Summary
3Dプリントドレインチャンバーを用いた多孔質支持基板上のブロック共重合体薄膜の高度に制御され、しわのない転写の手順を提示する。排水室の設計は多孔質基板への高分子フィルムの移動を含むすべてのプロシージャに一般的に関連している、通常は取り返しのつかない方法で手で行われる。
Abstract
薄膜複合膜を含むデバイスの製造は、任意の支持基板の表面にこれらのフィルムの転送を必要とする。高度に制御され、機械化され、再現可能な方法でこの転送を達成すると、デバイスの性能と使用可能な領域を損なう薄膜内のマクロスケールの欠陥構造(涙、ひび割れ、しわなど)の作成を排除できます。サンプルごとに。ここでは、水ろ過膜装置として最終的に使用するための任意の多孔質支持基板上にポリマー薄膜の高度に制御され機械化された転送のための一般的なプロトコルを説明する。具体的には、犠牲的な水溶性ポリ(アクリル酸)(PAA)層とシリコンウエハ基板の上にブロック共重合体(BCP)薄膜を製造する。その後、カスタム設計の3Dプリント転送ツールとドレインチャンバシステムを使用して、BCP薄膜を多孔質陽極酸化アルミニウム(AAO)サポートディスクの中心に堆積、リフトオフ、および転送します。転写されたBCP薄膜は、水と3Dプリントプラスチック排水室との間に形成されたメニスカスの導きにより、支持面の中心に一貫して配置されることが示されている。また、機械化された転写加工薄膜と、ピンセットを使用して手で移送されたものと比較します。機械化プロセスから移された薄膜の光学検査と画像解析は、手動で生成された多数の涙やしわと比較して、ほとんどマクロスケールの不均一性または塑性変形が生成されていないことを確認します。手で転送します。我々の結果は、薄膜転写のための提案された戦略は、多くのシステムおよびアプリケーション間で他の方法と比較した場合の欠陥を減らすことができることを示唆している。
Introduction
薄膜やナノ膜ベースのデバイスは、近年、フレキシブルな太陽光発電やフォトニクス、折りたたみ式ディスプレイ、ウェアラブルエレクトロニクスなど、幅広い用途に応用できる可能性を秘めており、幅広い関心を集めています。2,3.これらの様々なタイプのデバイスの製造のための要件は、これらのフィルムの脆弱性とマクロスケール欠陥の頻繁な生産のために困難なまま、任意の基板の表面に薄膜の転送ですシワ、ひび割れ、涙などの構造は、転写後のフィルム内4、5、6、7.手、ピンセット、およびワイヤループによる手動転送は、薄膜転写の一般的な方法であるが、必然的に構造的な不一致および塑性変形8、9をもたらす。1)ポリジメチルシロキサン(PDMS)スタンプ転送など、様々なタイプの薄膜転写方法が検討されており、これは、ドナー基板から薄膜を得るためにエラストマースタンプを使用し、その後受信に転送することを含む。基板10、及び2)犠牲層転写11は、エチャントが支持基板と薄膜との間に犠牲層を選択的に溶解するために使用され、それによって薄膜を持ち上げる。しかしながら、これらの技術だけでは、必ずしも薄膜12内の損傷や欠陥形成に損傷を与えることなく薄膜転写を可能にするわけではない。
ここでは、カスタム設計の3Dプリントドレインチャンバーシステム内の犠牲層リフトオフとメニスカス誘導転送に基づく新規、低コスト、一般化可能な顔の方法を提示し、ブロック共重合体(BCP)薄膜を機械的に配置します。陽極酸化アルミニウム(AAO)ディスクなどの多孔質基板の中心で、しわ、涙、ひび割れなどのマクロスケールの欠陥構造がほとんど発生しません。現在の文脈では、これらの転移された薄膜は、次いで、水濾過研究における装置として使用することができ、潜在的に順次浸潤合成(SIS)処理9の後である。光学顕微鏡から得られた転写フィルムの画像分析は、メニスカス誘導、排水室システムが滑らかで、堅牢で、しわのないサンプルを提供することを示しています。さらに、画像はまた、受信基板の中心に薄膜膜を確実に配置するシステムの能力を示しています。我々の結果は、任意の多孔質基板の表面に薄膜構造の転送を必要とするあらゆるタイプのデバイスアプリケーションに重要な意味を持ちます。
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Protocol
1.搬送ツールと排水室システムの製造
- 添付 (補足ファイル 1, 2)は、上部と下部の 2 つの部分からなる排水室アセンブリのエンジニアリング図面です。目的のシステム(例えば、受信基板の外径)の仕様に従ってこのデバイスをモデル化し、3D印刷用のSTLファイルとしてエクスポートします。
- 上部には、必要に応じて足場を含め、可能な限り低い解像度で選択したフィラメントプリンタを使用し、印刷します。プリンタの推奨パラメータに従います。また、材料の脱落を最小限に抑えるために、ポリ(乳酸)(PLA)を使用して上部を印刷することをお勧めします。
- 底部には、インクジェット樹脂プリンターまたはフィラメントプリンタを使用し、高さは20μmまで高い。
注:PLAは材料の脱落を最小にする適切な材料である。 - 両方の部品を脱イオン水で洗い流し、印刷工程から潜在的な脱落材を除去します。脱イオン水中の超音波処理もお勧めします。2 つの部分のスレッドをテストして、適切なフィット感を確認します。
- サポートドキュメントで指定されたパラメータのサイズ117ネオプレンOリングとチューブで排水室を完了します(補足ファイル1、2)。 排水室アセンブリ全体の回路図を図 1に示します。
- フィラメントプリンタを使用して、中から微細な解像度まで転送ツールを印刷します。クランプとローディングアームの2つの部分があります。
注:他のプラスチックが不十分に濡れ、ウエハが予期せず濡れる原因となる可能性があるため、移送ツールはポリ(乳酸)(PLA)を使用して印刷することを強くお勧めします。 - クランプをサイズ10ネジで完了し、クランプをラボジャックに取り付けます。
2. ドナー基板からの初期機械化堆積と膜リフトオフ
- 裸の25mm直径のAAOディスク(または任意の多孔質受信機基板)を排水室の底部に置きます。次に、ネオプレンOリングをAAOディスクの上に置き、排水室の上部にネジを入します。
- 脱イオン(DI)水でセットアップを様々な時間にすすいで、または超音波処理します。これにより、3Dプリンティングからほこりや残りの微粒子を除去できます。
- 転写可能なポリマースタック(ドナーウエハ)を持つSiウエハの部分を、転写ツールローディングアームの唇に置きます。
- 排水室に25 mLのDI水を充填します。
- 実験室のジャッキを下げて、工具が排水室の入り口ランプにゆっくりと浸漬され、ドナーシリコン基板がゆっくりと水没します。ウエハが完全に剥離し、基礎となるドナー基板から離陸するために十分に水没していることを確認します。
注:ほこり汚染のないSiウエハの一部を使用すると、ドナー基板から容易に分離できます。 - ゆっくりと水から移動ツールを上げ、浮遊膜を乱さないことを確認し、邪魔になりません。
- ピンセットでチャンバーの開口部に膜を同軸します。水に水に入れることは、表面張力のためにそれを導きます。浮遊膜自体に触れることは必要ありませんし、避けるべきです。
3.排水室システムを備えたレシーバ基板へのメニスカス誘導転送
- 管を排水室の底部の出口に接続します。このチューブを20 mLルアーロックシリンジに取り付けます。
- 引き出し機能を持つシリンジポンプを取得します。注射器をポンプに置き、すべての水が排出されるまで1-2.5 mL/分の速度で水を引き出します。
- 10分後、水は完全に排水室から除去する必要があります。チャンバー内に残留水が残っている場合は、シリンジとチューブを再接続し、残留水を引き続き引き出します。
- 水の完全な排水の後、膜は今受信機の基板の中心に置かれる。シリンジポンプから排水室を取り外し、排水室を分解して、膜を含む受信機基板を取り除きます。
注:セットアップを含む合計プロセスは〜15分かかります水の作業量を減らし、排水速度を上げると、このプロセスを短縮することができます。 - サンプルは、任意のアプリケーションでさらに使用する前に、室温で完全に乾燥させてください。
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Representative Results
BCP膜試料は、前述の手順9に従って製造された。サンプルは、3Dプリント転送ツール(図1、左)のローディングアームのリップ上に置かれ、その後、3Dプリントドレインチャンバツールの入り口ランプに実験室ジャックで下げました(図1、右)。BCP膜と基礎となるドナーシリコン基板との間のポリ(アクリル酸)(PAA)の犠牲層を排水室内の水中に溶解し、浮遊BCP膜を生じた。次いで、シリンジポンプ(図2、底部)を2.5mL/分の体積流量で引き出すために作動させ、合計移動時間を10分(排水室システム内の初期25mLの水を想定)した。この薄膜転写方法は、図3に示すように、手作業による手用薄膜転写とピンセットと比較した。
多孔質AAO基板上に手動で移送されたBCP薄膜試料の代表的な画像を図4に示す。これらの画像は、BCP膜に存在する重度の塑性変形およびマクロスケール欠陥構造によって証明されるように、手動搬送方法の品質の悪さを示しています。すべてのBCP膜は、ダイスされたBCP膜の初期長方形の幾何学の歪みに加えて、手動転送後にしわと断片化しています。手動搬送によって生じ起因するヒューマンエラーは、膜の不完全な転写、ならびに受信機AAO基板への配置の中心および/または正確さの欠如をもたらす-これは画像解析ソフトウェアによってさらに調べられる。
メニスカスガイダンスおよび排水室システムを用いて、多孔質AAO基板上に転写されたBCP薄膜試料の代表的な画像を、図5に示す。これらの画像は、各膜の長方形の形状が保持されているため、図4の画像と顕著な違いを示しています。大きな塑性変形効果が認められず、受信機AAO基板上の膜の完全かつ均一な積層が存在するように見える。さらに、BCP膜を受信機基板にセンタリングする精度が高く、画像解析ソフトウェアで確認される。
受信機AAO基板上のBCP膜の配置とセンタリングの精度を特徴付けるために、ImageJ解析ソフトウェアを用いて重心画像解析を行った。具体的には、BCP膜の心部と受信機AAO基板の心差との間の距離を、各試料について算出した。これらの値は、手動転送方法およびメニスカス誘導/排水室法に対応する表1および表2に報告される。手動で転送されたサンプルの中心から中心までの距離 (表1) は、0.533 mm から 8.455 mm までの値で大きく変化しました。手動法で転置されたサンプルの平均中心間距離と標準偏差は3.840 mm 2.788 mmであった。対照的に、メニスカス誘導/排水室の中心間距離は、0.282 mmから0.985 mmまでの値で、はるかに少ない変動を示しました(表2)。メニスカス誘導/排水室転移サンプルの平均中心間距離および標準偏差は0.521 mm 0.258 mmであった。これらの結果は、メニスカス誘導/排水室移動システムが、受信機基板上のBCP膜の配置およびセンタリングに関してより高い精度および再現性を提供することを示唆している。これらの試料で観察される限られた塑性変形およびマクロスケール欠陥構造と相まって(図4)、手動で移されたものと比較して(図3)、排水室を用いたメニスカス誘導伝達システムは、薄膜膜を任意の多孔質基板に移すための効果的で堅牢なプロトコルであることが証明されています。
図 1:搬送工具(左)と排水室(右)の設計と組み立てを示す回路図。転送ツール(左)は、ラベル付けされたクランプとローディングアームの2つの個別部品で構成されています。クランプはサイズの#10ねじが付いている(1)の標準的な実験室のジャッキに付す。転移する薄膜膜を含むドナー基板は(2)に配置される。排水室(右)は、ラベル付けされた上部と下部の2つの個々の部分で構成されています。ドナー基板は(3)で入口ランプに下げられます。ネオプレンOリング(4)は、受信機基板(5)と排水室の底部との間に密封を確保するために設けられている。水はチャンバーを流れ、出口(6)で出ます。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 2: 完全な実験的なセットアップ。(上)写真は、完全な3Dプリント転送ツール(クランプとローディングアーム)とドレインチャンバシステムを示しています。(下 )写真は、排水室システムに接続された吸引機能を備えたシリンジポンプによって保持された注射器です。シリンジポンプは排水室システムから水を引き出し、受信機基板へのナノ膜のメニスカス誘導移動を可能にする。また、ほこりや他の外国の微粒子が排水室システムに入るのを防ぐために排水室システムを覆うガラスビーカーです。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 3:手とピンセットによる手動薄膜転送方法。この方法では、ドナーシリコン基板がゆっくりと水浴中に沈み込み、BCP膜と基板との間に犠牲層を溶解し、BCP膜を浴中に放出する。その後、ユーザは、ピンセットのペアで受信機AAO基板を保持し、ゆっくりと上方に「スクープ」して、BCP膜を受信機AAO基板上に置きます。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 4:手動で転写されたブロック共重合体(BCP)薄膜の光学画像。受信機AAO基板(直径25mm)の上にBCP膜を描いた写真は、手とピンセットによる手動搬送後である。サンプルでは、重度の塑性変形およびマクロスケールの欠陥構造が観察されます。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 5:メニスカス誘導転写ブロック共重合体(BCP)薄膜の光学画像、特に3Dプリント転送/ドレインチャンバツールを使用して。メニスカス誘導/排水室移動後の受信機AAO基板(直径25mm)の上にBCP膜を描いた写真。均一なラミネートは、限られた塑性変形で、サンプルで観察されます。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
| サンプル | 中心から中心までの距離 (mm) |
| 1 | 3.055 |
| 2 | 5.334分 |
| 3 | 0.533年 |
| 4 | 8.455件 |
| 5 | 3.765から |
| 6 | 1.895件 |
表 1: 手動で転送されたサンプルの中心から中心までの距離。これらの値は、画像解析ソフトウェアの重心関数によって決定されるBCP膜の中心と受信機AAO基板の中心との間の距離を表します。中心から中心までの距離は 3.840 2.788 mm (平均 ± SD) でした。
| サンプル | 中心から中心までの距離 (mm) |
| 1 | 0.52700 |
| 2 | 0.985円 |
| 3 | 0.597 |
| 4 | 0.282円 |
| 5 | 0.438円 |
| 6 | 0.300 |
表2:メニスカス誘導/排水室の中心から中心までの距離は、サンプルを転送しました。これらの値は、画像解析ソフトウェアの重心関数によって決定されるBCP膜の中心と受信機AAO基板の中心との間の距離を表します。中心から中心までの距離は0.521 0.258mm(平均±SD)であった。
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Discussion
このプロトコルに記載されている手順の多くは、薄膜転送の成功のために重要ですが、カスタム設計された3Dプリントドレインチャンバーの性質は、ユーザーの特定の要件に応じて、幅広い柔軟性を可能にします。例えば、レシーバ基板の直径が本研究で利用される25mm径AAOディスクよりも大きな直径を有する場合、排水室は新しい仕様に合わせて適切に変更することができる。ただし、効果的な転送結果を確保するために必要なプロトコルの特定の側面があります。
転写用工具および排水室のための3D印刷材料の選択は、このプロトコルの成功のために重要であることが証明される。流れ落ちからの破片が薄膜膜の完全性を台無しにすることができるので、転送ツールと排水室の両方が継続的に材料を流さない材料で印刷する必要があります。PLA及びインクジェット印刷可能樹脂はいずれも、この目的に最適な材料であると判断した。脱イオン水と超音波処理と徹底的な洗浄と組み合わせると、3Dプリント部品は、そうでなければサンプルを汚染する微粒子を生成してはなりません。さらに、搬送ツールの 3D プリント材料の選択は、ローディング アームと排水室内の水との間の最初の接触から生じる水張力気泡による損傷を防ぐために重要です。PLAは、この点で最適な材料であると判断され、他の親水性ポリマーも同様に動作する必要があります。したがって、PLAを転送ツールに使用することを強くお勧めしますが、排水室はPLAおよび/またはインクジェット印刷可能な樹脂で印刷する必要があります。
プロトコルのもう一つの重要な側面は、メニスカスが受信機基板の中心に膜を置くのを助けるので、転移プロセスにおけるメニスカスの導きである。これは、シリンジポンプの体積流量の選択によって制御することができる。引き出し速度が速すぎる(このプロトコルの場合は5 mL/minを超える)可能性が高い膜を損傷し、半月板がゆっくりと受信機基板の中心に導くのを防ぐ。2.5 mL/minは、効率を犠牲にすることなく、膜の構造的完全性とセンタリングとレシーバ基板への配置の高精度を維持し、このプロトコルに最適なレートであると判断されています。同様に、これらのパラメータは、特に3Dプリントドレインチャンバの幾何学的仕様が変更された場合、プロジェクトの特定の考慮事項に基づいて調整することができます。
記載されたメニスカス誘導/排水室移動方法は、転写された薄膜におけるマクロスケール構造欠陥および重度の塑性変形の作成を排除するのに役立ちますが、マイクロスケール欠陥の可能性は依然として存在します。骨折やライン/平面の欠陥など、膜内の構造。ただし、これらのタイプの小規模な不均一性は、転送プロトコル自体ではなく、サンプルの初期製造に起因する可能性があります。このような微小な欠陥構造が膜性能に対する役割は、進行中の研究のトピックである。
3Dプリンティングとメニスカスのガイダンスに基づく簡単な方法論を実証し、ドナーシリコン基板から多孔質基板への薄膜BCP膜の移動を正確かつ再現的に制御しました。光学検査および画像解析ソフトウェアの結果は、結果として得られる高画質の配置を確認します。このプロトコルは、薄膜を任意の多孔質基板に正確に転写し均一なラミネートを必要とするあらゆる研究アプリケーションに拡張できます。
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Disclosures
著者は何も開示していない。
Acknowledgments
この研究は、米国エネルギー省科学部基礎エネルギー科学局が出資するエネルギーフロンティア研究センター「エネルギー・ウォーター・システム先端材料(AMEWS)センター」の一環として支援されました。マーク・ストイコビッチとポール・ニーリーとの有益な話し合いに感謝します。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 35% sodium polyacrylic acid solution | Sigma Aldrich | 9003-01-4 | |
| Amicon Stirred Cell model 8010 10mL | Millipore | 5121 | |
| Anodized aluminum oxide, 0.2u thickness, 25mm diameter | Sigma Aldrich | WHA68096022 | |
| o ring neoprene 117 | Grainger | 1BUV7 | |
| Objet500 Connex3 3D Printer | Stratasys | ||
| Onshape 3D software | onshape | ||
| Polylactic acid filament | Ultimaker | ||
| ultimaker3 3d filament printer | Ultimaker | ||
| Vero Family printable materials | Stratasys |
References
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