Geniş alanlı Fabrikasyon Ultrathin Polimer Filmler Serbest ayakta

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

Serbest duran ince polimer filmleri ^5-8. Sensörler, ^1-3 MEMS'ler katalizi ya da süzme, ⁴ ve doku mühendisliği de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda kullanılır Ayrıca kapalı alan içinde polimer davranışının keşfetmek temel çalışmaları için kullanılır. ^{9- 13} Bir serbest duran bir film gibi halka şeklinde bir halka veya bir silikon veya cam slayt karşı çember olarak kesintili bir alt-tabaka üzerinde desteklenmiştir biridir. Bu çalışma, büyük alanlı filmler ya da yüksek verimli üretimi için uygun olan ultra ince serbest duran polimer filmler için basit, tekrar üretim işlemini tarif etmektedir. Bu poli (vinil formal), polistiren ve poli (metil metakrilat) gibi farklı polimerlerin çeşitli ile uyumludur. Bu 13 cm çap kadar büyük ya da 10 nm kadar ince serbest duran filmler imal etmek için de kullanılabilir.

serbest duran polimerlerin imalatı üç temel aşamadan oluşmaktadır: 1) dgeleneksel bir alt-tabaka üzerine polimer filmin eposition bir destek üzerine bir gofret veya saydam, 2) serbest bırakılması ya da alt-tabaka filmin liftoff ve elde edilen film 3) yakalama gibi. Bu yazıda çeşitli bırakma yöntemleri konusunda daha önceki bir çalışmada bildirilen bir prosedürü göstermektedir. ¹⁴

Biriktirme gibi spin kaplama, buhar biriktirme veya daldırmalı kaplama gibi temel polimer ince film teknolojisi herhangi bir sayıda elde edilebilir. Bu çalışmada, standart spin-kaplama teknikleri kullanmaktadır.

Tekniği "lift dışı float", uygun bir solvent banyosuna daldırılır Bu teknik, film ve alt-tabaka olarak en yaygın olarak alt-tabaka arasında bir çok ince bir film bırakmak için bir yöntem. ^15'dir. Solvent, film şişen ve filmin serbest ve banyo içerisinde en üstünde yüzmesini sağlayan kendiliğinden delaminasyona yol açmaktadır. minimum film kalınlığı canasansör kullanarak yayımladı edilmesi off-şamandıra şişme kaynaklı gerilme enerjisi ile arayüzey soyma enerjisini dengelemek suretiyle belirlenir tarih: ¹⁶

(1)

L film kalınlığı olduğunda, ν _f filmin Poisson oranı, E filmin Young modülü olup, ξ filmin şişme oranı ve γ soyulması ara yüzey enerjisidir. Denklem tarafından uygulanan sınırlama atlamak için tipik bir şekilde (1) film ve alt-tabaka arasında bir yerleştirme geçici ara tabaka yatırmak için. ^17-20, bu ara tabaka, bir solvent banyosuna çözündüğü zaman, filmin serbest bırakılır ve bir destek üzerinde yakalanabilir . İlgili bir yöntem kurban katman pr üzerine filmin mekanik soyma kullanır kurban üstteki tabaka yöntemidirdağılmasına IOR. ²¹

kurbanlık malzemelerin kullanımı birkaç baş sakıncaları vardır. İlk olarak, bir ilave işlemi malzeme ve adım eklenmesi uygun bir film üretim koşulları ve geçici malzemenin işlem koşulları arasında bir uzlaşma gerektirebilir. İkincisi, kurbanlık malzemeler nihai serbest duran filmin mekanik özelliklerini veya saflığını etkilemeden mevduat zor olabilir. Üçüncüsü, kurbanlık malzeme yatırma işlemi optimize edilmiş ve genel serbest duran bir film üretiminde bir operasyon olarak kalite açısından takip edilmelidir. ¹⁴

Bu çalışmada, ultra ince filmler için kullanılacak off-şamandıra tekniği asansör sağlayarak, arayüzey soyma enerjisini azaltan bir yüzey modifikasyonu tekniğini açıklar. yerleştirme alt-tabaka polikatyon polydiallyldiammonium klorür (PDAC) içindeki bir kendi kendini sınırlayan, kendinden optimize yakın tek tabaka monte edilmesiyle modifiye edilir. Nedeniylepolikatyon ve alt-tabaka arasındaki bağlanmanın kuvveti, bu yüzey modifikasyonu takip eden işlem adımlarına sağlamdır. yakın tek tabaka oluşumu kendini sınırlayan ve kendini optimize doğa hemen hemen sıfır optimizasyon gerektirir ve geniş alanlara kolayca ölçeklenebilir.

Çıkarıldıktan sonra, film, bir çember gibi bir destek üzerinde yakalanır solvent banyosuna üst kısmında yüzen. Kaybolmamış literatüründe çok dikkat verilmez iken, bu çalışmada biz sulanma veya başka filmin zarar olasılığını azaltmak destekte geniş alan filmleri yakalamak için teknikler anlatacağız.

Protocol

1. Çözelti Hazırlama Bir şırınga ve bir 0.20 um şırınga filtresi kullanılarak etil laktat 60 g filtre. Etil laktat resmi polivinil 0.3 g ekleyin. 4 saat 50 ° C de fırın içine çözelti yerleştirin. Polimer tamamen çözülene olup olmadığını görmek için hafifçe sallayın flakon. Çözüm bulutlu ya da hala optik homojen olmayan düzensizlikleri gösteriyorsa, başka bir 2 saat boyunca fırına flakon dönün. Bu tarif, tipik olarak film kalınlıkları yaklaşık 30 nm için kul…

Representative Results

Şekil 1, geniş bir alan üzerinde bir serbest-duran ince bir polimer filmin bir örneği göstermektedir. Bu 55 nm kalınlığında polivinil resmi filmi prosedürü burada açıklanan ve 13 cm çapında çelik çember üzerine monte edilmiştir kullanılarak imal edilmiştir. delaminasyon filmin yırtılmaya yol kusurları tanıtan olmadan büyük alanlar üzerinde gerçekleşir. Böylece, polivinilformal içsel gücü çok ince filmler için bile kullanılabilir. Şekil 2 ve> 3×1…

Discussion

PDAC substrat tedavisi. Kolaylıkla olumsuz (örneğin, silikon veya cam) tahsil kaydıyla tedavi edilen veya herhangi bir boyutta substratlar, yani kendini sınırlayan elektrostatik etkileşimler dayalı 1-2 13 cm'ye kadar çok büyük ince filmler (gösterir Figures edilir çapında) tek değişiklik kullanılan reaktiflerin hacmi olmak, bu protokolü kullanarak imal. Nihai elde boyutu sadece kaplama ve delaminasyon cihazları veya serbest duran yapı imal etmek için ku…

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