نقدم إجراء لنقل عالية التحكم والخالية من التجاعيد من كتلة البوليمر رقيقة الأفلام على ركائز الدعم المسامية باستخدام غرفة استنزاف 3D المطبوعة. تصميم غرفة استنزاف هو ذات أهمية عامة لجميع الإجراءات التي تنطوي على نقل الأفلام الجزيئية الكبيرة على ركائز مسامية، والتي تتم عادة باليد بطريقة لا يمكن إنتاجها.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
إجراءات نقل أفلام البوليمر إلى ركائز مسامية مع عيوب أقل
* These authors contributed equally
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
تصنيع الأجهزة التي تحتوي على أغشية مركبة رقيقة الفيلم يتطلب نقل هذه الأفلام على أسطح ركائز الدعم التعسفي. يمكن أن يؤدي إنجاز عملية النقل هذه بطريقة عالية التحكم وميكانيكية وقابلة للتكرار إلى القضاء على إنشاء هياكل عيوب على نطاق كلي (مثل الدموع والشقوق والتجاعيد) داخل الفيلم الرقيق الذي يعرض أداء الجهاز للخطر والمنطقة القابلة للاستخدام لكل عينة. هنا، نحن نوصف بروتوكول عام لنقل عالية التحكم وميكانيكية من فيلم البوليمر رقيقة على الركيزة الدعم مسامية التعسفي للاستخدام في نهاية المطاف كجهاز غشاء ترشيح المياه. على وجه التحديد، ونحن تصنيع كتلة كوبوليمر (BCP) فيلم رقيقة على رأس الأضحية، والمياه القابلة للذوبان بولي (حمض الاكريليك) (PAA) طبقة والسيليكون رقاقة الركيزة. ثم نستخدم أداة نقل مصممة خصيصا، 3D المطبوعة ونظام غرفة استنزاف لإيداع، والإقلاع، ونقل BCP رقيقة الفيلم على مركز قرص دعم أكسيد الألومنيوم بأكسيد بأكسيد بأكسيد بأكسيد (AAO) مسامية. يظهر أن ّ تُنقل الأغشية الرقيقة BCP على نحو ثابت في وسط سطح الدعم بسبب توجيه الغشاء الزني الذي يتكون بين الماء وغرفة تصريف البلاستيك المطبوعة ثلاثية الأبعاد. كما نقارن بين أفلامنا الرقيقة المجهزة بالآلات المحمولة بتلك التي تم نقلها يدويًا باستخدام ملاقط. الفحص البصري وتحليل الصور للأفلام الرقيقة المنقولة من العملية الآلية تؤكد أن القليل إلى لا يتم إنتاج أوجه عدم تجانس على نطاق واسع أو تشوهات بلاستيكية، بالمقارنة مع العديد من الدموع والتجاعيد المنتجة من دليل نقل باليد. تشير نتائجنا إلى أن الاستراتيجية المقترحة لنقل الأفلام الرقيقة يمكن أن تقلل من العيوب بالمقارنة مع الطرق الأخرى عبر العديد من الأنظمة والتطبيقات.
المقدمة
وقد حصلت مؤخرا رقيقة وأجهزة نانوغشاء القائم على اهتمام واسع نظرا لاستخدامها المحتمل في مجموعة واسعة من التطبيقات، بدءا من الخلايا الضوئية المرنة والضوئية، ويعرض طوي، والالكترونيات يمكن ارتداؤها1، 2 , 3.شرط لتصنيع هذه الأنواع المختلفة من الأجهزة هو نقل الأفلام الرقيقة إلى أسطح ركائز تعسفية، والتي لا تزال صعبة بسبب هشاشة هذه الأفلام وكثرة إنتاج عيب على نطاق واسع الهياكل، مثل التجاعيد، والشقوق، والدموع، داخل الأفلام بعد نقل4،5،6،7. نقل يدوي باليد، ملاقط، والحلقات الأسلاك هي طرق شائعة لنقل الفيلم رقيقة، ولكن يؤدي حتمافي التناقضات الهيكلية وتشوه البلاستيك 8،9. تم استكشاف أنواع مختلفة من منهجيات نقل الأفلام الرقيقة مثل: 1) تحويل الطوابع من البوليديميثيل سيلوكسان (PDMS)، الذي ينطوي على استخدام ختم elastomeric للحصول على الفيلم الرقيق من الركيزة المانحة ثم نقلها إلى المتلقي الركيزة10، و 2) نقل طبقة التضحية11، والتي يتم استخدام etchant لحل انتقائي طبقة التضحية بين الركيزة الدعم ورقيقة الفيلم ، وبالتالي رفع قبالة الفيلم رقيقة. ومع ذلك، فإن هذه التقنيات وحدها لا تسمح بالضرورة لنقل الفيلم رقيقة دون تكبد الضرر أو تشكيل عيب داخل الأفلام رقيقة12.
هنا، نقدم طريقة سهلة جديدة، منخفضة التكلفة، وعامة على أساس طبقة التضحية الإقلاع ونقل موجهة بالسحايا داخل تصميم مخصص، 3D المطبوعة نظام غرفة استنزاف، لوضع ميكانيكيا كتلة copolymer (BCP) الأفلام رقيقة على مراكز الركيزة المسامية مثل أقراص أكسيد الألومنيوم بأكسيد بأكسيد بأكسيد بأكسيد بأكسيد بأكسيد بأكسيد بأكسيد بأكسيد بأكسيد بأكسيد بأكسيد بأكسيد بأكسيد (AAO) مع هياكل عيوب على نطاق كبير قليلة إلى لا، مثل التجاعيد والدموع والشقوق. في السياق الحالي، يمكن بعد ذلك استخدام هذه الأفلام الرقيقة المنقولة كأجهزة في دراسات ترشيح المياه، وربما بعد عملية تركيب التسلل التسلسلي (SIS)9. تحليل صورة الأفلام المنقولة التي تم الحصول عليها من المجهر البصري تبين أن نظام غرفة التصريف الموجه من غضن المياه يوفر عينات سلسة وقوية وخالية من التجاعيد. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الصور تظهر أيضا قدرة النظام على وضع أغشية الفيلم رقيقة بشكل موثوق على مراكز ركائز المتلقي. نتائجنا لها آثار كبيرة على أي نوع من تطبيق الجهاز التي تتطلب نقل هياكل رقيقة على أسطح ركائز مسامية تعسفية.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
1. تصنيع أداة نقل واستنزاف نظام غرفة
- المرفقة (ملفات تكميلية 1، 2) هو الرسم الهندسي لتجميع غرفة استنزاف تتكون من جزأين : أعلى وأسفل. نموذج هذا الجهاز وفقا لمواصفات النظام المطلوب (على سبيل المثال، القطر الخارجي للركيزة المتلقية) وتصدير كملف STL للطباعة 3D.
- بالنسبة للجزء العلوي، استخدم طابعة خيوط من الاختيار والطباعة بأقل دقة ممكنة، بما في ذلك السقالات حيثما كان ذلك ضروريا. الالتزام بالمعلمات الموصى بها للطابعة. ومن المستحسن أيضا أن يتم طباعة الجزء العلوي باستخدام بولي (حمض اللبتيك) (جيش التحرير الشعبى الصينى) لتقليل سفك المواد.
- بالنسبة للجزء السفلي، استخدم طابعة راتنج حبرية أو طابعة خيوط ذات ارتفاع بناء يصل إلى 20 ميكرومتر.
ملاحظة: جيش التحرير الشعبى الصينى هو مادة مناسبة التي تقلل من سفك المواد. - فرك وتنظيف كل من أجزاء مع الماء منزوع الديون، وضمان إزالة أي المواد سفك المحتملة من عملية الطباعة. ويوصى أيضا sonication في الماء منزوع الديون. اختبار خيوط على الجزأين لضمان تناسب جيد.
- إكمال غرفة الصرف بحجم 117 النيوبرين O-حلقة وأنابيب من المعلمات المحددة في الوثائق الداعمة (ملفات تكميلية 1، 2). يظهر مخطط تجميع غرفة الصرف بأكمله في الشكل 1.
- اطبع أداة النقل باستخدام أي طابعة خيوط بدقة متوسطة إلى دقيقة. هناك جزأين: المشبك وذراع التحميل.
ملاحظة: من المستحسن جداً أن يتم طباعة أداة نقل باستخدام بولي (حمض اللبتيك) (جيش التحرير الشعبى الصينى)، كما يمكن أن يكون اللدائن الأخرى رطبة سيئة وتتسبب في رقاقة تصبح رطبة بشكل غير متوقع. - إكمال المشبك مع حجم 10 المسمار ثم نعلق المشبك على جاك المختبر.
2- الترسيب الآلي الأولي وتشفع الأغشية من الركيزة المانحة
- ضع قرص AAO العارية قطرها 25 مم (أو أي ركيزة استقبال مسامية تعسفية من اختيارك) على الجزء السفلي من غرفة الصرف. ثم، وضع النيوبرين O-حلقة على رأس القرص AAO والمسمار على الجزء العلوي من غرفة استنزاف.
- شطف و / أو sonicate الإعداد مرات مختلفة مع منزوع الديون (DI) المياه. يساعد ذلك على إزالة أي غبار و/أو أي جسيمات متبقية من الطباعة ثلاثية الأبعاد.
- ضع قطعة رقاقة سي مع كومة البوليمر القابلة للتحويل (رقاقة المانحة) على شفة ذراع تحميل أداة نقل.
- ملء غرفة استنزاف مع 25 مل من المياه DI.
- خفض جاك المختبر بحيث يتم تراجع الأداة ببطء في مدخل منحدر من غرفة استنزاف وأن الركيزة السيليكون المانحة مغمورة ببطء. تأكد من أن يتم غمر رقاقة بما فيه الكفاية للغشاء لdelaminate تماما والإقلاع من الركيزة المانحة الكامنة.
ملاحظة: استخدام قطعة من رقاقة سي مع عدم وجود تلوث الغبار ضمان فصل سهلة من الركيزة المانحة. - رفع ببطء أداة نقل من الماء ونقله بعيدا عن الطريق، والتأكد من عدم إزعاج الغشاء العائم.
- اقناع الغشاء في افتتاح الغرفة مع ملاقط. وضع ملقط في الماء أمام غشاء سوف توجه ه بسبب التوتر السطحي. لمس الغشاء العائم نفسه ليس ضروريا وينبغي تجنبها.
3- النقل الموجه بالسحاياكوس إلى الركيزة المستقبِلة مع نظام غرفة الصرف
- توصيل الأنابيب إلى منفذ الجزء السفلي من غرفة الصرف الصحي. قم بإرفاق هذه الأنابيب بحقنة Luer-lock بـ 20 مل.
- الحصول على مضخة حقنة مع وظيفة سحب. ضع الحقنة على المضخة وسحب المياه بمعدل 1-2.5 مل/دقيقة حتى يتم تصريف جميع المياه.
- بعد 10 دقيقة، يجب إزالة الماء تماما من غرفة الصرف الصحي. إذا كان لا يزال هناك أي المياه المتبقية داخل الغرفة، وإعادة ربط الحقنة والأنابيب والاستمرار في سحب أي المياه المتبقية.
- بعد تصريف كامل للمياه، سيتم وضع الغشاء الآن في مركز الركيزة المتلقي. فصل غرفة الصرف من مضخة المحاقن وتفكيك غرفة الصرف لإزالة الركيزة المتلقي التي تحتوي على الغشاء.
ملاحظة: العملية الإجمالية بما في ذلك الإعداد يستغرق ~ 15 دقيقة. - السماح للعينة لتجف تماما في درجة حرارة الغرفة قبل استخدام مزيد في أي تطبيق.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
تم تصنيع عينات غشاء BCP وفقا للإجراء الموصوف سابقا9. وضعت العينات على شفة ذراع التحميل من أداة نقل 3D المطبوعة(الشكل 1، اليسار) وخفضت في وقت لاحق، مع جاك المختبر، على منحدر مدخل أداة غرفة استنزاف 3D المطبوعة (الشكل1،الحق). وقد تم حل طبقة التضحية من بولي (حمض الاكريليك) (PAA) بين غشاء BCP والركيزة السيليكون المانحة الكامنة في الماء داخل غرفة استنزاف، مما أدى إلى غشاء BCP العائمة. ثم تم تشغيل
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
في حين أن العديد من الخطوات المدرجة في هذا البروتوكول حاسمة لنجاح نقل الفيلم رقيقة، وطبيعة غرفة استنزاف المطبوعة 3D مصممة خصيصا يسمح لمرونة واسعة، وفقا لمتطلبات المستخدم محددة. على سبيل المثال، إذا كان الركيزة المتلقي ة قطر أكبر من 25 ملم قطر هات الأقراص المستخدمة في هذه الدراسة، يمكن تعديل غرفة استنزاف مناسب لتناسب المواصفات الجديدة. ومع ذلك، هناك بعض جوانب البروتوكول اللازمة لضمان نتائج نقل فعالة.
اختيار المواد المطبوعة 3D لأداة نقل واستنزاف غرفة يثبت أن تكون مهمة لنجاح هذا البروتوكول. يجب أ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.
شكر وتقدير
وقد تم دعم هذا العمل كجزء من مركز المواد المتقدمة لأنظمة الطاقة والمياه (AMEWS)، وهو مركز أبحاث حدود الطاقة بتمويل من وزارة الطاقة الأميركية، ومكتب العلوم، وعلوم الطاقة الأساسية. ونحن نعترف بامتنان بالمناقشات المفيدة مع مارك ستوليكوفيتش وبول نيلي.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 35٪ محلول حمض بولي أكريليك الصوديوم | Sigma Aldrich | 9003-01-4 ؛ | |
| Amicon Stirred Cell Model 8010 10 مل | Millipore | 5121 | |
| أكسيد الألومنيوم المؤكسد ، سمك 0.2u ، قطر 25 مم | Sigma Aldrich | WHA68096022 | |
| الحلقة النيوبرين 117 | Grainger | 1BUV7 | |
| Objet500 Connex3 طابعة ثلاثية الأبعاد | Stratasys | ||
| Onshape 3D Software | onshape | ||
| خيوط حمض البولي لاكتيك | Ultimaker | ||
| ultimaker3 طابعة خيوط ثلاثية الأبعاد | Ultimaker | ||
| Vero مواد قابلة للطباعة | عائلة Stratasys |
المراجع
- Shah, A., Torres, P., Tscharner, R., Wyrsch, N., Keppner, H. Photovoltaic technology: the case for thin-film solar cells. Science. 285 (5428), 692-698 (1999).
- Kim, T. H., et al. Full-colour quantum dot displays fabricated by transfer printing. Nat. Photon. 5 (3), 176(2011).
- Nomura, K., et al. Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors. Nature. 432 (7016), 488(2004).
- Pirkle, A., et al. The effect of chemical residues on the physical and electrical properties of chemical vapor deposited graphene transferred to SiO2. Applied Physics Letters. 99 (12), 122108-122110 (2011).
- Chae, S. J., et al. Synthesis of large-area graphene layers on poly-nickel substrate by chemical vapor deposition: wrinkle formation. Advanced Materials. 21 (22), 2328-2333 (2009).
- Zhu, W., et al. Structure and electronic transport in graphene wrinkles. Nano Letters. 12 (7), 3431-3436 (2012).
- Paronyan, T. M., Pigos, E. M., Chen, G., Harutyunyan, A. R. Formation of ripples in graphene as a result of interfacial instabilities. ACS Nano. 5 (12), 9619-9627 (2011).
- Stadermann, M., et al. Fabrication of large-area free-standing ultrathin polymer films. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (100), e52832(2015).
- Zhou, C., et al. Fabrication of Nanoporous Alumina Ultrafiltration Membrane with Tunable Pore Size Using Block Copolymer Templates. Advanced Functional Materials. 27 (34), 1701756(2017).
- Meitl, M. A., et al. Transfer printing by kinetic control of adhesion to an elastomeric stamp. Nature Materials. 5 (1), 33(2006).
- Suk, J. W., et al. Transfer of CVD-grown monolayer graphene onto arbitrary substrates. ACS Nano. 5 (9), 6916-6924 (2011).
- Chen, Y., Gong, X. L., Gai, J. G. Progress and Challenges in Transfer of Large-Area Graphene Films. Advanced Science. 3 (8), 1500343(2016).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
