Fabricação de grande-área royalty-pé ultrafinos Polymer Films

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

Autónoma finas películas de polímero são utilizadas numa variedade de aplicações, incluindo sensores, ^1-3 MEMs, catálise ou filtração, ⁴ e engenharia de tecidos. ^5-8 Eles também são utilizados para estudos fundamentais que exploram o comportamento dos polímeros sob confinamento. ^{9- 13} Uma película de pés é um que é suportada sobre um substrato não-contínua, tal como um anel anular ou aro em oposição a uma pastilha de silício ou lâmina de vidro. Este trabalho descreve um procedimento simples, repetível fabricação de filmes ultrafinos free-standing de polímero que é adequado para filmes de grande-área ou de produção de alto rendimento. É compatível com uma variedade de diferentes polímeros, incluindo o poli (formal de vinilo), poliestireno e poli (metacrilato de metilo). Ele pode ser utilizado para fabricar películas estacionárias que são tão grandes como 13 cm de diâmetro ou tão fino como 10 nm.

A fabricação de polímeros free-standing consiste em três etapas básicas: 1) deposition de película de polímero sobre um substrato tradicional tal como uma pastilha ou corrediça, 2) libertação ou descolagem da película a partir do substrato, e 3) de captura da película resultante sobre um suporte. Este artigo detalha um procedimento que consta em um estudo anterior sobre vários métodos de liberação ^14.

A deposição pode ser conseguida por qualquer número de tecnologias fina película de polímero de base, tais como spin-coating, deposição de vapor, ou de revestimento por imersão. Neste trabalho, nós utilizamos técnicas spin-coating padrão.

O "flutuar fora do elevador em" técnica é o método mais comum para a libertação de uma película ultrafina do seu substrato. ¹⁵ Nesta técnica, a película e o substrato estão imersos num banho de solvente adequado. O solvente incha o filme e induz a delaminação espontânea, libertando o filme e permitindo-lhe flutuar à superfície do banho. A espessura mínima de filme que podeser lançado usando elevador off-float é determinado pelo equilíbrio entre a energia descamação interfacial com a energia de deformação induzida por inchaço: ¹⁶

(1)

Onde L representa a espessura do filme, ν _f é relação entre o filme de Poisson, E é o módulo de Young do filme, ξ é a proporção de inchamento do filme, e γ é a energia interfacial da casca. A maneira típica de contornar a limitação imposta pela Equação (1) é para depositar uma camada intermédia entre a película sacrificial e o substrato de deposição. ^17-20 Quando esta camada intermédia se dissolve em um banho de solvente, a película é libertada e pode ser capturada num suporte . Um método relacionado é o método sobrecamada de sacrifício, a qual utiliza descamação mecânica do filme sobre uma camada de sacrifício prIOR à dissolução ^21.

A utilização de materiais sacrificiais tem vários inconvenientes principais. Em primeiro lugar, a adição de um material do processo adicional e passo pode exigir um compromisso entre as condições de fabrico de filme óptimas condições de processamento e o material sacrificial. Em segundo lugar, materiais sacrificiais podem ser difíceis de depósito, sem afectar as propriedades mecânicas ou a pureza da película final de pés. Em terceiro lugar, o processo para a deposição do material sacrificial deve ser optimizado e monitorizados para a qualidade como uma operação na fabricação global película isenta de pé. ¹⁴

Neste trabalho, nós descrevemos uma técnica de modificação de superfície que diminui a energia interfacial descamação, permitindo que o elevador off-float sobre a técnica a ser utilizada para filmes ultrafinos. O substrato é modificada pela deposição de uma montagem de auto-limitada, a auto-optimização quase monocamada de o cloreto de policatião polydiallyldiammonium (PDAC). Por causa daa força da ligação entre o policatião e o substrato, esta modificação da superfície é robusta para os passos subsequentes do processo. A natureza auto-limitada e auto-otimização da formação de quase-monocamada requer praticamente zero otimização e é facilmente escalável para grandes áreas.

A seguir à remoção, o filme flutua no topo do banho de solvente, onde é capturado sobre um suporte do tipo aro. Apesar de não ser dada muita atenção na literatura existente, neste trabalho vamos descrever técnicas para capturar filmes da grande-área em suportes que reduzem a probabilidade de rasgar ou danificar o filme.

Protocol

1. Preparação de Soluções Filtre a 60 g de lactato de etilo, utilizando uma seringa e um filtro de seringa 0,20 uM. Adicionar 0,3 g de polivinil formal ao lactato de etilo. Colocar a solução no forno a 50 ° C durante 4 h. Agitar suavemente o frasco para ver se o polímero se tenha dissolvido completamente. Se a solução estiver turva ou ainda mostra falta de homogeneidade ópticos, devolva o frasco ao forno por mais 2 horas. Esta receita é para uma solução de polímero de 0,5% em peso, que…

Representative Results

A Figura 1 mostra um exemplo de uma película fina de polímero livre de pé sobre uma grande área. Este 55 nm de espessura de filme de polivinil formal foi fabricado usando o processo descrito aqui e é montado em um aro de 13 cm de aço de diâmetro. A delaminação ocorre em grandes áreas, sem a introdução de defeitos que conduzem à rotura do filme. Assim, a resistência intrínseca de polyvinylformal podem ser exploradas mesmo para as películas muito finas. A Figura 2 mostra u…

Discussion

O tratamento do substrato PDAC é baseado em interacções electrostáticas auto-limitante, ou seja, os substratos de qualquer tamanho pode ser facilmente tratada, desde que eles são carregados negativamente (por exemplo, silício ou vidro). As Figuras 1-2 mostra muito grandes filmes finos (até 13 centímetros de diâmetro) fabricado usando este protocolo, com a única mudança sendo o volume de reagentes utilizados. O tamanho viável final parece ser limitada apenas pela deposição e delami…

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