Procedimiento para la transferencia de películas de polímeros a sustratos porosos con defectos minimizados

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

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 portátil^{1, 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, tale....

Protocolo

1. Fabricación de la herramienta de transferencia y sistema de cámara de drenaje

1. Adjunto (Archivos complementarios1, 2) es el dibujo de ingeniería para el conjunto de la cámara de drenaje que consta de dos partes: superior e inferior. Modele este dispositivo de acuerdo con las especificaciones del sistema deseado (por ejemplo, el diámetro exterior del sustrato receptor) y exporte como un archivo STL para la impresión 3D.
2. Para la parte superior, utilice una impresora de filamentos de su elección e imprima en la resolución más baja posible, incluido el andamio siempre que sea necesario. Siga los parámetros recomendad....

Resultados

Las muestras de membrana BCP se fabricaron de acuerdo con el procedimiento⁹descrito anteriormente. Las muestras se colocaron en el labio del brazo de carga de la herramienta de transferencia impresa en 3D (Figura1, izquierda) y posteriormente se bajaron, con un gato de laboratorio, en la rampa de entrada de la herramienta de cámara de drenaje impresa en 3D (Figura1,derecha). Una capa sacrificial de poli(ác.......

Discusión

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. Sin embar.......

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
solución de ácido poliacrílico sódico al 35%	Sigma Aldrich	9003-01-4
Amicon Stirred Cell modelo 8010 10mL	Millipore	5121
Óxido de aluminio anodizado, 0.2u de espesor, 25mm de diámetro	Sigma Aldrich	WHA68096022
junta tórica neopreno 117	Grainger	1BUV7
Objet500 Connex3 Impresora 3D	Stratasys
Onshape Software	onshape
filamento de ácido poliláctico	Ultimaker
ultimaker3 impresora de filamento 3D	Ultimaker
Vero Family materiales imprimibles	Stratasys