Summary
Ein einfaches Protokoll ist für die Herstellung von Hemiwicking Strukturen unterschiedlicher Größen, Formen und Materialien zur Verfügung gestellt. Das Protokoll verwendet eine Kombination von physischen Stanzen, PDMS Guß und Dünnschicht-Oberflächenmodifikationen über gängige Materialien Ablagerung Techniken.
Abstract
Hemiwicking ist ein Prozess, wo eine Flüssigkeit eine gemusterte Oberfläche außerhalb seiner normalen Benetzung Länge durch eine Kombination von Kapillarwirkung und Imbibition benetzt. Dieses Phänomen der Benetzung ist in vielen technischen Bereichen von Physiologie bis hin zu Luftfahrttechnik wichtig. Derzeit gibt es verschiedene Techniken zur Herstellung von Hemiwicking Strukturen. Diese konventionellen Methoden, jedoch sind oft zeitaufwändig und sind schwer zu skalieren für große Flächen oder schwer für spezifische, Grundstimmung Musterung Geometrien anpassen. Die vorgestellte Protokoll sieht Forscher mit einer einfachen, skalierbare und kostengünstige Methode zur Herstellung von Mikro-gemusterte Hemiwicking Oberflächen. Die Methode fertigt Feuchtigkeitstransport Strukturen durch den Einsatz von Stempeldruck, Polydimethylsiloxan (PDMS) Formen und Dünnschicht-Oberflächenbeschichtungen. Das Protokoll wird für Hemiwicking mit Ethanol auf PDMS-Micropillar-Arrays mit einer 70 nm dicken Aluminium Dünnschicht-beschichtet demonstriert.
Introduction
Vor kurzem gab es erhöhte Interesse an in der Lage, sowohl aktiv als auch passiv die Benetzung, Verdunstung, Steuern und Mischen von Flüssigkeiten. Einzigartig texturierte Hemiwicking Flächen sorgen für eine neuartige Lösung zur Kühlung Techniken, weil diese strukturierten Oberflächen als Flüssigkeit (und/oder Wärme) Pumpe ohne bewegte Teile handeln. Diese flüssigen Bewegung wird durch eine Kaskade der Kapillarwirkung Ereignisse im Zusammenhang mit der dynamischen Krümmung des flüssigen Dünnschicht angetrieben. Im Allgemeinen wenn eine Flüssigkeit mit eine feste Oberfläche benetzt, bildet eine geschwungene flüssige Dünnschicht-(z. B. flüssige Meniskus) schnell. Die flüssige Stärke und Krümmung Profil entwickeln bis ein freie-Energie-Minimum erreicht ist. Als Referenz kann dieses dynamischen Benetzung Profil bis zu zehn Nanometern Dicke innerhalb einer spanning (Flüssigkeit-Benetzung) Längenskala von nur zehn Mikrometer schnell zerfallen. Somit kann dieser Übergangsbereich (Flüssigkeit-Film) wesentliche Änderungen in der Flüssigkeit-Schnittstelle Krümmung unterziehen. Die Übergangsregion (Dünnschicht) ist, wo fast alle dynamische Physik und Chemie stammt. Insbesondere ist der Übergangsbereich (Dünnschicht), wo maximale Verdunstungsraten (1), (2) DIS-Beitritt Druckgradienten und (3) hydrostatischen Druckgradienten1,2gefunden werden. Infolgedessen, spielen gebogene Flüssigkeit-Filme eine entscheidende Rolle im Wärmetransport, Phasentrennung Fluid Instabilitäten und die Vermischung von Mehrkomponenten Flüssigkeiten. Beispielsweise sind in Bezug auf die Wärmeübertragung, die höchste Wand Wärmestromes in dieser stark gekrümmten, Übergangs-Dünnschicht-Region3,4,5,6,7beobachtet worden.
Hemiwicking Studien haben gezeigt, dass die Geometrie (z. B. Höhe, Durchmesser, etc.) und die Platzierung der Säulen der Benetzung Frontprofil und die Geschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Strukturen8bestimmen. Als Flüssigkeit vorne am Ende der letzten Struktur in einem Array verdunstet ist, wird Flüssigkeit vorne in einem konstanten Abstand und Krümmung, die verdampfte Flüssigkeit durch die Flüssigkeit in den Feuchtigkeitstransport Strukturen9gespeicherten abgelöst wird aufrechterhalten. Hemiwicking Strukturen wurden auch benutzt in Heatpipes und kochende Oberflächen zu analysieren und zu verbessern verschiedene Wärme Übertragung Mechanismen. 10 , 11 , 12.
Eine Methode, die derzeit zur Feuchtigkeitsregulierung Strukturen zu schaffen, ist thermische Imprint Lithografie13. Diese Methode erfolgt durch das gewünschte Layout in eine Lackschicht auf eine Silizium-Schimmel-Probe mit einem thermoplastischen Polymer Stempel Stempeln, dann entfernen den Stempel um die Mikrostrukturen zu erhalten. Einmal entfernt, ist die Probe durch eine reaktive Ionen Ätzprozess um überschüssige Resist Schicht14,15entfernen gestellt. Dieser Prozess jedoch kann empfindlich auf die Temperatur der Fabrikation der Feuchtigkeitstransport Strukturen und umfasst mehrere Schritte, die verschiedenen Schichten um die Richtigkeit der Feuchtigkeitstransport Strukturen16nutzen. Es ist auch der Fall, die Lithografie Techniken nicht praktisch für Makro-Maßstab Musterung; während sie immer noch eine Möglichkeit zur Erstellung einer Anordnung von Mikrostrukturen auf einer Oberfläche bieten, ist der Durchsatz dieses Verfahrens weit weniger als ideal für großflächige Reproduktion. In Anbetracht der groß angelegte, reproduzierbare Texturierung, z. B. Spin oder Dip Beschichtung, fehlt eine inhärente steuerbare Musterung. Diese Methoden erstellen Sie eine zufällige Auswahl von Mikrostrukturen auf der Zielfläche aber können skaliert werden, um weitaus größere Gebiete als traditionelle Lithographie Techniken17abzudecken.
Das Protokoll in diesem Bericht beschriebenen Versuche, die Stärken der traditionellen Texturierung Methoden kombinieren und ersparen sich gleichzeitig die spezifischen Schwächen des einzelnen; Es definiert eine Möglichkeit, benutzerdefinierte Hemiwicking Strukturen der verschiedenen Höhen, Formen, Orientierungen und Materialien auf Makro-Ebene und mit potenziell hohem Durchsatz zu fabrizieren. Verschiedene Feuchtigkeitstransport Muster können zum Zwecke der Optimierung der Feuchtigkeitstransport Merkmale, z. B. Richtungssteuerung Fluidgeschwindigkeit, Ausbreitung und Mischen verschiedener Flüssigkeiten schnell erstellt werden. Die Verwendung von unterschiedlichen Feuchtigkeitstransport Strukturen bieten auch unterschiedliche Dünnschicht-Stärke und Krümmung, die verwendet werden können, um systematisch die Kopplung zwischen Wärme- und Stoffaustausch mit unterschiedlicher Dicke zu studieren und Krümmung Profile der Flüssigkeit Meniskus.
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Protocol
(1) die Musterung Karte erstellen
- Mit einem Grafikeditor, erstellen Sie das gewünschte Muster für die Hemiwicking Strukturen als ein Bitmap-Bild dargestellt.
Hinweis: Einige der Feuchtigkeitstransport Design-Parameter (z. B. Winkel Farbverlauf, Tiefe Gradient) erfolgen, abhängig von der Graustufenwerte, jedes Pixel zugewiesen werden. Diese Graustufenwerte sind dann bearbeitet, um den gewünschten Parameter zu ändern. - Speichern Sie die Bitmap als eine tragbare Netzgrafik (.png) und legen Sie die Datei in einem Ordner verfügbar.
2. platzieren den Kunststoff für Formteil abgestempelt werden
- Beginnen Sie durch die Übersetzung der Stempel etwas abseits von den Arbeitsbereich einen zufälligen Kontakt zu vermeiden, der Bruch der Spitze (+Z -Verschiebung, Abbildung 1) verursachen können.
- Den Kunststoff Stanzen Schimmel/Wafer zu ein Trägerplatte für nachfolgende Stempeln auf das X, y Verschiebetisch zu sichern (siehe Abbildung 1). Sichern Sie die Probe/Trägerplatte auf die X, y motorisierte Stempeln Phase (Abbildung 1)
- Zentrieren Sie die plastische Form/Wafer mit Stempeln Achse des Stanz-Bits. Dies ist versierter per EDV ±X und ±y Verschiebungen mit der X, y motorisierte Stempeln Bühne.
- Das Stanzen Bit gegenüber Kunststoff Schimmel/Wafer zu übersetzen (-Z -Verschiebung, Abbildung 1) bis das Stempeln Bit fast in Kontakt mit dem Schimmel/Wafer-Oberfläche.
3. Stanzen Kunststoff Probe für PDMS Guß
- Legen Sie das computerisierte Stempeln Steuerprogramm verwenden, den Abstand zwischen den Stempeln Bit (Tip) und Kunststoff Schimmel/Wafer-Oberfläche.
- Das Stanzen Bit in kleinen Schritten zu übersetzen (-δZ -Verschiebung, Abbildung 1) auf der Oberfläche der Probe bis das Werkzeug in Kontakt mit dem Plastik ist.
Hinweis: Das Bit sollte nur leicht wenden Sie sich an der Oberfläche. - Nach dem Kontakt übersetzen Sie die Stempel etwas abseits von der Probe möglichen Kontakt zwischen Bit und Probe während der anschließenden Übersetzung (δz ≈ 100 μm) zu vermeiden.
- Weisen Sie ein Pixelabstand (in Mikron), maximal- und Minimalwerte Hohlraumtiefe (in Mikron), maximalen und minimalen Winkel (in Grad), X und y Pixel Ausgangsposition des Musters, und Pixel-Schwelle für alle Graustufen-verknüpften Musterung für die Stempelung Verfahren.
- Laden Sie die Musterung Karte (erstellt in Schritt 1.1) vom Programm gelesen werden. Basierend auf den Pixelabstand und die Musterung Karte, werden die Positionen der alle Briefmarken der Schrittmotoren.
- Sicherstellen Sie, dass die Heizung-Laser konzentriert sich auf die Spitze des Stanz-Bit nur aktiviert, während das Stempeln Bit in der Kunststoff-Formenbau in Richtung bewegt.
- Erstellen Sie die Hohlräume durch Drücken das Bit in den Kunststoff, während im Anschluss an der Musterung-Karte, um das gewünschte Hemiwicking Muster zu erreichen.
- Entfernen Sie die gestempelten Kunststoff-Formenbau für die spätere Oberfläche Nacharbeiten und Polieren.
- Polieren Sie die Oberfläche der Kunststoff-Formenbau mit 9000 Korn, feiner nass/trocken-Schleifpapier.
Hinweis: Alternativ kann Micro-Mesh Schleifmittel verwendet werden um die Entfernung von Oberfläche Ablagerungen zu gewährleisten, dass Ursache Kraterbildung um die Säulen in der PDMS-Form.
4. Legen Sie das PDMS-Formteil
- 2 g Elastomer Basis und 0,2 g der Elastomer-Härtemittel in ein Becherglas gießen und 3 Minuten lang gründlich vermischen.
- Legen Sie die Mischung in einer evakuierten Kammer, Luftblasen in die Mischung gefangen; diesen Schritt müssen möglicherweise mehrere Male wiederholt werden.
Hinweis: Für Proben mit unterschiedlichem Volumenanforderungen passen Sie die Menge an base und Aushärtung nach Bedarf und gleichzeitig ein Verhältnis 10:1 an. - Legen Sie die gestempelte Kunststoff Form in einen ummauerten Behälter, im Idealfall nicht viel größer als der Außendurchmesser des Werkzeugs für die Aushärtung auftreten.
- Den Teig PDMS frei von Luftblasen auf die gestempelten Kunststoff- und innerhalb des Containers. Gießen Sie in einer Spirale, ausgehend von der Mitte des Gebiets gestempelt, um zu versuchen, die PDMS-Mischung möglichst gleichmäßig zu verteilen.
- Wiederholen Sie Schritt 4.2 für eventuelle Lufteinschlüsse, die aus Gießen die Mischung auf das geprägte Muster gebildet haben können. PDMS-Mischung und Plastikteil mit gestanzten Muster auf einer heißen Platte und die Montage bei 100 ° C für 15 Minuten. Anschließend wird eine weitere 25 min bei 65 ° C.
- Lassen Sie die PDMS Mischung abkühlen und Heilung für 20 min bevor Sie sie berühren.
- Schneiden Sie die Kanten des PDMS Kunststoff Weg von der Behälterwand und entfernen Sie der PDMS-Plastik aus der Form. Speichern des PDMS-Kunststoffs in einem abgedeckten Behälter Staubpartikel sammeln auf der Oberfläche zu vermeiden.
(5) Hinterlegung der Dünnschicht-Metall auf der PDMS
- Legen Sie die Probe PDMS in der Ablagerung Kammer genügend Freiraum für den Auslöser geöffnet und geschlossen werden ungehindert.
- Drucklos machen Sie die Ablagerung Kammer mindestens 10 mTorr.
- Engagieren Sie die trockenen Pumpsystem zu und die Spin-Rate auf 75 kRPM. Lassen Sie Kammer, einen Druck in der Größenordnung von 10-8 Torr erreichen.
Hinweis: Dies wird die meisten Verunreinigungen aus der Kammer zu entfernen; Vorgang kann bis zu 12 h in Anspruch nehmen. - Schalten Sie den Kühler und Gleichstrom liefern und legen Sie die Macht auf 55 w.
- Das Argon-Ventil etwas öffnen und unter Druck der Kammer Orden 10-3 Torr. Stellen Sie die trockene Pumpe System 50 kRPM und warten Sie bis diese eingestellte Drehzahl erreicht ist.
- Bis 35 W zurücknehmen Sie Leistung und drucklos machen Sie die Kammer 13 mTorr. Öffnen Sie den Auslöser, um gezündete Plasma und der Timer gestartet wird.
Hinweis: Ein blaues, Glühlampen Leuchten sollten gezündete Plasma abgeben. Für die gewünschte Dicke des Films Kaution sollte Timer eingestellt werden. Es wurde festgestellt, dass für 35 W und Druck von ca. 13 mTorr, eine Rate von 7 nm Ablagerung pro Minute erwartet wird. - Sobald die gewünschte Schichtdicke erreicht ist, schließen Sie den Auslöser und Stromversorgung ausschalten.
- Schließen Sie alle Ventile in der Ablagerung Kammer und schalten Sie das trockene Pumpensystem. Planen Sie Zeit für die trocken-Pumpe-Fan zum Stillstand kommen.
- Langsam bedrängen Sie die Kammer zu, bis lokale atmosphärische Druck erreicht und entfernen Sie die Probe, Speicherung für zukünftige Experimente.
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Representative Results
Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des wie Stanzen Mechanismus die Form für die Feuchtigkeitsregulierung Strukturen auf eine Kunststoff-Formenbau führen würde. Um die Qualität der Stempel Vorrichtung in der Herstellung von Feuchtigkeitstransport Filme zu untersuchen, wurden zwei verschiedene Säule Arrays geschaffen, um die Qualität der Säulen für zukünftige Feuchtigkeitstransport Experimente zu analysieren. Aspekte des Geräts untersucht wurden die Richtigkeit der Höhe der Säulen (mit und ohne eine tiefe Neigung), die Qualität der Säulen nach der PDMS-Formteil, die Qualität der Säulen nach dem Sputtern verarbeiten und die Fähigkeit der Strukturen, Hemi-Feuchtigkeitsregulierung schaffen. Um dies zu erreichen, zwei Feuchtigkeitstransport Muster Varianten entstanden, eine, die eine tiefe Neigung und eine gleichmäßige Tiefe angezeigt.
Abbildung 2a zeigt die Bitmap, die verwendet wurde, um die Tiefe und den Winkel Farbverläufe zu erstellen. Es ist ersichtlich, dass jede Säule Spalte verschiedene Graustufenwert reicht von 0 bis 95 zugewiesen wurde. Dies wurde getan, um eine andere Tiefe für jede Säule Spalte haben. Figuren 2 b und 2 c zeigen die Säulen auf der PDMS erstellt von dem Formprozess. Dies bestätigt, dass die Graustufen-Werte verwendet wurden Auswirkungen auf die Tiefe in den Kunststoff-Spritzguss und damit die Höhe der Säule auf der PDMS-Probe. Tabelle 1 beschreibt die Daten aus der Tiefe-Gradient und zeigt den prozentualen Anteil der erwarteten Höhe aus dem Stempel Muster. Diese Daten wurden von Messungen auf 50 Säulen oder eine komplette Palette, dargestellt in Abbildung 2gesammelt. Die erwartete Höhe der Säule mit der gegebenen Graustufen-Werte wurden aus der folgenden Gleichung berechnet:
(1)
wo hexp ist die erwartete Höhe hmax ist die maximale Höhe, wie vom Benutzer definiert, hmin beträgt die Mindesthöhe, wie vom Benutzer definiert, PT ist die Pixel-Schwelle, wie vom Benutzer definiert und GSV ist der Grauskala Preis/Leistungsverhältnis Es ist ersichtlich, dass für einen Graustufen-Wert von Null (d. h. schwarz), die erwartete Höhe wird die maximale Höhe und während der Grauwert der Pixel-Schwelle entspricht, die erwartete Höhe der Mindesthöhe werden.
Abbildung 3a zeigt die Bitmap-Datei verwendet, um eine größere Feuchtigkeitstransport Struktur Palette von konstanten Säule Höhe erstellen. Jedes schwarze Pixel repräsentiert einen Hohlraum Ort, mit dem Abstand zwischen den Stempeln Instanzen in das Programm durch den Pixelabstand definiert. Dieser binären Ansatz, im Gegensatz zu Abbildung 1a, erstellt eine einheitliche Anordnung von Winkel und Säule Höhen. Abbildung 3 b und 3 c bieten eine Top und Seitenansicht der Säulen, beziehungsweise. Es ist erkennbar, dass trotz einer Uniform-Höhe Säule Spezifikation des Prozesses Untermaß Säulen hergestellt. Während die maximale Höhe auf 100 μm eingestellt war, wurde es festgestellt, dass die durchschnittliche Höhe der Säulen etwa 71.89 ± 10.18 μm, basierend auf 38 Säulen. Dies kann mögliche Mängel zugeschrieben werden, die in den Hohlräumen während sie gemacht werden oder durch mögliche Lufteinschlüsse, die gebildet hatte, und blieb in den Löchern gefunden werden können.
Abbildung 4 zeigt vier einzelne Bilder der Säulen nach Aluminium auf der PDMS-Probe hinterlegt wurde. Abbildung 4a und 4 b zeigen die Seite und Draufsicht der Säulen, bzw. ohne ein Arbeitsmedium in den Feuchtigkeitstransport Struktur. Ähnlich wurde mit der PDMS-Probe und die Höhen der Proben waren quer durch die Säulen nicht konsistent. Die Höhen und die Standardabweichungen der PDMS und Al Proben werden verglichen und in Tabelle 2dargestellt. Diese Daten wurden nach der Messung Säulen (n = 38) sowohl vor als auch nach der Absetzung von Aluminium auf die PDMS. Bemerkenswerte Oberflächenrauhigkeit war ebenfalls anwesend; Es wird vermutet, dass Schleifen Verfahren auf Probenteller der PDMS-Probe übertragen und sich auf der Oberfläche der Aluminium-Folie spiegelte. Es ist auch möglich, dass die Rauheit der Abscheidung allein zugeschrieben wird.
Abbildung 4 c und 4D visualisieren die Seite und Draufsichten der Säulen, jeweils mit einem Arbeitsmedium in den Feuchtigkeitstransport Struktur. Das Arbeitsmedium, das in diesem Beispiel verwendet wurde wurde Ethanol. Wasser wird jedoch nicht das gleiche Hemi-wicking auftreten aufweisen, wie Ethanol mit diesem Beispiel. Dieses Phänomen lässt sich für den nächsten (oder Kombination) zurückführen: (1) eine nicht-ideale Oberflächenbeschaffenheit, 2) verbleibende Rauheit der Oberfläche (wie dargestellt in Abbildung 4 b), (3) Verunreinigungen in die Aluminium-Beschichtung und einer nativen Aluminiumoxid-Schicht (4) zu dünn. Mit dieser sagte konnte Ethanol Docht, weil die Lyophilicity das Aluminiumoxid, die auf der Aluminiumoberfläche gebildet. Obwohl Aluminium Kohlendioxid lyophilic ist, zeigt es nicht hydrophile Eigenschaften, Verbot das Wasser von der Feuchtigkeitstransport. Die Verwendung von chemischen Oberflächenbehandlungen zur Feuchtigkeitsregulierung PDMS-Struktur ist eine andere Methode, die verwendet werden, um die Hydrophilie der Probe -z.B.verändern, Nasschemie Verarbeitung kann verwendet werden, um Hydrophylic selbstorganisierende Monoschichten (SAMs)18 erstellen . Trotz dieser Mängel das beweist, dass die Feuchtigkeitsregulierung Struktur geschaffen, durch die beschriebene Vorgehensweise Hemi-Feuchtigkeitstransport für ein Arbeitsfluid erstellen kann.
Abbildung 1: Schematische Darstellung der das Stampfen etwas Vorrichtung zur Herstellung von Mikro-gemusterten Kunststoffformen. Die Bewegung der Kunststoff-Formenbau entlang der X- und y- Achsen wird durch computergesteuerte Stepper Motor/zweistufig (eine für jede Richtung) bestimmt. Ebenso werden zwei separate, computergesteuerte Stepper Motor/Etappen Stempeln Winkel (θ) und Tiefe (ΔZ) von den Stempeln Bit Stempeln gesteuert. Die computergesteuerten Heizung-Laser wird aktiviert, während das Bit den Stanzen Hohlraum in der Kunststoff-Formenbau erstellt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: der Tiefe-Gradient Säule Array Muster und PDMS stützen. (a) die Bitmap verwendet für die Herstellung einer "Tiefe-Gradient" Micropillar-Array. Zum Bedrucken, die Pixel-Schwelle auf 100 festgelegt ist, die maximale Tiefe wird voraussichtlich 100 μm, die Mindesttiefe soll 25 μm und jedes Pixel wird voraussichtlich eine Entfernung von 100 μm darstellen. Basierend auf diesen Werten, wird jede Zeile von 100 μm getrennt, während der Abstand zwischen zwei Säulen innerhalb einer Zeile 200 μm ist. Der Grauwert der einzelnen Pixel bestimmt, dass der Abstand der Stempel Bit in der Kunststoff-Formenbau reist. Aus diesem Grund als die Graustufen Werte erhöhen, geht quer durch die Bitmap verringern die Höhen der Säulen. Die erwarteten Höhen der Säulen mit den entsprechenden Graustufen-Werten stehen zur Verfügung. (b) Bilder der Säule Spalten 1 bis 5 für die PDMS-Basis aus dem blauen Kästchen in der unteren linken Ecke der Bitmap. (c) Bilder der Säule Spalten 5 bis 10 für die PDMS-Basis aus dem roten Feld in der unteren rechten Ecke der Bitmap. Die Bild-Pixel-Abstand (b) und (c) ist 0.335 µm/Pixel. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3: Muster und PDMS Basis für den Feuchtigkeitstransport Strukturen für Hemiwicking. (a) die Bitmap verwendet, um die rechteckige Feuchtigkeitstransport Struktur zu erstellen. Die Tiefe soll 100 μm und jedes Pixel wird voraussichtlich eine Entfernung von 100 μm darstellen. Da alle Graustufen-Werte in diese Bitmap gleich sind, sollten alle die Säule Höhen gleich sein. Auch, ähnlich wie das Muster in Abbildung 2, jede Zeile 100 μm trennt zwar der Abstand zwischen zwei Säulen innerhalb einer Zeile 200 μm. (b) eine Draufsicht auf den Säulen der PDMS Feuchtigkeitstransport Struktur, gegossen mit den Kunststoff-Formenbau basierend auf die Bitmap in (a). Die Bildauflösung ist 0.176 µm/Pixel. (c) eine Seitenansicht der Säulen die PDMS Feuchtigkeitstransport Struktur, gegossen mit den Kunststoff-Formenbau basierend auf die Bitmap in (a). Im Gegensatz zu den Feuchtigkeitstransport Strukturen in Abbildung 2dargestellt sind die Pfeiler Höhen in der Feuchtigkeitstransport Struktur konsequenter in der Höhe. Die Bildauflösung ist 0.723 µm/Pixel. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4: die Feuchtigkeitsregulierung Strukturen nach Al-Abscheidung mit und ohne Hemiwicking. (a) eine Seitenansicht der Feuchtigkeitstransport Säulen nach der Al-Absetzung ohne Ethanol in Abbildung 3 erstellt. Die Dicke des Aluminiums auf dem PDMS ist ungefähr 70 μm. (b) eine Draufsicht der Feuchtigkeitstransport Säulen nach der Al-Absetzung ohne Ethanol in Abbildung 3 erstellt. (c) eine Seitenansicht der Feuchtigkeitstransport Säulen erstellt in Abbildung 3 nach der Al-Abscheidung mit Ethanol Feuchtigkeitstransport in die Strukturen (das Ethanol kann meist an der Basis der fokussierten Säulen gesehen werden). (d) eine Draufsicht der Feuchtigkeitstransport Säulen in Abbildung 3 nach der Al-Abscheidung mit Ethanol Feuchtigkeitstransport in die Strukturen geschaffen. Für (a) und (c)die Bildauflösung ist 0.723 μm/Pixel und (b) und (d), ist die Bildauflösung 0.176 µm/Pixel. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
| Säule | Grauwert | Voraussichtliche Höhe (μm) | Gemessenen Höhe (μm) | % der erwarteten |
| 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 | ||||
| 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 |
Tabelle 1: Die erwarteten und gemessenen Höhen von der Säule-Spalten für das tiefe gradient Muster.
| Voraussichtliche Höhe (μm) | Meine gemessenen Höhe (μm) | Standardabweichung (μm) | |
| PDMS Probe ohne Al-Kaution | 100 | 71.89 | 10.18 |
| PDMS-Probe mit Al-Kaution | 100 | 61.59 | 8.493 |
Tabelle 2: PDMS mit und ohne Al Ablagerung Säule Höhe Vergleich.
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Discussion
Eine Methode wurde eingeführt, um gemusterte Säule Arrays für Hemiwicking Strukturen zu schaffen; Dies geschieht durch Prägung Hohlräume auf einem Kunststoff-Wafer mit einer Gravur-Vorrichtung, die Strukturierung von einer Bitmap, die vom Benutzer erstellten folgt. Eine PDMS-Mischung ist dann gegossen, geheilt und mit einem dünnen Film von Aluminium über Abscheidung beschichtet. Die Säule-Array-Eigenschaften können je nach den Grauwert angepasst werden, die in der Bitmap nach diesem Protokoll zugewiesen ist. Dieser entscheidende Aspekt der Strukturierung kann eine Vielzahl möglicher Feuchtigkeitstransport Strukturen zu testen, die verwendet werden können in verschiedenen Anwendungen, einschließlich Dünnschicht-Forschung und direkte Anwendung in Anlagen erstellen. Ein weiterer Bereich der Sorte in Vertreter Ergebnisse nicht erwähnt ist der Winkel-Gradient, die im Array implementiert werden können. Ähnlich wie die tiefe Neigung kann der Graustufenwert unterschiedliche Pixel den Winkel des Bohrers (θ, Abbildung 1) ändern.
Ein weiterer wichtiger Schritt, der zur Kenntnis genommen werden sollte ist die Schaffung der PDMS-Basis. Unterschiede in der Säule Höhen und die Missbildungen auf und um die Säulen sind häufig in den Feuchtigkeitstransport Strukturen. Anrauen der Oberfläche mit Micro-Mesh oder abrasive Schlämme hilft, symmetrische Muster und sogar PDMS Dicke zu schaffen. Darüber hinaus wurden die Evakuierung und Wärmebehandlung Prozesse entwickelt, um gleichzeitig stattfinden, wie Heizelemente innerhalb der Form selbst aufgenommen wurden. Dies schränkt effektiv Handhabung durch den Benutzer sowie alle damit verbundenen Unregelmäßigkeiten und zerstreute Verschmutzung (z.B. Staub-Partikel) während der Aushärtungsphase. Diese Überlegungen werden für künftige Proben durchgeführt.
Die Ablagerung von Material auf der PDMS-Basis ist ein weiterer wichtiger Schritt, der angepasst werden muss, jedes Experiment. Die im Protokoll genannten Bedingungen sind Aluminium bestimmte und als solche müssen ändern sich die Hinterlegung mit Material. Wenn ein anderes Metall bevorzugt wird, sollten Veränderungen in Leistung, Kammerdruck und Sputter Zeit geändert werden, um die Oberfläche Voraussetzungen für das gewünschte Hinterlegung Material zu erhalten. Für künftige Proben werden Metalle mit verschiedenen Oberflächen-Energien (d.h., gold, Germanium) gutgeschrieben, um ihren jeweiligen Feuchtigkeitstransport Fähigkeiten zu testen. Wenn die verschiedenen Metalle in Zukunft einzahlen, muss das Protokoll aktualisiert werden, um richtig das gewünschte Metall auf die PDMS einzahlen.
Das größte Problem, das in das Verfahren zur Herstellung der Hemiwicking Strukturen eingeführt wurde ist die Rauheit der Oberfläche der Probe. Es ist ersichtlich, dass Oberflächenfehler vorhanden auf dem PDMS-Schimmel (Abb. 3 b) und an der Al-Oberfläche (Abb. 3 b, 3d); Dies könnte aus den Schleifprozess oder der Metallabscheidung Prozess stammen. Die Oberflächenfehler werden als problematisch, angezeigt, wie Oberflächenfehler die Feuchtigkeitsregulierung Geschwindigkeit und vorne Entfernung des Arbeitsmittels beeinträchtigen können. Ein idealer Experiment hätte eine glatte Oberfläche auf und zwischen den Säulen, so dass die Flüssigkeit durch die Feuchtigkeitsregulierung Struktur durch die Oberflächenbedingungen ungehindert fließen kann. Die vorgeschlagene Lösung ist es, höhere Grade (d. h. feinere Körnung) Schleifmittel verwenden für den Kunststoff Wafer vor der Ablagerung, sowie mehr Schleifen Schleifen. Wie aus Tabelle 1 und Tabelle 2ersichtlich, Basis die Säule, die Höhen nicht hergestellt werden, wie erwartet auf der Werte, die Schrittmotoren gegeben. Dies könnte aufgrund der Durchbiegung der Probe der Stanzen Achse, während das Bit in den Kunststoff Prägung ist. Dieses Problem kann behoben werden, durch Vergrößerung des Abstandes muss das Bit in den Kunststoff zu reisen; Dies lässt jedoch eine mögliche Inkonsistenz mit der Säule Höhe und Durchmesser der Säule-Basis für zukünftige Experimente. Methoden müssen entwickelt werden, um den Betrag der Auslenkung erfährt die Probe, wie Erhöhung der Temperatur der Spitze, den Widerstand aus dem Kunststoff zu begrenzen, oder sichern die Probe auf eine andere Weise zu begrenzen.
Während die Herausforderungen bleiben den Umformprozess zu verfeinern, wirkt die beschriebenen Methode zum Erstellen von Arrays von vergleichbaren Geometrie bestellt. Die Methodik zur Erstellung von Hemiwicking Strukturen oder Mikro-gemusterten Oberflächen-Feature, zeigt, dass Proben schnell hergestellt werden können, für die spätere Verarbeitung bei anderen Labors oder Research-Unternehmen zu einem niedrigen Preis und mit einer schnelleren Rate als zeitgenössische Methoden. Diese Hemiwicking Strukturen können leicht hergestellt werden, um die optimale Dünnschicht-Krümmung und Feuchtigkeitsregulierung vordere Geschwindigkeit zu replizieren. Die Feuchtigkeitstransport vordere Geschwindigkeit würde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera Analyse Flüssigkeit vorne Reisen von Säule zu Säule gemessen werden. Gleichzeitig die Stärke und Krümmung Profil erhalten Sie mit einem Reflectometry und Interferometrie Ansatz, der in bisherigen Experimenten auf der Kante Säulen6bewiesen hat. Die selbstregulierende Art der Feuchtigkeitstransport Strukturen hilft eine konstante Dünnschicht-Region für Analyse, trotz der verschiedenen Oberflächen Energien in unterschiedlichen Flüssigkeiten und auf der Oberfläche zu erhalten. Mit dieser Methode kann Feuchtigkeitstransport Aufbauvarianten schnell hergestellt werden für die Zwecke des Verständnisses der Auswirkungen hat Feuchtigkeitstransport Geometrie auf die Dünnschicht-Region und Feuchtigkeitsregulierung vorne verschiedener Flüssigkeiten.
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Disclosures
Die Autoren haben keine Angaben zu erwähnen für dieses Papier.
Acknowledgments
Dieses Material basiert auf Forschung teilweise gesponsert von der United States Office of Naval Research Grant No. N00014-15-1-2481 und die National Science Foundation unter Grant Nr. 1653396. Ansichten und Schlussfolgerungen enthaltenen sind diejenigen der Autoren und nicht notwendigerweise repräsentiert die offizielle Politik oder Vermerke, entweder ausdrücklich oder stillschweigend, des U.S. Office of Naval Research, der National Science Foundation, interpretiert werden oder die Regierung der Vereinigten Staaten.
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
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