Name: Preuve de concept pour les membranes d’enpiçage au gaz dérivées de L’eau-Aimant SiO2/Si/SiO2 Wafers pour le dessalement vert (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-01T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 39 s
Description: Découvrez la fabrication de membranes à piégeage de gaz en silice par microfabrication sur plaquettes SiO₂/Si. Cette méthode utilise la photolithographie pour créer des structures complexes et prévenir l'intrusion d'eau dans le dessalement vert.

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H.M. reconnaît le financement de l’Université des sciences et de la technologie du roi Abdallah dans le cadre de l’accès au laboratoire de base de la nanofabrication, le 1/1070-01-01 et le KAUST.

1. Conception
<ol><li>Concevoir 16 tableaux, chacun comprenant 625 cercles (diamètre, D 100 m; hauteur, L 400 m), ainsi que des marques d’alignement à traduire sur 4" SiO2(2 m)/Si (300 m)/SiO2(2 m) de gaufrettes à l’aide d’un logiciel de conception approprié (voir Tableau des matériaux; Figure 3) 38.</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig3.jpg">
Figure 3 : Conceptions de tableaux circulaires. Ce modèle de conception a été transféré sur les gaufrettes SiO2(2 m)/Si(300 m)/SiO2(2 m) par photolithographie. Sont montrés sont (A) l’ensemble des gaufrettes, (B,C) vues zoomées, et (D,E) marques d’alignement utilisés pour l’alignement manuel de retour. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig3alarge.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<ol start="2"><li>Transférer des caractéristiques sur un verre à la chaux de soude de 5 po (CaxHyNazOn) masque avec un revêtement de 50 nm de chrome et un mince film de photoresist (un photoresist positif; voir Table of Materials) par l’exposition aux UV dans un système d’écriture directe (temps d’exposition de 25 ms, défocus - 10).</li>
	<li>Développement de masques<ol>
<li>Développer le photoresist en immergeant le masque dans 200 ml de développeur (Table of Materials) pour 60 s pour exposer le chrome en dessous. Laver le masque avec de l’eau déionisée (DI).</li>
		<li>Retirez le chrome exposé en immergeant le masque dans un bain de 200 ml d’étchanter chromé pendant 90 s. Lavez le masque avec de l’eau DI.</li>
		<li>Effectuer une exposition aux inondations UV (c.-à-d. sans masque) pendant 15 s.</li>
		<li>Retirez complètement le photoresist du masque en plongeant dans un bain de 200 ml de développeur jusqu’à ce que le photoresist disparaisse complètement (60 à 120 s). Nettoyez la surface du masque avec de l’eau DI et séchez à l’aide d’un pistolet à azote (N2).</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Nettoyage Wafer
<ol><li>Immerger la plaquette de silicium dans une solution de piranha fraîchement préparée (H2SO4:H2O2 - 3:1 en volume) maintenue à une température de 388 K pendant 10 min. REMARQUE : Portez un équipement de protection personnalisé (EPI) approprié tout en travaillant avec la solution piranha sur le banc mouillé.</li>
	<li>Rincer la plaquette avec de l’eau DI, deux cycles dans un banc humide, et le sécher sous un environnement N2 dans le sèche-cheveux.</li>
</ol>3. Dépôt HMDS
<ol><li>Exposer la plaquette à la vapeur de hexamethyldisilane (HMDS) pour améliorer l’adhérence du photoresist avec la surface de silice (détails dans le tableau 1).</li>
</ol><table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td colspan="3">Étape 1 : Déshydratation et purge de l’oxygène de la chambre</td>
		</tr>
<tr>
<td>Étape</td>
			<td>Fonction</td>
			<td>Temps (min)</td>
		</tr>
<tr>
<td>1</td>
			<td>Vide (10 Torr)</td>
			<td>1</td>
		</tr>
<tr>
<td>2</td>
			<td>Azote (760 Torr)</td>
			<td>3</td>
		</tr>
<tr>
<td>3</td>
			<td>Vide (10 Torr)</td>
			<td>1</td>
		</tr>
<tr>
<td>4</td>
			<td>Azote (760 Torr)</td>
			<td>3</td>
		</tr>
<tr>
<td>5</td>
			<td>Vide (10 Torr)</td>
			<td>1</td>
		</tr>
<tr>
<td>6</td>
			<td>Azote (760 Torr)</td>
			<td>3</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="3">Étape 2 : Priming</td>
		</tr>
<tr>
<td>Étape</td>
			<td>Fonction</td>
			<td>Temps (min)</td>
		</tr>
<tr>
<td>1</td>
			<td>Vide (1 Torr)</td>
			<td>2</td>
		</tr>
<tr>
<td>2</td>
			<td>HMDS (6 Torr)</td>
			<td>5</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="3">Étape 3 : Purging Prime Exhaust and Return to Atmosphere (Backfill)</td>
		</tr>
<tr>
<td>Étape</td>
			<td>Fonction</td>
			<td>Temps (min)</td>
		</tr>
<tr>
<td>1</td>
			<td>Vide</td>
			<td>1</td>
		</tr>
<tr>
<td>2</td>
			<td>Azote</td>
			<td>2</td>
		</tr>
<tr>
<td>3</td>
			<td>Vide</td>
			<td>2</td>
		</tr>
<tr>
<td>4</td>
			<td>Azote</td>
			<td>3</td>
		</tr>
</tbody></table>Tableau 1 : Détails du processus d’amorçage HMDS.
4. Lithographie
<ol><li>Transférer la plaquette sur un vide-chuck d’un enduit de spin pour faire tourner manteau le photoresist. Utilisez le photoresist AZ 5214 comme tonalité négative pour obtenir un film uniforme de 1,6 m d’épaisseur du photoresist (les paramètres de revêtement de spin sont énumérés dans le tableau 2). REMARQUE : L’AZ 5214 peut être utilisé comme photorésistant à tonalité positive ou négative en fonction du traitement thermique (c.-à-d. pré-cuisson et post-cuisson). S’il est précuit à 110 oC pendant 2 min, le photoresist se comporte comme un ton positif, de sorte que les zones exposées se dissolvent pendant le développement. Pour le ton négatif, le photoresist est précuit à 105 oC pendant 2 min, suivi d’une exposition aux UV et après cuisson à 120 oC pendant 2 min.<ol>
<li>Cuire la plaquette enduite de photorésistants à 105 oC sur une plaque chauffante pendant 2 min. Cela sèche et durcit le film photorésistant, qui autrement colle au masque de verre et provoque des problèmes de contamination lors de l’exposition aux UV, et il améliore également l’adhérence de la photorésister à la surface de silice. REMARQUE : La température de pré-cuisson ne doit pas être trop élevée, car cela peut causer la destruction partielle des composants sensibles à la lumière du photoresist, réduisant ainsi sa sensibilité.</li>
	</ol>
</li>
</ol><table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>Étape</td>
			<td>Vitesse (rpm)</td>
			<td>Rampe (rpm/s)</td>
			<td>Temps (s)</td>
		</tr>
<tr>
<td>1</td>
			<td>800</td>
			<td>1000</td>
			<td>3</td>
		</tr>
<tr>
<td>2</td>
			<td>1500</td>
			<td>1500</td>
			<td>3</td>
		</tr>
<tr>
<td>3</td>
			<td>3000</td>
			<td>3000</td>
			<td>30</td>
		</tr>
</tbody></table>Tableau 2 : Paramètres de la recette de revêtement de spin pour obtenir une couche de photorésistance de 1,6 m.
<ol start="2"><li>Exposer la plaquette sous exposition UV (80 mJ/cm2) pendant 15 s à travers le masque chromé à l’aide d’un système d’alignement de masque (EVG 6200) pour obtenir la conception désirée sur le photoresist.</li>
	<li>Cuire la plaquette réalisée à 120 oC sur une plaque chauffante pendant 2 min. Au cours de cette étape, le film photoresist négatif exposé d’autres liens croisés. En conséquence, les parties exposées aux UV du photoresist ne sont plus solubles dans la solution de développeur, tandis que les zones non exposées sont solubles.</li>
	<li>Exposer davantage la plaquette sous la lumière UV (200 mJ/cm2) pendant 15 s dans un système de traitement UV (PRX-2000-20). REMARQUE : Au cours de cette étape, les zones photorésistantes qui n’étaient pas exposées auparavant (étape 4.3) sont exposées et peuvent plus tard être dissoutes dans le développeur, laissant derrière elles les structures désirées sur la plaquette. Cette étape est tolérante à la surexposition parce que les caractéristiques désirées (dans le ton négatif) ne sont plus photosensibles après l’étape post-cuisson.</li>
	<li>Immerger la plaquette dans un bain de 50 ml de l’AZ-726 photoresist-développeur (en verrerie) pour 60 s pour atteindre le modèle photoresist désiré sur la plaquette de silicium.</li>
	<li>Par la suite nettoyer la plaquette à l’aide d’eau DI et encore sécher avec N2.</li>
</ol>5. Sputter
<ol><li>Éclabrez le chrome sur la plaquette pendant 200 s pour obtenir une couche de chrome de 50 nm d’épaisseur. Le dépôt est effectué à l’aide d’un magnétron de type DC reputter réactif avec une source cible ronde standard de 2 po dans un environnement d’argon avec les paramètres suivants: 400 V, courant 1 A, et la pression de 5 mTorr. REMARQUE : La couche de chrome protège la silice contre la gravure sèche sous octafluorocyclobutane (C4F8).</li>
</ol>6. Décollage Photoresist
<ol><li>Sonicate la gaufrette craché dans un bain d’acétone pendant 5 minutes pour décoller le photoresist restant (et le chrome déposé sur le photoresist) de la plaquette, laissant derrière lui les caractéristiques désirées avec un masque dur de chrome.</li>
</ol>7. Traitement de l’autre côté de la plaquette
<ol><li>Après avoir rincé l’arrière de la plaquette avec une quantité abondante d’acétone et d’éthanol, sécher à l’eau avec un canon N2, puis répéter les étapes 4.1 et 4.2.</li>
</ol>8. Alignement manuel de dos
<ol><li>Alignez les caractéristiques souhaitées à l’arrière avec le côté avant de la plaquette à l’aide des marques d’alignement dans la conception et du module « Alignement manuel avec réticule » dans l’aligneur de contact (EVG 6200). REMARQUE : L’alignement manuel de dos est une étape cruciale dans le protocole de microfabrication. Ainsi, les caractéristiques d’alignement conçues sur le photomask doivent être utilisées efficacement pour éviter de compenser dans l’alignement des pores.</li>
</ol>9. Lithographie à l’arrière de la plaquette
<ol><li>Pour l’arrière de la plaquette, répétez les étapes 4.3-4.7, la section 5 et la section 6 pour générer la conception requise avec du chrome des deux côtés de la plaquette. Notez que la partie de la surface recouverte de chrome ne subit pas de gravure; ainsi, les taches dans lesquelles le chrome est absent sur la plaquette définissent les criques et les sorties du pore.</li>
</ol>10. Gravure
<ol><li>Undergo gravure de la couche SiO2 exposée des deux côtés de la plaquette par un plasma inductive couplé (ICP) réactif équicher (RIE) qui emploie le fluor (C4F8) et l’oxygène (O2) chimies. La durée est de 16 min (paramètres ICP-RIE énumérés dans le tableau 3) pour chaque côté.</li>
	<li>Traiter la plaquette avec cinq cycles de gravure anisotropique à l’aide du processus Bosch pour créer une encoche dans la couche de silicium. Ce processus est caractérisé par un profil plat de parois latérale utilisant des dépôts alternatifs de Gaz C4F8 et d’hexafluorure de soufre (SF6). En alternant gravure anisotrope et dépôt de polymère, les gravures de silicium vers le bas (paramètres d’étrage énumérés dans le tableau 3).</li>
	<li>Immerger la plaquette dans un bain de solution de piranha (H2SO4:H2O2 - 3:1 en volume) maintenu à une température de 388 K pendant 10 min. Cela élimine les polymères déposés dans l’étape anisotropique.</li>
	<li>Pour créer le sous-cut, qui donne le profil de réentrant, subir un etch isotropique à l’aide d’une recette sF6pour une durée de 165 s (paramètres de gravure énumérés dans le tableau 3). REMARQUE : Cette étape est effectuée de chaque côté de la plaquette.</li>
	<li>Gravure au silicium anisotropique<ol>
<li>Transférer la plaquette à l’ICP-RIE profond (instruments Oxford) pour émousser 150 m de silicium à l’aide de 200 cycles de gravure profonde à l’aide du procédé Bosch (les paramètres d’gravure sont énumérés dans le tableau 3).</li>
		<li>Répétez l’étape 10.4.1 avec l’arrière de la plaquette.</li>
		<li>Faites le nettoyage piranha de la plaquette dans le banc humide pendant 10 min pour enlever les contaminants polymères déposés du processus de gravure, ce qui assure des taux de gravure uniformes.</li>
		<li>Répétez les étapes 10.4.1-10.4.3 pour réaliser à travers les pores (qui peuvent être visualisés à l’œil nu sous une source de lumière) dans la plaquette ayant des entrées et des prises de reentrant.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Immerger la plaquette dans un bain de 100 ml d’étchanter chromé pendant 60 s pour enlever le chrome des deux côtés de la plaquette.</li>
</ol><table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td rowspan="2">Paramètre</td>
			<td rowspan="2">Gravure de silice</td>
			<td colspan="2">Gravure au silicium anisotropique /cycle</td>
			<td rowspan="2">Gravure au silicium isotropique</td>
		</tr>
<tr>
<td>Dépôt</td>
			<td>Gravure</td>
		</tr>
<tr>
<td>Puissance RF (W)</td>
			<td>100</td>
			<td>5</td>
			<td>30</td>
			<td>20</td>
		</tr>
<tr>
<td>Puissance ICP (W)</td>
			<td>1500</td>
			<td>1300</td>
			<td>1300</td>
			<td>1800</td>
		</tr>
<tr>
<td>Pression d’étanchéité (mTorr)</td>
			<td>10</td>
			<td>30</td>
			<td>30</td>
			<td>35</td>
		</tr>
<tr>
<td>Température (C)</td>
			<td>10</td>
			<td>15</td>
			<td>15</td>
			<td>15</td>
		</tr>
<tr>
<td>C4F8 flux (sccm)</td>
			<td>40</td>
			<td>100</td>
			<td>5</td>
			<td>-</td>
		</tr>
<tr>
<td>O2 flux (sccm)</td>
			<td>5</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
		</tr>
<tr>
<td>Flux SF6 (sccm)</td>
			<td>-</td>
			<td>5</td>
			<td>100</td>
			<td>110</td>
		</tr>
<tr>
<td>Temps de gravure (s)</td>
			<td>960</td>
			<td>5</td>
			<td>7</td>
			<td>165</td>
		</tr>
</tbody></table>Tableau 3 : Paramètres pour la gravure sèche SiO2/Si.
11. Nettoyage final
<ol><li>Après le processus de microfabrication, nettoyer la plaquette avec 100 ml de solution piranha fraîchement préparée (H2SO4:H2O2 ' 3:1 par volume; T 388 K) dans un récipient en verre pendant 10 min, puis encore sécher à l’eau avec un pistolet à pression N2 pur de 99 %.</li>
	<li>Placer les échantillons dans un plat Petri en verre à l’intérieur d’un four à vide propre à T 323 K jusqu’à ce que l’angle de contact intrinsèque de l’eau sur le SiO2 lisse soit stabilisé à 40 degrés (après 48 h).</li>
	<li>Conserver les échantillons secs obtenus (silica GEM) dans une armoire N2. REMARQUE : L’ensemble du flux de travail de fabrication est représenté dans la figure 4.</li>
</ol><img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig4.jpg">
Figure 4 : Illustration schématique du processus de microfabrication GEM. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig4large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>

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</ol>

R.D., S.A. et H.M. ont déposé un brevet international, Application No. PCT/IB2019/054548.

Ce travail présente la conception et la fabrication de silice-GEMs, les premières membranes DCMD dérivées de matériaux hydrophiles. La microfabrication avec le système SiO2/Si offre une immense flexibilité pour créer des microtextures pour tester des idées créatives. Bien sûr, la portée de ce travail se limite à la preuve de concept pour les GEM, parce que les gaufrettes SiO2/Si/SiO2 et les protocoles de microfabrication de la salle blanche ne sont pas pratiques pour les membranes de dessalement.
Il convient de noter que, même si l’architecture GEMs peut empêcher l’intrusion de l’eau lors de l’immersion lorsque l’angle de contact intrinsèque est de 40 degrés, cette stratégie échoue si la surface est rendue superhydrophile. Par exemple, après l’exposition au plasma d’oxygène, les surfaces de silice présentent un taux de 5 euros, et ces silice-GEM perdent de l’air qui est emprisonné à l’intérieur des pores spontanément sous forme de bulles, parce que le ménisque liquide n’est plus épinglé sur les bords de la rentrée. Cependant, les plastiques courants, tels que l’alcool en polyvinyle(o o 51 degrés) et le poly (éthylène téphtalate)(o o - 72 degrés), devraient être adaptés à cette approche. Ainsi, les principes de conception appris de silica-GEMs peuvent être mis à l’échelle en utilisant l’impression 3D44, la fabrication additive45, micromachining laser46, et CNC fraisage37, etc.
Ensuite, certains aspects cruciaux de la microfabrication de silice-GEM s’ensuivent, qui nécessitent une attention particulière. L’alignement manuel du dos (section 8) des caractéristiques doit être effectué avec autant de soin que possible pour atteindre les pores alignés verticalement. Les décalages peuvent entraîner des pore-throats, et dans le pire des cas, le désalignement peut conduire à seulement des cavités de chaque côté (pas de pores). Ainsi, il est suggéré d’utiliser des marques d’alignement à plusieurs échelles, la plus petite marque d’alignement étant au moins quatre fois plus petite que le diamètre des pores.
Pendant la gravure de la couche de silice avec C4F8 et O2 (étape 10.1), l’utilisation préalable (c.-à-d., la propreté) de la chambre de réaction peut influencer les taux de gravure. C’est en raison de la présence de contaminants dans la chambre de réaction, une occurrence commune dans les installations partagées d’utilisateur telles que des universités. Ainsi, il est recommandé que cette étape est effectuée d’abord sur une plaquette factice pour s’assurer que le système est propre et stable. En outre, il est conseillé d’utiliser de courtes périodes pour la gravure (par exemple, pas plus de 5 minutes tout en surveillant l’épaisseur de la couche de silice à l’aide de réflectométrie). Par exemple, s’il faut 16 min pour enlever complètement une couche De 2 M SiO2 d’une plaquette SiO2/Si/SiO2, le processus de gravure doit être divisé en quatre étapes comprenant trois cycles de 5 min suivis d’une réflexion, et une étape de gravure de 1 min (facultatif), basée sur les résultats de la réfététométrie.
Pour préserver les caractéristiques de reentrant de silice pendant le processus de Bosch qui est employé pour équerler la couche de silicium (étape 10.4), il est crucial qu’un masque dur de chrome soit employé. Le processus Bosch implique le dépôt de C4F8 pour assurer le profil anisotropique. Cependant, sur de longs cycles de gravure, cette couche peut devenir très épaisse et difficile à enlever. Ainsi, il est recommandé que le processus Bosch ne devrait pas être exécuté pendant plus de 200 cycles, et il devrait être suivi par le nettoyage piranha. Il a également été observé que de longs cycles de gravure profonde réduisent également l’épaisseur de la couche de silice, malgré la présence d’un masque dur de chrome.
La plupart des outils de gravure à sec n’atteignent pas l’uniformité spatiale en termes de taux de gravure. Ainsi, les caractéristiques obtenues au centre d’une plaquette SiO2/Si/SiO2 peuvent ne pas être les mêmes que celles à la limite de la plaquette. Ici, des caractéristiques de haute qualité ont été réalisées dans le centre de 4 "wafers, et des échantillons ont été périodiquement observés sous un microscope. Dans le cas où certaines régions sont gravées plus que d’autres, la plaquette doit être divisée en morceaux qui doivent être gravés séparément.
Ce protocole de fabrication peut être appliqué aux gaufrettes SiO2/Si/SiO2 de toute épaisseur; cependant, une couche plus épaisse signifie qu’un plus grand nombre de cycles de gravure est nécessaire. Il est suggéré d’utiliser des plaquettes de silicium d’une épaisseur de 300 m, tant que cela ne compromet pas l’intégrité mécanique de la plaquette lors de la manipulation et de la caractérisation.

À mesure que le stress sur les ressources en eau/alimentaire/énergie/environnement s’intensifie, des technologies et des matériaux plus écologiques pour le dessalement sont nécessaires1,2. Dans ce contexte, le processus de distillation de membrane de contact direct (DCMD) peut utiliser l’énergie solaire-thermique ou la chaleur industrielle de déchets pour le dessalement del’eau 3,4. DCMD exploite les membranes hydrofuges pour séparer les flux de contre-courant de l’eau de mer chaude et de l’eau froide déionisée, permettant seulement la vapeur d’eau pure de transporter à travers du côté chaud au froid5,6,7,8,9. Les membranes commerciales de DCMD exploitent presque exclusivement les perfluorocarbures en raison de leur répulsif en eau, caractérisé par l’angle de contact intrinsèque de l’eau, o110 '10. Cependant, les perfluorocarbures sont chers, et ils sont endommagés à des températures élevées11 et sur le nettoyage chimique sévère12,13. Leur non-biodégradabilité soulève également des préoccupations environnementales14. Ainsi, de nouveaux matériaux pour DCMD ont été explorés, par exemple, le polypropylène15, nanotubes de carbone16, et organosilica17, avec des variations du processus, par exemple, le chauffage interfacial18 et photovoltaïque-MD19. Néanmoins, tous les matériaux étudiés pour les membranes DCMD jusqu’à présent ont été intrinsèquement hydrofuge, caractérisé par 'o '90 ' pour l’eau).
Ici, un protocole est décrit pour exploiter les matériaux hydrophiles (hydrophiles) aimant l’eau pour atteindre la fonction des membranes DCMD hydrofuges, c’est-à-d. séparant l’eau de chaque côté en piégeant solidement l’air à l’intérieur des pores de la membrane. Vers la démonstration de preuve de concept, des plaquettes de silicium poli à double face avec des couches de silice (2 m d’épaisseur) des deux côtés (SiO2/Si/SiO2; 2 m/300 m/2 m, respectivement) sont utilisées. Des procédés de microfabrication sont appliqués pour atteindre les membranes de piégeage des gaz (GEM), qui exploitent une architecture spécifique pour empêcher les liquides d’entrer dans les pores indépendamment de la chimie de surface.
L’inspiration pour l’architecture GEMs provenait de springtails (Collembola), héxapodes vivant dans le sol dont les cuticules contiennent des motifs en forme de champignon20,21 , et les patineurs de mer (Halobates germanus), insectes vivant en haute mer qui ont des cheveux en forme de champignon sur leur corps22,23. L’architecture de surface, ainsi que les cires naturellement sécrétées, offre à ces insectes une « super » répulsif en eau, caractérisée par des angles de contact apparents pour l’eau(r' 150 ')24. En conséquence, dans leur état de repos, les patineurs de mer flottent essentiellement dans l’air à l’interface air de mer22,25. S’ils sont immergés dans l’eau, ils emprisonnent instantanément une couche d’air autour de leur corps (également connu sous le nom de plastron), ce qui facilite la respiration et la flottabilité20,23. Inspirés par les queues de printemps, Kim et ses collègues ont montré que les surfaces de silice avec des rangées de piliers en forme de champignon peuvent repousser les gouttelettes de liquides avec de faibles tensions de surface26. Ce fut une découverte remarquable; cependant, il a été constaté que la répulsion liquide de ces surfaces pouvait être perdue de façon catastrophique par des défauts ou des limites localisées27,28. Pour remédier à ce problème, les chercheurs ont microfabriqué des surfaces de silice avec des cavités dont les diamètres aux entrées étaient brusquement plus petits (c.-à-d., avec un tour de 90 degrés) que le reste de la cavité27. Ces caractéristiques sont également connues sous le nom de bords « entrants », et les cavités sont appelées ci-après « cavités de réentrer ».
Les cavités de réinsègue piègent solidement l’air au contact des gouttes liquides ou à la submersion27. La performance des cavités de différentes formes (circulaires, carrées et hexagonales), les profils (reentrant et doublement reentrant), et la netteté des coins par rapport à la stabilité de l’air emprisonné au fil du temps a été comparée29. Il a été constaté que les cavités circulaires de réentrant sont les plus optimales en termes de robustesse pour le piégeage de l’air sous les liquides mouillants et la complexité associée à la fabrication. En outre, il a été démontré que les matériaux intrinsèquement mouillants avec des cavités de réentrant peuvent piéger l’air lors de l’immersion dans les liquides mouillants, et ainsi, atteindre la fonction des surfaces omniphobes. Sur la base de ce corpus de travail27,28,29,30 et l’expérience précédente avec DCMD31, nous avons décidé de créer des membranes qui ont des pores avec des entrées et des prises de réentrant. Il a été envisagé qu’une telle membrane pourrait piéger l’air lors de l’immersion dans les liquides mouillants en raison de sa microtexture, donnant lieu à l’idée de GEMs.
Considérez une membrane faite à partir d’un matériau hydrophile comprenant de simples pores cylindriques : lorsqu’elle est immergée dans l’eau, cette membrane imbibe de l’eau spontanément (Figure 1A,B) atteignant l’état de Wenzelrempli 32. D’autre part, si les entrées et les sorties des pores ont des profils de réentrant (par exemple, en forme de « T »), ils peuvent empêcher le liquide mouillant de pénétrer les pores et piéger l’air à l’intérieur, ce qui conduit à des états cassie33 (figure 1C,D). Une fois que l’air est emprisonné à l’intérieur du pore, il permettra d’éviter davantage l’intrusion liquide en raison de sa compressibilité et sa faible solubilité dans l’eau au fil du temps34,35.
Un tel système va lentement passer de Cassie à l’état de Wenzel, et la cinétique de ce processus peut être réglé par la forme, la taille et le profil du pore, la pression de vapeur du liquide, et la solubilité de l’air emprisonné dans le liquide29,34,36. Les chercheurs ont été en mesure de réaliser GEMs en utilisant des plaquettes de silicium et des feuilles de polyméthylmethacrylate que les substrats d’essai, et des applications de preuve de concept pour DCMD dans une configuration de flux croisé s’est démontré37. Ici, un protocole détaillé de microfabrication pour la génération de silice-GEMs est présenté, en commençant par des gaufrettes de silicium poli à double face avec des couches de silice (2 m d’épaisseur) des deux côtés (SiO2/Si/SiO2;2 m/300 m/2 m, respectivement). En outre, la capacité des silice-GEMs à piéger l’air sous l’eau est évaluée à l’aide d’une cellule de pression sur mesure et d’une microscopie confocale.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig1.jpg">
Figure 1 : Représentation schématique d’une membrane avec des pores cylindriques simples (A,B) et une avec des pores de réentrant (C,D). Contrairement aux pores cylindriques simples, les pores de réentrant deviennent nettement plus larges après les entrées/prises, et c’est cette discontinuité (ou les bords de reentrant) qui empêche les liquides de s’immiscer dans les pores. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig1large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
En particulier, cette section décrit le protocole de microfabrication pour la sculpture des tableaux de pores avec des entrées et des prises de reentrant à l’aide de plaquettes de silicium poli à double face qui sont de 300 m d’épaisseur (p-dopé, lt;100 'gt; orientation, 4 " diamètre, 2 couches d’oxyde thermiquede d’épaisseur de 2 m d’épaisseur sur les deux côtés). C’est ce qu’on appelle ci-après SiO2(2 m)/Si(300 m)/SiO2(2 m) (Figure 2).
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig2.jpg">
Figure 2 : Flowchart répertorie les étapes clés de la microfabrication de silice-GEM. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig2alarge.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>

<table><tbody><tr><td>Imprimante 3D</td><td>BCN3D</td><td>020.180510.3103</td><td>Imprimante 3D BCN3D Sigma pour l’impression de modules de test avec filament PLA (acide polylactique).</td></tr><tr><td>Acétone</td><td>BASF</td><td></td><td></td></tr><tr><td>AZ-5214 E photoresist</td><td>Merck</td><td></td><td></td></tr><tr><td>AZ-726 Développeur MIF</td><td>Merck</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Chrome Etchant</td><td>MicroChemicals</td><td>TechniEtch Cr01</td><td>Pour éliminer le chrome des plaquettes et des masques de silicium</td></tr><tr><td>Conductimètre</td><td>Hanna</td><td>HI98192</td><td>Pour mesurer la conductivité de l’eau pure pendant les tests d’étanchéité.</td></tr><tr><td>Microscope confocal</td><td>Zeiss</td><td>ZEISS LSM 710</td><td>Pour l’imagerie par fluorescence de l’eau.</td></tr><tr><td>Contact Aligneur</td><td>EVG</td><td>EVG6200</td><td>Aligneur de masque</td></tr><tr><td>Deep ICP-RIE</td><td>Oxford Instruments</td><td>Plasmalab system100</td><td></td></tr><tr><td>DI water</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Direct writer</td><td>Heidelberg Instruments</td><td>&micro ; Système d’écriture directe PG501 Exposition</td><td>aux UV</td></tr><tr><td>Colorant alimentaire</td><td>Kroger</td><td></td><td>Green colorant alimentaire pour étiqueter l’eau salée.</td></tr><tr><td>Boîte de Pétri en verre</td><td>VWR</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HMDS vapeur prime</td><td>Systèmes d’ingénierie</td><td></td><td></td>de rendement</tr><tr><td>Plaque chauffante</td><td>Équipements rentables</td><td>Modèle 1300</td><td></td></tr><tr><td>Peroxyde d’hydrogène 30 %</td> <td>Produits chimiques</td><td></td> VWR <td>Pour préparer une solution de piranha.</td></tr><tr><td>Logiciel Imaris</td><td>Bitplane</td><td>Version 8</td><td>Post-traitement des images de microscopie confocale</td></tr><tr><td>Azote gazeux</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Profileur de surface optique</td><td>Zygo Zygo</td><td>newview 7300</td><td></td></tr><tr><td>Photomask</td><td>Nanofilm</td><td></td><td>5 pouces masque en verre sodocalcique</td></tr><tr><td>Profilomètre</td><td>Veeco</td><td>Detak 8</td><td>Stylus Profilomètre</td></tr><tr><td>Pulvérisation réactive</td><td>Equipment Support Company Ltd</td><td></td><td>Chromium Sputtering</td></tr><tr><td>Reactive-Ion Etching (RIE)</td><td>Oxford Instruments</td><td>Plasmalab system100</td><td></td></tr><tr><td>Réflectomètre</td><td></td><td>Nanometrics Nanospec 6100</td><td>Pour vérifier l’épaisseur restante de la couche d’oxyde.</td></tr><tr><td>Rhodamine B</td><td>Merck</td><td>81-88-9</td><td>Colorant pour l’imagerie du ménisque aqueux au microscope confocal.</td></tr><tr><td>Stub MEB</td><td>Microscopie électronique Sciences</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SEM-Quanta 3D</td><td>FEI</td><td>Quanta 3D FEG Dual Beam (SEM/FIB)</td><td></td></tr><tr><td>Plaquette de silicium</td><td>Silicon Valley Microelectronics</td><td></td><td>Double face polie, 4" diamater, 300 &micro ; m d’épaisseur, 2 & micro ; m couche d’oxyde épaisse, dopée p, < Orientation à 100>.</td></tr><tr><td>Chlorure de sodium</td><td>Merck</td><td>7647-14-5</td><td>Pour la préparation de la solution de NaCl</td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>Branson</td><td>1510</td><td></td></tr><tr><td>Spin coater</td><td>Headway Research,Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sécheur par essorage</td><td>MicroProcess</td><td>Avenger Ultra Pure 6</td><td>Séchage par essorage dans un environnement azoté.</td></tr><tr><td>Pulvérisation</td><td>Quorum Technologies</td><td>Q150T S</td><td>Pulvérisation Iridium pour MEB.</td></tr><tr><td>Acide sulfurique 96 %</td><td>Technic</td><td>764-93-9</td><td>Pour préparer une solution de piranha.</td></tr><tr><td>Tanner EDA L-Edit logiciel</td><td>Tanner EDA, Inc.</td><td></td><td>Pour la conception de photomasque</td></tr><tr><td>Pince à épiler</td><td>Excelta</td><td></td><td></td></tr><tr><td>UV Cure</td><td>Tamarack Scientific Co., Inc.</td><td>PRX-2000-20</td><td>Pour l’exposition aux inondations de wafer et de photomasque</td></tr><tr><td>Four à vide</td><td>Thermo Scientific</td><td>13-258-13</td><td>Lindberg/Blue</td></tr><tr><td>M Banc humide</td><td>JST Manufacturing Inc.</td><td>17391-015-00</td><td>Banc humide utilisé pour le nettoyage des piranhas</td></tr></tbody></table>

preuve de concept pour les membranes d’enpiçage au gaz dérivées de l’eau-aimant sio2/si/sio2 wafers pour le dessalement vert

Proof-of-Concept for Gas-Entrapping Membranes Derived from Water-Loving SiO2/Si/SiO2 Wafers for Green Desalination

Le dessalement par distillation de membrane de contact direct (DCMD) exploite les membranes hydrofuges pour séparer solidement les flux d’eau de mer chaude et salée de l’eau froide et pure, permettant ainsi que de la vapeur d’eau pure de passer à travers. Pour réaliser cet exploit, les membranes commerciales de DCMD sont dérivées ou enduites de perfluorocarbones hydrofuges comme le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et le difluorure de polyvinylidene (PVDF). Cependant, l’utilisation des perfluorocarbures est limitée en raison de leur coût élevé, de leur non-biodégradabilité et de leur vulnérabilité à des conditions opérationnelles difficiles. Dévoilée ici est une nouvelle classe de membranes appelées membranes de piégeage de gaz (GEM) qui peuvent solidement piéger l’air lors de l’immersion dans l’eau. Les GEM atteignent cette fonction par leur microstructure plutôt que par leur composition chimique. Ce travail démontre une preuve de concept pour les GEM en utilisant intrinsèquement mouillant siO2/Si/SiO2 gaufrettes comme système modèle; l’angle de contact de l’eau sur SiO2 est de40 euros. Les Silica-GEM avaient 300 pores cylindriques de 300 m de long dont les diamètres dans les régions d’inlet et de sortie (2 m de long) étaient significativement plus petits; cette structure géométriquement discontinue, avec des virages à 90 degrés aux entrées et aux prises, est connue sous le nom de « microtexture entrante ». Le protocole de microfabrication pour la silice-GEMs implique la conception, la photolithographie, le pulvérisage de chrome, et la gravure isotropique et anisotropique. Malgré la nature épris d’eau de la silice, l’eau n’empiète pas sur la silice-GEMs sur la submersion. En fait, ils piègent solidement l’air sous l’eau et le gardent intact même après six semaines (106 secondes). D’autre part, les membranes de silice avec des pores cylindriques simples absorbent spontanément l’eau (lt; 1 s). Ces résultats mettent en évidence le potentiel de l’architecture GEMs pour les processus de séparation. Bien que le choix des gaufrettes SiO2/Si/SiO2 pour les GEM se limite à démontrer la preuve de concept, on s’attend à ce que les protocoles et les concepts présentés ici feront progresser la conception rationnelle des GEM évolutives utilisant des matériaux communs peu coûteux pour le dessalement et au-delà.

Cette section présente les performances sous-marines de silice-GEMs microfabriqués en utilisant le protocole mentionné ci-dessus. Les pores de ces GEM étaient alignés verticalement, les diamètres de l’entrée/sortie étaient D à 100 m, la distance centre-centre entre les pores (pitch) était de 400 m, la séparation entre les bords du reentrant et le mur était de 18 m, et la longueur des pores était de 300 m (figure 5). En raison des inhomogénéités encourues pendant les étapes de gravure et du désalignement mineur pendant la microfabrication, la partie moyenne des pores était un peu plus étroite comparée à la partie au-dessous des entrées et des sorties des pores, cependant, elle n’a pas affecté le flux de masse de manière significative.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig5.jpg">
Figure 5 : Micrographies électroniques de balayage de silice-GEMs. Sont montrées (A) une vue transversale inclinée des silice-GEMs, (B) une vue transversale agrandie d’un seul pore, et (C,D) agrandit les vues des bords de la rentrée aux entrées et aux sorties d’un pore. Les panneaux (C) et (D) sont réimprimés à partir de Das et coll.37. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig5alarge.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
Plongée de silice-GEMs dans l’eau La silice (SiO2) est hydrophile, caractérisée par l’angle de contact intrinsèque des gouttes d’eau sous la vapeur d’eau saturée, oo 40 degrés. Ainsi, si les pores cylindriques sont créés sur une feuille de silice, l’eau les imbiberait, atteignant le plein rempli, ou l’état de Wenzel32. Pour tester cela, un module sur mesure a été utilisé qui peut sécuriser un test-membrane entre un réservoir d’eau salée teint (0,6 M NaCl avec colorant alimentaire) et de l’eau déionisée(T 293 K et p - 1 atm). Il enregistre également la conductivité électrique du réservoir d’eau déionisé dans un ordinateur pour surveiller le remplissage des pores in situ (Figure 6A). Ici, les membranes de silice avec des trous cylindriques simples n’ont pas été en mesure d’empêcher le mélange des deux réservoirs, puisque l’eau s’est infiltrée instantanément comme le reflète la libération du colorant (Film supplémentaire). En revanche, lorsque les silice-GEM ont été testés dans les mêmes conditions, ils ont solidement emprisonné l’air et l’ont maintenu intact pendant plus de 6 semaines, confirmé par des mesures de conductivité électrique (limite de détection de 0,01 S/cm), après quoi l’expérience a été interrompue (figure 6B). Ces résultats établissent que l’architecture geMs peut permettre aux matériaux hydrophiles de piéger solidement l’air lors de l’immersion dans l’eau. En outre, un scénario de niveau de pores a été présenté dans lequel la faible solubilité de l’air emprisonné dans l’eau et la courbure de l’interface air-eau ont empêché le ménisque liquide de s’immiscer plus loin dans le pore (figure 6C).
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig6.jpg">
Figure 6 : Essais de robustesse des membranes. (A) Schéma tique de la cellule personnalisée imprimée en 3D pour tester la robustesse des membranes lors de la séparation de l’eau salée teintée (0,6 M NaCl avec colorant alimentaire) de l’eau pure déionisée(T 293 K, p - 1 atm), tout en enregistrant simultanément la conductivité électrique du réservoir d’eau DI dans un ordinateur. (B) Une parcelle semi-logarithmique de la conductivité électrique du réservoir d’eau DI s’agrandit lorsque des silice-GEM ont été utilisés pour séparer les deux réservoirs. Remarquablement, la silice-GEMs solidement emprisonné l’air dans chaque pore, de sorte que l’eau ne pouvait pas pénétrer même un seul porre pendant plus de 6 semaines, comme en témoignent les données de conductivité électrique. (C) Schéma de niveau pore, montrant l’interface air-eau à chaque extrémité. Les panneaux (A) et (B) sont réimprimés à partir de Das et coll.37. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig6alarge.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
Afin d’avoir une meilleure compréhension de l’épinglage et des déplacements de l’interface air-eau dans les criques et les sorties de silice-GEM sous l’eau (colonne de 5 mm), une microscopie confocale a été utilisée. Il est bien connu que le laser utilisé pour l’éclairage dans la microscopie confocale chauffe également le système39, ce qui peut accélérer les transitions de mouillage. Néanmoins, la haute résolution spatiale peut donner un aperçu utile. À titre de comparaison, le comportement des surfaces de silice avec des cavités de réentrant a également été étudié29,40. Dans les deux scénarios, la chaleur supplémentaire fournie au réservoir d’eau ci-dessus améliore la condensation capillaire de vapeur d’eau à l’intérieur de la microtexture. Dans le cas des cavités de réentrer, la condensation de vapeur d’eau a déplacé l’air emprisonné, ce qui a provoqué un gonflement de l’interface air-eau vers le haut et a déstabilisé le système (figure 7A,C). Dans ces conditions expérimentales, l’eau s’est intillée dans toutes les cavités en moins de 2 h. En revanche, les silice-GEM sont restés exempts de renflement pendant une période beaucoup plus longue, même si le taux de chauffage était similaire. Ces résultats ont été rationalisés sur la base de la condensation préférentielle de la vapeur d’eau du réservoir chauffé au laser sur l’interface air-eau plus froide de l’autre côté du pore (figure 7B,D). Cependant, il n’a pas été possible de mesurer le taux de transfert de masse dans cette configuration expérimentale.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig7.jpg">
Figure 7 : Interfaces air-eau. (A) Reconstructions 3D améliorées par ordinateur de l’interface air-eau à des entrées de silice-GEMsous (hauteur de colonne, z - 5 mm ; puissance laser - 0,6 mW) avec des vues transversales le long des lignes pointillées blanches (sur les côtés gauche et droit de l’image centrale). En raison du chauffage du laser sur le côté supérieur, la vapeur d’eau condensée à l’intérieur des cavités, déplaçant l’air emprisonné. Cela a fait gonfler le ménisque air-eau vers le haut et devenir instable. Après 1,5 h, la plupart des cavités ont été envahies par l’eau. (B) Micrographies confocales de silice-GEM dans des conditions similaires à celles (A). (C) Schéma tique du renflement du ménisque air-eau dans le cas des cavités de rentrée sous l’eau. (D) Schématique pour un pore en silice-GEMs dans des conditions similaires. La vapeur d’eau chaude se condense partout, notamment sur l’interface air-eau plus froide sur le côté plus loin du laser. À la suite de ce transfert de masse, il ya une accumulation de pression minimale dans le pores. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig7large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
Distillation de membrane de contact direct avec GEMs Ayant établi que les silice-GEM peuvent séparer solidement deux réservoirs d’eau de chaque côté, une configuration statique de DCMD a été testée, dans laquelle le côté d’alimentation salée (0,6 M NaCl à T - 333 K) et le côté périmé désionisé(T - 288 K) étaient des réservoirs statiques. Même si les silice-GEM empêchaient l’intrusion d’eau, des flux mesurables n’ont pas été observés. Cela est dû au fait que la conductivité thermique du silicium (k - 149 W-m-1 K-1)41 est des ordres de grandeur plus élevés que celui des membranes Typiques de DCMD (c.-à-d., k lt; 1 W-m-1-K-1)2. Ainsi, la configuration expérimentale avec la silice-GEMs a souffert de ce qu’on appelle la polarisation de température, dans laquelle le côté chaud perd la chaleur au côté froid, abaissant le flux31.
Il peut être possible de réduire la conductivité thermique du silicium par nanostructude42 (par exemple, pour améliorer ses propriétés thermoélectriques43), mais ces avenues n’ont pas été explorées. Au lieu de cela, les principes de conception de silica-GEMs ont été traduits en feuilles de polyméthylmethacrylate (PMMA)(o' 70 ' pour l’eau, k -0,19 W-m-1-K-1)40 pour créer PMMA-GEMs37. En effet, le premier lot (preuve de concept) de PMMA-GEM avec une faible porosité (de 0,08) a montré une séparation robuste du côté des aliments et de l’imprégnation et a donné un flux de 1 L-m2-h-1 sur 90 h. Ainsi, il est possible de traduire ces études basées sur la silice-GEM à l’aide de matériaux plus communs pour la génération de membranes plus vertes et à moindre coût pour le dessalement.
Film supplémentaire. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/Movie_S1.mp4" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir ce fichier (Clic droit pour télécharger).</a>

Présenté ici est un protocole étape pour la réalisation des membranes de piégeage des gaz (GEM) à partir de plaquettes SiO2/Si en utilisant la technologie intégrée de microfabrication de circuits. Lorsque les silice-GEM sont immergés dans l’eau, l’intrusion d’eau est empêchée, malgré la composition épris d’eau de la silice.

Preuve de concept pour les membranes d’enpiçage au gaz dérivées de L’eau-Aimant SiO2/Si/SiO2 Wafers pour le dessalement vert

Desalination through direct contact membrane distillation (DCMD) exploits water-repellent membranes to robustly separate counterflowing streams of hot and ...

Les membranes qui pénètrent dans le gaz, ou GEMs, peuvent solidement piéger l’air lors de l’immersion dans des liquides mouillants. En conséquence, ils atteignent cette fonction en raison de leur structure, qui peut être d’usage, par exemple, dans le dessalement par distillation membranaire. La photolithographie nous a permis de créer des architectures complexes en surplomb des deux côtés d’une plaquette de silicium résultant en GEMS.Il a fourni une voie pour fabriquer GEMS en utilisant des techniques conventionnelles de micro-fabrication. Des marques d’alignement appropriées doivent être placées sur le masque photo pour obtenir des poteaux alignés verticalement. Nous suggérons d’utiliser des marques d’alignement à plusieurs échelles de la plus petite taille d’au moins quatre fois le diamètre du pôle.La fabrication de la silice GEMS implique des modèles de conception complexes et un processus en plusieurs étapes, ce qui démontrera suffisamment d’étapes de micro-fabrication aidera à comprendre le protocole. Commencez cette procédure par la conception de tableaux et le développement du masque tel que décrit dans le protocole texte. Immerger la gaufrette de silicium dans une solution piranha fraîchement préparée.Maintenir à une température de 388 Kelvin pendant 10 minutes. Rincer la gaufrette à l’eau déionisée pendant deux cycles dans un banc humide, puis sécher la gaufrette sous un environnement azoté dans la sécheuse. Exposer la gaufrette à la vapeur de HMDS pour améliorer l’adhérence du photorésist à la surface de la silice.Transférez la gaufrette sur un mandrin sous vide d’un revêtement de spin pour faire tourner le photorésistant. Utilisez AZ 5214 photorésist comme un ton négatif pour atteindre un film de 1,6 micron d’épaisseur de la photorésistance. Cuire la gaufrette enduire photorésistante à 105 degrés Celsius sur une plaque chaude pendant deux minutes.Cela sèche et durcit le film photorésiste, qui colle autrement au masque en verre et provoque des problèmes de contamination lors de l’exposition aux UV. Il améliore également l’adhérence du photorésist à la surface de la silice. Exposez la gaufrette sous exposition aux UV pendant 15 secondes à travers le masque chromé à l’aide d’un système d’alignement des masques pour obtenir la conception désirée sur le photorésistant.Ensuite, faites cuire la gaufrette réalisée à 120 degrés Celsius sur une plaque chaude pendant deux minutes. Au cours de cette étape, le film photorésiste négatif exposé croise d’autres liens. Par conséquent, les parties exposées aux UV du photorésistant ne sont plus solubles dans la solution de développement, tandis que les zones non exposées sont solubles.Exposez davantage la gaufrette sous la lumière UV pendant 15 secondes dans un système de traitement UV. Au cours de cette étape, les zones photorésistants qui n’ont pas été exposées précédemment sont exposées, et peuvent plus tard être dissoutes dans le développeur. Ensuite, plongez la gaufrette dans un bain de 50 mL du développeur photorésiste AZ 726 pendant 60 secondes pour atteindre le motif photorésiste désiré sur la plaquette de silicium.Nettoyez ensuite la gaufrette à l’aide d’eau déionisée et séchez-la avec du gaz azoté. Pulvériser le chrome sur la gaufrette pendant 200 secondes pour obtenir une couche de chrome de 50 nanomètres d’épaisseur. Le dépôt est effectué à l’aide d’un pulvérisant réactif DC de type magnétron avec une source cible ronde standard de deux pouces dans un environnement argon.Sonicate la gaufrette pulvérisée dans un bain d’acétone pendant cinq minutes pour enlever le photorésiste restant de la gaufrette, laissant derrière lui les caractéristiques désirées avec un masque dur chrome. Après avoir rincé l’arrière de la gaufrette avec une grande quantité d’acétone et d’éthanol, séchez-le avec un pistolet à azote. Ensuite, répétez les étapes d’enrobage, de cuisson et d’exposition aux UV sur le côté arrière de la gaufrette.Pour l’exposition aux UV, utilisez l’alignement manuel du dos avec le module de réticule dans le gouttière de contact pour aligner les caractéristiques désirées sur le côté arrière avec le côté avant de la plaquette à l’aide des marques d’alignement dans le masque. Pour l’arrière de la gaufrette, continuer avec le pulvérisateur et photorésist enlever les étapes pour générer la conception requise avec masque dur chrome des deux côtés de la gaufrette. La surface recouverte de chrome ne subit pas de gravure.Ainsi, les taches dans lesquelles le chrome est absent sur la plaquette définissent les entrées et les sorties de la coulée. Subir l’eau-forte de la couche exposée de dioxyde de silicium des deux côtés de la gaufrette par un ion etcher réactif plasma inductivement couplé qui emploie des chimies de fluor et d’oxygène. La durée est de 16 minutes pour chaque côté.Traiter la gaufrette avec cinq cycles de gravure anisotropique à l’aide du procédé Bosch pour créer une encoche dans la couche de silicium. Ce processus est caractérisé par un profil latéral plat de mur utilisant des dépôts alternatifs des gaz d’octafluorocyclobutane et d’hexafluoride de soufre. En alternant gravure anisotropique et dépôt de polymères, les gravures de silicium tout droit vers le bas.Cette étape est effectuée de chaque côté de la gaufrette. Ensuite, immerger la gaufrette dans un bain de solution piranha maintenu à une température de 388 Kelvin pendant 10 minutes. Cela élimine les polymères déposés dans l’étape anisotropique.Pour créer la sous-coupe, qui donne le profil de réentrant, subir l’etch isotropique en utilisant une recette à base d’hexafluoride de soufre pour une durée de 165 secondes. Cette étape est effectuée de chaque côté de la gaufrette. Pour effectuer la gravure anisotropique de silicium, transférez la gaufrette à un graveur d’ion plasma-réactif inductivement-couplé profond pour graver 150 microns de silicium.Effectuez 200 cycles de gravure profonde à l’aide du procédé Bosch. Répétez cette étape avec le côté arrière de la gaufrette. Maintenant, subir le nettoyage piranha de la gaufrette dans le banc humide pendant 10 minutes pour éliminer les contaminants polymériques déposés dans le processus de gravure, ce qui assure des taux uniformes de gravure.Répétez ces étapes de gravure et de nettoyage pour réaliser à travers les pores dans la gaufrette ayant des entrées et des prises de réentrant. Retirer le chrome de la gaufrette en l’immergeant dans un bain de 100 mL d’étchant chromé pendant 60 secondes. Après le processus de microfabrication, nettoyer la gaufrette avec 100 mL de solution piranha fraîchement préparée dans un récipient en verre pendant 10 minutes.Puis, encore souffler sec avec un pistolet à pression de gaz d’azote pur à 99%. Placer les échantillons dans une boîte de Pétri en verre à l’intérieur d’un four à vide propre à 323 Kelvin jusqu’à ce que l’angle de contact intrinsèque de l’eau sur le dioxyde de silicium lisse soit stabilisé à un angle de contact intrinsèque theta égal à 40 degrés après 48 heures. Conservez les échantillons secs obtenus, qui sont les GEMs de silice, dans une armoire à azote.Les micrographes électroniques de balayage des GEMs de silice montrent une vue transversale inclinée, une vue transversale agrandie d’un pore simple, et des vues amplifiées des bords réentrants aux entrées et aux sorties du pore. Les pores de ces GEM ont été alignés verticalement. Le diamètre de l’entrée et de la sortie était de 100 microns.La distance centre-centre entre les pores était de 400 microns. La séparation entre les bords de réentrant et la paroi poreuse était de 18 microns, et la longueur des pores était de 300 microns. On y voit des reconstructions 3D améliorées par ordinateur de l’interface air-eau aux entrées des GEMs de silice sous l’eau.On y voit également des vues transversales le long des lignes pointillées blanches. Dans le cas des cavités réentrantes, la condensation de vapeur d’eau à l’intérieur des cavités a déplacé l’air piégé, ce qui a provoqué un gonflement de l’interface air-eau vers le haut et a déstabilisé le système. En revanche, les GEM de silice sont restés exempts de gonflement pendant une période beaucoup plus longue, même si le taux de chauffage était similaire.Ces résultats ont été rationalisés sur la base de la condensation préférentielle de la vapeur d’eau du réservoir chauffé au laser sur l’interface air-eau refroidie de l’autre côté. Cependant, il n’a pas été possible de mesurer le taux de transfert de masse dans cette configuration expérimentale. Empêcher l’enlèvement des structures de réentrant de silice pendant le processus de Bosch, il est employé pour ajouter le silicium.Il est très crucial d’avoir le masque dur de chrome. Ces résultats pourraient libérer le potentiel des matériaux communs pour des applications qui exigent actuellement des revêtements perfluorés, tels que pour la réduction de traînée ou pour la suppression et la purification.

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