تلفيق منطقة كبيرة قائمة بذاتها سامسونج بوليمر أفلام
Özet
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.
Abstract
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.
Introduction
وتستخدم الأفلام البلاستيكية ورقيقة قائمة بذاتها في مجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك أجهزة الاستشعار، 1-3 ممس، الحفز أو الترشيح، 4 وهندسة الأنسجة. 5-8 كما أنها تستخدم للدراسات الأساسية استكشاف سلوك البوليمرات تحت الحبس. 9- 13 فيلم قائم بذاته هو واحد معتمد على ركيزة غير مستمرة مثل حلقة حلقية أو طارة بدلا من رقاقة السيليكون أو شريحة زجاجية. يصف هذا العمل إجراء بسيط ويمكن تكرارها لتصنيع سامسونج والأفلام البلاستيكية وقائمة بذاتها التي هي مناسبة للأفلام مساحة واسعة أو إنتاج عالية الإنتاجية. وهو متوافق مع مجموعة متنوعة من البوليمرات المختلفة، بما في ذلك بولي (فينيل الرسمي)، البوليسترين، وبولي (ميتاكريليت الميثيل). ويمكن استخدامه لصنع الأفلام بذاتها التي هي كبيرة مثل 13 سم القطر أو رقيقة مثل 10 نانومتر.
تصنيع البوليمرات قائم بذاته يتكون من ثلاث خطوات أساسية: 1) دeposition من فيلم البوليمر على ركيزة التقليدية مثل رقاقة أو شريحة، 2) إطلاق سراح أو الاقلاع من الفيلم من الركيزة، و3) القبض على الفيلم الناتج على الدعم. تفاصيل هذه الورقة إجراء من شأنه أن ذكرنا في دراسة سابقة على أساليب الإفراج المختلفة. 14
لا يمكن أن يتحقق ترسب من قبل أي عدد من التقنيات الأساسية البوليمر رقيقة فيلم مثل تدور طلاء، ترسب البخار، أو تراجع الطلاء. في هذا العمل، نحن نستخدم تقنيات تدور طلاء القياسية.
و"تعويم خارج المصعد على" الأسلوب هو الأسلوب الأكثر شيوعا للإفراج عن فيلم سامسونج من ركيزة لها. 15 في هذه التقنية، الفيلم، والركيزة مغمورة في حمام مذيب مناسب. المذيب تتضخم الفيلم، ويدفع التبطين عفوية، والإفراج عن الفيلم، والسماح لها أن تطفو على الجزء العلوي من الحمام. سمك الفيلم الحد الأدنى الذي يمكنسيتم الافراج عن استخدام المصعد خارج تطفو على يتحدد التوازن بين الطاقة تقشير بينية مع الطاقة السلالة التي يسببها الورم: 16
(1)
حيث L هو سمك الفيلم، ν و هي نسبة بواسون من الفيلم، وE هو معامل يونغ من الفيلم، ξ هو نسبة تورم في الفيلم، وγ هي الطاقة بينية من تقشير. الطريقة النموذجية لتجاوز قيود التي تفرضها المعادلة (1) هو إيداع البينية الأضاحي بين الفيلم والركيزة الترسيب. 17-20 عندما يذوب هذا البينية في حمام المذيبات، والإفراج عن الفيلم، ويمكن الحصول عليها على الدعم . وهناك طريقة ذات الصلة هو الأسلوب overlayer القرباني، الذي يستخدم التقشير الميكانيكي للفيلم على طبقة العلاقات العامة الأضاحيIOR إلى حل. 21
استخدام المواد فداء لديها العديد من العوائق الرئيسية. أولا، من خلال إضافة مواد عملية إضافية وخطوة قد تتطلب حلا وسطا بين أفضل الظروف فيلم تلفيق وشروط تجهيز المواد فداء. ثانيا، قد تكون المواد الأضاحي الصعب الودائع دون التأثير على الخواص الميكانيكية أو نقاء الفيلم قائم بذاته النهائي. ثالثا، يجب أن يكون الأمثل عملية إيداع المواد الأضاحي ومراقبة للجودة باعتبارها عملية في العام بذاتها فيلم تلفيق. 14
في هذا العمل، وصفنا تقنية تعديل السطح أن يقلل من الطاقة تقشير بينية، مما يساعد على رفع خارج تطفو على تقنية لاستخدامها في الأفلام سامسونج. يتم تعديل الركيزة ترسب عن طريق تجميع ذاتي محدود،-تحسين الذات بالقرب من أحادي الطبقة من كلوريد polycation polydiallyldiammonium (PDAC). بسببقوة الربط بين polycation والركيزة، هذا التعديل سطح قوي لخطوات عملية لاحقة. طبيعة الذاتي الحد وتحسين الذات من تشكيل شبه أحادي الطبقة يتطلب عمليا الصفر الأمثل وغير قابلة بسهولة إلى مناطق واسعة.
بعد إزالة، الفيلم يتحرك إلى الجزء العلوي من الحمام المذيبات حيث تم القبض على دعم مثل طوق. في حين لم تعط اهتماما كبيرا في الأدب موجود في هذا العمل سنقوم بشرح التقنيات لالتقاط أفلام مساحة واسعة على الدعم الذي يقلل من احتمال حدوث تمزق أو تلف وإلا فإن الفيلم.
Protocol
Representative Results
Discussion
يستند العلاج الركيزة PDAC على الذاتي الحد التفاعلات كهرباء، وهذا يعني ركائز من أي حجم يمكن علاجه بسهولة شريطة أن تكون سالبة الشحنة (على سبيل المثال، والسيليكون أو الزجاج). أرقام 1-2 يبين الأغشية الرقيقة كبيرة جدا (تصل إلى 13 سم في القطر) ملفقة باستخدام هذا ال…
Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تتم تحت إشراف وزارة الطاقة في الولايات المتحدة من قبل مختبر لورانس ليفرمور الوطني بموجب عقد DE-AC52-07NA27344 هذا العمل.
Materials
| 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 |
Referanslar
- Cheng, W., Campolongo, M. J., Tan, S. J., Luo, D. Freestanding ultrathin nano-membranes via self-assembly. Nano Today. 4, 482-493 (2009).
- Greco, F., et al. Ultra-thin conductive free-standing PEDOT/PSS nanofilms. Soft Matter. 7, 10642-10650 (2011).
- Matsui, J., Mitsuishi, M., Aoki, A., Miyashita, T. Molecular Optical Gating Devices Based on Polymer Nanosheets Assemblies. J. Am. Chem. Soc. 126, 3708-3709 (2004).
- Ulbricht, M. Advanced functional polymer membranes. Polymer. 47, 2217-2262 (2006).
- Fujie, T., et al. Robust Polysaccharide Nanosheets Integrated for Tissue-Defect Repair. Adv. Funct. Mater. 19, 2560-2568 (2009).
- Okamura, Y., Kabata, K., Kinoshita, M., Saitoh, D., Takeoka, S. Free-Standing Biodegradable Poly(lactic acid) Nanosheet for Sealing Operations in Surgery. Adv. Mater. 21, 4388-4392 (2009).
- Sreenivasan, R., Bassett, E. K., Hoganson, D. M., Vacanti, J. P., Gleason, K. K. Ultra-thin gas permeable free-standing and composite membranes for microfluidic lung assist devices. Biomaterials. 32, 3883-3889 (2011).
- Wan, L. -. S., Liu, Z. -. M., Xu, Z. -. K. Surface engineering of macroporous polypropylene membranes. Soft Matter. 5, 1775-1785 (2009).
- Alcoutlabi, M., McKenna, G. B. Effects of confinement on material behaviour at the nanometre size scale. Journal of Physics-Condensed Matter. 17, R461-R524 (2005).
- Ellison, C. J., Torkelson, J. M. The distribution of glass-transition temperatures in nanoscopically confined glass formers. Nature Materials. 2, 695-700 (2003).
- Priestley, R. D., Ellison, C. J., Broadbelt, L. J., Torkelson, J. M. Structural relaxation of polymer glasses at surfaces, interfaces and in between. Science. 309, 456-459 (2005).
- Si, L., Massa, M. V., Dalnoki-Veress, K., Brown, H. R., Jones, R. A. L. Chain entanglement in thin freestanding polymer films. Phys. Rev. Lett. 94, (2005).
- Torres, J. M., Stafford, C. M., Vogt, B. D. Elastic Modulus of Amorphous Polymer Thin Films: Relationship to the Glass Transition Temperature. Acs Nano. 3, 2677-2685 (2009).
- Baxamusa, S. H., et al. Enhanced Delamination of Ultrathin Free-Standing Polymer Films via Self-Limiting Surface Modification. Langmuir. 30, 5126-5132 (2014).
- Buck, M. E., Lynn, D. M. Free-Standing and Reactive Thin Films Fabricated by Covalent Layer-by-Layer Assembly and Subsequent Lift-Off of Azlactone-Containing Polymer Multilayers. Langmuir. 26, 16134-16140 (2010).
- Freund, L. B., Suresh, S. . Thin Film Materials: Stress, Defect Formation and Surface Evolution. , (2003).
- Dubas, S. T., Farhat, T. R., Schlenoff, J. B. Multiple Membranes from “True” Polyelectrolyte Multilayers. J. Am. Chem. Soc. 123, 5368-5369 (2001).
- Linder, V., Gates, B. D., Ryan, D., Parviz, B. A., Whitesides, G. M. Water-soluble sacrificial layers for surface micromachining. Small. 1, 730-736 (2005).
- Mamedov, A. A., Kotov, N. A. Free-Standing Layer-by-Layer Assembled Films of Magnetite Nanoparticles. Langmuir. 16, 5530-5533 (2000).
- Ono, S. S., Decher, G. Preparation of Ultrathin Self-Standing Polyelectrolyte Multilayer Membranes at Physiological Conditions Using pH-Responsive Film Segments as Sacrificial Layers. Nano Lett. 6, 592-598 (2006).
- Stroock, A. D., Kane, R. S., Weck, M., Metallo, S. J., Whitesides, G. M. . Synthesis of Free-Standing Quasi-Two-Dimensional Polymers. Langmuir. 19, 2466-2472 (2002).
- Kriz, J., Dybal, J., Kurkova, D. Cooperativity in macromolecular interactions as a proximity effect: NMR and theoretical study of electrostatic coupling of weakly charged complementary polyions. J. Phys. Chem. B. 107, 12165-12174 (2003).
- Krogman, K. C., Zacharia, N. S., Schroeder, S., Hammond, P. T. Automated Process for Improved Uniformity and Versatility of Layer-by-Layer Deposition. Langmuir. 23, 3137-3141 (2007).
- Hall, D. B., Underhill, P., Torkelson, J. M. Spin coating of thin and ultrathin polymer films. Polymer Engineering & Science. 38, 2039-2045 (1998).
