Proof-of-Concept for Gas-Entrapping Membranes Derived from Water-Loving SiO<sub>2</sub>/Si/SiO<sub>2</sub> Wafers for Green Desalination

Ratul Das; Sankara Arunachalam; Zain Ahmad; Edelberto Manalastas; Ahad Syed; Ulrich Buttner; Himanshu Mishra

doi:10.3791/60583

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engineering

Proof-of-Concept voor gas-entrapping membranen afgeleid van waterminnende SiO₂/Si/SiO₂ Wafers voor groene ontzilting

Published: March 01, 2020

doi:

10.3791/60583

Ratul Das¹, Sankara Arunachalam¹, Zain Ahmad¹, Edelberto Manalastas¹, Ahad Syed², Ulrich Buttner², Himanshu Mishra¹

¹Water Desalination and Reuse Center (WDRC), Biological and Environmental Science and Engineering (BESE) Division,King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), ²Core Labs,King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)

Summary

Hier gepresenteerd is een stapsgewijs protocol voor het realiseren van gas-entrapping membranen (GEMs) van SiO₂/ Si wafers met behulp van geïntegreerde circuit microfabricage technologie. Wanneer silica-GEM’s worden ondergedompeld in water, wordt het binnendringen van water voorkomen, ondanks de waterminnende samenstelling van silica.

Abstract

Ontzilting door middel van direct contact membraan distillatie (DCMD) maakt gebruik van waterafstotende membranen om robuust te scheiden tegenstromende stromen van warm en zout zeewater uit koud en zuiver water, waardoor alleen zuiver water damp door te geven. Om dit te bereiken, worden commerciële DCMD membranen afgeleid van of bekleed met waterafstotende perfluorkoolwaterstoffen zoals polytetrafluorethyleen (PTFE) en polyvinylidene difluoride (PVDF). Het gebruik van perfluorkoolwaterstoffen beperkt echter vanwege hun hoge kosten, niet-biologische afbreekbaarheid en kwetsbaarheid voor barre operationele omstandigheden. Hier onthuld is een nieuwe klasse van membranen aangeduid als gas-omten membranen (GEMs) die robuust kan vangen lucht bij onderdompeling in water. GEM’s bereiken deze functie door hun microstructuur in plaats van hun chemische make-up. Dit werk toont een proof-of-concept voor GEM’s met intrinsiek bevochtigende SiO₂/Si/SiO₂ wafers als modelsysteem; de contacthoek van het water op SiO₂ is ter_waarde van 40°. Silica-GEM’s hadden 300 μm-lange cilindrische poriën waarvan de diameters bij de (2 μm-lange) inlaat- en uitlaatgebieden aanzienlijk kleiner waren; deze geometrisch discontinu structuur, met 90° bochten bij de inhammen en uitlaten, staat bekend als de “reentrant microtexture”. Het microfabricageprotocol voor silica-GEMs omvat het ontwerpen, fotolithografie, chroomsputteren en isotrope en anisotropische etsen. Ondanks de waterminnende aard van silica, dringt water silica-GEMs niet binnen bij onderdompeling. In feite, ze robuust trap lucht onder water en houden het intact, zelfs na zes weken (>10⁶ seconden). Aan de andere kant, silica membranen met eenvoudige cilindrische poriën spontaan imbibe water (< 1 s). Deze bevindingen benadrukken het potentieel van de GEMs-architectuur voor scheidingsprocessen. Hoewel de keuze van SiO₂/SiO₂ wafers voor GEM’s beperkt is tot het aantonen van de proof-of-concept, wordt verwacht dat de protocollen en concepten die hier worden gepresenteerd, het rationele ontwerp van schaalbare GEM’s zullen bevorderen met behulp van goedkope gemeenschappelijke materialen voor ontzilting en daarbuiten.

Introduction

Naarmate de druk op water/voedsel/energie/milieubronnen escaleert, zijn groenere technologieën en materialen voor ontzilting nodig¹^,². In dit verband kan het direct contactmembraandistillatie (DCMD) proces gebruik maken van zonne-thermische energie of afvalindustriële warmte voor waterontzilting³^,⁴. DCMD maakt gebruik van waterafstotende membranen om tegenstromende stromen van warm zeewater en koud gedeïoniseerd water te scheiden, waardoor alleen zuiver waterdamp over de plaats van de hete naar de koude kant kan vervoeren⁵^,⁶^,⁷^,⁸^,⁹. Commerciële DCMD-membranen exploiteren vrijwel uitsluitend perfluorkoolwaterstoffen vanwege hun waterafstotendheid, gekenmerkt door de intrinsieke contacthoek van water,_en 110°¹⁰. Echter, perfluorkoolwaterstoffen zijn duur, en ze krijgen beschadigd bij verhoogde temperaturen¹¹ en bij agressieve chemische reiniging¹²^,¹³. Hun niet-biologische afbreekbaarheid roept ook milieuproblemen op¹⁴. Zo zijn nieuwe materialen voor DCMD onderzocht, bijvoorbeeld polypropyleen¹⁵, koolstofnanobuisjes¹⁶, en organosilica¹⁷, samen met variaties van het proces, bijvoorbeeld interfaciale verwarming¹⁸ en fotovoltaïsche-MD¹⁹. Niettemin zijn alle onderzochte materialen voor DCMD-membranen tot nu toe intrinsiek waterafstotend geweest, gekenmerkt door een waarde van _90° voor water).

Hier wordt een protocol beschreven voor het benutten van waterminnende (hydrofiele) materialen in de richting van het bereiken van de functie van waterafstotende DCMD membranen d.w.z. het scheiden van water aan weerszijden door lucht stevig in de membraanporiën te binden. Naar de proof-of-concept demonstratie worden dubbelzijdige gepolijste siliciumwafers met silicalagen (2 μm dik) aan beide zijden (SiO₂/Si/SiO₂; 2 μm/300 μm/2 μm, respectievelijk) gebruikt. Microfabricageprocessen worden toegepast om gasomsnoeringsmembranen (GEM’s) te bereiken, die een specifieke architectuur gebruiken om te voorkomen dat vloeistoffen de poriën binnendringen, ongeacht de oppervlaktechemie.

De inspiratie voor GEMs architectuur is ontstaan uit springstaarten (Collembola), bodem-woning hexapods waarvan de nagelriemen paddestoelvormige patronen^{bevatten 20}^,²¹, en zee-skaters(Halobates germanus),insecten die in de open oceaan die paddestoelvormig haar op hun lichaam²²^,²³. De oppervlaktearchitectuur, samen met natuurlijk afgescheiden wassen, biedt deze insecten met “super” waterafstotendheid, gekenmerkt door schijnbare contacthoeken voor water (γ_r ≥ 150°)²⁴. Als gevolg daarvan drijven zeeschaatsers in hun rusttoestand hoofdzakelijk in de lucht op de zeeluchtinterface²²^,²⁵. Als ze ondergedompeld zijn in water, vangen ze onmiddellijk een laag lucht rond hun lichaam (ook wel plastron genoemd), wat de ademhaling en het drijfvermogen²⁰^,²³vergemakkelijkt. Geïnspireerd door springstaarten, Kim en collega’s bleek dat silica oppervlakken met arrays van paddestoelvormige pilaren kunnen druppels vloeistoffen af te weren met lage oppervlaktespanningen²⁶. Dit was een opmerkelijke ontdekking; hoewel werd vastgesteld dat de vloeibare afweerstand van deze oppervlakken catastrofaal verloren kon gaan door gelokaliseerde gebreken of grenzen²⁷^,²⁸. Om dit probleem op te lossen, hebben onderzoekers gemicrofabriceerde silicaoppervlakken met holtes waarvan de diameters bij de inhammen abrupt kleiner waren (d.w.z. met een 90° draai) dan de rest van de holte²⁷. Deze kenmerken zijn ook bekend als “reentrant” randen, en de holtes zijn hierna aangeduid als “reentrant holten”.

Reentrantholtes vangen stevig lucht bij contact met vloeibare druppels of bij onderdompeling²⁷. De prestaties van holtes van verschillende vormen (cirkelvormig, vierkant en zeshoekige), profielen (reentrant en dubbel reentrant), en scherpte van hoeken in relatie tot de stabiliteit van gevangen lucht in de tijd is vergeleken²⁹. Het is gebleken dat cirkelvormige reentrant holtes zijn de meest optimale in termen van hun robuustheid voor luchtbeking onder bevochtiging vloeistoffen en de complexiteit in verband met de productie. Ook is aangetoond dat intrinsiek bevochtigende materialen met reentrant holtes lucht kunnen vangen bij onderdompeling in bevochtigende vloeistoffen, en dus de functie van omnifobe oppervlakken kunnen bereiken. Op basis van dit oeuvre²⁷^,²⁸^,²⁹^,³⁰ en eerdere ervaring met DCMD^31,hebben we besloten om membranen te maken die poriën hebben met reentrant inhammen en afzetmogelijkheden. Men had gedacht dat een dergelijk membraan lucht kon vangen bij onderdompeling in bevochtigingsvloeistoffen vanwege de microtextuur, wat aanleiding zou geven tot het idee van GEM’s.

Overweeg een membraan gemaakt van een hydrofiel materiaal bestaande uit eenvoudige cilindrische poriën: wanneer ondergedompeld in water, zal dit membraan spontaan water inbrengen (figuur 1A, B) het bereiken van de volledig gevulde, of de Wenzel staat³². Aan de andere kant, als de inhammen en uitlaten van de poriën reentrant profielen hebben (bijvoorbeeld “T”-vormig), kunnen ze voorkomen dat de bevochtiging vloeistof van het binnendringen van de porie en vallucht binnen, wat leidt tot Cassie staten³³ (Figuur 1C, D). Zodra de lucht is gevangen in de porie, zal het verder voorkomen dat vloeistof binnendringen als gevolg van de samendrukbaarheid en lage oplosbaarheid in water na verloop van tijd³⁴^,³⁵.

Een dergelijk systeem zal langzaam de overgang van Cassie naar Wenzel staat, en de kinetiek van dit proces kan worden afgestemd door de vorm van de porie, grootte en profiel, dampdruk van de vloeistof, en oplosbaarheid van de gevangen lucht in de vloeistof²⁹^,³⁴^,³⁶. Onderzoekers zijn in staat geweest om GEM’s met behulp van silicium wafers en polymethylmethacrylaat vellen als de test substraten te realiseren, en proof-of-concept toepassingen voor DCMD in een cross-flow configuratie zijn aangetoond³⁷. Hier wordt een gedetailleerd microfabricageprotocol voor de generatie silica-GEM’s gepresenteerd, te beginnen met dubbelgepolijstsiliciumwafers met silicalagen (2 μm dik) aan beide zijden (SiO₂/Si/SiO₂; respectievelijk 2 μm/300 μm/2 μm). Ook wordt het vermogen van de silica-GEM’s om lucht onder water te vangen beoordeeld met behulp van een op maat gemaakte drukcel en confocale microscopie.

Figuur 1: Schematische weergave van een membraan met eenvoudige cilindrische poriën (A,B) en een met reentrant poriën (C,D). In tegenstelling tot de eenvoudige cilindrische poriën worden de reentrantporiën na inhammen/uitlaten scherp breder, en het is deze discontinuïteit (of de reentrantranden) die voorkomt dat vloeistoffen in de poriën binnendringen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

In dit gedeelte beschrijft deze sectie het microfabricageprotocol voor het snijden van arrays van poriën met reentrantinhammen en uitlaten met behulp van dubbelzijdige gepolijste siliciumwafers die 300 μm dik zijn (p-doped, oriëntatie, 4″ diameter, 2 μm dikke thermisch geteelde oxidelagen aan beide zijden). Dit wordt hierna Aangeduid als SiO₂(2 μm)/Si(300 μm)/SiO₂(2 μm) (figuur 2).

Figuur 2: Flowchart met belangrijke stappen die betrokken zijn bij de microfabricage van silica-GEM’s. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Protocol

1. Ontwerp Ontwerp 16 arrays, elk bestaande uit 625 cirkels (diameter, D = 100 μm; toonhoogte, L = 400 μm), samen met uitlijningsmarkeringen die moeten worden vertaald naar 4″ SiO2(2 μm)/Si(300 μm)/SiO2(2 μm) wafers met behulp van geschikte ontwerpsoftware (zie Tabel met materialen; Figuur 3) 38. Figuur 3: Ontwerpen van cirkelvormige arrays. Dit ontwerppatroon werd overgebracht naar SiO2(2 μm)/Si(300 μm)/SiO2(2 μm) wafers via fotolithografie. Getoond zijn (A) de gehele wafer, (B,C) ingezoomde weergaven, en (D,E) uitlijning strekken tekens die worden gebruikt voor de handmatige terug uitlijning. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Breng functies over op een 5″ soda kalkglas (CaxHyNazOn)masker met een 50 nm coating van chroom en dunne film van fotoresist (een positieve fotoresist; zie Tabel met materialen) door UV-belichting in een direct-writing systeem (belichtingstijd = 25 ms, defocus = +10). Maskerontwikkeling Ontwikkel de fotoresist door het masker onder te dompelen in 200 mL van ontwikkelaar (Tabel met materialen) voor 60 s om het chroom eronder bloot te leggen. Was het masker met gedeïoniseerd (DI) water. Verwijder het blootgestelde chroom door het masker onder te dompelen in een bad van 200 mL chroom etchant voor 90 s. Was het masker met DI-water. Voer gedurende 15 s een blootstelling aan UV-overstromingen uit (d.w.z. zonder masker). Verwijder fotoresist volledig van het masker door zich onder te dompelen in een 200 mL bad van ontwikkelaar totdat de fotoresist volledig verdwijnt (60-120 s). Maak het maskeroppervlak schoon met DI-water en droog met een stikstofpistool (N2). 2. Wafer reiniging Dompel de siliciumwafer onder in een vers bereide piranha-oplossing (H2SO4:H2O2 = 3:1 volume) gehandhaafd bij een temperatuur van 388 K gedurende 10 min.OPMERKING: Draag de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen (PPE) tijdens het werken met piranha-oplossing op de natte bank. Spoel de wafer met DI water, twee cycli in een natte bank, en droog het onder een N2-omgeving in spin droger. 3. HMDS-depositie Stel de wafer bloot aan de damp van hexamethyldisilane (HMDS) om de hechting van de fotoresist met het silicaoppervlak te verbeteren (details in tabel 1). Fase 1: Uitdroging en het zuiveren van zuurstof uit de kamer Stap Functie Tijd (min) 1 Vacuüm (10 Torr) 1 2 Stikstof (760 Torr) 3 3 Vacuüm (10 Torr) 1 4 Stikstof (760 Torr) 3 5 Vacuüm (10 Torr) 1 6 Stikstof (760 Torr) 3 Fase 2: Priming Stap Functie Tijd (min) 1 Vacuüm (1 Torr) 2 2 HMDS (6 Torr) 5 Fase 3: Priemputputuitputten zuiveren en terugkeren naar de atmosfeer (Backfill) Stap Functie Tijd (min) 1 Vacuüm 1 2 Stikstof 2 3 Vacuüm 2 4 Stikstof 3 Tabel 1: HMDS priming proces details. 4. Lithografie Breng de wafer op een vacuüm-chuck van een spin coater om de fotoresist te draaien. Gebruik AZ 5214 fotoresist als een negatieve toon om een 1,6 μm dikke uniforme film van de fotoresist te bereiken (de spincoatingparameters zijn opgenomen in tabel 2).LET OP: AZ 5214 kan worden gebruikt als een positieve of negatieve toon fotoresist op basis van de warmtebehandeling (dat wil zeggen, pre-bakken en post-bakken). Indien voorgebakken bij 110 °C gedurende 2 min, gedraagt de fotoresist zich als een positieve toon, zodanig dat blootgestelde gebieden tijdens de ontwikkeling worden opgelost. Voor de negatieve toon wordt de fotoresist voorgebakken bij 105 ° C gedurende 2 min, gevolgd door UV-blootstelling en na het bakken bij 120 °C gedurende 2 min. Bak de met fotoresist gecoate wafer op 105 °C gedurende 2 min op een kookplaat. Dit droogt en verhardt de fotoresist film, die anders kleeft aan het glazen masker en veroorzaakt besmetting problemen tijdens UV-blootstelling, en het verbetert ook hechting van de fotoresist aan het silicaoppervlak.OPMERKING: De pre-bake temperatuur mag niet te hoog zijn, omdat dit kan leiden tot de gedeeltelijke vernietiging van lichtgevoelige componenten van de fotoresist, waardoor de gevoeligheid ervan wordt verminderd. Stap Snelheid (rpm) Oprit (rpm/s) Tijd (s) 1 800 1000 3 2 1500 1500 3 3 3000 3000 30 Tabel 2: Parameters voor spin coating recept om een 1,6 μm laag fotoresist te verkrijgen. Stel de wafer onder UV-blootstelling (80 mJ/cm2)gedurende 15 s door het chromen masker met behulp van een maskeruitlijningssysteem (EVG 6200) om het gewenste ontwerp op de fotoresist te bereiken. Bak de gerealiseerde wafer op 120 °C op een kookplaat gedurende 2 min. Tijdens deze stap, de blootgestelde negatieve fotoresist film verdere cross-links. Als gevolg hiervan zijn de UV-blootgestelde delen van de fotoresist niet langer oplosbaar in de ontwikkelaarsoplossing, terwijl de onbelichte gebieden oplosbaar zijn. Verder bloot de wafer onder UV-licht (200 mJ / cm2) voor 15 s in een UV-genezingsysteem (PRX-2000-20).OPMERKING: Tijdens deze stap worden de fotoresist gebieden die niet eerder werden blootgesteld (stap 4.3) blootgesteld en kunnen later worden opgelost in de ontwikkelaar, waardoor de gewenste structuren op de wafer achterblijven. Deze stap is tolerant ten opzichte van overbelichting omdat de gewenste functies (in de negatieve toon) niet langer lichtgevoelig zijn na de post-bakstap. Dompel de wafer onder in een 50 mL bad van de AZ-726 fotoresist-ontwikkelaar (in glaswerk) voor 60 s om het gewenste fotoresist patroon op de silicium wafer te bereiken. Reinig vervolgens de wafer met BEHULP van DI-water en nog verder föhnen met N2. 5. Sputter Sputter chroom op de wafer voor 200 s om een 50 nm dikke chroomlaag te verkrijgen. De depositie wordt uitgevoerd met behulp van een micro-type DC reactieve sputter met een standaard 2″ ronde doelbron in een argon-omgeving met de volgende parameters: 400 V, stroom = 1 A en druk = 5 mTorr.OPMERKING: De chroomlaag beschermt silica tegen droge etsen onder octafluorcyclobutane (C4F8). 6. Photoresist lift-off Sonicate de gesputteerde wafer in een aceton bad voor 5 min op te heffen van de resterende fotoresist (en chroom afgezet op de fotoresist) van de wafer, waardoor achter de gewenste functies met een chroom hard masker. 7. Verwerking van de andere kant van de wafer Na het spoelen van de achterkant van de wafer met een overvloedige hoeveelheid aceton en ethanol, föhnen met een N2 pistool, herhaal dan stappen 4.1 en 4.2. 8. Handmatige teruguitlijning Lijn de gewenste functies aan de achterzijde af met de voorzijde van de wafer met behulp van de uitlijningsmarkeringen in het ontwerp en de module “Handmatige uitlijning van de achterkant met vizier” in de contactaligner (EVG 6200).OPMERKING: Handmatige uitlijning van de achterkant is een cruciale stap in het microfabricageprotocol. Zo moeten de ontworpen uitlijningsfuncties op het fotomasker effectief worden gebruikt om verschuiving in porieuitlijning te voorkomen. 9. Lithografie aan de achterzijde van de wafer Voor de achterzijde van de wafer herhaalt u de stappen 4.3–4.7, sectie 5 en sectie 6 om het vereiste ontwerp met chroom aan beide zijden van de wafer te genereren. Houd er rekening mee dat het met chroom bedekte deel van het oppervlak geen ets en etsen ondergaat; zo definiëren vlekken waarin chroom op de wafer afwezig is de inhammen en uitlaten van de porie. 10. Etsen Onderga etsen van de blootgestelde SiO2-laag aan beide zijden van de wafer door een inductief gekoppeld plasma (ICP) reactieve ionenets (RIE) die fluor (C4F8)en zuurstof (O2)chemie gebruikt. De duur is 16 min (ICP-RIE parameters vermeld in tabel 3)voor elke kant. Verwerk de wafer met vijf cycli anisotropische ets met behulp van het Bosch-proces om een inkeping in de siliciumlaag te creëren. Dit proces wordt gekenmerkt door een vlakke zijwand profiel met behulp van afwisselende afzettingen van C4F8 en zwavel hexafluoride (SF6)gassen. Door afwisselend anisotropische etsen en polymeerdepositie etsen, etst het silicium recht naar beneden (etsparameters vermeld in tabel 3). Dompel de wafer onder in een bad van piranha-oplossing (H2SO4:H2O2 = 3:1 volume) gehandhaafd bij een temperatuur van 388 K gedurende 10 min. Dit verwijdert de polymeren afgezet in de anisotropische stap. Om de ondersnede te maken, die het reentrantprofiel oplevert, ondergaat u isotropische etsmet behulp van een SF6-gebaseerdrecept voor een duur van 165 s (etsparameters vermeld in tabel 3).OPMERKING: Deze stap wordt uitgevoerd aan elke kant van de wafer. Anisotropische siliciumets Breng de wafer over naar deep-ICP-RIE (Oxford-instrumenten) om 150 μm silicium te etsen met behulp van 200 cycli van diepe etsen met behulp van het Bosch-proces (etsparameters zijn opgenomen in tabel 3). Herhaal stap 10.4.1 met de achterkant van de wafer. Ondergaan piranha reiniging van de wafer in de natte bank voor 10 min om polymere verontreinigingen afgezet uit het etsproces te verwijderen, die zorgt voor uniforme etssnelheden. Herhaal de stappen 10.4.1–10.4.3 om te realiseren door middel van poriën (die kunnen worden gevisualiseerd door naakte ogen onder een lichtbron) in de wafer met reentrant inhammen en afzet. Dompel de wafer onder in een bad van 100 ml chroom etchant voor 60 s om chroom van beide zijden van de wafer te verwijderen. Parameter Silica Ets Anisotropische silicium etsen /cyclus Isotropische siliciumets Depositie Etsen RF-stroom (W) 100 5 30 20 ICP-vermogen (W) 1500 1300 1300 1800 Etsdruk (mTorr) 10 30 30 35 Temperatuur (°C) 10 15 15 15 C4F8 flow (sccm) 40 100 5 – O2-stroom (sccm) 5 – – – SF6-stroom (sccm) – 5 100 110 Etstijd (s) 960 5 7 165 Tabel 3: Parameters voor SiO2/Si droge etsen. 11. Definitieve reiniging Maak na het microfabricageproces de wafer schoon met 100 mL vers bereide piranha-oplossing (H2SO4:H2O2 = 3:1 in volume; T = 388 K) in een glazen container gedurende 10 min, dan verder föhnen met een 99% pure N2 drukpistool. Plaats de monsters in een glazen petrischaal in een schone vacuümoven op T = 323 K totdat de intrinsieke contacthoek van water op gladde SiO2 is gestabiliseerd op de 40° (na 48 uur). Bewaar de verkregen droge monsters (silica GEMs) in een N2-kast.OPMERKING: De volledige fabricageworkflow is afgebeeld in figuur 4. Figuur 4: Schematische illustratie van het GEM-microfabricageproces. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Representative Results

Deze sectie presenteert de onderwaterprestaties van silica-GEMs microfabricated met behulp van het bovengenoemde protocol. De poriën van deze GEM’s waren verticaal uitgelijnd, de inlaat/uitlaatdiameters waren D = 100 μm, de midden-naar-midden afstand tussen de poriën (toonhoogte) was L = 400 μm, de scheiding tussen de reentrantranden en de w was w = 18 μm, en de lengte van de poriën was h = 300 μm (figuur 5). Als gevolg van de inhomogeniteiten opgelopen tijdens etsstappen en kleine verkeerde uitlijning tijdens microfabricage, het middelste gedeelte van de poriën was een beetje smaller in vergelijking met het gedeelte onder de inhammen en uitlaten van de poriën, maar het had geen invloed op de massa flux aanzienlijk. Figuur 5: Scanning electron micrographs of silica-GEMs. Getoond zijn (A) een gekantelde dwarsdoorsnede van silica-GEMs, (B) een vergrote dwarsdoorsnede weergave van een enkele porie, en (C,D) vergroot uitzicht op reentrant randen op de inhammen en uitlaten van een porie. De panelen (C) en (D) worden herdrukt van Das et al.37. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Silica-GEM’s onderdompelen in waterSilica (SiO2)is hydrofiel, zoals gekenmerkt door de intrinsieke contacthoek van waterdruppels erop onder verzadigde waterdamp, enwordt gekenmerkt door een gehalte aan 40°. Dus, als cilindrische poriën worden gemaakt op een silica blad, water zou inbibe hen, het bereiken van de volledig gevulde, of de Wenzel staat32. Om dit te testen, werd een op maat gemaakte module gebruikt die een testmembraan kan beveiligen tussen een reservoir van geverfd zout water (~ 0,6 M NaCl met kleurstof) en gedeïoniseerd water (T = 293 K en p = 1 atm). Het registreert ook de elektrische geleidbaarheid van het gedeïoniseerde waterreservoir in een computer om te controleren porie vulling in situ (Figuur 6A). Hier, silica membranen met eenvoudige cilindrische gaten waren niet in staat om het mengen van de twee reservoirs te voorkomen, omdat water geïnfiltreerd onmiddellijk zoals weerspiegeld door de release van de kleurstof (Supplemental Movie). In schril contrast, toen silica-GEM’s werden getest onder dezelfde omstandigheden, ze stevig gevangen lucht en hield het intact voor meer dan 6 weken, bevestigd door elektrische geleidbaarheid metingen (detectie limiet = ± 0,01 μS/cm), waarna het experiment werd stopgezet (figuur 6B). Uit deze bevindingen blijkt dat de GEMs-architectuur hydrofiele materialen in staat kan stellen om lucht bij onderdompeling in water robuust te vangen. Ook werd een porieniveauscenario gepresenteerd waarin de lage oplosbaarheid van de gevangen lucht in het water en de kromming van de lucht-waterinterface voorkwam dat de vloeibare meniscus verder in de porie(figuur 6C) kon binnendringen. Figuur 6: Membraan robuustheid testen. (A) Schematisch van de 3D-geprinte op maat gemaakte cel voor het testen van de robuustheid van membranen bij het scheiden van geverfd zout water (~ 0,6 M NaCl met kleurstof) van zuiver gedeïoniseerd water (T = 293 K, p = 1 atm), terwijl tegelijkertijd de elektrische geleidbaarheid van DI waterreservoir in een computer wordt opgenomen. (B) Een semi-logaritmische plot van de elektrische geleidbaarheid van het DI-waterreservoir overuren wanneer silica-GEM’s werden gebruikt om de twee reservoirs te scheiden. Opmerkelijk is dat silica-GEMs stevig gevangen lucht in elke porie, zodanig dat water niet kon doordringen zelfs een enkele porie voor meer dan 6 weken, blijkt uit de elektrische geleidbaarheid gegevens. (C) Porie niveau schematisch, met de lucht-water interface aan beide kanten. De panelen (A) en (B) worden herdrukt van Das et al.37. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Om dieper inzicht te krijgen in het vastmaken en verplaatsen van de lucht-water interface op de inhammen en uitgangen van silica-GEMs onderwater (~ 5 mm kolom), confocale microscopie werd gebruikt. Het is bekend dat de laser die wordt gebruikt voor verlichting in confocale microscopie verwarmt ook het systeem39, die kan versnellen bevochtiging overgangen. Toch kan de hoge ruimtelijke resolutie nuttig inzicht opleveren. Ter vergelijking, het gedrag van silica oppervlakken met reentrant holtes werd ook onderzocht29,40. In beide scenario’s verbetert de extra warmte die aan het waterreservoir hierboven wordt geleverd de capillaire condensatie van waterdamp in de microtextuur. In het geval van heroplopende holtes verplaatste de condensatie van waterdamp de gevangen lucht, waardoor de lucht-waterinterface naar boven uitpuilten en het systeem destabiliseerde(figuur 7A,C). Onder deze experimentele omstandigheden drong het water in minder dan 2 uur in alle holtes binnen. Silica-GEM’s bleven daarentegen gedurende een veel langere periode vrij van uitpuilende, ook al was de verwarmingssnelheid vergelijkbaar. Deze resultaten werden gerationaliseerd op basis van preferentiële condensatie van waterdamp uit het laserverwarmde reservoir op de koelere luchtwaterinterface aan de andere kant van de porie (figuur 7B,D). Het was echter niet mogelijk om de snelheid van massaoverdracht in deze experimentele configuratie te meten. Figuur 7: Luchtwaterinterfaces. (A) Computer-verbeterde 3D reconstructies van de lucht-water interface bij inhammen van silica-GEMs onderwater (kolom hoogte, z ∙ 5 mm; laservermogen = 0,6 mW) samen met dwarsdoorsnede uitzicht langs de witte stippellijnen (aan de linker-en rechterkant van het centrale beeld). Als gevolg van verwarming van de laser aan de bovenzijde, waterdamp gecondenseerd in de holtes, het verplaatsen van de gevangen lucht. Dit veroorzaakte de lucht-water meniscus om omhoog uit te puilen en onstabiel te worden. Na 1,5 uur werden de meeste holtes door water binnengedrongen. (B) Confocale micrografen van silica-GEM’s onder vergelijkbare omstandigheden als onder A). (C) Schematisch van het uitpuilen van de lucht-water meniscus in het geval van reentrant holtes onder water. (D) Schematisch voor een porie in silica-GEM’s onder vergelijkbare omstandigheden. Warmwaterdamp condenseert overal, met name op de koelere lucht-water interface aan de zijkant verder van de laser. Als gevolg van deze massaoverdracht is er een minimale drukopbouw in de porie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Direct contact membraandistillatie met GEM’sNadat is vastgesteld dat silica-GEM’s aan weerszijden twee waterreservoirs robuust kunnen scheiden, werd een statische DCMD-configuratie getest, waarbij de zoute feedside (0,6 M NaCl bij T = 333 K) en gedeïoniseerde permeatezijde(T = 288 K) statische reservoirs waren. Hoewel silica-GEMs waterbinnendringen verhinderden, werden meetbare fluxen niet waargenomen. Dit was te wijten aan het feit dat de thermische geleidbaarheid van silicium (k = 149 W-m-1 K-1)41 ordes van grootte hoger is dan die van typische DCMD membranen (d.w.z., k < 1 W-m-1-K-1)2. Zo had de experimentele opzet met silica-GEMs last van wat bekend staat als temperatuurpolarisatie, waarbij de hete kant warmte verliest aan de koude kant, waardoor de flux31wordt verlaagd. Het kan mogelijk zijn om de thermische geleidbaarheid van silicium te verminderen door middel van nanostructurering42 (bijvoorbeeld om de thermo-elektrische eigenschappen te verbeteren43), maar deze wegen werden niet onderzocht. In plaats daarvan werden de ontwerpprincipes van silica-GEMs vertaald naar polymethylmethacrylaat (PMMA) vellen (γo ∙ 70° voor water, k = 0,19 W-m-1-K-1)40 om PMMA-GEMs37te creëren . De eerste (proof-of-concept) batch PMMA-GEM’s met een lage porositeit (van 0,08) vertoonde namelijk een robuuste scheiding van de voedingszijde en doordrongen en leverde een flux van 1 L-m2-h-1 op over 90 uur. Zo is het mogelijk om deze silica-GEMs gebaseerde studies te vertalen naar het gebruik van meer voorkomende materialen voor het genereren van groenere, lagere kosten membranen voor ontzilting. Aanvullende film. Klik hier om dit bestand te bekijken (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden).

Discussion

Dit werk presenteert het ontwerp en de fabricage van silica-GEMs, de allereerste DCMD membranen afkomstig van hydrofiele materialen. Microfabricage met het SiO₂/Si systeem biedt enorme flexibiliteit om microtexturen te creëren om creatieve ideeën te testen. Natuurlijk is de reikwijdte van dit werk beperkt tot de proof-of-concept voor GEMs, omdat SiO₂/Si/SiO₂ wafers en cleanroom microfabricage protocollen onpraktisch zijn voor ontziltingsmembranen.

Opgemerkt moet worden dat, hoewel de GEMs-architectuur het binnendringen van water bij onderdompeling kan voorkomen wanneer de intrinsieke contacthoek is verbeterd_o ≥ 40°, deze strategie faalt als het oppervlak superhydrofiel wordt gemaakt. Bijvoorbeeld, na blootstelling aan zuurstofplasma vertonen silicaoppervlakken een vertonen van _5°, en deze silica-GEM’s verliezen lucht die spontaan als bellen in de poriën wordt opgesloten, omdat de vloeibare meniscus niet meer vastzit aan de reentrantranden. Gemeenschappelijke kunststoffen, zoals polyvinylalcohol (_51°) en poly(ethyleentereftalaat) (γ_o ∙ 72°), moeten echter vatbaar zijn voor deze aanpak. Zo kunnen ontwerpprincipes van silica-GEM’s worden opgeschaald met behulp van 3D-printen^44,additive manufacturing^45,lasermicromachining⁴⁶en CNC frezen³⁷, enz.

Vervolgens worden enkele cruciale aspecten van de microfabricage van silica-GEM’s besproken, die speciale aandacht vereisen. De handmatige uitlijning van de achterkant (sectie 8) van de functies moet met zoveel mogelijk zorg worden uitgevoerd om verticaal uitgelijnde poriën te bereiken. Compensaties kunnen leiden tot porie-kelen, en in het ergste geval kan de verkeerde uitlijning leiden tot alleen gaatjes aan weerszijden (geen poriën). Zo wordt voorgesteld om multi-schaal uitlijning merken te gebruiken, met de kleinste uitlijning merk is ten minste vier keer kleiner dan de porie diameter.

Tijdens het etsen van de silicalaag met C₄F₈ en O₂ (stap 10.1) kan voorafgaand gebruik (d.w.z. netheid) van de reactiekamer de etssnelheden beïnvloeden. Dit komt door de aanwezigheid van verontreinigingen in de reactiekamer, een veel voorkomend optreden in gedeelde gebruikersfaciliteiten zoals universiteiten. Daarom wordt aanbevolen dat deze stap eerst wordt uitgevoerd op een dummy wafer om ervoor te zorgen dat het systeem schoon en stabiel is. Ook wordt geadviseerd om korte perioden te gebruiken voor etsen (bijvoorbeeld niet meer dan 5 min tijdens het bewaken van de dikte van de silicalaag met behulp van reflectometry). Als het bijvoorbeeld 16 min nodig heeft om een 2 μm SiO_2-laag volledig te verwijderen uit een SiO₂/Si/SiO₂ wafer, moet het etsproces worden onderverdeeld in vier stappen bestaande uit drie 5 mincycli, gevolgd door reflectometry, en één 1 min (optionele) etsstap, gebaseerd op de resultaten van reflectometry.

Om de silica reentrant functies te behouden tijdens het Bosch-proces dat wordt gebruikt om de siliciumlaag te etsen (stap 10.4), is het van cruciaal belang dat een chroomhard masker wordt gebruikt. Het Bosch-proces houdt de afzetting van C₄F₈ in om het anisotropische profiel te waarborgen. Echter, over lange etscycli, kan deze laag erg dik en moeilijk te verwijderen. Zo wordt aanbevolen dat het Bosch-proces niet langer dan ~ 200 cycli wordt uitgevoerd, en het moet worden gevolgd door piranha-reiniging. Het is ook waargenomen dat lange cycli van diepe etsen ook de dikte van de silicalaag verminderen, ondanks de aanwezigheid van een chroomhard masker.

De meeste droge etsgereedschappen slagen er niet in om ruimtelijke uniformiteit te bereiken in termen van etssnelheden. De functies die in het midden van een SiO 2/SiO₂ wafer zijn verkregen, zijn dus mogelijk niet dezelfde als die op de grens van de wafer. Hier werden hoogwaardige kenmerken gerealiseerd in het midden van 4″ wafers, en monsters werden periodiek waargenomen onder een microscoop. In het geval dat sommige regio’s meer zijn geëtsten dan andere, moet de wafer worden gebroken in stukken die afzonderlijk moeten worden geëtste.

Dit fabricageprotocol kan worden toegepast op SiO 2/Si/SiO₂ wafers van elke dikte; echter, een dikkere laag betekent dat een hoger aantal etscycli nodig is. Er wordt voorgesteld om siliciumwafers van <300 μm dikte te gebruiken, zolang dit de mechanische integriteit van de wafer tijdens het hanteren en karakteriseren niet in gevaar brengt.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

H.M. erkent financiering van de King Abdullah University of Science and Technology in het kader van BAS/1/1070-01-01 en KAUST toegang tot nanofabricage kernlabfaciliteiten.

Materials

3D Printer	BCN3D	020.180510.3103	BCN3D Sigma 3D printer for printing test module with PLA (polylactic acid) filament.
Acetone	BASF
AZ-5214 E photoresist	Merck
AZ-726 MIF developer	Merck
Chrome Etchant	MicroChemicals	TechniEtch Cr01	To remove chromium from silicon wafer and mask
Conductivity Meter	Hanna	HI98192	To measure conductivity of pure water during leak testing.
Confocal microscope	Zeiss	ZEISS LSM 710	For fluorescence imaging of water.
Contact Aligner	EVG	EVG6200	Mask aligner
Deep ICP-RIE	Oxford Instruments	Plasmalab system100
DI water
Direct writer	Heidelberg Instruments	µPG501 direct-writing system	UV exposure
Food Dye	Kroger		Green food dye to label salty water.
Glass Petri dish	VWR
HMDS vapor prime	Yield Engineering systems
Hot plate	Cost effective equipments	Model 1300
Hydrogen peroxide 30%	VWR chemicals		To prepare piranha solution.
Imaris software	Bitplane	Version 8	Postprocess confocal microscopy images
Nitrogen gas
Optical surface profiler	Zygo	Zygo newview 7300
Photomask	Nanofilm		5-inch soda lime glass mask
Profilometer	Veeco	Detak 8	Stylus profilometer
Reactive Sputter	Equipment Support Company Ltd		Chromium sputtering
Reactive-Ion Etching (RIE)	Oxford Instruments	Plasmalab system100
Reflectometer	Nanometrics	Nanospec 6100	To check remaining oxide layer thickness.
Rhodamine B	Merck	81-88-9	Dye for imaging water meniscus under confocal microscope.
SEM stub	Electron Microscopy Sciences
SEM-Quanta 3D	FEI	Quanta 3D FEG Dual Beam (SEM/FIB)
Silicon wafer	Silicon Valley Microelectronics		Double side polished, 4" diamater, 300 µm thickness, 2 µm thick oxide layer, p-doped, <100> orientation.
Sodium Chloride	Merck	7647-14-5	For preparing NaCl solution
Sonicator	Branson	1510
Spin coater	Headway Research,Inc.
Spin dryer	MicroProcess	Avenger Ultra Pure 6	Spin drying in Nitrogen environment.
Sputter	Quorum Technologies	Q150T S	Iridium sputter for SEM.
Sulfuric acid 96%	Technic	764-93-9	To prepare piranha solution.
Tanner EDA L-Edit software	Tanner EDA, Inc.		For designing photomask
Tweezers	Excelta
UV Cure	Tamarack Scientific Co. Inc.	PRX-2000-20	For flood exposure of wafer and photomask
Vaccum oven	Thermo Scientific	13-258-13	Lindberg/Blue M
Wet bench	JST Manufacturing Inc.	17391-015-00	Wet bench used for piranha cleaning

References

Fisher, J. B., et al. The future of evapotranspiration: Global requirements for ecosystem functioning, carbon and climate feedbacks, agricultural management, and water resources. Water Resources Research. 53 (4), 2618-2626 (2017).
Deshmukh, A., et al. Membrane distillation at the water-energy nexus: limits, opportunities, and challenges. Energy & Environmental Science. 11 (5), 1177-1196 (2018).
Ali, A., Tufa, R. A., Macedonio, F., Curcio, E., Drioli, E. Membrane technology in renewable-energy-driven desalination. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 81, 1-21 (2018).
Ghaffour, N., et al. Renewable energy-driven innovative energy-efficient desalination technologies. Applied Energy. 136, 1155-1165 (2014).
Chen, J., et al. Recovery of dilute aqueous butanol by membrane vapor extraction with dodecane or mesitylene. Journal of Membrane Science. 528, 103-111 (2017).
Wang, P., Chung, T. -. S. Recent advances in membrane distillation processes: Membrane development, configuration design and application exploring. Journal of Membrane Science. 474, 39-56 (2015).
Khayet, M. Membranes and theoretical modeling of membrane distillation: A review. Advances in Colloid and Interface Science. 164 (1-2), 56-88 (2011).
Drioli, E., Ali, A., Macedonio, F. Membrane distillation: Recent developments and perspectives. Desalination. 356, 56-84 (2015).
Souhaimi, M. K., Matsuura, T. . Membrane Distillation. 1st edn. , (2011).
Janssen, D., De Palma, R., Verlaak, S., Heremans, P., Dehaen, W. Static solvent contact angle measurements, surface free energy and wettability determination of various self-assembled monolayers on silicon dioxide. Thin Solid Films. 515 (4), 1433-1438 (2006).
Hendren, Z. D., Brant, J., Wiesner, M. R. Surface modification of nanostructured ceramic membranes for direct contact membrane distillation. Journal of Membrane Science. 331 (1-2), 1-10 (2009).
Verho, T., et al. Mechanically Durable Superhydrophobic Surfaces. Advanced Materials. 23, 673-678 (2011).
Boinovich, L., Emelyanenko, A. M., Pashinin, A. S. Analysis of Long-Term Durability of Superhydrophobic Properties under Continuous Contact with Water. ACS Applied Materials & Interfaces. 2 (6), 1754-1758 (2010).
Lindstrom, A. B., Strynar, M. J., Libelo, E. L. Polyfluorinated compounds: past, present, and future. Environmental Science & Technology. 45 (19), 7954-7961 (2011).
Gryta, M. Influence of polypropylene membrane surface porosity on the performance of membrane distillation process. Journal of Membrane Science. 287 (1), 67-78 (2007).
An, A. K., et al. Enhanced vapor transport in membrane distillation via functionalized carbon nanotubes anchored into electrospun nanofibres. Scientific Reports. 7, (2017).
Hammami, M. A., et al. Engineering Hydrophobic Organosilica Nanoparticle-Doped Nanofibers for Enhanced and Fouling Resistant Membrane Distillation. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (2), 1737-1745 (2017).
Shi, Y., et al. A 3D Photothermal Structure toward Improved Energy Efficiency in Solar Steam Generation. Joule. 2 (6), 1171-1186 (2018).
Wang, W., et al. Simultaneous production of fresh water and electricity via multistage solar photovoltaic membrane distillation. Nature Communications. 10 (1), 3012 (2019).
Hensel, R., Neinhuis, C., Werner, C. The springtail cuticle as a blueprint for omniphobic surfaces. Chemical Society Reviews. 45 (2), 323-341 (2016).
Helbig, R., Nickerl, J., Neinhuis, C., Werner, C. Smart Skin Patterns Protect Springtails. PLoS ONE. 6 (9), 25105 (2011).
Andersen, N. M., Cheng, L. The marine insect Halobates (Heteroptera: Gerridae): biology, adaptations, distribution, and phylogeny. Oceanography and Marine biology: an Annual Review. 42, 119-180 (2004).
Cheng, L. Marine and Freshwater Skaters: Differences in Surface Fine Structures. Nature. 242, 132 (1973).
Gao, X., Jiang, L. Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36 (2004).
Golovin, K. B., Gose, J., Perlin, M., Ceccio, S. L., Tuteja, A. Bioinspired surfaces for turbulent drag reduction. Philosophical Transactions of the Royal Society A – Mathematical Physical and Engineering Sciences. 374 (2073), (2016).
Liu, T. Y., Kim, C. J. Turning a surface superrepellent even to completely wetting liquids. Science. 346 (6213), 1096-1100 (2014).
Domingues, E. M., Arunachalam, S., Mishra, H. Doubly Reentrant Cavities Prevent Catastrophic Wetting Transitions on Intrinsically Wetting Surfaces. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (25), 21532-21538 (2017).
Arunachalam, S., Das, R., Nauruzbayeva, J., Domingues, E. M., Mishra, H. Assessing omniphobicity by immersion. Journal of Colloid and Interface Science. 534, 156-162 (2019).
Domingues, E. M., Arunachalam, S., Nauruzbayeva, J., Mishra, H. Biomimetic coating-free surfaces for long-term entrapment of air under wetting liquids. Nature Communications. 9 (1), 3606 (2018).
Gonzalez-Avila, S. R., Nguyen, D. M., Arunachalam, S., Domingues, E. M., Mishra, H., Ohl, C. D. Mitigating cavitation erosion using biomimetic gas-entrapping microtextured surfaces. Science Advances. , (2020).
Subramanian, N., et al. Evaluating the potential of superhydrophobic nanoporous alumina membranes for direct contact membrane distillation. Journal of Colloid and Interface Science. 533, 723-732 (2019).
Wenzel, R. N. Resistance of solid surface to wetting by water. Industrial and Engineering Chemistry. 28 (8), 7 (1936).
Cassie, A. B. D., Baxter, S. Wettability of porous surfaces. Transactions of the Faraday Society. 40, 0546-0550 (1944).
Kaufman, Y., et al. Simple-to-Apply Wetting Model to Predict Thermodynamically Stable and Metastable Contact Angles on Textured/Rough/Patterned Surfaces. The Journal of Physical Chemistry C. 121 (10), 5642-5656 (2017).
Mishra, H., et al. Time-Dependent Wetting Behavior of PDMS Surfaces with Bioinspired, Hierarchical Structures. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (12), 8168-8174 (2016).
Seo, D., et al. Rates of cavity filling by liquids. Proceedings of the National Academy of Sciences. , (2018).
Das, R., Arunachalam, S., Ahmad, Z., Manalastas, E., Mishra, H. Bio-inspired gas-entrapping membranes (GEMs) derived from common water-wet materials for green desalination. Journal of Membrane Science. 588, 117185 (2019).
Tanner Research. . Manual, L.-E.U. , (1996).
Xu, M. C., Sun, G. U., Kim, C. J. Infinite Lifetime of Underwater Superhydrophobic States. Physical Review Letters. 113 (13), (2014).
Arunachalam, S., Domingues, E. M., Das, R., Nauruzbayeva, J., Buttner, U., Syed, A., Mishra, H. Rendering SiO2/Si Surfaces Omniphobic by Carving Gas-Entrapping Microtextures Comprising Reentrant and Doubly Reentrant Cavities or Pillars. Journal of Visualized Experiments. , e60403 (2020).
Dean, J. A. . Lange’s Handbook of Chemistry. , (1999).
Yu, J. K., Mitrovic, S., Tham, D., Varghese, J., Heath, J. R. Reduction of thermal conductivity in phononic nanomesh structures. Nature Nanotechnology. 5 (10), 718-721 (2010).
Mishra, H., et al. Thermomechanical and Thermal Contact Characteristics of Bismuth Telluride Films Electrodeposited on Carbon Nanotube Arrays. Advanced Materials. 21 (42), 4280 (2009).
Liu, X., et al. 3D Printing of Bioinspired Liquid Superrepellent Structures. Advanced Materials. , 1800103 (2018).
Jafari, R., Cloutier, C., Allahdini, A., Momen, G. Recent progress and challenges with 3D printing of patterned hydrophobic and superhydrophobic surfaces. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. , 1-14 (2019).
Vorobyev, A., Guo, C. Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses. Journal of Applied Physics. 117 (3), 033103 (2015).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Das, R., Arunachalam, S., Ahmad, Z., Manalastas, E., Syed, A., Buttner, U., Mishra, H. Proof-of-Concept for Gas-Entrapping Membranes Derived from Water-Loving SiO₂/Si/SiO₂ Wafers for Green Desalination. J. Vis. Exp. (157), e60583, doi:10.3791/60583 (2020).

Automatically Generated