बड़े क्षेत्र का निर्माण Ultrathin बहुलक फिल्मों मुक्त खड़े
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
मुक्त खड़े पतली बहुलक फिल्मों 5-8। सेंसर, 1-3 MEMS, कटैलिसीस या छानने का काम, 4 और ऊतक इंजीनियरिंग सहित आवेदन की एक किस्म में इस्तेमाल कर रहे हैं वे भी प्रसूति के तहत पॉलिमर के व्यवहार की खोज के मौलिक अध्ययन के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। 9- 13 एक मुक्त खड़े फिल्म में इस तरह के एक कुंडलाकार अंगूठी या एक सिलिकॉन वेफर या गिलास स्लाइड करने के लिए विरोध के रूप में घेरा रूप में एक गैर-निरंतर सब्सट्रेट पर समर्थित है कि एक है। यह काम बड़े क्षेत्र फिल्मों या उच्च throughput उत्पादन के लिए उपयुक्त है कि ultrathin मुक्त खड़े बहुलक फिल्मों के लिए एक सरल, repeatable निर्माण प्रक्रिया का वर्णन है। यह पाली (विनाइल औपचारिक), polystyrene, और पाली (मिथाइल methacrylate) सहित विभिन्न पॉलिमर की एक किस्म के साथ संगत है। यह 13 सेमी व्यास के रूप में के रूप में बड़े या 10 एनएम के रूप में के रूप में पतली कर रहे हैं कि मुक्त खड़े फिल्मों के निर्माण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
मुक्त खड़े पॉलिमर के निर्माण के तीन बुनियादी चरणों के होते हैं: 1) डीएक पारंपरिक सब्सट्रेट पर बहुलक फिल्म की eposition इस तरह के एक समर्थन पर एक वेफर या स्लाइड, 2) रिहाई या सब्सट्रेट से फिल्म की liftoff के, और उसके एवज में फिल्म के 3) को पकड़ने के रूप में। इस पत्र में हम विभिन्न रिहाई के तरीकों पर पहले के एक अध्ययन में बताया है कि एक प्रक्रिया का विवरण है। 14
बयान में इस तरह के स्पिन कोटिंग, वाष्प जमाव, या डुबकी कोटिंग के रूप में बुनियादी बहुलक पतली फिल्म प्रौद्योगिकियों के किसी भी संख्या के द्वारा प्राप्त किया जा सकता है। इस काम में, हम मानक स्पिन कोटिंग तकनीक का उपयोग।
तकनीक "पर लिफ्ट बंद फ्लोट" एक उपयुक्त विलायक स्नान में डूब रहे हैं इस तकनीक, फिल्म और सब्सट्रेट में सबसे आम इसके सब्सट्रेट से एक ultrathin फिल्म को रिहा करने के लिए विधि। 15 है। विलायक फिल्म फूल जाती है और फिल्म जारी है और यह स्नान के ऊपर फ्लोट करने की इजाजत दी, सहज delamination लाती है। न्यूनतम मोटाई फिल्म कर सकते हैं किलिफ्ट का उपयोग करने के लिए जारी किया बंद, फ्लोट सूजन प्रेरित तनाव ऊर्जा के साथ इंटरफेसियल छीलने ऊर्जा संतुलन द्वारा निर्धारित किया जाता है पर: 16
(1)
एल फिल्म मोटाई कहां है, ν च फिल्म के पॉसों अनुपात, ई फिल्म के यंग मापांक है, ξ फिल्म की सूजन अनुपात है, और γ छीलने की इंटरफेसियल ऊर्जा है। समीकरण द्वारा लगाया सीमा बाईपास के लिए विशिष्ट तरीका (1) फिल्म और बयान सब्सट्रेट के बीच एक बलि interlayer के जमा करने के लिए है। 17-20 इस interlayer के एक विलायक स्नान में घुल है, जब फिल्म जारी की है और एक समर्थन पर कब्जा किया जा सकता । इससे संबंधित एक विधि एक बलि परत जनसंपर्क पर फिल्म के यांत्रिक छीलने का इस्तेमाल करता है जो बलि overlayer विधि है,विघटन करने के लिए आईओआर। 21
बलि सामग्री के उपयोग के कई प्रमुख कमियां हैं। सबसे पहले, एक अतिरिक्त प्रक्रिया सामग्री और कदम के अलावा इष्टतम फिल्म निर्माण की स्थिति और बलि सामग्री प्रसंस्करण की स्थिति के बीच एक समझौता आवश्यकता हो सकती है। दूसरा, बलि सामग्री अंतिम मुक्त खड़े फिल्म के यांत्रिक गुणों या पवित्रता को प्रभावित किए बिना जमा करने के लिए मुश्किल हो सकता है। तीसरा, बलि सामग्री जमा करने के लिए प्रक्रिया को अनुकूलित और समग्र मुक्त खड़े फिल्म निर्माण में एक ऑपरेशन के रूप में गुणवत्ता के लिए निगरानी की जानी चाहिए। 14
इस काम में, हम ultrathin फिल्मों के लिए इस्तेमाल किया जा के लिए रवाना फ्लोट तकनीक पर लिफ्ट, सक्रिय करने के इंटरफेसियल छीलने ऊर्जा कम हो जाती है कि एक सतह संशोधन तकनीक का वर्णन है। बयान सब्सट्रेट polycation polydiallyldiammonium क्लोराइड (PDAC) की एक स्वयं सीमित, स्वयं के अनुकूलन के पास monolayer के संयोजन द्वारा संशोधित किया गया है। की वजह सेpolycation और सब्सट्रेट के बीच बंधन की ताकत है, इस सतह संशोधन बाद में प्रक्रिया इस कदम को मजबूत है। पास-monolayer के गठन के खुद को सीमित और स्वयं के अनुकूलन प्रकृति व्यावहारिक रूप से शून्य अनुकूलन की आवश्यकता है और बड़े क्षेत्रों को आसानी से स्केलेबल है।
हटाने के बाद, इस फिल्म में यह एक घेरा-तरह के समर्थन पर कब्जा कर लिया है, जहां विलायक स्नान के शीर्ष पर तैरता है। वर्तमान साहित्य में ज्यादा ध्यान नहीं दिया जाता है, जबकि इस काम में हम फाड़ या अन्यथा इस फिल्म को नुकसान पहुँचाए की संभावना कम है कि समर्थन करता है पर बड़े क्षेत्र फिल्मों पर कब्जा करने के लिए तकनीक का वर्णन करेंगे।
Protocol
Representative Results
Discussion
PDAC सब्सट्रेट उपचार। आसानी से वे नकारात्मक (जैसे, सिलिकॉन या ग्लास) का आरोप लगाया है, बशर्ते कि इलाज किया जा सकता है किसी भी आकार के substrates के, जिसका अर्थ है खुद को सीमित electrostatic बातचीत के आधार पर 1-2 13 सेम?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
अनुबंध डे-AC52-07NA27344 तहत लॉरेंस लिवरमोर राष्ट्रीय प्रयोगशाला द्वारा अमेरिका के ऊर्जा विभाग के तत्वावधान में प्रदर्शन किया यह काम।
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 |
References
- 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).
