Мы представляем процедуру для строго контролируемой и без морщин передачи блока copolymer тонких пленок на пористые подпоры поддержки с помощью 3D-печатной дренажной камеры. Конструкция дренажной камеры имеет общее отношение ко всем процедурам, связанным с передачей макромолекулярных пленок на пористые субстраты, что обычно делается вручную невосполнимым способом.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Процедура передачи полимерных пленок на пористые субстраты с минимичными дефектами
* These authors contributed equally
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Изготовление устройств, содержащих тонкопленочные композитные мембраны, требует переноса этих пленок на поверхности произвольных вспомогательных субстратов. Выполнение этой передачи в высоко контролируемой, механизированной и воспроизводимой манере может устранить создание макромасштабных дефектных структур (например, слезы, трещины и морщины) в тонкой пленке, которая ставит под угрозу производительность устройства и пригодную для узла область на образец. Здесь мы описываем общий протокол для высококонтролируемой и механизированной передачи полимерной тонкой пленки на произвольный пористый опорный субстрат для последующего использования в качестве мембранного устройства фильтрации воды. В частности, мы изготавливаем блок кополимера (BCP) тонкую пленку поверх жертвенного, водорастворимого поли (акриловой кислоты) (PAA) слоя и кремниевого вафелова. Затем мы используем специально разработанный, 3D-печатный инструмент передачи и системы дренажной камеры для депонирования, подъема, и передачи BCP тонкой пленки на центр пористой анодированного оксида алюминия (AAO) поддержки диска. Передаваемый БЦП тонкая пленка, как показано, постоянно помещается на центр опорной поверхности из-за наведения мениска, образовавого между водой и 3D-печатной пластиковой дренажной камерой. Мы также сравниваем наши механизированные обработанные тонкие пленки с теми, которые были переданы вручную с использованием пинцета. Оптический осмотр и анализ изображений переданных тонких пленок из механизированного процесса подтверждают, что практически нет макромасштабового неоднородности или пластических деформаций производятся, по сравнению с множеством слез и морщин, произведенных из ручного передачи вручную. Наши результаты показывают, что предлагаемая стратегия переноса тонкого пленки может уменьшить дефекты по сравнению с другими методами во многих системах и приложениях.
Введение
Тонкая пленка и наномембранные устройства в последнее время получили широкий интерес из-за их потенциального использования в широком диапазоне приложений, начиная от гибкой фотоэлектрической и фотоники, складные дисплеи, и носимой электроники1, 2 , 3. Требование для изготовления этих различных типов приспособлений будет перенос тонких пленок к поверхностям произвольных субстратов, которые остают challenging из-за хрупкости этих пленок и частого продукции макромасштабного дефекта структуры, такие как морщины, трещины и слезы,в пленках после передачи 4,5,6,7. Ручная передача вручную, пинцет, и проводпета являются общими методами тонкой передачи пленки, но неизбежно приводят к структурным несоответствиям и пластиковой деформации8,9. Были изучены различные типы тонкой методологии передачи пленки, такие как: 1) полидиметилсилоксан (PDMS), что предполагает использование эластомической марки для получения тонкой пленки из донорского субстрата и последующего перевода на получение субстрат10, и 2) жертвенный слой передачи11, в котором etchant используется для выборочнорастворя жертвенный слой между подпортом поддержки и тонкой пленкой, тем самым снимая тонкую пленку. Тем не менее, эти методы сами по себе не обязательно позволяют тонкой передачи пленки без повреждения или образования дефекта в тонких пленках12.
Здесь мы представляем новый, недорогой и обобщенный легкий метод, основанный на жертвенных подъемах слоя и переносе мениска в рамках специально разработанной 3D-печатной системы дренажной камеры, чтобы механически разместить блок кополимера (BCP) тонких пленок на центры пористых субстратов, таких как анодированные оксид алюминия (ААО) диски с практически не понесенных макромасштабных дефектных структур, таких как морщины, слезы и трещины. В данном контексте эти переданные тонкие пленки могут быть использованы в качестве устройств в исследованиях фильтрации воды, потенциально после последовательного синтеза инфильтрации (SIS) обработки9. Анализ изображений переданных пленок, полученных с оптической микроскопии, показывает, что система сводной камерой с мениска обеспечивает гладкие, надежные и без морщин образцы. Кроме того, изображения также демонстрируют способность системы надежно размещать тонкопленочные мембраны на центры принимающих субстратов. Наши результаты имеют значительные последствия для любого типа устройства приложения, требующего передачи тонкопленочных конструкций на поверхности произвольных пористых субстратов.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. Изготовление инструмента передачи и дренажной камеры системы
- Прилагается(Дополнительные файлы 1, 2) является инженерный чертеж для сборки дренажной камеры, состоящей из двух частей: верхней и нижней. Моделируй это устройство в соответствии со спецификациями желаемой системы (например, внешний диаметр принимающего субстрата) и экспортируй в качестве файла STL для 3D-печати.
- Для верхней части, используйте принтер нити выбора и печати в самом низком разрешении возможно, в том числе леса, где это необходимо. Придерживайтесь рекомендуемых параметров принтера. Также рекомендуется печатать верхнюю часть с использованием поли (молочной кислоты) (PLA), чтобы свести к минимуму пролитие материала.
- Для нижней части, используйте струйный принтер resin или принтер нити с высотой сборки как штраф, как 20 мкм.
ПРИМЕЧАНИЕ: PLA является подходящим материалом, который сводит к минимуму пролитие материала. - Скраб и очистить обе части с деионизированной водой, обеспечивая удаление любого потенциального пролития материала из процесса печати. Также рекомендуется соникирование в деионизированной воде. Проверьте резьбу на двух частях, чтобы обеспечить хорошую посадку.
- Заполните дренажную камеру размером 117 неопрена O-кольца и трубки параметров, указанных в сопрозрающих документах (Дополнительныефайлы1, 2). Схема всей сборки дренажной камеры показана на рисунке 1.
- Печать инструмента передачи с помощью любого принтера нити в среднем и тонком разрешении. Есть две части: зажим и погрузка руки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Настоятельно рекомендуется, чтобы инструмент передачи быть напечатаны с использованием поли (молочная кислота) (PLA), как и другие пластмассы могут быть плохо смачивают и привести к, чтобы стать мокрым неожиданно. - Завершите зажим с большим винтом 10, а затем прикрепите зажим на лабораторный домкрат.
2. Первоначальный механизированный осаждение и снятие мембраны с донорского субстрата
- Поместите голый 25-мм-диаметр диска ААО (или любой произвольный пористый приемник субстрата выбора) на нижней части дренажной камеры. Затем поместите неопреновый O-кольцо на верхней части диска ААО и винт на верхней части дренажной камеры.
- Промыть и/ или сонять установку в разное время с деионированной (DI) водой. Это помогает удалить любую пыль и/или оставшиеся частицы из 3D-печати.
- Поместите кусок Si с передаваемым полимерным стеком (донорской пластиной) на губу руки для загрузки инструмента передачи.
- Заполните дренажную камеру 25 мл воды DI.
- Нижняя лабораторный домкрат так, что инструмент медленно окунается в входную рампу дренажной камеры и что донорский кремний субстрат медленно погружается. Убедитесь, что вафля погружена достаточно для мембраны, чтобы полностью делеаминать и выйти из основного донорского субстрата.
ПРИМЕЧАНИЕ: Использование куска Si пластины без загрязнения пыли обеспечит легкое отделение от донорского субстрата. - Медленно поднимите инструмент передачи из воды и переместить его в сторону, убедившись, что не беспокоить плавающей мембраны.
- Уговорить мембрану в отверстие камеры с помощью пинцета. Размещение пинцета в воде перед мембраной будет направлять его из-за поверхностного натяжения. Прикосновение к плавающей мембране само по себе не является необходимым и следует избегать.
3. Перенос направляется на мениска на приемник с системой дренажной камеры
- Соедините трубку к розетке нижней части дренажной камеры. Прикрепите эту трубку к шприцу Започу Луер-замок 20 мл.
- Получить шприц насос с снятием функциональности. Поместите шприц на насос и вывести воду из скорости 1-2,5 мл/мин до тех пор, пока вся вода не будет слита.
- Через 10 минут воду следует полностью удалить из дренажной камеры. Если в камере все еще есть остаточная вода, подключите шприц и трубки и продолжайте изымать любую остаточную воду.
- После полного дренажа воды мембрана теперь будет помещена в центр приемника. Отключите дренажную камеру от шприца насоса и разобрать дренажную камеру, чтобы удалить приемник субстрата, содержащего мембрану.
ПРИМЕЧАНИЕ: Общий процесс, включая настройку занимает 15 мин. Снижение рабочего объема воды и увеличение скорости стока может сократить этот процесс. - Разрешить образец полностью высохнуть при комнатной температуре перед дальнейшим использованием в любом приложении.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Образцы мембраны BCP были изготовленыв соответствии с ранее описанной процедурой 9. Образцы были помещены на губу погрузочной руки 3D-печатного инструмента передачи(рисунок 1, слева) и затем опущены, с лабораторным домкратом, на входную рампу 3D-печатного инструмента камеры стока (рисунок1, справа). В воде в дренажной камере растворился жертвенный слой поли (акриловой кислоты) (PAA) между мембраной BCP и о...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Хотя многие из шагов, перечисленных в этом протоколе имеют решающее значение для успеха тонкой передачи пленки, характер специально разработанных 3D печатной дренажной камеры позволяет широкую гибкость, в соответствии с конкретными требованиями пользователя. Например, если субстрат приемника имеет больший диаметр, чем диски ААО диаметром 25 мм, используемые в данном исследовании, дренажная камера может быть соответствующим образом изменена в соответствии с новыми спецификациями. Однако существуют некоторые аспекты проток...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторам нечего раскрывать.
Благодарности
Эта работа была поддержана в рамках Центра перспективных материалов для энергетических водных систем (AMEWS), Научно-исследовательского центра energy Frontier, финансируемого Министерством энергетики США, Управлением по науке, фундаментальным энергетическим наукам. Мы с благодарностью отмечаем полезные беседы с Марком Стойковичем и Полом Нили.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| 35% раствор полиакриловой кислоты натрия | Sigma Aldrich | 9003-01-4 | |
| Amicon Stirred Cell модель 8010 10 мл | Millipore | 5121 | |
| Анодированный оксид алюминия, толщина 0,2u, диаметр 25 мм | Sigma Aldrich | WHA68096022 | |
| уплотнительное кольцо неопрен 117 | Grainger | 1BUV7 | |
| Objet500 Connex3 3D принтер | Stratasys | ||
| Onshape 3D программное обеспечение | onshape | ||
| Полимолочная кислота филамент | Ultimaker | ||
| ultimaker3 3d филаментный принтер | Ultimaker | ||
| Vero Семейные печатные материалы | Stratasys |
Ссылки
- 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).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
