержки и тонкой пленкой, тем самым снимая тонкую пленку. Тем не менее, эти методы сами по себе не обязательно позволяют тонкой передачи пленки без повреждения или образования дефекта в тонких пленках12.

Здесь мы представляем новый, недорогой и обобщенный легкий метод, основанный на жертвенных подъемах слоя и переносе мениска в рамках специально разработанной 3D-печатной системы дренажной камеры, чтобы механически разместить блок кополимера (BCP) тонких пленок на центры пористых субстратов, таких как анодированные оксид алюминия (ААО) диски с практически не понесенных макромасштабных дефектных структур, таких как морщины, слезы и трещины. В данном контексте эти переданные тонкие пленки могут быть использованы в качестве устройств в исследованиях фильтрации воды, потенциально после последовательного синтеза инфильтрации (SIS) обработки9. Анализ изображений переданных пленок, полученных с оптической микроскопии, показывает, что система сводной камерой с мениска обеспечивает гладкие, надежные и без морщин образцы. Кроме того, изображения также демонстрируют способность системы надежно размещать тонкопленочные мембраны на центры принимающих субстратов. Наши результаты имеют значительные последствия для любого типа устройства приложения, требующего передачи тонкопленочных конструкций на поверхности произвольных пористых субстратов.

Protocol

1. Изготовление инструмента передачи и дренажной камеры системы Прилагается(Дополнительные файлы 1, 2) является инженерный чертеж для сборки дренажной камеры, состоящей из двух частей: верхней и нижней. Моделируй это устройство в соответствии со спецификациями ж?…

Representative Results

Образцы мембраны BCP были изготовленыв соответствии с ранее описанной процедурой 9. Образцы были помещены на губу погрузочной руки 3D-печатного инструмента передачи(рисунок 1, слева) и затем опущены, с лабораторным домкратом, на входную рампу…

Discussion

Хотя многие из шагов, перечисленных в этом протоколе имеют решающее значение для успеха тонкой передачи пленки, характер специально разработанных 3D печатной дренажной камеры позволяет широкую гибкость, в соответствии с конкретными требованиями пользователя. Например, если субстрат п…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана в рамках Центра перспективных материалов для энергетических водных систем (AMEWS), Научно-исследовательского центра energy Frontier, финансируемого Министерством энергетики США, Управлением по науке, фундаментальным энергетическим наукам. Мы с благодарностью отмечаем полезные беседы с Марком Стойковичем и Полом Нили.

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

  1. 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).
  2. Kim, T. H., et al. Full-colour quantum dot displays fabricated by transfer printing. Nat. Photon. 5 (3), 176 (2011).
  3. Nomura, K., et al. Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors. Nature. 432 (7016), 488 (2004).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Zhu, W., et al. Structure and electronic transport in graphene wrinkles. Nano Letters. 12 (7), 3431-3436 (2012).
  7. 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).
  8. Stadermann, M., et al. Fabrication of large-area free-standing ultrathin polymer films. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (100), e52832 (2015).
  9. 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).
  10. Meitl, M. A., et al. Transfer printing by kinetic control of adhesion to an elastomeric stamp. Nature Materials. 5 (1), 33 (2006).
  11. Suk, J. W., et al. Transfer of CVD-grown monolayer graphene onto arbitrary substrates. ACS Nano. 5 (9), 6916-6924 (2011).
  12. Chen, Y., Gong, X. L., Gai, J. G. Progress and Challenges in Transfer of Large-Area Graphene Films. Advanced Science. 3 (8), 1500343 (2016).

Play Video

Cite This Article
Guio, L., Liu, C., Boures, D., Getty, P. T., Waldman, R., Liu, X., Darling, S. B. Procedure for the Transfer of Polymer Films Onto Porous Substrates with Minimized Defects. J. Vis. Exp. (148), e59554, doi:10.3791/59554 (2019).

View Video