Summary
פרוטוקול פשוט מסופק להרכבת מבנים hemiwicking של גדלים, צורות וחומרים שונים. הפרוטוקול משתמשת בשילוב של החתמת הפיזי, PDMS צורניים, שינויים משטח דק באמצעות חומרים התצהיר טכניקות נפוצות.
Abstract
Hemiwicking הוא תהליך שבו נוזל מרטיב משטח בדוגמת מעבר אורך נורמלי הרטבה עקב שילוב של נימיות imbibition. התופעה הרטבה חשוב בתחומים טכניים רבים, החל פיזיולוגיה הנדסת אווירונאוטיקה. כיום, קיימות מספר טכניקות שונות עבור בדיית hemiwicking מבנים. אלה שיטות קונבנציונליות, אולם, לעיתים זמן רב, קשה הסולם לשטחים גדולים או קשים להתאים ספציפית, nonhomogeneous המתבנת גיאומטריות. פרוטוקול הציג מספק חוקרים עם פשוטה, מדרגי, ובאיזו שיטה חסכונית בדיית hemiwicking בדוגמת מיקרו משטחים. השיטה fabricates הפתילה מבנים באמצעות הדפסת הבולים, polydimethylsiloxane (PDMS) צורניים ו ציפוי משטח דק. הפרוטוקול הוא הפגין עבור hemiwicking עם אתנול במערכים micropillar PDMS מצופה 70 nm אלומיניום בעובי דק-סרט.
Introduction
לאחרונה חלה עניין מוגבר שהוא מסוגל לשלוט באופן פעיל והן פסיבי של הרטבה, אידוי, ערבוב של נוזלים. משטחים hemiwicking עם מרקם ייחודי לספק פתרון הרומן לקירור טכניקות כי משטחים בעלי מרקם אלה לשמש משאבה נוזלים (ו/או חום) ללא חלקים נעים. זו תנועה נוזל הוא מונע על ידי מפל של נימיות באירועים המשויכים שכדור דינמי נוזלי סרט דק. באופן כללי, כאשר נוזל מרטיב משטח יציב, מעוקל נוזלי סרט דק (קרי, נוזלי מניסקוס) במהירות טפסים. עובי הנוזל ואת פרופיל עקמומיות להתפתח עד למינימום אנרגיה חופשית. לעיון, פרופיל הרטבה דינמי זה יכול במהירות להירקב על עשרות ננומטר בעובי בתוך הפורש (נוזל-הרטבה) אורך-מידה של היחידה עשרות מיקרומטר. לפיכך, האזור (נוזל-סרט) המעבר ניתן לעבור שינויים משמעותיים נוזלי-ממשק עקמומיות. האזור (סרט דק) המעבר הינו שם כמעט כל כימיה ופיזיקה דינמי מקורו. בפרט, האזור (סרט דק) המעבר הינו שבו נמצאים המחירים המרבי (1) אידוי, מעברי צבע לחץ (2) והחסרונות מצטרף ומילויים הדרגתיים הלחץ ההידרוסטטי (3)1,2. כתוצאה מכך, נוזל מעוקל-סרטים ממלאים תפקיד חיוני תחבורה תרמי, שלב ההפרדה, instabilities נוזלים ו מערבוב נוזלים מרובה רכיבים. למשל, לגבי העברת החום, נצפו פלקסים החום הגבוהה קיר זה אזור סרט דק מאוד מעוקל, מעבר3,4,5,6,7.
Hemiwicking מחקרים שנעשו לאחרונה הראו כי הגיאומטריה (למשל, גובה, קוטר, וכו ') ואת המיקום של עמודי לקבוע את פרופיל הקבלה הרטבה והמהירות של הנוזל רץ דרך מבנים8. כמו החזית נוזלים הולכת ונמוגה לבטל הקצה של המבנה האחרון במערך, החזית הנוזלים נשמר מרחק קבוע, עקמומיות, כמו הנוזל המתאיידים מוחלפות הנוזל המאוחסנים ב מבנים wicking9. מבנים Hemiwicking היו בשימוש גם חום צינורות ועל משטחים רותחים כדי לנתח ולשפר את מנגנוני העברת חום שונות. 10 , 11 , 12.
אחת השיטות בשימוש כיום כדי ליצור מבנים הפתילה היא החותם התרמי ליתוגרפיה13. שיטה זו מבוצעת על ידי החתמת את הפריסה הרצויה לשכבה להתנגד על מדגם תבנית סיליקון עם חותמת פולימר תרמופלסטי, ואז להסיר את חותמת לשמור את מזערים. הוסר, לאחר המדגם היא לשים דרך של יון תגובתי התחריט כדי להסיר את כל ה14,שכבה להתנגד עודף15. תהליך זה, אולם, יכולה להיות רגיש עד הטמפרטורה של הזיוף של המבנים wicking, כולל מספר שלבים לנצל ציפויים שונים על מנת להבטיח את הדיוק של ה-מבנים wicking16. זה גם במקרה זה טכניקות הדפס אבן אינן מעשיות עבור מאקרו סרגל תכנים; בעוד הם עדיין מספקים דרך ליצור דפוס של מזערים על משטח, התפוקה של הליך זה הוא הרבה פחות אידיאלי עבור רבייה בקנה מידה גדול. בהתחשב בקנה מידה גדול, לשחזור texturing, כגון ציפוי ספין או מטבל, יש חוסר הטבועה המתבנת לשליטה. שיטות אלה ליצור מערך אקראי של מזערים על פני המטרה אך וניתן לשנותם כדי לכסות אזורים גדולים בהרבה מאשר טכניקות הדפס אבן מסורתית17.
פרוטוקול המפורטים בדוח זה מנסה לשלב את נקודות החוזק של שיטות מסורתיות מרקמים תוך צמצום בו זמנית את החולשות הספציפי של כל אחד; הוא מגדיר דרך לפברק hemiwicking מותאם אישית מבנים שונים הייטס, צורות, כיוונים, ועוד חומרים בקנה מידה מאקרו, עם תפוקה גבוהה פוטנציאל. דפוסים שונים wicking ניתן ליצור במהירות לצורך אופטימיזציה של הפתילה מאפיינים, כגון בקרה כיוונית של נוזל מהירות, הפצת ערבוב של נוזלים שונים. השימוש של מבנים שונים הפתילה יכול גם לספק עובי הסרט דק בדרגות שונות של עקמומיות פרופילים, אשר ניתן ללמוד באופן שיטתי את צימוד בין חום העברה המונית עם עובי שונה ופרופילים עקמומיות של הנוזל מניסקוס.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. ליצור את מפת המתבנת
- באמצעות עורך גרפיקה, ליצור את התבנית הרצויה עבור המבנים hemiwicking מיוצג תמונת bitmap.
הערה: חלק מהפרמטרים עיצוב wicking (קרי, זווית מעבר הצבע, עומק צבע) יכול להיות עשוי להיות תלויים ערכי גווני האפור המוקצים לכל פיקסל. אלה ערכים של גווני אפור ואז נערכים במטרה לשנות את הפרמטר הרצוי. - שמור מפת הסיביות גרפיקת רשת נייד (. png) ולהציב את הקובץ בתיקיה זמינים.
2. הנחת את הפלסטיק להיות חותמת מורה
- להתחיל לתרגם את הסיבית כבישה הרחק סביבת העבודה כדי למנוע כל קשר בטעות שעלולות לגרום שבירה עצה (+z עקירה, איור 1).
- הפלסטיק רקיעת עובש/וופל על צלחת גיבוי ביול עוקבות על ה- x, y תרגום הבמה (ראה איור 1). להבטיח את הצלחת מדגם/גיבוי על ה-x, y מוטורי הבמה כבישה (איור 1)
- ישר למרכז כייר פלסטיק/פרוסת סיליקון עם הציר הטבעה של הסיבית כבישה. זהו הישגים באמצעות ממוחשב ±x ו ±y displacements עם הבמה כבישה x, y מוטורי.
- לתרגם את הסיבית כבישה לכיוון כייר פלסטיק/פרוסת סיליקון (-z עקירה, איור 1) עד הסיבית כבישה היא כמעט במגע עם המשטח עובש/וופל.
3. החתמת את המדגם פלסטיק עבור PDMS צורניים
- באמצעות התוכנית בקרה ממוחשבת כבישה, לקבוע את המרחק בין הסיבית כבישה (tip) לבין השטח כייר פלסטיק/וופל.
- לתרגם את הסיבית כבישה במרווחים קטנים (-אלפאz עקירה, איור 1) לכיוון פני השטח של הדגימה עד גב הספר נמצא בקשר עם הפלסטיק.
הערה: ה-bit צריך רק בקלילות פנה אל פני השטח. - לאחר מגע, לתרגם את הסיבית כבישה מן המדגם למנוע כל קשר אפשרי בין סיבית מדגם במהלך התרגום הבאים (δz ≈ 100 μm).
- להקצות מרחק בפיקסלים (ב מיקרון), חלל מינימלי ומקסימלי עומק (מיקרון), זווית מינימלי ומקסימלי (במעלות), x ו- y פיקסלים ראשונית של דפוס, וכן סף פיקסל המתבנת מקושר בכל גווני אפור ביול נוהל.
- להעלות את המפה המתבנת (נוצר בשלב 1.1) ניתן לקרוא על-ידי התוכנית. מבוסס על המרחק פיקסל ועל המפה המתבנת, המיקומים של כל הבולים נשלחים של stepper מוטורס.
- ודא כי הלייזר חימום ממוקד על קצה הסיבית הטבעה ומפעיל רק בזמן הסיבית כבישה היא נעה לכיוון ולתוך כייר פלסטיק.
- ליצור החללים על ידי הקשה על הסיבית לתוך הפלסטיק בעת בעקבות המפה המתבנת כדי להשיג את התבנית הרצויה hemiwicking.
- הסר כייר פלסטיק מבויילת עבור משטח עוקבות להם פיניש וליטוש.
- פולנית השטח של כייר פלסטיק באמצעות 9000 חצץ, נייר זכוכית עדינה יותר רטוב/יבש.
הערה: לחלופין, מיקרו-רשת שוחקים יכול לשמש כדי להבטיח הסרת פיקדונות השטח הזה כי cratering סביב התווך ב כייר PDMS.
4. יצירת המכייר PDMS
- שופכים 2 גר' elastomer הבסיס ו- g 0.2 של הסוכן ריפוי elastomer לתוך גביע ומערבבים יחד היטב למשך 3 דקות.
- למקם את התערובת לתוך תא פונו כדי לשחרר בועות אוויר נקלע התערובת; שלב זה, ייתכן שתצטרך לחזור מספר פעמים.
הערה: לקבלת דוגמאות שונות דרישות האחסון, יש להתאים את כמות סוכן הבסיס, ריפוי לפי הצורך תוך שמירה על יחס של 10:1. - הצב כייר פלסטיק מבויילת לתוך מכולה מוקפת חומה, אידיאלי לא הרבה יותר מאשר הקוטר החיצוני של, התבנית, לריפוי להתרחש.
- שופכים את התערובת PDMS חינם של כיסי אוויר הפלסטיק מבויילת ועל בתוך המיכל. יוצקים בספירלה, החל ממרכז אזור מבויילת, כדי לנסות להפיץ את התערובת PDMS באותה מידה ככל האפשר.
- חזור על צעד 4.2 בכל כיסי אוויר שאולי נוצר מן לשפוך את התערובת על תבנית מבויילת. מניחים את התערובת PDMS ואת חתיכת פלסטיק בדוגמת מבויילת על גבי צלחת חמה וחום מכלול ב 100 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות. ואז לחמם של 25 דקות נוספות-65 מעלות צלזיוס.
- לאפשר את התערובת PDMS מגניב ולריפוי כעשרים דקות לפני הטיפול.
- לחתוך את הקצוות של הפלסטיק PDMS מן הקיר מיכל הפלסטיק PDMS ולהסיר התבנית. אחסן את הפלסטיק PDMS במיכל מכוסה כדי להימנע חלקיקי אבק מהצטברות על פני השטח.
5. מפקיד את המתכת סרט דק על PDMS
- מקם את הדגימה PDMS בתוך החדר התצהיר משאיר מספיק מקום התריס נפתח ונסגר בלא הפרעה.
- להפחית לחץ תא התצהיר כדי mTorr לפחות 10.
- לעסוק במערכת משאבת יבש ולהגדיר את קצב ספין 75 kRPM. לאפשר כדי להגיע לחץ גודל 10-8 טנדר של גוה.
הערה: פעולה זו תסיר את מרבית המזהמים מן החדר; התהליך עשוי להימשך עד 12 שעות כדי להשלים. - על השתייה כוח ועוצמה DC לספק ולהגדיר את הכוח 55 W.
- פתח את השסתום ארגון מעט, לחצים התא לסדר 10-3 טנדר של גוה. להגדיר את kRPM מערכת 50 משאבה יבשה והמתן עד מהירות ערכה זו מושגת.
- לצמצם את צריכת החשמל 35 W, ירד הלחץ התא כדי 13 mTorr. לפתוח את התריס פלזמה ביצות ולהתחיל את הטיימר.
הערה: פלזמה ביצות אמור לתת את זוהר כחול, ליבון. יש להגדיר שעון עצר עבור עובי הרצוי של הסרט הפיקדון. נקבע כי עבור 35 W והלחץ של mTorr כ 13, בשיעור של 7 בתצהיר nm לדקה צפוי. - ברגע עובי הסרט הרצוי השיגה, לסגור את התריס ולכבות אספקת החשמל.
- לסגור את כל השסתומים בתוך תא התצהיר, כבה את מנגנון משאבה יבשה. מאפשרים זמן המאוורר יבש-משאבת לבוא עצירה מוחלטת.
- לאט לדחוס את החדר עד שהוא מגיע הלחץ האטמוספרי מקומיות ולהסיר את הדגימה, אחסונו לניסויים עתידיים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
איור 1 מספק תיאור סכמטי של איך המנגנון כבישה תיצור, התבנית המבנים wicking-תבנית פלסטיק. כדי לבדוק את האיכות של המנגנון כבישה בייצור סרטי הפתילה, נוצרו שני מערכים שונים עמוד כדי לנתח את איכות מעמודי התווך לניסויים עתידיים הפתילה. היבטים של המנגנון נחקר היו הדיוק של גובה העמודים (עם ובלי הדרגתי עומק), איכות התווך לאחר המכייר PDMS, איכות התווך לאחר הפייטה sputter לעבד, ואת היכולת של מבנים כדי ליצור הפתילה המי. כדי לעשות זאת, שני הפתילה דפוס גרסאות נוצרו, אחד מוצג הדרגתי עומק נוסף של עומק אחיד.
איור 2a מראה מפת הסיביות שבו נעשה שימוש על מנת ליצור עומק והזווית מעברי הצבע. ניתן לראות כי כל עמודות העמוד הוצב ערך סולם אפור שונים משתנה בין 0 ל 95. הדבר נעשה על מנת לקבל עומק שונה עבור כל אחת מהעמודות עמוד. דמויות 2b ו- 2 c להציג עמודי PDMS שנוצר על ידי תהליך דפוס. זה מוודא ערכי אפור מידה שימשו להשפיע העומק המכייר פלסטיק, ולכן גובה העמוד על הדגימה PDMS. טבלה 1 מתאר את הנתונים של מעבר הצבע עומק ומראה את אחוזי הגובה הצפוי מהתבנית כבישה. נתונים אלה היו שנאספו מדידות על 50 עמודים, או מכלול אחד, המוצג באיור2. הגובה הצפוי של העמוד עם הערכים נתון סולם אפור חושבו מתוך המשוואה הבאה:
(1)
איפה hexp הוא הגובה הצפוי hמקסימום גובה מרבי כפי שהוגדרו על ידי המשתמש, hמין היא הגובה המינימלי כפי שהוגדר על-ידי המשתמש, PT היא הסף פיקסל כפי שהוגדר על-ידי המשתמש, GSV הוא הסולם אפור ערך. ניתן לראות כי סולם אפור ערך של אפס (קרי, שחור), הגובה הצפוי יהיה הגובה המרבי, בעוד הערך סולם אפור שווה ל הסף פיקסל, הגובה הצפוי יהיה הגובה המינימלי.
איור 3a מציג קובץ מפת הסיביות המשמשת ליצירת מערך מבנה גדול יותר wicking של גובה עמוד קבוע. כל פיקסל שחור מייצג במיקום חלל, עם המרחק בין המופעים כבישה שהוגדרו בתכנית דרך המרחק פיקסל. גישה זו בינארי, לעומת איור 1a, יוצרת מערך אחיד של הגולן הזווית ואת העמוד. איור 3b ו- 3 c לספק מלמעלה, לצד תצוגה של העמודים, בהתאמה. ניתן לראות כי למרות מפרט עמוד בגובה אחיד, המיוצר בתהליך עמודי undersize. בעוד הגובה המרבי היה מוגדר כ- 100 μm, התברר כי הגובה הממוצע של העמודים היה בערך 71.89 μm ± 10.18, מבוסס על עמודים 38. זאת ניתן לייחס את הפגמים אפשרי ניתן למצוא בתוך חללים בזמן שהם נעשים או עקב אפשרי כיסי אוויר זה היה נוצר ונשארתי החורים.
איור 4 מציגה ארבע תמונות בודדות של עמודי אלומיניום היה מופקד על הדגימה PDMS. איור 4a , 4b להראות את הצד מבט מלמעלה מעמודי התווך, בהתאמה, ללא נוזל עבודה במבנה wicking. דומה מה נראתה עם הדגימה PDMS, לגבהים של הדגימות היו בלתי עקביים על-פני כל העמודים. הגולן ואת סטיות תקן של הדגימות PDMS ואל בהשוואה, מוצגות בטבלה מס ' 2. נתונים אלה נאספו לאחר מדידה עמודים (n = 38) גם לפני וגם אחרי העדות של אלומיניום-PDMS. חספוס פני השטח הבולטים היה גם נוכח; הוא חשב כי ההליך מלטש להשתמש בצלחת מדגם להעביר הדגימה PDMS, היה שיקוף על גבי המשטח של הסרט אלומיניום. אפשרי גם בצבעוניות מיוחס אך ורק התהליך התצהיר.
איור 4 c ו- 4 d להמחיש את הצד ונוף העליון מעמודי התווך, בהתאמה, עם נוזל עבודה במבנה wicking. הנוזל העבודה ששימשו בדוגמה זו היה אתנול. עם זאת, המים לא התערוכה המופע הפתילה חמי אותו כמו אתנול עם הדוגמה. תופעה זו ניתן לייחס את הדברים הבאים (או שילוב של): 1) מרקם פני שטח לא אידאליות, חספוס פני שטח 2) שיורית (כפי שהוצגה באיור 4b), 3) זיהומים בציפוי אלומיניום, ורזה מדי 4) של שכבת תחמוצת אלומיניום מקורי. עם זאת, אתנול הצליח לפתיל כי lyophilicity של תחמוצת אלומיניום שנוצר על פני אלומיניום. אף-על-פי דו תחמוצת אלומיניום הוא lyophilic, הוא אינו מציג מאפיינים הידרופיליות, האוסר על המים מן הפתילה. השימוש של טיפולי שטח הכימית למבנה wicking של PDMS היא שיטה אחרת שבה ניתן להשתמש כדי לשנות את hydrophilicity של המדגם -למשל, עיבוד וכימיה רטובה יכול לשמש כדי ליצור hydrophylic monolayers עצמית וההספק (סאמס)18 . למרות הפגמים האלה, זה מוכיח כי המבנה wicking שנוצרו באמצעות ההליך המתואר הוא מסוגל ליצור הפתילה חמי עבור נוזל העבודה.
איור 1: שתתמודדו החתמת הסיביות מכשירי ייצור בתבניות פלסטיק בדוגמת מיקרו- התנועה של כייר פלסטיק לאורך הצירים x, y- נקבע על ידי שני stepper מבוקר-מחשב מנוע/שלבים (אחד לכל כיוון). באופן דומה, עומק (Δz) של הסיבית כבישה רקיעה זווית (θ באמצעות) והחתמת נשלטים על ידי מנוע נפרד, מבוקר-מחשב stepper בשני/שלבים.... הלייזר חימום מבוקר-מחשב מופעלת בזמן הסיבית יוצר את חלל ביול ב כייר פלסטיק. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2: לבסס עומק-מעבר עמוד מערך התבנית ואת PDMS. (א) הסיביות המשמשות בדיית מערך micropillar 'עומק-מעבר צבע'. עבור החתמה, הסף פיקסל מוגדר כ- 100, העומק המרבי מוגדר כ- 100 μm, העומק המינימלי מוגדר 25 μm ולאחר כל פיקסל מוגדר מייצגים למרחק של 100 μm. בהתבסס על ערכים אלה, כל שורה מופרדים 100 μm אמנם המרחק בין שני עמודי תווך בתוך שורה 200 μm. הערך סולם אפור של כל פיקסל קובעת שהמרחק הסיבית כבישה נוסע לתוך כייר פלסטיק. לכן, כמו העלייה ערכים סולם אפור הולך על פני מפת הסיביות, ירידה לגבהים של העמודים. הגולן הצפוי מעמודי התווך עם ערכי אפור מידה המתאימים הינם מסופקים. (b) תמונות של עמודות עמוד 1 עד 5 עבור הבסיס PDMS מהאזור הקופסה הכחולה-בפינה השמאלית התחתונה של מפת הסיביות. (ג) תמונות של עמודות עמוד 5 עד 10 לבסיס PDMS מן התיבה האדומה בפינה הימנית התחתונה של התמונה. המרחק פיקסל התמונה עבור (b) ו- (ג) הוא 0.335 μm לפיקסל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3: המרקם ואת PDMS בסיס עבור המבנים wicking עבור hemiwicking. (א) מפת הסיביות המשמשת ליצירת מבנה מלבני wicking. העומק מוגדר כ- 100 μm ושוכן כל פיקסל לייצג את מרחק של 100 μm. מאז כל הערכים סולם אפור כמו מפת סיביות, כל הגולן העמוד צריך להיות זהה. כמו כן, בדומה לתבנית באיור2, כל שורה מופרדת באמצעות 100 μm אמנם המרחק בין שני עמודי תווך בתוך שורה 200 μm. (b) השקפה עליונה מעמודי התווך של המבנה wicking PDMS זה casted באמצעות כייר פלסטיק מבוסס על מפת הסיביות ב (א). רזולוציית התמונה הוא 0.176 μm לפיקסל. (ג) מבט צד מעמודי התווך של המבנה wicking PDMS זה casted באמצעות כייר פלסטיק מבוסס על מפת הסיביות ב (א). בניגוד המבנים wicking המוצג באיור2, הגולן עמוד במבנה wicking הם עקביים יותר בגובה. רזולוציית התמונה הוא 0.723 μm לפיקסל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 4: הפתילה מבנים לאחר Al התצהיר עם ובלי hemiwicking. (א) לצד תצוגה מעמודי התווך wicking נוצר באיור 3 אחרי העדות באל מבלי אתנול. העובי של האלומיניום על גבי PDMS הוא בערך 70 μm. (b) השקפה עליונה מעמודי התווך wicking נוצר באיור 3 אחרי העדות באל מבלי אתנול. (ג) מבט צד מעמודי התווך wicking שנוצרו באיור 3 אחרי העדות Al עם אתנול הפתילה במבנים (האתנול בעיקר ניתן לראות לאורך הבסיס מעמודי התווך ממוקד). (ד) השקפה עליונה מעמודי התווך wicking שנוצרו באיור 3 אחרי העדות Al עם אתנול הפתילה במבנים. עבור (א) ו- (ג), רזולוציית התמונה הוא 0.723 μm לפיקסל ו- (b) ו- (ד), רזולוציית התמונה הוא 0.176 μm לפיקסל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
| עמוד | סולם אפור ערך | הגובה הצפוי (μm) | נמדד גובה (μm) | אחוז צפוי |
| 1 | 0 | 100 | 59.6 | 59.6 |
| ± 4.58 | ||||
| 2 | 10 | 92.5 | 59.71 | 64.55 |
| ± 5.88 | ||||
| 3 | 21 | 84.25 | 54.71 | 64.94 |
| ± 5.57 מקצועית | ||||
| 4 | 31 | 76.75 | 46.48 | 60.56 |
| ± 2.61 | ||||
| 5 | 42 | 68.5 | 46.59 | 68.01 |
| ± 5.21 | ||||
| 6 | 53 | 60.25 | 38.92 | 64.6 |
| ± 1.62 | ||||
| 7 | 63 | 52.75 | 31.8 | 60.28 |
| ± 0.73 | ||||
| 8 | 74 | 44.5 | 26.58 | 59.73 |
| ± 1.49 | ||||
| 9 | 85 | 36.25 | 20.13 | 55.53 |
| ± 1.44 | ||||
| 10 | 95 | 28.75 | 16.01 | 55.69 |
| ± 1.94 |
טבלה 1: הגולן הצפוי, נמדד כל העמודות עמוד את עומק צבע דפוס.
| הגובה הצפוי (μm) | כלומר הגובה נמדד (μm) | סטיית תקן (μm) | |
| PDMS מדגם ללא פיקדון Al | 100 | 71.89 | 10.18 |
| מדגם PDMS עם פיקדון Al | 100 | 61.59 | 8.493 |
טבלה 2: PDMS עם ובלי Al התצהיר עמוד השוואת גובה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
כבר הציג שיטה ליצירת עמוד בדוגמת מערכים של מבנים hemiwicking; זו מושגת על ידי החתמה חללים על רקיק פלסטיק עם מנגנון תחריט שבאה המתבנת בעקבות מפת שנוצרו על-ידי המשתמש. לאחר מכן, תערובת PDMS הוא שפך, לרפא, מצופה בשכבה דקיקה של אלומיניום באמצעות התצהיר. יכול להיות מותאם אישית עמוד מערך המאפיינים בהתאם לערך סולם אפור המוקצה של מפת הסיביות בעקבות פרוטוקול זה. זה היבט חיוני של המתבנת ניתן ליצור מגוון רחב של האפשר הפתילה מבנים כדי לבדוק שניתן להשתמש בהם ביישומים שונים, כולל סרט דק מחקר ישיר ביישומים במערכות תרמיות. תחום נוסף של מגוון לא מוזכר בתוצאות נציג הוא מעבר הצבע זווית זה יכול להיות מיושם במערך. בדומה עומק מעבר הצבע, שינוי ערך סולם אפור של פיקסלים שונים יכולים לשנות את הזווית של המקדחה (θ באמצעות, איור 1).
צעד גדול נוסף שצריך לקחת הערה של הוא יצירת הבסיס PDMS. הבדלים הגולן עמוד העיוותים סביב התווך נפוצים המבנים wicking. כלי ליטוש פני השטח עם מיקרו-רשת או שוחקים slurries עוזר ליצור אפילו עובי PDMS ודוגמאות סימטרי. בנוסף, התהליכים פינוי וטיפול החום תוכננו להתקיים בו זמנית, כמו גופי חימום שולבו בתוך כייר עצמה. זה מגביל ביעילות הטיפול על-ידי המשתמש כל סדרים משויך, וכן זיהום באוויר (קרי, אבק חלקיקים) במהלך השלב בריפוי. שיקולים אלה ייושמו לדוגמאות בעתיד.
בתצהיר של חומר על גבי הבסיס PDMS היא צעד חשוב נוסף זה חייב להיות מותאם כדי ניסוי. התנאים המוזכרים בפרוטוקול אלומיניום ספציפיים, ככזה, עליך לשנות כמו השינויים חומרים depositing. אם מתכת אחרת היא המועדפת, שינויים הספק, קאמרית הלחץ ושעת המלהגים צריך להשתנות כדי להשיג תנאים אידיאליים משטח החומר depositing הרצוי. לדוגמאות בעתיד, יופקדו מתכות באנרגיות משטח שונים (כלומר, זהב, גרמניום) כדי לבדוק את היכולות wicking בהתאמה. בעת הפקדת של מתכות שונות בעתיד, הפרוטוקול לעדכן על מנת כראוי להפקיד המתכת הרצויה על גבי PDMS.
הבעיה הכי גדולה זה כבר הציג את ההליך של קבלת המבנים hemiwicking היא חספוס בפני השטח של המדגם. ניתן לראות כי קיימים פגמים משטח על העובש PDMS (איור 3b) ועל פני השטח באל (איור 3b, 3d); זה יכול לנבוע או תהליך מלטש או תהליך התצהיר מתכת. הליקויים משטח ובמאסר בעייתי, כמו פגמים משטח יכול להשפיע על המרחק wicking מהירות והחזית של הנוזל עבודה. ניסוי האידיאלי יהיה משטח חלק בין העמודים, אז הנוזלים היא היכולת לזרום דרך מבנה wicking באין מפריע לפי תנאי השטח. הפתרון המוצע הוא לשימוש גבוהה כיתה (קרי, חצץ פיינר) abrasives מלטש כשהפחד פלסטיק לפני התצהיר, כמו גם מלטש יותר פעמים. כפי שניתן לראות מן טבלה 1 בטבלה 2, העמוד לגבהים לא מיוצרים כצפוי לפי הערכים שגבה את stepper מוטורס. זה יכול להיות בגלל הסטה של המדגם לאורך הציר כבישה בזמן הסיבית יפה לתוך הפלסטיק. ניתן לפתור בעיה זו על ידי הגדלת המרחק שהסיבית יש לנסוע לתוך הפלסטיק; זה, עם זאת, משאיר על חוסר עקביות אפשרי עם גבהים עמוד, עמוד בסיס קטרים לניסויים עתידיים. יש לפתח שיטות כדי להגביל את הכמות הטיה שהמדגם חוויות, כגון הגדלת הטמפרטורה של קצה כדי להגביל את ההתנגדות של הפלסטיק או אבטחת המדגם בצורה שונה.
בעוד אתגרים להישאר בבית זיקוק תהליך כבישה, השיטה מחולקת לרמות יעיל ליצירת הורה מערכים של הגיאומטריה דומות. המתודולוגיה המשמשת ליצירת מבנים hemiwicking, או כל תכונה משטח בדוגמת מיקרו, מראה כי ניתן להפיק במהירות דוגמאות עבור עיבוד מאוחר יותר במעבדות או מחקר חברות בעלות נמוכה, בקצב מהיר יותר מאשר עכשווי שיטות אחרות. מבנים אלה hemiwicking יכול להיות מפוברק בקלות לשחזר את עקמומיות סרט דק אופטימלית הפתילה מהירות קבלה. ניתן למדוד את מהירות קבלה wicking באמצעות מצלמה במהירות גבוהה של ניתוח החזית נוזלים נסיעה עמוד התווך. בו זמנית, הפרופיל בעובי ואת עקמומיות ניתן להשיג באמצעות גישה reflectometry, אינטרפרומטריה כי הוכח בניסויים קודמים על עמודי קצה6. הטבע מווסתת של המבנים wicking יסייעו לשמור על אזור סרט דק מתמיד לצורך ניתוח, למרות האנרגיות משטח שונה נוזלי בדרגות שונות, על פני השטח. בשיטה זו, הפתילה מבנה משתנים יכול להיות מפוברק במהירות לצורך הבנת ההשפעות הפתילה בגיאומטריה יש על סרט דק והאזור הקדמי הפתילה של נוזלים שונים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים יש גילויים אין לדבר על הנייר הזה.
Acknowledgments
חומר זה מבוסס על מחקר חלקית בחסות ארה ב Office של חיל הים המחקר תחת גרנט מס N00014-15-1-2481, הקרן הלאומית למדע תחת גרנט מס 1653396. מנופים ומסקנות הכלולים במסמך זה הם אלה של המחברים, אין לפרש כמייצג בהכרח את מדיניות רשמית או חסויות, גם בין מפורשת ובין משתמעת, המחקר של ארצות הברית Office של חיל הים, הקרן הלאומית למדע, או ממשלת ארצות הברית.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| NI-DAQ 9403 | National Instruments | 370466AE-01 | The communication interface between the camera and the control switch for the laser. |
| Control Switch | Crouzet | GN84134750 | A controller to use for the laser that activates the laser based on the voltage sent by the DAQ. |
| Flea Camera | FLIR | FL3-U3-120S3C-C | A flea camera used for imaging the drill bit on the plastic mold. |
| Flea Imaging Camera | Point Grey | FL3-U3-20E4M-C | A flea camera used for obtaining the side images of the pillars. |
| 200 Steps/rev, 12V-350mA Stepper Motor (x2) | AdaFruit | 324 | The stepper motors are used to control the depth and angle of the end mill. |
| 10x Infinity Corrected Long Working Distance Objective | Mitutoyo | #46-144 | The objective used to get the image of the side of the pillars. |
| 15x Infinite Conjugate, UV Coated, ReflX Objective | TechSpec | #58-417 | The objective used to get the image of the top of the pillars. |
| 72002 0.002D X 0.006 LOC Carbide SQ 2FL Miniature End Mill | Harvey Tools | 72002 | The drill bit that was used to create holes in the plastic mold. |
| DC Power Delivery at 1 kW | Advanced Energy | MDX-1K | Used to power the deposition sputterer. |
| Turbo-V 70LP Nacro Torr Pump | Varian | 9699336 | Turbo Pump used to reduce pressure inside deposition chamber. |
| 2000mw, 405nm High-Power Blue Light Focus Laser | WDLasers | KREE | Sample Heating Laser |
| 5.875" I.D. Dessicator w/ 0.25" Tube Connections | McMaster-Carr | 2204K5 | PDMS Dessicator |
| SYLGARD 184 Silicone Elastomer, 0.5kg Kit | Dow-Corning | 4019862 | The PDMS Kit used to make the base. |
| Diaphragm Air Compressor / Vacuum Pump | Gast | DOL-701-AA | Dessicator Vacuum Pump |
| Motorized Linear Stages (2x) | Standa | 8MT175 | The stepper motors used to control the sample plate in the x- and y- direction. |
| 2" Diameter Unmounted Poistive Achromatic Doublets, AR Coated: 400-700 nm | ThorLabs | AC508-150-A | The achromat was ued in order to obtain the images of the side of the pillars. |
| Flea 3 Mono Camera, 2448 X 2048 Pixels | Point Grey | FL3-GE-50S5M-C | A flea camera used for imiaging the top of the pillars. |
| Digital Vacuum Transducer | Thyrcont Vacuum Instruments | 4940-CF-212734 | Used for monitoring pressure inside deposition chamber. |
| Pressurized Argon Tank Resovoir | Airgas | AR RP300 | Gas used in deposition process. |
| 1-D Translation Stage | Newport Corporation | TSX-1D | A translation stage used to move the camera to focus on the end mill. |
| Cylindrical Laser Mount (x2) | Newport Corporation | ULM-TILT-M | The laser mount was used to move the camera to focus on the end mill. |
| Benchtop Chiller with Centrifugal Pump, 120V, 60Hz | Polyscience | LS51MX1A110C | A chiller used for the deposition assembly. |
| Alcatel Adixen 2010SD XP, Explosion Proof Motor, Rotary Vane Vacuum Pump, 1-Phase | Ideal Vacuum Products | 210SDMLAM-XP | A vacuum pump used for the deposition assembly. |
| Fan, 105 CFM, 115 V (x2) | Comair Rotron | MU2A1 | A fan used for cooling certain aspects of the deposition assembly. |
References
- Plawsky, J. L., et al. Nano- and Micro-structures for Thin Film Evaporation - A Review. Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering. 18, 251-269 (2014).
- Derjaguin, B. V., Churaev, N. V. On the question of determining the concept of disjoining pressure and its role in the equilibrium and flow of thin films. Journal of Colloid and Interface Science. 66, 389 (1978).
- Ma, H. B., Cheng, P., Borgmeyer, B., Wang, Y. X. Fluid flow and heat transfer in the evaporating thin film region. Microfluidics and Nanofluidics. 4 (3), 237-243 (2008).
- Hohmann, C., Stephan, P. Microscale temperature measurement at an evaporating liquid meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 26 (2-4), 157-162 (2002).
- Potask, M. Jr, Wayner, P. C. Jr Evaporation from a two-dimensional extended meniscus. International Journal of Heat Mass Transfer. 15 (10), 1851-1863 (1972).
- Panchamgam, S. S., Plawsky, J. L., Wayner, P. C. Microscale heat transfer in an evaporating moving extended meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 30 (8), 745-754 (2006).
- Arends, A. A., Germain, T. M., Owens, J. F., Putnam, S. A. Simultaneous Reflectometry and Interferometry for Measuring Thin-film Thickness and Curvature. Review of Scientific Instruments. 89 (5), (2018).
- Zhu, Y., Antao, D. S., Lu, Z., Somasundaram, S., Zhang, T., Wang, E. N. Prediction and characterization of dry out heat flux in micropillar wick structures. Langmuir. 32 (7), 1920-1927 (2016).
- Kim, J., Moon, M. W., Kim, H. Y. Dynamics of hemiwicking. Journal of Fluid Mechanics. 800, 57-71 (2016).
- Ding, C., Soni, G., Bozorgi, P., Meinhart, C. D., MacDonald, N. C. Wicking Study of Nanostructured Titania Surfaces for Flat Heat Pipes. Nanotech Conference & Expo. , Houston, TX. (2009).
- Chen, R., Lu, M. C., Srinivasan, V., Wang, Z., Cho, H. H., Majumdar, A. Nanowires for Enhanced Boiling Heat Transfer. Nano Letters. 9 (2), 548-553 (2009).
- Kim, B. S., Choi, G., Shim, D. II, Kim, K. M., Cho, H. H. Surface roughening for hemi-wicking and its impact on convective boiling heat transfer. International Journal of Heat and Mass Transfer. 102, 1100-1107 (2016).
- Mikkelsen, M. B., et al. Controlled deposition of sol-gel sensor material using hemiwicking. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21 (11), (2011).
- Haatainen, T., Ahopelto, J. Pattern Transfer using Step&Stamp Imprint Lithography. Physica Scripta. 67 (4), 357-360 (2003).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint lithography. Journal of vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 14 (6), 4129 (1996).
- Pozzato, A., et al. Superhydrophobic surfaces fabricated by nanoprint lithography. Microelectronic Engineering. 83 (4-9), 884-888 (2006).
- Nair, R. P., Zou, M. Surface-nano-texturing by aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. Surface and Coatings Technology. 203 (5-7), 675-679 (2008).
- Ashby, P. D., Lieber, C. M. Ultra-sensitive Imaging and Interfacial Analysis of Patterned Hydrophilic SAM Surfaces Using Energy Dissipation Chemical Force Microscopy. Journal of the American Chemical Society. 127 (18), 6814-6818 (2005).
