Summary
En enkel protokoll er gitt til fabrikasjon av hemiwicking strukturer av varierende størrelse, former og materialer. Protokollen bruker en kombinasjon av fysiske stempling, PDMS molding og tynn-film overflaten endringer via vanlige materialer deponering teknikker.
Abstract
Hemiwicking er en prosess der en væske wets en mønstret overflate utover normal wetting lengden på grunn av en kombinasjon av kapillær handling og imbibition. Dette wetting fenomenet er viktig i mange tekniske felt mellom fysiologi luftfartsteknologi. For tiden finnes flere ulike teknikker for fabrikasjon hemiwicking strukturer. Disse konvensjonelle metoder, men ofte tidkrevende og vanskelig å skalere opp for store områder eller er vanskelig å tilpasse for bestemt, nonhomogeneous mønstre geometri. Presentert protokollen gir forskere med en enkel, skalerbar og kostnadseffektiv metode for fabrikasjon mikro-mønstret hemiwicking overflater. Metoden fabricates fuktspredende strukturer ved hjelp av stempeltrykk, polydimethylsiloxane (PDMS) molding og tynn-film overflate belegg. Protokollen er demonstrert for hemiwicking med etanol på PDMS micropillar matriser belagt med en 70 nm tykk aluminium tynn-film.
Introduction
Nylig har det vært økt interesse i å kunne både aktivt og passivt styre fukting, fordamping, og blanding av væsker. Unikt teksturerte hemiwicking flater gir en ny løsning for kjøleteknikker fordi disse strukturerte overflater fungere som en væske (og/eller varme) pumpe uten bevegelige deler. Denne flytende bevegelse er drevet av en kaskade av kapillær handling hendelser knyttet til dynamisk Bøyningen på den flytende tynn-filmen. Generelt, når en væske wets en solid overflate, skjemaer en buet flytende tynn-film (dvs. flytende menisk) raskt. Flytende tykkelse og kurvatur profil utvikle seg til gratis-energi minimum er nådd. For referanse, kan dynamisk wetting profilen raskt decay titalls nanometer tykkelse i en spenner (væske-wetting) lengde-skala fra eneste titalls mikrometer. Derfor kan denne overgangsperioden (flytende-film) regionen gjennomgå betydelige endringer i væske-grensesnittet kurvatur. Overgang (tynn-film) regionen er der nesten alle dynamiske fysikk og kjemi stammer. Spesielt er overgangsreglene (tynn-film) regionen der maksimal (1) fordampning priser, (2) dis begynte press graderinger og (3) hydrostatisk trykk graderinger er funnet1,2. Som et resultat, spiller buede væske-filmer en viktig rolle i termisk transport, fase separasjon, flytende ustabilitet og blanding av multi-komponent væsker. For eksempel med hensyn til varmeoverføring, har de høyeste veggen varme flukser blitt observert i denne svært buede, overgangsreglene tynn-film regionen3,4,5,6,7.
Hemiwicking studier har vist at geometri (f.eks høyde, diameter, etc.) og plassering av pilarene bestemmer wetting foran profil og hastigheten av væsken gjennom strukturer8. Som flytende forsiden er fordampe på slutten av siste strukturen i en matrise og vedlikeholdes flytende foran på en bestemt avstand og kurvatur, som fordampet væske blir erstattet av væsken lagret i fuktspredende strukturer9. Hemiwicking strukturer har også brukt i varme rør og kokende overflater å analysere og forbedre ulike varme overføring mekanismer. 10 , 11 , 12.
En metode som brukes til å opprette fuktspredende strukturer er termisk forlaget litografi13. Denne metoden er utført av stempling utformingen til motstå lag på en silicon formen utvalg med en termoplastisk polymer-stempel, og deretter fjerne stempel for å opprettholde microstructures. Når fjernet, blir prøven satt gjennom en reaktiv ion etsing prosessen for å fjerne noen av de overskytende motstå lag14,15. Denne prosessen, men kan være følsomme for temperaturen på fabrikasjon av fuktspredende strukturer og omfatter flere trinn som bruker ulike belegg for å sikre nøyaktigheten av fuktspredende strukturer16. Det er også slik at litografi teknikker ikke er praktisk for makro-skala mønstre; mens de fortsatt gir en måte å lage et mønster av microstructures på en overflate, er gjennomstrømningen av denne prosedyren langt mindre enn ideell for store reproduksjon. Vurderer store, reproduserbare teksturering, som spin eller dip belegg, det er en iboende mangel på kontrollerbar mønstre. Disse metodene oppretter et tilfeldig utvalg av microstructures på målet overflaten men kan skaleres for å dekke vesentlig større områder enn tradisjonelle litografi teknikker17.
Protokollen skissert i denne rapporten forsøker å kombinere styrken av tradisjonelle teksturering metoder mens de samtidig eliminerer bestemt svakheter av hver; den definerer en måte å dikte tilpasset hemiwicking strukturer i ulike høyder, figurer, orientering og materialer i makro-skala og med potensielt høy gjennomstrømning. Ulike fuktspredende mønstre kan opprettes raskt for optimalisering av fuktspredende egenskaper, for eksempel retningskontroll væske hastighet, overføring og blanding av ulike væsker. Bruk av ulike fuktspredende strukturer kan også gi ulik tynn-film tykkelse og kurvatur profiler, som kan brukes til systematisk studie koblingen mellom varme og masse overføring med ulik tykkelse og kurvatur profiler av væsken menisk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Opprett mønster kartet
- Bruk en grafikk editor å opprette ønsket mønsteret hemiwicking strukturer som et punktgrafikkbilde.
Merk: Noen av fuktspredende design parameterne (dvs. vinkel gradering, dybde gradering) kan gjøres for å være avhengig for gråtoneverdiene tilordnet hver piksel. Disse gråtoneverdier er redigert for å endre den ønskede parameteren. - Lagre punktgrafikken transportabel nettverk grafikk (PNG), og plassere filen i en lett tilgjengelig mappe.
2. plassere plast stemples for forming
- Begynn med å oversette stempling litt fra arbeidsområdet for å unngå utilsiktet kontakt som kan forårsake brudd på tips (+z fortrengning, figur 1).
- Sikre plast stempling mold/wafer til en backing plate for påfølgende stempling på x, y oversettelse scenen (se figur 1). Sikker prøve/sikkerhetskopiere platen til x, y motoriserte stempling scenen (figur 1)
- Juster midten av plast mold/kjeks med stempling aksen av stempling litt. Dette er oppnådd via datastyrt ±x og ±y forskyvninger med x, y motoriserte stempling scenen.
- Oversette stempling litt mot plast mold/kjeks (-z fortrengning, figur 1) til stempling litt er nesten i kontakt med mold/wafer overflaten.
3. stempling plast prøven for PDMS Molding
- Bruke datastyrt stempling kontroll programmet, sette avstanden mellom stempling litt (tips) og plast mold/wafer overflaten.
- Oversette stempling litt i små intervaller (-sesz fortrengning, figur 1) mot overflaten av prøven før verktøyet er i kontakt med plast.
Merk: Litt bør bare lett kontakt overflaten. - Etter kontakt, oversette stempling litt fra prøve å unngå mulig kontakt mellom bit og prøve under påfølgende oversettelse (δz ≈ 100 μm).
- Tilordne en piksel avstand (i mikron), maksimum og minimum hulrom dybde (i mikron), maksimum og minimum vinkel (i grader), x og y pixel utgangsposisjon mønster og pixel terskelen for noen gråtone koblede mønstre for den stempling prosedyre.
- Last opp mønstre kartet (opprettet i trinn 1.1) for å lese av programmet. Basert på pixel avstand og mønstre kartet, sendes plasseringen av alle stemplene til stepper motors.
- Kontroller at oppvarming laser er fokusert på spissen av stempling litt og bare aktiverer mens stempling litt går mot og i plast mold.
- Opprette hulrom ved å trykke litt inn i plast mens etter mønstre kartet for å oppnå ønsket hemiwicking mønsteret.
- Fjerne stemplet plast mold for påfølgende overflate refinishing og polering.
- Polsk overflaten av plast mold bruker 9000 grus, finere våt/tørr sandpapir.
Merk: Alternativt mikro-maske slipende kan brukes å sikre fjerning av overflaten at årsaken kraterdannelse rundt pilarer i PDMS mold.
4. Opprett PDMS Molding
- Hell 2 g av elastomer base og 0.2 g av elastomer herding agent i et beaker og bland sammen grundig i 3 minutter.
- Sett blandingen i en evakuert kammeret å løslate noen luftbobler fanget i blandingen; Dette trinnet må gjentas flere ganger.
Merk: For prøver av varierende volumkrav, justere mengden base og herding agent etter behov samtidig opprettholde en 10:1 ratio. - Plass stemplet plast mold i en walled beholder, ideelt ikke mye større enn den ytre diameteren av mold, kurere oppstår.
- Hell PDMS blandingen gratis luftlommer på stemplet plast og i beholderen. Hell i en spiral, starter fra midten av området stemplet forsøke å distribuere PDMS blandingen like som mulig.
- Gjenta trinn 4.2 for eventuelle luftlommer som kan ha dannet fra helte blandingen på stemplet mønsteret. Plasser PDMS blanding og plastdelen med stemplet mønster på en kokeplate og varme samlingen ved 100 ° C i 15 min. Deretter varme en ekstra 25 minutter på 65 ° C.
- Tillat PDMS blandingen avkjøle og kur for 20 min før håndtering.
- Kuttet kantene av PDMS plast fra beholder veggen og fjerne PDMS plast fra mold. Lagre PDMS plast i en dekket beholder å unngå støvpartikler fra samle på overflaten.
5. innskudd tynn-Film metall på PDMS
- Plass prøven PDMS inne deponering kammeret forlate nok plass til lukkeren til åpnes og lukkes uhindret.
- Depressurize avsettelse kammeret til minst 10 mTorr.
- Engasjere tørr pumpesystem og angi spinn hastigheten til 75 kRPM. Tillate kammer å nå et trykk på 10-8 Torr.
Merk: Dette vil fjerne de fleste forurensninger fra kammeret; prosessen kan ta opptil 12 h å fullføre. - Strøm på kjøligere og likestrøm levere sette makt til 55 W.
- Åpne argon ventilen litt og pressurize kammeret rekkefølgen 10-3 Torr. Angi tørr pumpe systemet 50 kRPM og vent til denne satt fart er oppnådd.
- Redusere strømforbruket til 35 W og depressurize kammeret til 13 mTorr. Åpner lukkeren til antent plasma og starte tidtakeren.
Merk: Antent plasma bør gi av en blå, glødende glød. Timer bør angis for tykkelsen av filmen innskudd. Det er fastslått at 35 W og presset av ca 13 mTorr, en rate på 7 nm deponering per minutt er forventet. - Når ønsket film tykkelse er oppnådd, lukke skodde og slå av strømforsyningen.
- Lukk alle ventilene innenfor deponering kammeret og slå av tørr pumpesystem. La tid for tørr-pumpe fan å komme til en fullstendig stopp.
- Sakte pressurize kammeret til den når lokale lufttrykk og fjerne prøven, lagre den for senere eksperimenter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 gir en skjematisk av hvordan stempling mekanismen ville opprette en form for fuktspredende strukturer på en plast mold. For å undersøke kvaliteten på stempling apparatet i produksjon fuktspredende filmer, ble to forskjellige pilar matriser opprettet for å analysere kvaliteten av pilarene for senere fuktspredende eksperimenter. Aspekter av apparatet undersøkt var nøyaktigheten av høyden på søylene (med og uten dybde gradering), kvaliteten på søyler etter PDMS molding, kvaliteten på søyler etter frese avsetning behandle, og muligheten for den strukturer opprette hemi-wicking. Dette ble to wicking mønster varianter opprettet, som vist dybden gradering og annen uniform dybde.
Figur 2a viser punktgrafikken som ble brukt for å skape dybde og vinkel graderingene. Det kan sees at hver søyle kolonne ble tildelt en ulike gråtoner verdi varierer fra 0 til 95. Dette ble gjort for å ha en annen dybde for hver søyle-kolonne. Tallene 2b og 2 c vise pilarer på PDMS skapt av støpeprosessene. Dette bekrefter at grå skaleringsverdiene ble brukt påvirker dybden i plast molding og derfor høyden på søylen på PDMS prøven. Tabell 1 viser dataene fra dybde graderingen og viser prosentandelen av forventet høyden fra stempling mønster. Disse dataene ble samlet fra målinger på 50 søyler eller en komplett utvalg, vises i figur 2. Forventet høyden på søylen med gitt grå skaleringsverdiene ble beregnet fra følgende ligning:
(1)
hvor hexp er forventet høyden, hmax er maksimumshøyden som definert av brukeren, hmin er minimumshøyden som definert av brukeren, er pixel terskelen som er angitt av brukeren og GSV er grå skalaen verdi. Det kan sees at for gråtoner verdien null (dvs. svart), forventet høyden vil være maksimumshøyden og gråtoner verdi er lik den piksel terskelen, forventet høyden blir minimumshøyden.
Figur 3a viser punktgrafikkfilen som brukes til å opprette et større fuktspredende struktur utvalg av konstant pilar høyde. Hver svart piksel representerer en hulrom beliggenhet og avstanden mellom stempling forekomster som er definert i programmet gjennom pixel avstanden. Denne binære kontrast figur 1a, skaper en ensartet rekke vinkel og pilar høyder. Figur 3b og 3 c gir en topp og side utsikt, for henholdsvis. Det kan sees at til tross for en uniform høyde pilar spesifikasjon, prosessen produsert underdimensjonere søyler. Mens maksimumshøyden ble satt til 100 μm, ble det funnet at den gjennomsnittlige høyden av pilarene var omtrent 71.89 ± 10.18 μm, basert på 38 søyler. Dette kan tilskrives mulige feil som kan finnes i cavities mens de blir gjort eller mulig luftlommer som hadde dannet og forble i hullene.
Figur 4 viser fire individuelle bilder av pilarene etter aluminium ble avsatt på PDMS prøven. Figur 4a og 4b viser siden og ovenfra, for henholdsvis uten en arbeider væske i fuktspredende strukturen. Lik sett med PDMS prøven, høydene av prøvene ikke var konsekvent på tvers av alle søyler. Høyder og standardavvik av PDMS og Al prøvene er forhold og vises i tabell 2. Disse dataene ble samlet etter måling pilarer (n = 38) både før og etter at Cospatric av aluminium på PDMS. Kjente overflateruhet var også til stede; Det er antatt at sliping prosedyren brukes på prøven tallerkenen overført til PDMS prøven og ble gjenspeilet på overflaten av aluminium filmen. Det er også mulig at grovheten utelukkende tilskrives deponering prosessen.
Figur 4 c og 4 d visualisere side og topp utsikt, for henholdsvis med en arbeider væske i fuktspredende strukturen. Arbeider væsken som ble brukt i dette eksemplet var etanol. Vannet viser imidlertid ikke samme hemi-wicking forekomsten som etanol med dette eksemplet. Dette fenomenet kan tilskrives følgende (eller kombinasjon av): 1) et ikke-ideelle overflatestruktur, 2) gjenværende overflateruhet (som vist i figur 4b), 3) urenheter i aluminium belegget, og 4) for tynn en innfødt aluminiumoksid lag. Med det sagt, kunne etanol veken fordi lyophilicity av aluminiumoksid som dannes på aluminium overflaten. Selv om aluminium karbondioksid er lyophilic, viser den ikke hydrofile egenskaper, forbyr vannet fra wicking. Bruk av kjemisk overflatebehandling PDMS fuktspredende struktur er en annen metode som kan brukes til å endre hydrophilicity på utvalget -f.eks, våt kjemi behandling kan brukes til å opprette hydrophylic selv av monolayers (SAMs)18 . Til tross for disse feil beviser dette at fuktspredende struktur opprettet fremgangsmåten beskrevet er kjøpedyktig opprette hemi-wicking for en arbeider væske.
Figur 1: skjematisk av den stemple bit apparat fabrikasjon av mikro-mønstret plast former. Bevegelsen av plast mold langs x- og y- aksene bestemmes av to datastyrt stepper motor/etapper (én for hver retning). Likeledes styres stempling vinkel (θ) og stempling (Δz) dybdeskarphet stempling litt av to separate, datastyrt stepper motor/etapper. Datastyrt oppvarming laser aktiveres mens litt skaper stempling hulrommet i plast mold. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: dybde-gradient pilar matrise mønsteret og PDMS. (a) bitmap brukes for fabrikere en 'dybde-gradient' micropillar array. For preging, pixel terskelen er satt til 100, Maksimumdybden er satt til 100 μm, minimum dybden er satt til 25 μm og hver piksel er satt til å representere en avstand på 100 μm. Basert på disse verdiene, deles hver rad av 100 μm mens avstanden mellom to pilarer i en rad er 200 μm. Gråtoner verdien av hver piksel bestemmer avstanden stempling litt reiser i plast mold. Derfor som gråtoner verdier øker over punktgrafikk, redusere høydene av pilarene. Forventet høydene av pilarene med tilsvarende gråtoner verdier tilbys. (b) bilder av pilar kolonner 1 til 5 for PDMS base fra området blå boks nederst i venstre hjørne av punktgrafikkbildet. (c) bilder av pilar kolonne 5 til 10 for en PDMS base for den røde boksen nederst i høyre hjørne av punktgrafikkbildet. Bilde piksel avstanden (b) og (c) er 0.335 μm/bildepunkt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: mønster og PDMS base for fuktspredende strukturer for hemiwicking. (a) bitmap brukes til å lage rektangulære fuktspredende strukturen. Dybden er satt til 100 μm og hver piksel er satt til å representere en avstand på 100 μm. Siden alle gråtoner verdiene er de samme i dette bildet, skal alle pilar høydene det samme. Også ligner mønsteret i figur 2, hver rad er separert 100 μm mens avstanden mellom to pilarer i en rad er 200 μm. (b) en topp visning av grunnpilarene i PDMS fuktspredende strukturen som er støpt med plast mold basert på punktgrafikk i (a). Bildeoppløsningen er 0.176 μm/bildepunkt. (c) en sidevisning av grunnpilarene i PDMS fuktspredende strukturen som er støpt med plast mold basert på punktgrafikk i (a). I motsetning fuktspredende strukturene i figur 2, er pilar høydene i fuktspredende strukturen mer konsekvent høyde. Bildeoppløsningen er 0.723 μm/bildepunkt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: den wicking strukturer etter Al deponering med og uten hemiwicking. (a) en sidevisning av fuktspredende pilarene opprettet i Figur 3 etter Al avsetning uten etanol. Tykkelsen på aluminium på PDMS er omtrent 70 μm. (b) en ovenifra fuktspredende søylene opprettet i Figur 3 etter Al avsetning uten etanol. (c) en sideutsikt over fuktspredende søylene opprettet i Figur 3 etter Al avsetning med etanol wicking i strukturer (etanol kan det meste bli sett langs bunnen av fokusert søyler). (d) en ovenifra fuktspredende søylene opprettet i Figur 3 etter Al avsetning med etanol wicking i strukturer. (A) og (c), bildeoppløsningen er 0.723 μm/bildepunkt og (b) og (d), bildeoppløsningen er 0.176 μm/bildepunkt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Søyle | Gråtoner verdi | Forventet høyde (μm) | Målt høyden (μm) | % av forventet |
| 1 | 0 | 100 | 59.6 | 59.6 |
| ± 4.58 | ||||
| 2 | 10 | 92.5 | 59.71 | 64.55 |
| ± 5,88 | ||||
| 3 | 21 | 84.25 | 54.71 | 64.94 |
| ± 5.57 | ||||
| 4 | 31 | 76.75 | 46.48 | 60.56 |
| ± 2,61 | ||||
| 5 | 42 | 68,5 | 46.59 | 68.01 |
| ± 5,21 | ||||
| 6 | 53 | 60.25 | 38.92 | 64.6 |
| ± 1.62 | ||||
| 7 | 63 | 52.75 | 31,8 | 60.28 |
| ± 0.73 | ||||
| 8 | 74 | 44,5 | 26.58 | 59.73 |
| ± 1,49 | ||||
| 9 | 85 | 36.25 | 20.13 | 55.53 |
| ± 1,44 | ||||
| 10 | 95 | 28.75 | 16.01 | 55.69 |
| ± 1,94 |
Tabell 1: Forventet og målt høyden av alle pilar kolonnene for dybde gradient mønster.
| Forventet høyde (μm) | Mener målt høyden (μm) | Standardavvik (μm) | |
| PDMS Sample uten Al innskudd | 100 | 71.89 | 10.18 |
| PDMS prøven med Al innskudd | 100 | 61.59 | 8.493 |
Tabell 2: PDMS med og uten Al deponering pilar høyde sammenligning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En metode er blitt introdusert for å lage mønstret pilar matriser for hemiwicking strukturer; Dette oppnås ved å prege hulrom på en plast wafer med et gravering apparat etter mønster fra punktgrafikk opprettet av brukeren. En PDMS blanding deretter helles, herdet og belagt med en tynn film av aluminium via deponering. Pilar matrise egenskapene kan tilpasses avhengig av gråtoner verdien som er tilknyttet i punktgrafikk etter denne protokollen. Dette avgjørende aspektet av mønstre kan opprette en rekke mulig wicking strukturer å teste som kan brukes i ulike programmer, inkludert tynn-film forskning og direkte programmer i termisk systemer. En annen er variasjon ikke nevnt i Representant resultater vinkel graderingen som kan implementeres i matrisen. Ligner dybde graderingen, gråtoner verdien av ulike piksler kan endre vinkelen på borekronen (θ, figur 1).
En annen større skritt som bør tas til etterretning er etableringen av en PDMS base. Forskjeller i pilar høydene og misdannelser i og rundt søylene er vanlig i fuktspredende strukturer. Slipeenhet overflaten med mikro-maske eller slipende slam bidrar til å skape symmetrisk prøver og jevn PDMS tykkelse. I tillegg var evakuering og varmebehandling prosessene ment å skje samtidig som varmeelementene ble innlemmet i mold selv. Dette begrenser effektivt håndtering av brukeren og eventuelle tilknyttede uregelmessigheter, i tillegg til luftbåren forurensning (dvs. støv partikler) i herding fasen. Disse betraktningene iverksettes for fremtidige prøver.
Avsetning av materialet på en PDMS base er en annen viktig skritt som må skreddersys til hvert eksperiment. Vilkårene nevnt i protokollen er aluminium bestemt og som sådan, må endre når innskudds materiale endres. Hvis en annen metall foretrekkes, bør endringer i utgangseffekt, kammer trykk og sputtering tid endres for å oppnå perfekt overflaten forholdene for ønsket innskudds materialet. For fremtidige prøver, vil metaller med ulike overflaten energier (dvs.gull, germanium) bli satt for å teste sine respektive fuktspredende evner. Når innskudds forskjellige metaller i fremtiden, må protokollen oppdateres for å riktig sette inn ønsket metall på PDMS.
Det største problemet som er innført i prosedyren ved å gjøre hemiwicking strukturer er overflateruhet av utvalget. Det kan sees at overflate mangler finnes på PDMS mold (figur 3b) og Al overflaten (figur 3b, 3d); Dette kan stamme fra sliping prosessen eller metall deponering prosessen. Overflaten feil vises som problematisk som overflate mangler kan påvirke arbeider væsken fuktspredende og hastigheten og avstanden. Et ideelt eksperiment ville ha en jevn overflate på og mellom søylene, slik væsken kan strømme gjennom fuktspredende strukturen uhindret av overflaten forholdene. Den foreslåtte løsningen er å bruke høyere klasse (dvs. finere grus) slipemidler sliping plast kjeks før deponering, samt lenger sliping ganger. Sett fra tabell 1 og tabell 2, basert pilaren høyder ikke produseres som forventet på verdiene gitt til stepper motors. Dette kan skyldes nedbøyning av prøven langs stempling aksen mens litt er preging i plast. Dette problemet kan løses ved å øke avstanden litt har å reise inn i plast; Dette, men etterlater en mulig inkonsekvens med Pilar høyder og pilar-base diameter for senere eksperimenter. Metoder må utvikles for å begrense nedbøyning prøven opplevelser, for eksempel øke temperaturen i spissen for å begrense motstanden fra plasten eller sikre prøven på en annen måte.
Mens utfordringer forbli i raffinering stansing prosessen, er metoden skissert effektivt for å opprette bestilt matriser av sammenlignbare geometri. Metodene som er brukt til å opprette hemiwicking strukturer, eller noen mikro-mønstrete overflaten funksjon, viser at prøver kan produseres raskt for senere behandling på andre labs eller research kompanier koste og raskere enn moderne metoder. Disse hemiwicking strukturer kan være lett fabrikkert for å replikere den optimale tynn-film kurvatur og fuktspredende foran hastighet. Fuktspredende foran hastigheten skulle måles ved hjelp av et høyhastighets kamera analysere flytende foran reiser fra søyle til pilar. Samtidig, kan tykkelse og kurvatur profilen oppnås ved hjelp av en reflectometry og interferometry tilnærming som har vist i tidligere eksperimenter på kanten pilarer6. Selvregulerende natur fuktspredende strukturer vil bidra til å opprettholde et konstant tynn-film region for analyse, til tross for ulike overflaten energiene i ulike væsker og på overflaten. Med denne metoden kan wicking strukturen varianter fremstille raskt for å forstå effekten fuktspredende geometrien har på tynn-film regionen og fuktspredende forsiden av ulike væsker.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingen avsløringer nevne for notatet.
Acknowledgments
Dette materialet er basert på forskning delvis sponset av United States Office of Naval Research under Grant nr. N00014-15-1-2481 og National Science Foundation under Grant No. 1653396. Synspunkter og konklusjoner heri er de av forfatterne, og bør ikke tolkes som nødvendigvis den offisielle politikk eller påtegninger, enten direkte eller indirekte, av amerikanske Office of Naval Research, National Science Foundation, eller Myndighetene i USA.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| NI-DAQ 9403 | National Instruments | 370466AE-01 | The communication interface between the camera and the control switch for the laser. |
| Control Switch | Crouzet | GN84134750 | A controller to use for the laser that activates the laser based on the voltage sent by the DAQ. |
| Flea Camera | FLIR | FL3-U3-120S3C-C | A flea camera used for imaging the drill bit on the plastic mold. |
| Flea Imaging Camera | Point Grey | FL3-U3-20E4M-C | A flea camera used for obtaining the side images of the pillars. |
| 200 Steps/rev, 12V-350mA Stepper Motor (x2) | AdaFruit | 324 | The stepper motors are used to control the depth and angle of the end mill. |
| 10x Infinity Corrected Long Working Distance Objective | Mitutoyo | #46-144 | The objective used to get the image of the side of the pillars. |
| 15x Infinite Conjugate, UV Coated, ReflX Objective | TechSpec | #58-417 | The objective used to get the image of the top of the pillars. |
| 72002 0.002D X 0.006 LOC Carbide SQ 2FL Miniature End Mill | Harvey Tools | 72002 | The drill bit that was used to create holes in the plastic mold. |
| DC Power Delivery at 1 kW | Advanced Energy | MDX-1K | Used to power the deposition sputterer. |
| Turbo-V 70LP Nacro Torr Pump | Varian | 9699336 | Turbo Pump used to reduce pressure inside deposition chamber. |
| 2000mw, 405nm High-Power Blue Light Focus Laser | WDLasers | KREE | Sample Heating Laser |
| 5.875" I.D. Dessicator w/ 0.25" Tube Connections | McMaster-Carr | 2204K5 | PDMS Dessicator |
| SYLGARD 184 Silicone Elastomer, 0.5kg Kit | Dow-Corning | 4019862 | The PDMS Kit used to make the base. |
| Diaphragm Air Compressor / Vacuum Pump | Gast | DOL-701-AA | Dessicator Vacuum Pump |
| Motorized Linear Stages (2x) | Standa | 8MT175 | The stepper motors used to control the sample plate in the x- and y- direction. |
| 2" Diameter Unmounted Poistive Achromatic Doublets, AR Coated: 400-700 nm | ThorLabs | AC508-150-A | The achromat was ued in order to obtain the images of the side of the pillars. |
| Flea 3 Mono Camera, 2448 X 2048 Pixels | Point Grey | FL3-GE-50S5M-C | A flea camera used for imiaging the top of the pillars. |
| Digital Vacuum Transducer | Thyrcont Vacuum Instruments | 4940-CF-212734 | Used for monitoring pressure inside deposition chamber. |
| Pressurized Argon Tank Resovoir | Airgas | AR RP300 | Gas used in deposition process. |
| 1-D Translation Stage | Newport Corporation | TSX-1D | A translation stage used to move the camera to focus on the end mill. |
| Cylindrical Laser Mount (x2) | Newport Corporation | ULM-TILT-M | The laser mount was used to move the camera to focus on the end mill. |
| Benchtop Chiller with Centrifugal Pump, 120V, 60Hz | Polyscience | LS51MX1A110C | A chiller used for the deposition assembly. |
| Alcatel Adixen 2010SD XP, Explosion Proof Motor, Rotary Vane Vacuum Pump, 1-Phase | Ideal Vacuum Products | 210SDMLAM-XP | A vacuum pump used for the deposition assembly. |
| Fan, 105 CFM, 115 V (x2) | Comair Rotron | MU2A1 | A fan used for cooling certain aspects of the deposition assembly. |
References
- 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).
