Przedstawiamy procedurę wysoce kontrolowanego i pozbawionego zmarszczek transferu cienkich warstw kopolimeru blokowego na porowate podłoża za pomocą wydrukowanej w 3D komory drenażowej. Konstrukcja studzienki odpływowej ma ogólne znaczenie dla wszystkich procedur obejmujących przenoszenie warstw makromolekularnych na porowate podłoża, co zwykle odbywa się ręcznie w niepowtarzalny sposób.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Procedura przenoszenia folii polimerowych na porowate podłoża ze zminimalizowanymi wadami
* These authors contributed equally
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Produkcja urządzeń zawierających cienkowarstwowe membrany kompozytowe wymaga przeniesienia tych folii na powierzchnie dowolnych substratów nośnych. Przeprowadzenie tego transferu w wysoce kontrolowany, zmechanizowany i powtarzalny sposób może wyeliminować tworzenie się struktur defektów w makroskali (np. rozdarć, pęknięć i zmarszczek) w cienkiej warstwie, które pogarszają wydajność urządzenia i powierzchnię użytkową na próbkę. W tym miejscu opisujemy ogólny protokół wysoce kontrolowanego i zmechanizowanego przenoszenia cienkiej warstwy polimeru na dowolne porowate podłoże nośne w celu ewentualnego wykorzystania jako urządzenie membranowe do filtracji wody. W szczególności wytwarzamy cienką warstwę kopolimeru blokowego (BCP) na wierzchu protektorowej, rozpuszczalnej w wodzie warstwy poli(kwasu akrylowego) (PAA) i podłoża z wafli krzemowych. Następnie wykorzystujemy specjalnie zaprojektowane, wydrukowane w 3D narzędzie do przenoszenia i system studzienek odpływowych do osadzania, podnoszenia i przenoszenia cienkiej folii BCP na środek porowatego dysku nośnego z anodyzowanego tlenku glinu (AAO). Wykazano, że przeniesiona cienka folia BCP jest konsekwentnie umieszczana na środku powierzchni nośnej dzięki prowadzeniu menisku utworzonego między wodą a wydrukowaną w 3D plastikową komorą odpływową. Porównujemy również nasze cienkie folie obrabiane mechanicznie z tymi, które zostały przeniesione ręcznie za pomocą pęsety. Oględziny optyczne i analiza obrazu przeniesionych cienkich warstw z procesu zmechanizowanego potwierdzają, że w makroskali powstają niewielkie lub żadne niejednorodności lub deformacje plastyczne w porównaniu z mnogością rozdarć i zmarszczek powstałych w wyniku ręcznego przenoszenia. Nasze wyniki sugerują, że proponowana strategia transferu cienkich warstw może zmniejszyć liczbę defektów w porównaniu z innymi metodami w wielu systemach i zastosowaniach.
Wprowadzenie
Urządzenia oparte na cienkich warstwach i nanomembranach zyskały ostatnio szerokie zainteresowanie ze względu na ich potencjalne zastosowanie w szerokim zakresie zastosowań, począwszy od elastycznej fotowoltaiki i fotoniki, składanych wyświetlaczy i elektroniki do noszenia1,2,3. Wymogiem do produkcji tych różnych typów urządzeń jest przenoszenie cienkich warstw na powierzchnie dowolnych podłoży, co pozostaje wyzwaniem ze względu na kruchość tych folii i częste wytwarzanie struktur defektowych w makroskali, takich jak zmarszczki, pęknięcia i rozdarcia, w obrębie folii po transferze4,5,6,7. Ręczne przenoszenie ręczne, pęseta i pętle druciane są powszechnymi metodami przenoszenia cienkich warstw, ale nieuchronnie prowadzą do niezgodności strukturalnych i deformacji plastycznych8,9. Zbadano różne rodzaje metodologii transferu cienkich warstw, takie jak: 1) transfer stempla z polidimetylosiloksanu (PDMS), który polega na użyciu stempla elastomerowego w celu uzyskania cienkiej warstwy z substratu dawcy, a następnie przeniesienia na podłoże odbiorcze10, oraz 2) transfer warstwy protektorowej11, w którym wytrawiacz jest używany do selektywnego rozpuszczania warstwy protektorowej między podłożem nośnym a cienką warstwą, podnosząc w ten sposób cienką warstwę. Jednak same te techniki niekoniecznie pozwalają na transfer cienkich warstw bez ponoszenia uszkodzeń lub tworzenia defektów w cienkich warstwach12.
Tutaj prezentujemy nowatorską, tanią i dającą się uogólnić łatwą metodę opartą na usuwaniu warstwy protektorowej i transferze kierowanym przez menisk w ramach specjalnie zaprojektowanego, wydrukowanego w 3D systemu komór odpływowych, do mechanicznego umieszczania cienkich warstw kopolimeru blokowego (BCP) na środkach porowatych podłoży, takich jak dyski z anodyzowanego tlenku glinu (AAO) z niewielkimi lub żadnymi strukturami defektów makroskalowych, takimi jak zmarszczki, łzy, i pęknięcia. W obecnym kontekście, te przeniesione cienkie warstwy mogą być następnie wykorzystane jako urządzenia w badaniach filtracji wody, potencjalnie po przetwarzaniu sekwencyjnej syntezy infiltracji (SIS)9. Analiza obrazu przeniesionych folii uzyskanego za pomocą mikroskopii optycznej pokazuje, że kierowany przez menisk system komór drenażowych zapewnia gładkie, wytrzymałe i pozbawione zmarszczek próbki. Ponadto obrazy pokazują również zdolność systemu do niezawodnego umieszczania cienkowarstwowych membran na środku podłoży odbiorczych. Nasze wyniki mają istotne implikacje dla każdego rodzaju zastosowania urządzenia wymagającego przenoszenia struktur cienkowarstwowych na powierzchnie dowolnie porowatych podłoży.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Wykonanie narzędzia do przenoszenia i systemu studzienek spustowych
- W załączeniu (pliki uzupełniające 1, 2) znajduje się rysunek techniczny zespołu studzienki odpływowej składającej się z dwóch części: górnej i dolnej. Zamodeluj to urządzenie zgodnie ze specyfikacją żądanego systemu (np. średnica zewnętrzna podłoża odbiorczego) i wyeksportuj jako plik STL do druku 3D.
- W górnej części użyj wybranej drukarki filamentowej i drukuj w najniższej możliwej rozdzielczości, w tym na rusztowaniach tam, gdzie to konieczne. Przestrzegaj zalecanych parametrów drukarki. Zaleca się również, aby górna część była drukowana przy użyciu poli(kwasu mlekowego) (PLA), aby zminimalizować zrzucanie materiału.
- Do dolnej części użyj atramentowej drukarki żywicznej lub drukarki filamentowej o wysokości roboczej nawet 20 μm.
UWAGA: PLA jest odpowiednim materiałem, który minimalizuje zrzucanie materiału. - Wyszoruj i wyczyść obie części wodą dejonizowaną, zapewniając usunięcie potencjalnego materiału zrzucającego się z procesu drukowania. Zalecana jest również sonikacja w wodzie dejonizowanej. Przetestuj gwinty na dwóch częściach, aby zapewnić dobre dopasowanie.
- Wypełnić komorę odpływową o-ringiem z neoprenu w rozmiarze 117 i rurką o parametrach określonych w dokumentach uzupełniających (pliki uzupełniające 1, 2). Schemat całego zespołu studzienki odpływowej jest pokazany na Rysunek 1.
- Wydrukuj narzędzie do transferu za pomocą dowolnej drukarki filamentowej w średniej lub wysokiej rozdzielczości. Składa się z dwóch części: zacisku i ramienia załadowczego.
UWAGA: Zdecydowanie zaleca się, aby narzędzie do transferu było drukowane przy użyciu poli(kwasu mlekowego) (PLA), ponieważ inne tworzywa sztuczne mogą być słabo zwilżone i spowodować nieoczekiwane zamoczenie płytki. - Uzupełnij zacisk śrubą o rozmiarze 10, a następnie przymocuj zacisk do podnośnika laboratoryjnego.
2. Wstępne zmechanizowane osadzanie i pobieranie membrany z substratu dawcy
- Umieść gołą tarczę AAO o średnicy 25 mm (lub dowolne porowate podłoże odbiornika) w dolnej części komory odpływowej. Następnie umieść neoprenowy O-ring na górze dysku AAO i przykręć górną część komory odpływowej.
- Kilkakrotnie przepłukać i/lub poddać sonikacji zestaw wodą dejonizowaną (DI). Pomaga to usunąć kurz i/lub wszelkie pozostałe cząstki z druku 3D.
- Umieść kawałek wafla Si z przenośnym stosem polimerowym (płytka dawcza) na wardze ramienia ładującego narzędzia transferowego.
- Napełnij komorę odpływową 25 ml wody DI.
- Opuść podnośnik laboratoryjny tak, aby narzędzie było powoli zanurzane w rampie wejściowej komory odpływowej i aby substrat z krzemu donorowego był powoli zanurzany. Upewnij się, że płytka jest wystarczająco zanurzona, aby membrana mogła całkowicie się rozwarstwić i oderwać od podłoża dawcy.
UWAGA: Użycie kawałka płytki krzemowej bez zanieczyszczenia pyłem zapewni łatwe oddzielenie od podłoża dawcy. - Powoli podnieś narzędzie do przenoszenia z wody i odsuń je na bok, uważając, aby nie naruszyć pływającej membrany.
- Wciśnij membranę do otworu komory za pomocą pęsety. Umieszczenie pęsety w wodzie przed membraną poprowadzi ją ze względu na napięcie powierzchniowe. Dotykanie samej pływającej membrany nie jest konieczne i należy tego unikać.
3. Kierowany przez menisk transfer do podłoża odbiornika za pomocą systemu studzienek odpływowych
- Podłącz rurkę do wylotu dolnej części studzienki spustowej. Podłącz tę rurkę do strzykawki Luer-lock o pojemności 20 ml.
- Zaopatrz się w pompę strzykawkową z funkcją wyjmowania. Umieścić strzykawkę na pompie i pobierać wodę z szybkością 1-2,5 ml/min, aż cała woda zostanie spuszczona.
- Po 10 minutach woda powinna zostać całkowicie usunięta z komory odpływowej. Jeśli w komorze nadal znajdują się resztki wody, ponownie podłącz strzykawkę i rurkę i kontynuuj pobieranie resztek wody.
- Po całkowitym odprowadzeniu wody membrana zostanie teraz umieszczona na środku podłoża odbiornika. Odłączyć komorę spustową od pompy strzykawkowej i zdemontować komorę odpływową, aby usunąć podłoże odbiornika zawierające membranę.
UWAGA: Cały proces wraz z konfiguracją trwa ~15 min. Zmniejszenie objętości roboczej wody i zwiększenie szybkości odpływu może skrócić ten proces. - Pozostawić próbkę do całkowitego wyschnięcia w temperaturze pokojowej przed dalszym użyciem w jakimkolwiek zastosowaniu.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Próbki membran BCP zostały wykonane zgodnie z wcześniej opisaną procedurą9. Próbki umieszczono na krawędzi ramienia załadunkowego wydrukowanego w technologii 3D narzędzia transferowego (Rysunek 1, lewa strona), a następnie obniżono za pomocą podnośnika laboratoryjnego na rampę wlotową wydrukowanego w technologii 3D narzędzia komory odpływowej (Rysunek 1, prawa strona). Warstwa poświęcalna z kwasu poliakryl...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Chociaż wiele kroków wymienionych w tym protokole ma kluczowe znaczenie dla powodzenia transferu cienkiej folii, charakter specjalnie zaprojektowanej komory odpływowej wydrukowanej w 3D pozwala na szeroką elastyczność, zgodnie ze specyficznymi wymaganiami użytkownika. Na przykład, jeśli podłoże odbiornika ma większą średnicę niż dyski AAO o średnicy 25 mm wykorzystane w tym badaniu, komora odpływowa może zostać odpowiednio zmodyfikowana, aby pasowała do nowych specyfikacji. Istnieją jednak pewne aspekty protokołu, które ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Ta praca była wspierana jako część Centrum Zaawansowanych Materiałów dla Systemów Energetyczno-Wodnych (AMEWS), Centrum Badań Granicznych Energii finansowanego przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Nauki, Podstawowe Nauki Energetyczne. Dziękujemy za pomocne rozmowy z Markiem Stoykovichem i Paulem Nealeyem.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 35% roztwór kwasu poliakrylowego sodu | Sigma Aldrich | 9003-01-4 | |
| Amicon Stirred Cell model 8010 10mL | Millipore | 5121 | |
| Anodowany tlenek glinu, grubość 0,2u, średnica 25mm | Sigma Aldrich | WHA68096022 | |
| o-ring neopren 117 | Grainger | 1BUV7 | |
| Objet500 Drukarka 3D Connex3 | Stratasys | ||
| Onshape 3D oprogramowanie | onshape | ||
| Filament kwasu polimlekowego | Ultimaker | ||
| ultimaker3 drukarka 3d | filamentu Ultimaker | ||
| Vero Rodzina materiałów do druku | Stratasys |
Bibliografia
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
Tagi
Transfer cienkich warstw polimerowychosadzanie na pod o u porowatymkomora odp ywowa wydrukowana w technologii 3Dwarstwa blokowego kopolimeruanodowany tlenek glinurozpuszczalna w wodzie warstwa PAAzmechanizowany transfer warstwypor wnanie z transferem manualnymanaliza poprzez inspekcj optycznprotok redukcji defekt w
