המצאה של שטח גדול שעמדה חופשית Ultrathin פולימריים סרטים

Summary

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

סרטי פולימרים דקים שעמדו חופשי משמשים במגוון רחב של יישומים, כולל חיישנים, ^1-3 MEMS, קטליזה או סינון, ⁴ והנדסת רקמות. ^5-8 הם משמשים גם למחקרים בסיסיים לחקור את ההתנהגות של פולימרים תחת כליאה. ^{9- 13} סרט שעמד חופשי הוא אחד כי הוא נתמך על מצע שאינו רציף כמו טבעת או חישוק בניגוד לפרוסות סיליקון או שקופיות זכוכית טבעתית. עבודה זו מתארת ​​תהליך פשוט, הדיר ייצור לסרטי פולימר שעמד חופשיים Ultrathin שמתאים לסרטי שטח גדול או ייצור תפוקה גבוהה. זה תואם עם מגוון רחב של פולימרים שונים, כולל פולי, קלקר, ופולי (methacrylate מתיל) (ויניל הרשמי). ניתן להשתמש בו כדי להמציא סרטים שעמדו חופשיים, כי הם גדולים כמו קוטר 13 סנטימטר או רזה כמו 10 ננומטר.

הייצור של פולימרים עמדו חופשיים מורכב משלושה שלבים בסיסיים: 1) דeposition של סרט פולימר על מצע מסורתי כגון רקיק או שקופיות, 2) שחרור או שיגור של סרט מהמצע, ו- 3) לכידתו של הסרט כתוצאה על תמיכה. מאמר זה מפרט הליך שדווחנו במחקר מוקדם יותר על שיטות שחרור שונות. ¹⁴

בתצהיר יכול להיות מושגת על ידי כל מספר של טכנולוגיות בסיסיות פולימר סרט דקות כמו ספין-ציפוי, שיקוע, או לטבול ציפוי. בעבודה זו, אנו מנצלים טכניקות ספין ציפוי סטנדרטית.

"לצוף את המתיחה על" טכניקה היא השיטה הנפוצה ביותר לשחרור סרט Ultrathin מהמצע שלה. ¹⁵ בטכניקה זו, הסרט ומצע שקוע באמבט ממס מתאים. הממס מתנפח סרט וגורם delamination הספונטני, משחרר את הסרט ומאפשר לו לצוף אל החלק העליון של האמבטיה. עובי סרט המינימום שיכולישוחרר באמצעות מעלית מחוץ ללצוף על נקבע על ידי איזון אנרגיית קילוף interfacial עם אנרגיית המתח מושרה-נפיחות: ¹⁶

(1)

כאשר L הוא עובי הסרט, _ו ν הוא היחס של פואסון של הסרט, E הוא מודול יאנג של הסרט, ξ הוא יחס הנפיחות של הסרט, וγ הוא אנרגיית interfacial של קילוף. הדרך האופיינית לעקוף את ההגבלה שהוטלה על ידי משוואה (1) היא להפקיד interlayer ההקרבה בין הסרט לבין המצע בתצהיר. ^17-20 כאשר interlayer זה מתמוסס באמבטית ממס, הסרט הוא שוחרר ויכול להיות שנתפס על תמיכה . שיטה קשורה היא שיטת overlayer ההקרבה, אשר מנצלת קילוף מכאני של הסרט על יחסי ציבור שכבת הקרבתIOR לפירוק. ²¹

השימוש בחומרי ההקרבה יש כמה חסרונות העיקריים. ראשית, התוספת של חומר תהליך נוסף וצעד עשויה לדרוש פשרה בין תנאי ייצור סרט אופטימליים ותנאי עיבוד חומר ההקרבה. שנית, חומרי ההקרבה עלולים להיות קשים להפקדה מבלי להשפיע על התכונות או טוהר מכאניים של הסרט שעמד חופשי הסופי. שלישית, התהליך להפקדת חומר ההקרבה חייב להיות מותאם ופיקוח על איכות כפעולה בייצור הסרט עמד חופשיים הכולל. ¹⁴

בעבודה זו, אנו מתארים טכניקת שינוי פני השטח שמקטינה את אנרגיית קילוף interfacial, המאפשר להרים את-לצוף על טכניקה שישמש לסרטי Ultrathin. המצע בתצהיר הוא שונה על ידי הרכבה-monolayer ליד עצמי מוגבל, אופטימיזציה עצמית של כלוריד polydiallyldiammonium polycation (PDAC). בגללכוחו של מחייב בין polycation והמצע, שינוי פני השטח זה הוא חזק לשלבים תהליך שלאחר מכן. טבע הגבלה העצמית ואופטימיזציה עצמית של ההיווצרות הקרוב monolayer דורש כמעט אפס אופטימיזציה והוא בקלות להרחבה לאזורים גדולים.

בעקבות ההסרה, הסרט צף לחלק העליון של האמבטיה הממס שבו הוא נתפס על תמיכה כמו חישוק. אמנם לא ניתנו תשומת לב רבה בספרות הקיימת, בעבודה זו נתאר טכניקות ללכידת סרטי שטח גדול על תומך שיפחית את ההסתברות של קריעה או אחר לפגוע בסרט.

Protocol

1. פתרון הכנה סנן 60 גרם של חומצת החלב אתיל באמצעות מזרק ומסנן מזרק 0.20 מיקרומטר. להוסיף 0.3 גרם של פוליוויניל הרשמי לקטט אתיל. מניחים את הפתרון לתנור על 50 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות. לנער את הבקבוקון בעדינות כדי לראות אם הפול?…

Representative Results

איור 1 מציג דוגמא של סרט פולימרים דק שעמד חופשי על פני שטח גדול. סרט פוליוויניל העבה זה 55 ננומטר הרשמי היה מפוברק באמצעות ההליך מתואר כאן והוא רכוב על חישוק פלדה בקוטר 13 סנטימטר. Delamination מתרחש על פני שטחים גדולים ללא החדרת פגמים שיובילו לקריעה של הסרט. לפיכך, הכ…

Discussion

טיפול מצע PDAC מבוסס על אינטראקציות אלקטרוסטטיות הגבלה עצמית, כלומר מצעים בכל גודל יכול להיות בקלות התייחס אל ובלבד שהם מטען שלילי (למשל, סיליקון או זכוכית). איורים 1-2 תערוכות סרטים דקים גדולים מאוד (עד 13 סנטימטרים קוטר) מפוברק באמצעות פרוטוקול זה, עם השינו…

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