Procedimiento para la transferencia de películas de polímeros a sustratos porosos con defectos minimizados
Summary
Presentamos un procedimiento para la transferencia altamente controlada y libre de arrugas de películas delgadas de copolímero de bloque sobre sustratos de soporte porosos utilizando una cámara de drenaje impresa en 3D. El diseño de la cámara de drenaje es de importancia general para todos los procedimientos que implican la transferencia de películas macromoleculares a sustratos porosos, que normalmente se hace a mano de una manera irreproducible.
Abstract
La fabricación de dispositivos que contienen membranas compuestas de película delgada requiere la transferencia de estas películas a las superficies de sustratos de soporte arbitrarios. Lograr esta transferencia de una manera altamente controlada, mecanizada y reproducible puede eliminar la creación de estructuras de defectos a escala de macros (por ejemplo, lágrimas, grietas y arrugas) dentro de la película delgada que comprometen el rendimiento del dispositivo y el área utilizable por muestra. Aquí, describimos un protocolo general para la transferencia altamente controlada y mecanizada de una película delgada polimérica a un sustrato de soporte poroso arbitrario para su uso eventual como dispositivo de membrana de filtración de agua. Específicamente, fabricamos una película delgada de copolímero de bloque (BCP) encima de una capa de poli(ácido acrílico) sacrificial y de silicio. A continuación, utilizamos una herramienta de transferencia impresa en 3D diseñada a medida y un sistema de cámara de drenaje para depositar, despegar y transferir la película delgada BCP al centro de un disco de soporte de óxido de aluminio anodizado poroso (AAO). La película delgada BCP transferida se muestra que se coloca constantemente en el centro de la superficie de soporte debido a la guía del menisco formado entre el agua y la cámara de drenaje de plástico impresa en 3D. También comparamos nuestras películas delgadas procesadas por transferencia mecanizadas con las que han sido transferidas a mano con el uso de pinzas. La inspección óptica y el análisis de imágenes de las películas delgadas transferidas del proceso mecanizado confirman que se producen pequeñas o ninguna inhomogeneidades de macroescala o deformaciones plásticas, en comparación con la multitud de lágrimas y arrugas producidas a partir de inhomogeneidades manuales transferencia a mano. Nuestros resultados sugieren que la estrategia propuesta para la transferencia de película delgada puede reducir los defectos en comparación con otros métodos en muchos sistemas y aplicaciones.
Introduction
Los dispositivos basados en películas delgadas y nanomembranas han despertado recientemente un amplio interés debido a su uso potencial en una amplia gama de aplicaciones, que van desde la fotovoltaica flexible y fotónica, las pantallas plegables y la electrónica portátil1, 2 , 3. Un requisito para la fabricación de estos diversos tipos de dispositivos es la transferencia de películas delgadas a las superficies de sustratos arbitrarios, que sigue siendo difícil debido a la fragilidad de estas películas y la producción frecuente de defectos a escala de macros estructuras, tales como arrugas, grietas y lágrimas, dentro de las películas después de la transferencia4,5,6,7. La transferencia manual a mano, las pinzas y los bucles de alambre son métodos comunes de transferencia de película delgada, pero inevitablemente dan lugar a incongruencias estructurales y deformación plástica8,9. Se han explorado varios tipos de metodologías de transferencia de película delgada tales como: 1) transferencia de sello de polidimetilsiloxano (PDMS), que implica el uso de un sello elastomérico para obtener la película delgada del sustrato del donante y posteriormente transferirla al receptor sustrato10, y 2) transferencia de la capa de sacrificio11, en la que se utiliza un etchant para disolver selectivamente una capa de sacrificio entre el sustrato de soporte y la película delgada, levantando así la película delgada. Sin embargo, estas técnicas por sí solas no permiten necesariamente la transferencia de película delgada sin incurrir en daños o formación de defectos dentro de las películas delgadas12.
Aquí, presentamos un método de facil novedoso, de bajo costo y generalizable basado en el despegue de la capa de sacrificio y la transferencia guiada por menisco dentro de un sistema de cámara de drenaje impreso en 3D diseñado a medida, para colocar mecánicamente películas delgadas de copolímero de bloque (BCP) en las películas delgadas de bloque sin el centros de sustratos porosos como discos de óxido de aluminio anodizado (AAO) con estructuras de defectos de macroescala poco o nada incurridos, como arrugas, lágrimas y grietas. En el contexto actual, estas películas delgadas transferidas se pueden utilizar como dispositivos en estudios de filtración de agua, potencialmente después del procesamiento secuencial de síntesis de infiltración (SIS)9. El análisis de imágenes de películas transferidas obtenidas a partir de microscopía óptica muestra que el sistema de cámara de drenaje guiado por menisco proporciona muestras suaves, robustas y sin arrugas. Además, las imágenes también demuestran la capacidad del sistema para colocar de forma fiable las membranas de película delgada en los centros de los sustratos receptores. Nuestros resultados tienen implicaciones significativas para cualquier tipo de aplicación de dispositivo que requiera la transferencia de estructuras de película delgada a las superficies de sustratos porosos arbitrarios.
Protocol
Representative Results
Discussion
Si bien muchos de los pasos enumerados en este protocolo son cruciales para el éxito de la transferencia de película delgada, la naturaleza de la cámara de drenaje impresa en 3D diseñada a medida permite una amplia flexibilidad, de acuerdo con los requisitos específicos del usuario. Por ejemplo, si el sustrato del receptor tiene un diámetro mayor que los discos AAO de 25 mm de diámetro utilizados en este estudio, la cámara de drenaje se puede modificar adecuadamente para adaptarse a las nuevas especificaciones. S…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado como parte del Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Center, un Centro de Investigación de Energy Frontier financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, Oficina de Ciencias, Ciencias Básicas de la Energía. Agradecemos las útiles conversaciones con Mark Stoykovich y 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
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