Простой протокол предоставляется для изготовления hemiwicking структур различных размеров, форм и материалов. Протокол использует сочетание физических тиснения, PDMS формования и тонкопленочных поверхностных модификаций через общие материалы осаждения техники.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Масштабируемые печати и изготовления Hemiwicking поверхностей
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Hemiwicking представляет собой процесс, где жидкость смачивает поверхность узорной за пределы длины его нормального увлажнения благодаря сочетанию капиллярность и пропитывание. Это явление смачивания имеет важное значение во многих технических областях, начиная от физиологии до аэрокосмической техники. В настоящее время для изготовления hemiwicking структур существуют несколько различных методов. Эти традиционные методы, однако, зачастую много времени и трудны для масштабирования для крупных районов или трудны для настройки для конкретных, неоднородных патронирования геометрий. Представленные протокол обеспечивает исследователей с простым, масштабируемые и эффективный метод для изготовления микро узорные hemiwicking поверхностей. Этот метод производит влагу структур с использованием печати, полидиметилсилоксан (PDMS) формования и тонкопленочных покрытий поверхности. Протокол продемонстрировал для hemiwicking с этанолом на PDMS micropillar массивы, покрытые 70 нм толщиной алюминия тонкопленочных.
Введение
Последнее время наблюдается повышенный интерес к возможности активно и пассивно контролировать смачивания, испарения и перемешивания жидкостей. Однозначно текстурированных hemiwicking поверхности обеспечивают оригинальное решение для охлаждения методы, потому что эти текстурированной поверхности выступать в качестве жидкости (или тепло) насос без подвижных частей. Это движение жидкости управляется Каскад капиллярность событий, связанных с динамической кривизны жидкого тонкопленочных. В общем когда жидкость смачивает твердой поверхности, изогнутые жидкого тонкопленочных (т.е., жидкий мениска) быстро образует. Жидкости толщина и кривизны профиля развиваться до минимума свободно энергии. Для справки этот профиль динамической смачивания может быстро распада десятков нанометров толщиной в связующего (жидкость смачивания) Длина масштабе только десятков микрометров. Таким образом этот переходный региона (жидкость фильм) могут претерпевают значительные изменения в жидкость интерфейса кривизны. Переходные (тонкопленочных) регион является, где происходит почти все динамической физики и химии. В частности переходных (тонкопленочных) регион является, где испарения максимальное (1), (2) дис присоединения градиентов давления и градиентов (3) гидростатического давления находятся1,2. В результате изогнутые жидкость фильмы играют важную роль в тепловой транспорта, разделение фаз, жидкости неустойчивостей и смешивания многокомпонентной жидкости. Например в отношении передачи тепла, наблюдались высокие стены потоков тепла в этой весьма изогнутые, переходный тонкопленочных региона3,4,5,6,7.
Недавние hemiwicking исследования показали, что геометрия (например, высота, диаметр и т.д.) и размещение опор определяют смачивания фронт профиль и скорости жидкости, проходящей через структуры8. Как фронт жидкости испаряется от конца последнего структуры массива, жидкости фронт поддерживается на постоянном расстоянии и кривизны, как испаряющейся жидкости сменяется жидкости, хранящиеся в влагу структуры9. Hemiwicking структур использовались также в тепловых труб и на кипящей поверхностях для анализа и улучшения механизмов передачи различных тепла. 10 , 11 , 12.
Один из методов, в настоящее время используется для создания влагу структур является тепловой отпечаток литографии13. Этот метод выполняется путем штамповки нужный макет в сопротивлять слой на образце формы кремния с отметкой термопластичный полимер, а затем удаление отметку для поддержания микроструктур. После удаления, образец помещается через реактивного ионного травления процесс, чтобы удалить любой избыток противостоять слой14,15. Этот процесс, однако, могут быть чувствительны к температуре изготовление влагу структур и включает в себя несколько шагов, которые используют различные покрытия для обеспечения точности влагу структуры16. Это также случай, который литографии методы не являются практичным для макро масштабе кучность; Хотя они по-прежнему предоставляют способ для создания шаблона микроструктур на поверхности, пропускная способность этой процедуры гораздо меньше, чем идеально подходит для крупномасштабных воспроизводства. Учитывая крупномасштабных, воспроизводимые текстурирование, таких как спина или dip покрытия, является неотъемлемым отсутствие контролируемый патронирования. Эти методы создания случайного массива микроструктур на поверхности целевого но может масштабироваться для покрытия значительно больше областей, чем традиционные литографии методы17.
Протокола, изложенные в настоящем докладе предпринимается попытка совместить преимущества традиционных методов текстурирования при одновременно устранения конкретных недостатков каждого; Он определяет способ изготовления пользовательских hemiwicking структур различных высот, формы, ориентации и материалов в макро-масштабе и с потенциально высокой пропускной способности. Различные влагу шаблоны могут быть быстро созданы с целью оптимизации влагу характеристики, такие как распределители жидкости скорости, распространения и смешивания различных жидкостей. Использование различных влагу структур также может предоставить различной толщины тонкопленочных и кривизны профилей, которые могут быть использованы для систематически изучать связь между тепло- и массообмена с различной толщины и кривизны профили жидкости мениска.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. Создайте карту патронирования
- Используя графический редактор, создайте нужный шаблон для hemiwicking структур, представлено как растровое изображение.
Примечание: Некоторые из влагу конструктивных параметров (то есть, угол градиента, глубина градиент) можно сделать быть зависимым от серого значения, присвоенные каждому пикселу. Эти значения серого затем редактировать для того чтобы изменить нужный параметр. - Сохранить растровое изображение как переносимая сетевая графика (.png) и поместите файл в папку легко доступны.
2. размещение к быть штамп для литья пластика
- Начать с перевода штамповки бит от рабочей области, чтобы избежать случайного контакта, что может привести к поломке кончик (+z перемещения, рис. 1).
- Защиты пластик, штамповка формы/пластин для опорного диска для последующей штамповки на x, y перевод этапе (см. Рисунок 1). Безопасный пластину образца/бэк на x, y моторизованные штамповки стадии (рис. 1)
- Выровняйте по центру пластиковые плесень/пластин с осью тиснение тиснение бита. Это осуществляется через компьютеризированные ±x и ±y перемещения с этапа x, y моторизованные штамповки.
- Перевести штамповки бит к пластиковые плесень/пластин (-z -смещение, рис. 1) до тех пор, пока штамповки бит почти соприкасается с поверхности плесень/пластин.
3. Штамповка пластиковые образца для PDMS формования
- Используя программу управления компьютеризированной штамповки, установите расстояние между штамповки бит (Совет) и поверхности пластиковые плесень/пластин.
- Перевести штамповки бит в малых приращений (-δz перемещения, рис. 1) к поверхности образца до тех пор, пока оснастка находится в контакте с пластик.
Примечание: Бит должен только слегка контакт поверхности. - После контакта перевод штамповки бит от образца, чтобы избежать любого возможного контакта между бит и образец во время последующего перевода (δz ≈ 100 мкм).
- Назначить пиксель расстояние (в микронах), полости максимальная и минимальная глубина (в микронах), максимальный и минимальный угол (в градусах), начальное положение x и y пикселя шаблон, и порог пикселя для любых связанных патронирования серого для тиснения процедура.
- Загрузите карту патронирования (создана на шаге 1.1) чтобы быть прочитаны программой. Основываясь на пиксель расстояние и карта патронирования, расположение всех марок отправляются в шаговых двигателей.
- Убедитесь, что Отопление лазера сосредоточено на кончике штамповки бит и только активирует в то время как штамповка бит движется в сторону и в пластиковые формы.
- Создайте полостей, нажав бит в пластик следуя патронирования карту для достижения желаемого hemiwicking шаблон.
- Удаление штампованные пластиковые формы для последующих поверхности лакокрасочного покрытия и полировка.
- Польский на поверхности пластмасс с использованием 9000 зернистости, тонкой влажной/сухой наждачной бумагой.
Примечание: в качестве альтернативы, микро сетки абразивные может использоваться для обеспечения удаления поверхностных отложений, что причиной образования кратеров вокруг колонны в форме PDMS.
4. Создайте PDMS формовочные
- Налейте в стакан 2 g эластомера базы и 0,2 г отвердителя эластомер и смешать тщательно за 3 мин.
- Поместите смесь в эвакуированных камеру освободить любые воздушные пузыри, оказавшихся в смеси; Этот шаг придется повторить несколько раз.
Примечание: Для образцов различного объема требований, отрегулируйте количество базовых и отверждения агента по мере необходимости при сохранении в соотношении 10:1. - Место штамп прессформа в контейнер стеной, в идеале не намного больше, чем наружный диаметр форма для полимеризации происходит.
- Вылейте смесь PDMS бесплатно воздушных карманов на декоративного пластика и внутри контейнера. Налейте в спираль, начиная от центра области штамп, чтобы попытаться максимально равномерно PDMS смесь.
- Повторите шаг 4.2 для любых воздушных карманов, которые могут быть сформированы из заливки смеси на шаблоне штамп. Поместите смесь PDMS и пластиковые кусок с печатью узором на горячей пластине и тепла Ассамблее на 100 ° C в течение 15 мин. Затем тепло дополнительные 25 мин при температуре 65 ° C.
- Позвольте смеси PDMS для охлаждения и лечения за 20 мин до обработки.
- Вырезать края PDMS пластика от стены контейнера и удалите пластиковые PDMS от плесени. Храните в закрытом контейнере, чтобы избежать пыли от сбора на поверхности PDMS пластика.
5. нанесения тонкопленочных металла на PDMS
- Поместите образец PDMS внутри камеры осаждения, оставляя достаточно места для затвор, чтобы быть открыты и закрыты беспрепятственным.
- Сбросьте давление в емкости осаждения камере по крайней мере 10 mTorr.
- Взаимодействовать с системой сухой насос и установите скорость отжима 75 kRPM. Позвольте камере достичь давление порядка 10-8 Торр.
Примечание: Это будет удалить большинство загрязнений из камеры; процесс может занять до 12 часов для завершения. - Мощность на кулер и питания постоянного тока питания и установить власть до 55 Вт.
- Открыть клапан аргон слегка и давление камере порядку 10-3 Торр. Установите сухой насос системы 50 kRPM и ждать, пока не будет достигнута эта скорость.
- Снизить мощность до 35 Вт и сбросьте давление в емкости камеры до 13 mTorr. Откройте затвор на воспламененном плазмы и запустить таймер.
Примечание: Воспламененном плазмы должно выделяют свечение синий, лампы накаливания. Таймер должен быть установлен для требуемой толщины пленки месторождения. Было установлено, что для 35 Вт и давления приблизительно 13 mTorr, 7 Нм осаждения в минуту ожидается. - После того, как был достигнут желаемый фильм толщина, закройте затвор и отключите источник питания.
- Закройте все клапаны внутри камеры осаждения и выключить сухой насос системы. Дать время для вентилятора сухой насос прийти к полной остановке.
- Медленно давление камеры, пока он не достигнет местного атмосферное давление и удалить образец, хранить его для дальнейших экспериментов.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Рисунок 1 содержит схематическое изображение как штамповка механизм создаст плесень для влагу структур на пластиковые плесень. Исследовать качество тиснения аппарат в производстве влагу фильмов, два различных компонента массивы были созданы для анализа качества основ для будущих влагу экспериментов. Аспекты расследования аппарата были точность Высота столбов (с и без глубины градиента), качество столбов после формования PDMS, качество столбов после процесса о...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Метод был введен для создания массивов узорной компонент для hemiwicking структур; Это достигается путем импринтинга полостей на пластиковых пластин гравировка аппаратом, ниже кучность из растрового изображения, созданные пользователем. PDMS смесь затем выливают, вылечить и покрытая тонкой пленкой алюминия через осаждения. Характеристики массива столба может настраиваться в зависимости от значение шкалы серого цвета, назначенного в растровое изображение после этого протокола. Это важнейшим аспектом патронировани...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторы имеют не раскрытие упоминать этот документ.
Благодарности
Этот материал основан на исследования, частично при поддержке управления военно-морских исследований США Грант № N00014-15-1-2481 и Национальный научный фонд под Грант № 1653396. Мнения и выводы, содержащиеся в настоящем документе являются мнениями авторов и не должны толковаться как обязательно представляющие официальную политику или одобрения, либо явно выраженных или подразумеваемых, в США управлением военно-морских исследований, Национальный научный фонд, или Правительство Соединенных Штатов.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| NI-DAQ 9403 | National Instruments | 370466AE-01 | Интерфейс связи между камерой и переключателем управления лазером. |
| Control Switch | Crouzet | GN84134750 | Контроллер для лазера, который активирует лазер на основе напряжения, посылаемого системой сбора данных. |
| Блошиная камера | FLIR | FL3-U3-120S3C-C | Блошиная камера, используемая для визуализации сверла на пластиковой форме. |
| Flea Imaging Camera | Point Grey | FL3-U3-20E4M-C | Блошиная камера, используемая для получения боковых изображений столбов. |
| 200 шагов / об, 12 В-350 мА Шаговый двигатель (x2) | AdaFruit | 324 | Шаговые двигатели используются для контроля глубины и угла наклона концевой фрезы. |
| 10-кратный объектив с коррекцией бесконечности для дальнего рабочего расстояния | Mitutoyo | #46-144 | Цель, используемая для получения изображения стороны столбов. |
| 15x Бесконечный Сопряжённый, с УФ-покрытием, ReflX Objective | TechSpec | #58-417 | Цель, используемая для получения изображения вершины столбов. |
| 72002 0.002D X 0.006 LOC Carbide SQ 2FL Миниатюрная концевая фреза | Harvey Tools | 72002 | Сверло, которое использовалось для создания отверстий в пластиковой форме. |
| Подача питания постоянного тока мощностью 1 кВт | Advanced Energy | MDX-1K | Используется для питания распылителя осаждения. |
| Turbo-V 70LP Nacro Torr Насос | Varian | 9699336 | Турбонасос используется для снижения давления внутри камеры осаждения. |
| 2000 мВт, 405 нм Мощный лазер с фокусировкой синего света | WDLasers | KREE | Лазер для нагрева образцов |
| 5,875 дюйма Дессикатор с 0,25 дюйма Трубные соединения | McMaster-Carr | 2204K5 | PDMS Dessicator |
| SYLGARD 184 Силиконовый эластомер, 0,5 кг Комплект | Dow-Corning | 4019862 | Комплект PDMS, используемый для изготовления основания. |
| Мембранный воздушный компрессор / вакуумный насос | Gast | DOL-701-AA | Вакуумный насос |
| с электроприводом линейных ступеней (2x) | Standa | 8MT175 | Шаговые двигатели, используемые для управления пластиной образца в направлении x и y. |
| Неустановленные ахроматические дублеты диаметром 2 дюйма, AR покрытие: 400-700 нм | ThorLabs | AC508-150-A | Ахромат был использован для получения изображений боковой стороны столбов. |
| Блоха 3 Моно Камера, 2448 x 2048 пикселей | Point Grey | FL3-GE-50S5M-C | Камера от блох, используемая для имитации верхних частей столбов. |
| Цифровой вакуумный преобразователь | Thyrcont Vacuum Instruments | 4940-CF-212734 | Используется для контроля давления внутри камеры осаждения. |
| Аргоновый бак под давлением Resovoir | Airgas | AR RP300 | Газ используется в процессе осаждения. |
| 1-D Translation Stage | Newport Corporation | TSX-1D | Переводческий столик используется для перемещения камеры для фокусировки на концевой фрезе. |
| Цилиндрическое лазерное крепление (x2) | Newport Corporation | ULM-TILT-M | Лазерное крепление использовалось для перемещения камеры для фокусировки на концевой фрезе. |
| Настольный чиллер с центробежным насосом, 120 В, 60 Гц | Polyscience | LS51MX1A110C | Чиллер, используемый для сборки осаждения. |
| Alcatel Adixen 2010SD XP, взрывозащищенный двигатель, пластинчато-роторный вакуумный насос, 1-фазный | идеальный вакуум | 210SDMLAM-XP | Вакуумный насос, используемый для сборки осаждения. |
| Вентилятор, 105 кубических футов в минуту, 115 В (x2) | Comair Rotron | MU2A1 | Вентилятор, используемый для охлаждения определенных аспектов узла наплавки. |
Ссылки
- Plawsky, J. L., et al. Nano- and Micro-structures for Thin Film Evaporation - A Review. Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering. 18, 251-269 (2014).
- Derjaguin, B. V., Churaev, N. V. On the question of determining the concept of disjoining pressure and its role in the equilibrium and flow of thin films. Journal of Colloid and Interface Science. 66, 389(1978).
- Ma, H. B., Cheng, P., Borgmeyer, B., Wang, Y. X. Fluid flow and heat transfer in the evaporating thin film region. Microfluidics and Nanofluidics. 4 (3), 237-243 (2008).
- Hohmann, C., Stephan, P. Microscale temperature measurement at an evaporating liquid meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 26 (2-4), 157-162 (2002).
- Potask, M. Jr, Wayner, P. C. Jr Evaporation from a two-dimensional extended meniscus. International Journal of Heat Mass Transfer. 15 (10), 1851-1863 (1972).
- Panchamgam, S. S., Plawsky, J. L., Wayner, P. C. Microscale heat transfer in an evaporating moving extended meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 30 (8), 745-754 (2006).
- Arends, A. A., Germain, T. M., Owens, J. F., Putnam, S. A. Simultaneous Reflectometry and Interferometry for Measuring Thin-film Thickness and Curvature. Review of Scientific Instruments. 89 (5), (2018).
- Zhu, Y., Antao, D. S., Lu, Z., Somasundaram, S., Zhang, T., Wang, E. N. Prediction and characterization of dry out heat flux in micropillar wick structures. Langmuir. 32 (7), 1920-1927 (2016).
- Kim, J., Moon, M. W., Kim, H. Y. Dynamics of hemiwicking. Journal of Fluid Mechanics. 800, 57-71 (2016).
- Ding, C., Soni, G., Bozorgi, P., Meinhart, C. D., MacDonald, N. C. Wicking Study of Nanostructured Titania Surfaces for Flat Heat Pipes. Nanotech Conference & Expo. , Houston, TX. (2009).
- Chen, R., Lu, M. C., Srinivasan, V., Wang, Z., Cho, H. H., Majumdar, A. Nanowires for Enhanced Boiling Heat Transfer. Nano Letters. 9 (2), 548-553 (2009).
- Kim, B. S., Choi, G., Shim, D. II, Kim, K. M., Cho, H. H. Surface roughening for hemi-wicking and its impact on convective boiling heat transfer. International Journal of Heat and Mass Transfer. 102, 1100-1107 (2016).
- Mikkelsen, M. B., et al. Controlled deposition of sol-gel sensor material using hemiwicking. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21 (11), (2011).
- Haatainen, T., Ahopelto, J. Pattern Transfer using Step&Stamp Imprint Lithography. Physica Scripta. 67 (4), 357-360 (2003).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint lithography. Journal of vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 14 (6), 4129(1996).
- Pozzato, A., et al. Superhydrophobic surfaces fabricated by nanoprint lithography. Microelectronic Engineering. 83 (4-9), 884-888 (2006).
- Nair, R. P., Zou, M. Surface-nano-texturing by aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. Surface and Coatings Technology. 203 (5-7), 675-679 (2008).
- Ashby, P. D., Lieber, C. M. Ultra-sensitive Imaging and Interfacial Analysis of Patterned Hydrophilic SAM Surfaces Using Energy Dissipation Chemical Force Microscopy. Journal of the American Chemical Society. 127 (18), 6814-6818 (2005).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
