Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

طبقة تلو طبقة تجميع ونقل طليق مترافق الصغيرة التي بوليمر Nanomembranes

Published: December 15, 2015 doi: 10.3791/53324
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Institute of Functional Interfaces, Karlsruhe Institute of Technology

Abstract

جذبت CMP مواد مساحة كبيرة كما تزايد الاهتمام في الآونة الأخيرة، وذلك بسبب التباين الشديد في إدماج المجموعات الوظيفية في تركيبة مع الاستقرار الحرارية والكيميائية الرائعة التي قاموا بها، والكثافة المنخفضة. ومع ذلك، وطبيعتها غير قابلة للذوبان يسبب مشاكل في تجهيزها منذ التقنيات المستخدمة عادة مثل طلاء تدور غير متوفرة. خاصة بالنسبة للتطبيقات الغشاء، حيث تجهيز CMP كما الأغشية الرقيقة غير مرغوب فيه، ومعالجة المشاكل أعاقت تطبيق تجاريا.

نحن هنا وصف التوليف بينية من CMP الأغشية الرقيقة على ركائز functionalized عبر الجزيئي طبقة تلو طبقة (LBL) التوليف. هذه العملية تسمح إعداد الأفلام مع سمك المطلوب والتكوين والتدرجات التكوين حتى المرجوة.

استخدام دعامات الأضاحي يسمح إعداد الأغشية قائما بذاته من قبل انحلال الدعم بعدالتوليف. للتعامل مع مثل هذه الأغشية قائما بذاته رقيقة جدا حماية مع الطلاء الأضاحي أظهرت وعدا كبيرا، لتجنب تمزق nanomembranes. لنقل nanomembranes إلى الركيزة المطلوب، وupfloated الأغشية المغلفة في واجهة الهواء السائل ومن ثم نقلها عبر تراجع الطلاء.

Protocol

1. توليف CMP أغشية رقيقة من خلال إضافة متتابعة

  1. أحادي الطبقة الذاتي تجميعها (SAM) functionalization من الذهب على الميكا.
    1. إعداد 1 ملم حل 11 thioacetyl-undecane حمض propargyl أميد 14 في الإيثانول (SAM-الحل). مزيج باستخدام حمام بالموجات فوق الصوتية حتى حل واضح. حماية زجاجة من الضوء باستخدام رقائق الألومنيوم.
    2. الحصول على الذهب المطلي الميكا رقاقة تحت الأرجون. بعد الانسحاب من حاوية تخزين تزج الرقاقة الميكا مباشرة إلى SAM-حل لمدة 18 ساعة.
    3. اتخاذ استعداد الاتحاد الافريقي الميكا ويفر من SAM-حل، وشطف مع الإيثانول والجافة تحت دفق النيتروجين. بعد ذلك تخزين الركيزة محمية من الضوء وتحت غاز خامل.
  2. حلول السلائف.
    1. تزن 18.64 ملغ النحاس والمحفز (Tetrakis (الأسيتونتريل) النحاس (I) hexafluoro فوسفات)، 20.83 ملغ tetraphenylmethane (TPM) -alkyne و24،22 ملغ TPM-أزيد وملء كل عنصر في قارورة Schlenk منفصلة.انظر الشكل 1 لTPM-آلكاين وTPM-أزيد، يوصف التوليف في مرجع 15. إخلاء وإعادة ملء مع غاز خامل (N 2 أو الأرجون) 3 مرات.
    2. إضافة 25 مل رباعي هيدرو الفوران خالية من المياه (THF) إلى كل قارورة Schlenk. حماية قوارير مع TPM-أزيد وTPM-آلكاين من الضوء باستخدام رقائق الألومنيوم.
  3. إعداد الجهاز للCMP تلفيق.
    ملاحظة: يتم عرض الجهاز التوليف في الشكل 2.
    1. استخدام 250 مل واحد الرقبة أسفل جولة قارورة. ملء 130 مل THF. وضع الركيزة أعد المغلفة مع آلكاين إنهاء SAM في العينة المقصورة. استخدام صاحب العينة، بحيث الركيزة يقف منتصبا.
    2. توصيل الجهاز إلى خط Schlenk عبر مفرق على الجزء العلوي من برودة الجزر.
    3. إخلاء وتهوية مع غاز خامل 3 مرات.
  4. بالإضافة إلى ذلك متتابعة في ظل ظروف الخاملة.
    1. ضبط سخان إلى 90 درجة مئوية، والانتظار حتى THF هو إعادةالصهر.
    2. السماح بها THF من حجرة العينة على منفذ في الجزء السفلي من العينة المقصورة. إغلاق منفذ.
    3. اعطاء 1 مل من محلول TPM-أزيد استعداد و 0.5 مل من محلول النحاس (I) حافزا لعينة مقصورة عبر سقف المسمار مع الحاجز. استخدام المحاقن مع إبرة مجوفة لنقل بالتسلسل الحلول من القارورة Schlenk إلى جهاز التفاعل. ملاحظة: تسلسل ليس له تأثير على رد الفعل.
    4. انتظر حوالي 30 دقيقة.
    5. السماح بها محلول التفاعل عبر منفذ في الجزء السفلي من العينة المقصورة. إغلاق منفذ وجمع THF المكثف للشطف العينة. انتظر حوالي 30 دقيقة.
    6. يسمح له بالخروج الحل الشطف عبر منفذ في الجزء السفلي من العينة المقصورة. إغلاق منفذ.
    7. اعطاء 1 مل من حل TPM آلكاين استعداد و 0.5 مل من محلول النحاس (I) حافزا لعينة مقصورة عبر سقف المسمار مع الحاجز. استخدام المحاقن مع جوفاءإبرة لنقل بالتسلسل الحلول من القارورة Schlenk إلى جهاز التفاعل. ملاحظة: تسلسل ليس له تأثير على رد الفعل.
    8. انتظر حوالي 30 دقيقة.
    9. السماح بها محلول التفاعل عبر منفذ في الجزء السفلي من العينة المقصورة. إغلاق منفذ وجمع THF المكثف للشطف العينة. انتظر حوالي 30 دقيقة.
    10. كرر الخطوات من 1.4.3 إلى 1.4.9 حتى يتم الوصول إلى المبلغ المطلوب من طبقات. ملاحظة: طبقة واحدة هي حوالي 1 نانومتر سميكة.
    11. اخراج الركيزة الميكا CMP المغلفة، وشطف مع THF، والإيثانول وجففه تحت تيار النيتروجين.

2. نقل CMP Nanomembranes

  1. بولي (ميتاكريليت الميثيل) (PMMA) حل.
    1. يعد حل من 4٪ (وزن) PMMA (M 996 كيلو دالتون) في خلات الإيثيل. حل PMMA استخدام حمام بالموجات فوق الصوتية حتى حل واضح.
  2. تدور طلاء حل PMMA.
    1. تعيين المغطي تدور لالتهاب المفاصل الروماتويديالنائب الساعة 10 ثانية من 0 إلى 4000 دورة في الدقيقة، وعقد غضون 40 ثانية، والمنحدر الوقت 10 ثانية من 4000 إلى 0 دورة في الدقيقة.
    2. وضع CMP الميكا المغلفة الركيزة على المغطي تدور ووضع حل PMMA على الرقاقة حتى أنها مغطاة بالكامل. بدء المغطي تدور.
    3. بعد اكتمال طلاء تدور، ووضع العينة لمدة 5 دقائق على لوحة التدفئة على 90 درجة مئوية.
    4. قطع 1 ملم من كل حافة الركيزة الميكا المغلفة. استخدام مقص لقطع الحواف.
  3. نقل PMMA المغلفة CMP nanomembrane.
    1. إعداد حل I 2 / KI / H 2 O (1: 4: 40 م / م / م) وKI / H 2 O (1:10 م / م).
    2. ملء حل I 2 / KI H 2 O في 150 مل بلورة صحن وملء حل KI / H 2 O في 100 مل بلورة الطبق. وضع CMP الذهب PMMA المغلفة على الركيزة الميكا، مع الميكا في الاتصال إلى حل، على رأس I 2 / KI / H 2 O الحل. كن حذرا بأن لا يغرق.الانتظار 5 دقائق على الأقل.
    3. وضع PMMA المغلفة CMP الميكا الذهب الركيزة من I 2 / KI / H 2 O حل على رأس من الحل KI / H 2 O، مع الميكا في الاتصال إلى حل. كن حذرا بأن لا يغرق. الانتظار 5 دقائق على الأقل.
    4. ملء الماء المقطر في 250 مل بلورة الطبق. تجريدها من PMMA / CMP فيلم / الذهب من الميكا. القيام بذلك عن طريق غمر قليلا الركيزة، ابتداء من حافة واحدة، في الماء المقطر. عقد الركيزة بحيث الميكا يشير إلى الماء. ملاحظة: يتم عرض هذا الإجراء في الشكل (3).
    5. تراجع معطف وPMMA / CMP / الذهب على رقاقة السيليكون. القيام بذلك عن طريق الاقتراب من PMMA / CMP / الذهب ببطء مع رقاقة حتى يلمس حافة PMMA سباحة / CMP غشاء / الذهب. سحب رقاقة السيليكون ببطء، وبمجرد أن سي رقاقة في اتصال مع PMMA / CMP / غشاء الذهب.
    6. تجريد PMMA / CMP / فيلم الذهب الخروج من رقاقة السيليكون. القيام بذلك عن طريق غمر قليلا الركيزة، ابتداء من واحد أدشركة جنرال الكتريك، في I 2 / KI / H 2 O الحل. انتظر 15 دقيقة.
    7. بعد محفورا الذهب تماما، ونقل غشاء PMMA / CMP على المياه عن طريق رقاقة السيليكون. انتظر 15 دقيقة.
    8. كرر الخطوة 2.3.7 ثلاث مرات لغسل الغشاء بالماء.
    9. نقل الغشاء PMMA / CMP غسلها إلى الركيزة المطلوب، على سبيل المثال، شريحة المجهر أو الذهب المطلي رقاقة السيليكون، عبر طريقة المذكورة في الخطوة 2.3.5. السماح للPMMA / CMP الركيزة الجافة في الهواء لمدة لا تقل عن 2 ساعة.
  4. حل PMMA.
    1. وضع الركيزة PMMA / CMP في الأسيتون. انتظر 30 دقيقة. اخراج الركيزة وشطفه مع الأسيتون.
    2. كرر الخطوة 2.4.1 ثلاث مرات.
    3. السماح للCMP الركيزة جافة لمدة لا تقل عن 2 ساعة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

وتتميز أغشية بواسطة الأشعة تحت الحمراء امتصاص انعكاس الطيفي (IRRAS). ويبين الشكل 16 4 IRRA-أطياف من CMP غشاء نقلها إلى رقاقة الذهب. العصابات نموذجية من الاهتزازات من العمود الفقري العطرية هي في 1605 سم -1، 1515 سم -1 و 1412 سم -1. مجموعة آلكاين وأزيد غير المتفاعل يمكن ملاحظة من قبل عصابات مميزة في 2125 سم -1 و 1227 سم -1. يبين الشكل 5 صورة المجهر الإلكتروني (SEM). الغشاء قائما بذاته واضحة للعيان.

الشكل 1
الشكل 1. اللبنات الجزيئية. الهياكل الجزيئية من (A)، TPM آلكاين و (B) TPM-أزيد. ررتخفيف انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 2
الرقم الجهاز 2. رد الفعل. إعداد لتركيب طبقة تلو طبقة من CMP الأغشية الرقيقة. يتكون الجهاز من واحد جولة الرقبة أسفل القارورة كما خزان للTHF، وأنبوب بخار لقيادة بخار THF إلى برودة الجزر. يتم جمع المكثفات THF في العينة المقصورة. يمكن إدراج المواد الكيميائية على سقف المسمار مع الحاجز. يتم إفراغ المقصورة عينة عن طريق منفذ القاع. انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. إزالة الميكا. نانوغرام> الغشاء PMMA / CMP هو بداية لفصل من على حافة الميكا الركيزة. نصف PMMA / CMP يعوم على سطح الماء، لا تزال تعلق النصف الآخر إلى الركيزة الميكا. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 4
الرقم 4. IRRA-الأطياف. IRRA-أطياف من CMP غشاء نقل إلى الذهب رقاقة. عصابات من الاهتزازات من العمود الفقري العطرية في 1605، 1515 و1412 سم -1 هي سمة مميزة للغشاء CMP. الاهتزاز CD ويرجع ذلك إلى الخلفية المستخدمة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

جنرال الكتريك = "دائما"> الرقم 5
الرقم 5. SEM-صورة. SEM-صورة للغشاء CMP. يظهر بشكل جيد الغشاء قائما بذاته. (أعيد طبعها بإذن من يندمان، P آخرون كيم ماطر 26، 7189 -... 7193. حقوق الطبع والنشر 2014 الجمعية الكيميائية الأمريكية.) يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

لتوليف للCMP فيلم الحل المحفز أن تكون طازجة. يشار إلى محفز كسر (أي أكسدة) من قبل تلوين الزرقاء من الحل. الحل الطازج هو عديم اللون.

والنقطة الحاسمة هي لقطع حواف الركيزة الميكا بعد طلاء تدور PMMA. أيضا عيوب في الركيزة يجب أن تقطع، أي كانت كل بقعة PMMA يمكن أن تأتي في اتصال مع الركيزة الميكا، وبسبب وجود طبقة الذهب في عداد المفقودين. وإلا فإن طبقة الذهب لا يمكن خلع من الركيزة الميكا بسهولة. أيضا بشأن انفصال طبقة الذهب من الركيزة الميكا، وبعد أن بدأت المفرزة على حافة واحدة أو الزاوية، ينبغي للمرء أن تستمر على هذه الحافة حتى يتم فصل طبقة الذهب تماما.

أثناء نقل الأغشية PMMA / CMP مع رقاقة السيليكون، على سبيل المثال، من حمام الماء إلى محلول اليود أو من محلول اليود في الماء، فإنه من المهم أنلا يجف الغشاء. مرة واحدة يجفف الغشاء في سي ويفر، فإنه يكاد يكون من المستحيل فصل مرة أخرى.

بعد حل PMMA، يجب أن يتم تنفيذ كل خطوة الشطف بحذر. ميزة المتراكبة من الغشاء يمكن أن يؤدي إلى إزالة غشاء من الركيزة.

في لحظة حجم عينات محدودة بسبب حجم العينة المقصورة. سمك من الأفلام CMP ملفقة يقتصر في الوقت الذي رد فعل لأن كل دورة يحتاج حوالي 2 ساعة. لتوليفة كثيفة العمالة أقل يمكن تعديل جهاز التفاعل بإضافة سيفون. ونتيجة لذلك سيتم إفراغ عينة المقصورة آليا، مماثلة لجهاز سوكسلت.

أسلوبنا يجمع تجهيز سامسونج مترافق الأفلام البلاستيكية الصغيرة التي واستخدام ركيزة فداء للحصول على nanomembranes CMP. كان توليف nanomembranes CMP حتى الآن لم يكن ممكنا بسبببروسسبيليتي منخفضة من مسحوق CMP.

بالمقارنة مع غيرها من التقنيات، على سبيل المثال إنتاج SURMOFs 7، حققنا انخفاضا في كمية المذيب المستخدم. خصوصا الخطوة الشطف في حالة الإنتاج SURMOF لديها استهلاك كميات كبيرة من المذيبات، في هذه الحالة، بسبب استخدام التكثيف الراجع THF، ونحن يمكن أن تقلل من استهلاك THF بشكل كبير.

نتوقع أن الطريقة المعروضة سوف تجد التطبيق في الغاز وفصل المرحلة السائلة بسبب الإمكانيات لصقل الانتقائية وpermeance من السيطرة على حجم المسام وتقارب الكيميائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تركيب وحدات من المواد CMP من اللبنات وظيفية مناسبة لتطبيقات أخرى، مثل الحفز، الاستشعار عن بعد، والإلكترونيات العضوية، وتستفيد أيضا من طريقة معالجة وصفها.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone VWR BDH Prolabo 20066.330 AnalR NORMAPUR
Potassium iodide VWR BDH Prolabo 26846.292 AnalR NORMAPUR
Ethyl acetate VWR BDH Prolabo 23882.321 AnalR NORMAPUR
Tetrahydrofuran (THF) VWR BDH Prolabo 28559.320 HiPerSolv CHROMANORM
THF waterfree Merck Millipore 1.08107.1001 SeccoSolv
Iodine Sigma-Aldrich 20,777-2
Tetrakis(acetonitrile) copper(I) hexafluoro-phosphate Sigma-Aldrich 346276-5G
Poly(methyl methacrylate) 996 kDa (PMMA) Sigma-Aldrich 182265-25G
1.1.1.1 Methanetetrayltetrakis(4-azidobenzene) (TPM-azide) Provided by AK Prof. Bräse. Institute of organic chemistry, Karlsruhe Institute of Technology. Synthesized according to 9.
1.1.1.1 Methanetetrayltetrakis(4-ethinylenebenzene) (TPM-alkyne) Provided by AK Prof. Bräse. Institute of organic chemistry, Karlsruhe Institute of Technology. Synthesized according to 9.
11-thioacetyl-undecaneacid propargylamide Provided by AK Prof. Bräse. Institute of organic chemistry, Karlsruhe Institute of Technology. Synthesized according to 8.
gold/titan coated silicium-wafer Georg Albert PVD, 76857 Silz, Germany
gold coated mica Georg Albert PVD, 76857 Silz, Germany

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lindemann, P., et al. Preparation of Freestanding Conjugated Microporous Polymer Nanomembranes for Gas Separation. Chemistry of Materials. 26 (24), 7193-71 (2014).
  2. Kim, M., et al. Preparation of Ultrathin Films of Molecular Networks through Layer-by-Layer Cross-Linking Polymerization of Tetrafunctional Monomers. Macromolecules. 44 (18), 7092-7095 (2011).
  3. Vonhören, B., et al. Ultrafast Layer-by-Layer Assembly of Thin Organic Films Based on Triazolinedione Click Chemistry. ACS Macro Letters. 4 (3), 331-334 (2015).
  4. Shekhah, O., et al. Step-by-Step Route for the Synthesis of Metal−Organic Frameworks. Journal of the American Chemical Society. 129 (49), 15118-15119 (2007).
  5. Shekhah, O., Wang, H., Zacher, D., Fischer, R. A., Wöll, C. Growth Mechanism of Metal–Organic Frameworks: Insights into the Nucleation by Employing a Step-by-Step Route. Angewandte Chemie International Edition. 48 (27), 5038-5041 (2009).
  6. Shekhah, O., Liu, J., Fischer, R. A., Wöll, C. MOF thin films: existing and future applications. Chemical Society Reviews. 40 (2), 1081-1106 (2011).
  7. Liu, J., et al. Deposition of Metal-Organic Frameworks by Liquid-Phase Epitaxy: The Influence of Substrate Functional Group Density on Film Orientation. Materials. 5 (9), 1581-1592 (2012).
  8. Such, G. K., Quinn, J. F., Quinn, A., Tjipto, E., Caruso, F. Assembly of Ultrathin Polymer Multilayer Films by Click Chemistry. Journal of the American Chemical Society. 128 (29), 9318-9319 (2006).
  9. Ai, M., et al. Carbon Nanomembranes (CNMs) Supported by Polymer: Mechanics and Gas Permeation. Advanced Materials. 26 (21), 3421-3426 (2014).
  10. Jiang, J. -X., Cooper, A. I. in Functional Metal-Organic Frameworks: Gas Storage, Separation and Catalysis. Topics in Current Chemistry. (ed Martin Schröder) Ch. 293, Springer. Berlin Heidelberg. 1-33 (2010).
  11. Dawson, R., Cooper, A. I., Adams, D. J. Nanoporous organic polymer networks. Progress in Polymer Science. 37 (4), 530-563 (2012).
  12. Muller, T., Bräse, S. Click Chemistry Finds Its Way into Covalent Porous Organic Materials. Angewandte Chemie International Edition. 50 (50), 11844-11845 (2011).
  13. Tsotsalas, M., Addicoat, M. A. Covalently linked organic networks. Frontiers in Materials. 2, (2015).
  14. Kleinert, M., Winkler, T., Terfort, A., Lindhorst, T. K. A modular approach for the construction and modification of glyco-SAMs utilizing 1,3-dipolar cycloaddition. Organic & Biomolecular Chemistry. 6 (12), 2118-2132 (2008).
  15. Plietzsch, O., et al. Four-fold click reactions: Generation of tetrahedral methane- and adamantane-based building blocks for higher-order molecular assemblies. Organic & Biomolecular Chemistry. 7, (2009).
  16. Greenler, R. G. Infrared Study of Adsorbed Molecules on Metal Surfaces by Reflection Techniques. The Journal of Chemical Physics. 44 (1), (1966).

Tags

الكيمياء، العدد 106، مترافق الصغيرة التي بوليمر (CMP)، Nanomembrane، فوق طبقة تلو طبقة التجميعي والكيمياء، والركيزة الهدى، الأغشية الرقيقة
طبقة تلو طبقة تجميع ونقل طليق مترافق الصغيرة التي بوليمر Nanomembranes
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lindemann, P., Träutlein, Y.,… More

Lindemann, P., Träutlein, Y., Wöll, C., Tsotsalas, M. Layer-by-layer Synthesis and Transfer of Freestanding Conjugated Microporous Polymer Nanomembranes. J. Vis. Exp. (106), e53324, doi:10.3791/53324 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter