Procedure voor de overdracht van polymeer folies op poreuze substraten met geminimaliseerde gebreken
Summary
We presenteren een procedure voor een zeer gecontroleerde en rimpelloze overdracht van blokcopolymeer dunne films op poreuze ondersteunings substraten met behulp van een 3D-gedrukte afvoer kamer. De afvoer kamer ontwerp is van algemeen belang voor alle procedures waarbij de overdracht van macromoleculaire films op poreuze substraten, die normaalgesproken met de hand gedaan in een irreproducible mode.
Abstract
De fabricage van apparaten met dunne film composiet membranen vereist de overdracht van deze films op het oppervlak van willekeurige ondersteunings substraten. Het volbrengen van deze overdracht in een zeer gecontroleerde, gemechaniseerde, en reproduceerbare manier kan elimineren de oprichting van macroniveau defect structuren (bijv. scheuren, scheuren, en rimpels) binnen de dunne film die compromis prestaties van het apparaat en het bruikbare gebied per monster. Hier beschrijven we een algemeen protocol voor de zeer gecontroleerde en gemechaniseerde overdracht van een polymere dunne film op een willekeurig poreus ondersteunings substraat voor eventueel gebruik als een water filtratie membraan apparaat. Concreet, we fabriceren een blokcopolymeer (BCP) dunne film op de top van een offer, in water oplosbare poly (acrylzuur) (Pauwels) laag en silicium wafer substraat. Vervolgens gebruiken we een op maat ontworpen, 3D-gedrukte Transfer Tool en afvoer kamersysteem te deponeren, Lift-off, en de overdracht van de BCP dunne film op het centrum van een poreuze geanodiseerd aluminiumoxide (AAO) ondersteuning disc. De overgebrachte BCP dunne film is aangetoond dat consequent worden geplaatst op het centrum van de steun oppervlak als gevolg van de begeleiding van de meniscus gevormd tussen het water en de 3D-gedrukte plastic afvoer kamer. We vergelijken ook onze gemechaniseerde Transfer-verwerkte dunne films naar degenen die zijn overgedragen met de hand met het gebruik van een pincet. Optische inspectie en beeldanalyse van de overgedragen dunne films uit het gemechaniseerde proces bevestigen dat er weinig-tot-geen macroniveau niet of plastic vervormingen worden geproduceerd, in vergelijking met de veelheid van tranen en rimpels geproduceerd uit handmatige overdracht met de hand. Onze resultaten suggereren dat de voorgestelde strategie voor dunne film overdracht kan verminderen gebreken in vergelijking met andere methoden in vele systemen en toepassingen.
Introduction
Thin film en nanomembrane-gebaseerde apparaten hebben onlangs garnered brede belangstelling als gevolg van hun potentieel gebruik in een breed scala van toepassingen, variërend van flexibele fotovoltaïsche en fotonica, opvouwbare displays, en draagbaar elektronica1, 2 , 3. een vereiste voor de fabricage van deze verschillende soorten apparaten is de overdracht van dunne films naar de oppervlakken van willekeurige substraten, die blijft uitdagend als gevolg van de kwetsbaarheid van deze films en de frequente productie van macroniveau defect structuren, zoals rimpels, scheuren, en tranen, binnen de films na overdracht4,5,6,7. Handmatige overdracht met de hand, pincet, en draad lussen zijn gemeenschappelijke methoden van dunne film overdracht, maar onvermijdelijk resulteren in structurele ongerijmdheden en plastische vervorming8,9. Verschillende soorten van thin film Transfer methoden zijn onderzocht, zoals: 1) Polydimethylsiloxaan (PDMS) stempel overdracht, waarbij het gebruik van een elastomeer stempel om de dunne film te verkrijgen van de donor substraat en vervolgens overdragen aan de ontvangende substraat10, en 2) offer laag Transfer11, waarin een ETS wordt gebruikt om selectief te ontbinden een offer laag tussen de steun substraat en de dunne film, waardoor het opheffen van de dunne film. Echter, deze technieken alleen niet noodzakelijkerwijs zorgen voor dunne film overdracht zonder schade aan of defect vorming binnen de dunne films12.
Hier presenteren we een nieuwe, goedkope, en generaliseerbare, gemakkelijke methode gebaseerd op offer laag Lift-off en meniscus-geleide overdracht binnen een op maat ontworpen, 3D-gedrukte afvoer kamersysteem, mechanisch plaats Block copolymeer (BCP) dunne films op de centra van poreuze substraten zoals geanodiseerd aluminiumoxide (AAO) schijven met weinig-tot-geen opgelopen macroniveau defect structuren, zoals rimpels, tranen en scheuren. In de huidige context, deze overgedragen dunne films kunnen dan worden gebruikt als apparaten in water filtratie studies, mogelijk na sequentiële infiltratie synthese (SIS) verwerking9. Beeldanalyse van overgebrachte films verkregen uit optische microscopie blijkt dat de meniscus-geleide, afvoer-kamersysteem zorgt voor soepele, robuuste, en rimpel-vrije monsters. Bovendien tonen de beelden ook het vermogen van het systeem aan om de dunne film membranen op de centra van de ontvangende substraten betrouwbaar te plaatsen. Onze resultaten hebben significante implicaties voor om het even welk type van apparaten toepassing die de overdracht van dunne filmstructuren op de oppervlakten van willekeurige poreuze substraten vereisen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hoewel veel van de stappen die in dit protocol zijn van cruciaal belang voor het succes van de dunne film overdracht, de aard van de op maat ontworpen 3D gedrukte afvoer kamer zorgt voor een brede flexibiliteit, volgens de specifieke eisen van de gebruiker. Bijvoorbeeld, als de ontvanger substraat heeft een grotere diameter dan de 25-mm-diameter AAO schijven gebruikt in deze studie, de afvoer kamer kan adequaat worden aangepast aan de nieuwe specificaties te passen. Er zijn echter bepaalde aspecten van het protocol die n…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund als onderdeel van de Advanced Materials voor Energy-water Systems (AMEWS) Center, een energie Frontier Research Center gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van energie, Office of Science, Basic Energy Sciences. Wij erkennen dankbaar nuttige discussies met Mark Stoykovich en 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
- 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).
- Kim, T. H., et al. Full-colour quantum dot displays fabricated by transfer printing. Nat. Photon. 5 (3), 176 (2011).
- Nomura, K., et al. Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors. Nature. 432 (7016), 488 (2004).
- 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).
- 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).
- Zhu, W., et al. Structure and electronic transport in graphene wrinkles. Nano Letters. 12 (7), 3431-3436 (2012).
- 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).
- Stadermann, M., et al. Fabrication of large-area free-standing ultrathin polymer films. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (100), e52832 (2015).
- 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).
- Meitl, M. A., et al. Transfer printing by kinetic control of adhesion to an elastomeric stamp. Nature Materials. 5 (1), 33 (2006).
- Suk, J. W., et al. Transfer of CVD-grown monolayer graphene onto arbitrary substrates. ACS Nano. 5 (9), 6916-6924 (2011).
- Chen, Y., Gong, X. L., Gai, J. G. Progress and Challenges in Transfer of Large-Area Graphene Films. Advanced Science. 3 (8), 1500343 (2016).
