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Engineering

결함이 최소화된 다공성 기판에 폴리머 필름 을 이송하는 절차

Published: June 22, 2019 doi: 10.3791/59554
* These authors contributed equally

Summary

우리는 3D 인쇄 드레인 챔버를 사용하여 다공성 지지 기판에 블록 공중합체 박막을 고도로 제어하고 주름이없는 이송절차를 제시합니다. 드레인 챔버 설계는 일반적으로 재현 할 수없는 방식으로 손으로 수행 다공성 기판에 거대 분자 필름의 전송과 관련된 모든 절차와 일반적인 관련이있다.

Abstract

박막 복합 막을 포함하는 장치의 제조는 임의지지 기판의 표면에 이러한 필름의 전송을 필요로한다. 고도로 제어되고 기계화되고 재현 가능한 방식으로 이러한 전송을 수행하면 장치 성능과 사용 가능한 영역을 손상시키는 박막 내에서 대용량 결함 구조(예: 눈물, 균열 및 주름)가 생성되지 않습니다. 샘플당. 여기서, 우리는 물 여과 멤브레인 장치로서 최종적으로 사용하기 위한 임의의 다공성 지지기 상에 중합박막의 고도로 제어되고 기계화된 전달을 위한 일반적인 프로토콜을 설명한다. 구체적으로, 우리는 희생, 수용성 폴리 (아크릴 산) (PAA) 층 및 실리콘 웨이퍼 기판 위에 블록 공중합체 (BCP) 박막을 제조합니다. 그런 다음 맞춤형 3D 프린팅 이송 도구와 드레인 챔버 시스템을 사용하여 BCP 박막을 다공성 양극 산화 알루미늄 산화물(AAO) 지지 디스크의 중앙에 증착, 리프트 오프 및 이송합니다. 이송된 BCP 박막은 물과 3D 프린팅 플라스틱 드레인 챔버 사이에 형성된 반월상 연골의 안내로 인해 지지면의 중심에 일관되게 배치되는 것으로 나타났다. 또한 기계화 된 전사 처리 된 박막을 핀셋사용과 수작업으로 전송한 필름과 비교합니다. 기계화 공정에서 이송된 박막의 광학 검사 및 이미지 분석은 수동에서 생성된 수많은 눈물과 주름에 비해 거의 또는 전혀 매크로 스케일의 불균일성 또는 소성 변형이 생성되는 것을 확인합니다. 손으로 전송할 수 있습니다. 우리의 결과는 박막 전달을 위한 제안된 전략이 많은 시스템 및 응용 분야에서 다른 방법과 비교할 때 결함을 줄일 수 있음을 시사합니다.

Introduction

박막 및 나노 멤브레인 기반 장치는 최근 유연한 광전지 및 포토닉스, 접이식 디스플레이 및 웨어러블 전자 기기에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 잠재적 인 사용으로 인해 광범위한 관심을 얻고 있습니다1. 2개 , 3. 이러한 다양한 유형의 장치를 제조하기위한 요구 사항은 이러한 필름의 취약성과 매크로 스케일 결함의 빈번한 생산으로 인해 여전히 어려운 여전히 임의의 기판의 표면으로 박막을 전송하는 것입니다. 4,5,6,7전송 후 필름 내에서 주름, 균열 및 눈물과 같은 구조. 손으로 수동 전송, 핀셋 및 와이어 루프는 박막 전달의 일반적인 방법이지만 필연적으로 구조적 부조화 및소성 변형 8,9를초래한다. 다양한 유형의 박막 전달 방법론이 다음과 같이 탐구되었습니다: 1) 다각형 다각형 실실록산 (PDMS) 스탬프 전송, 이는 공체 기판으로부터 박막을 얻기 위해 탄성 술스탬프의 사용을 포함하고 이어서 수신으로 전달 기판10및 2) 희생층 전달(11)은, 에칭이 지지기와 박막 사이에 희생층을 선택적으로 용해시키는 데 사용되며, 이로 인해 박막을 해제한다. 그러나, 이러한 기술만으로는 박막(12) 내에서 손상 또는 결함 형성을발생시키지 않고 박막 전달을 반드시 허용하지는 않는다.

여기에서는 맞춤형 설계, 3D 프린팅 드레인 챔버 시스템 내에서 희생 층 리프트 오프 및 반월 상 연골 유도 전송을 기반으로 한 새로운 저비용 및 일반화 가능한 허시블 방법을 제시하여 블록 공중합체 (BCP) 박막을 기계적으로 배치합니다. 양극 산화 알루미늄 산화물 (AAO) 디스크와 같은 다공성 기판의 중심은 주름, 눈물 및 균열과 같은 거의 발생하지 않는 대용량 결함 구조를 발생시지 않습니다. 본 맥락에서, 이들 전달된 박막은 물 여과 연구에서 장치로서 사용될 수 있고, 잠재적으로 순차적 침윤 합성(SIS) 처리9. 광학 현미경 검사법에서 얻은 이송된 필름의 이미지 분석은 반월상 연골 유도, 배수 챔버 시스템이 부드럽고 견고하며 주름이 없는 샘플을 제공한다는 것을 보여줍니다. 또한 이미지는 박막 멤브레인을 수신 기판의 중심에 안정적으로 배치하는 시스템의 능력을 보여줍니다. 우리의 결과는 임의의 다공성 기판의 표면에 박막 구조물의 전송을 요구하는 장치 응용 프로그램의 모든 유형에 대한 중요한 의미를 갖는다.

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Protocol

1. 이송 공구 및 배수 챔버 시스템의 제조

  1. 첨부(보충 파일 1, 2) 두 부분으로 구성된 드레인 챔버 어셈블리에 대한 엔지니어링 도면입니다 : 상단과 하단. 원하는 시스템의 사양에 따라 이 장치를 모델링하고(예를 들어, 수신 기판의 외지) 3D 프린팅을 위한 STL 파일로 내보냅니다.
  2. 상단 부품의 경우 필라멘트 프린터를 사용하여 필요한 경우 스캐폴딩을 포함하여 가능한 가장 낮은 해상도로 인쇄하십시오. 프린터의 권장 매개 변수를 준수합니다. 또한 재료 흘리기를 최소화하기 위해 상단 부품을 폴리(젖산)(PLA)를 사용하여 인쇄하는 것이 좋습니다.
  3. 하단 의 경우, 20 μm의 미세한 빌드 높이의 잉크젯 수지 프린터 또는 필라멘트 프린터를 사용하십시오.
    참고 : PLA는 재료 흘리기최소화에 적합한 재료입니다.
  4. 탈이온수로 두 부품을 스크럽하고 세척하여 인쇄 공정에서 잠재적인 흘리기 물질을 제거합니다. 탈이온수의 초음파 처리도 권장됩니다. 잘 맞는지 확인하기 위해 두 부분의 스레딩을 테스트합니다.
  5. 증빙 서류에 지정된 매개 변수의 크기 117 네오프렌 O 링 및 튜브와 드레인 챔버를 완료 (보충파일1, 2). 전체 드레인 챔버 어셈블리의 회로도는 그림1에 나와 있습니다.
  6. 필라멘트 프린터를 사용하여 중간 에서 미세 한 해상도로 전송 도구를 인쇄합니다. 클램프와 로딩 암의 두 부분으로 구성됩니다.
    참고 : 다른 플라스틱이 제대로 젖지 못하고 웨이퍼가 예기치 않게 젖을 수 있으므로 전사 도구를 폴리 (젖산) (PLA)를 사용하여 인쇄하는 것이 좋습니다.
  7. 크기 10 나사로 클램프를 완성한 다음 클램프를 실험실 잭에 부착합니다.

2. 기증자 기판에서 초기 기계화 증착 및 멤브레인 리프트 오프

  1. 베어 직경 25mm AAO 디스크(또는 임의의 다공성 수신기 기판)를 드레인 챔버의 하단 부분에 놓습니다. 그런 다음 네오프렌 O 링을 AAO 디스크 위에 놓고 배수 챔버의 상단 부분에 나사를 놓습니다.
  2. 탈이온화(DI) 물로 설정을 다양한 시간 동안 헹구거나 초음파 처리합니다. 이렇게 하면 3D 프린팅에서 먼지 및/또는 남은 미립자를 제거하는 데 도움이 됩니다.
  3. 시 웨이퍼 조각을 전사 성 폴리머 스택(공여체 웨이퍼)과 함께 전달 도구 로딩 암의 입술에 놓습니다.
  4. 배수 챔버에 25 mL의 DI 물을 채웁니다.
  5. 실험실 잭을 낮추어 공구가 배수 챔버의 입구 경사로로 천천히 담그고 공여자 실리콘 기판이 천천히 잠기게됩니다. 웨이퍼가 멤브레인이 완전히 박리되고 기본 공여기 기판에서 들어올릴 수 있도록 충분히 침수되었는지 확인합니다.
    참고: 먼지 오염이 없는 Si 웨이퍼 조각을 사용하면 공여기 기판에서 쉽게 분리할 수 있습니다.
  6. 천천히 물에서 전송 도구를 제기하고 부동 멤브레인을 방해하지 않도록, 길에서 이동합니다.
  7. 핀셋으로 멤브레인을 챔버의 개구부로 동축시킵니다. 핀위를 멤브레인 앞의 물에 놓는 것은 표면 장력으로 인해 가이드가 됩니다. 부동 멤브레인 자체를 만지는 것은 필요하지 않으며 피해야 합니다.

3. 드레인 챔버 시스템을 사용하여 반월 상 연골 유도 전달 수신기 기판으로 이동

  1. 배수 챔버의 하단 부분의 출구에 튜브를 연결합니다. 이 튜브를 20mL 루어 잠금 주사기에 부착하십시오.
  2. 기능을 철회하는 주사기 펌프를 구하십시오. 주사기를 펌프에 놓고 모든 물이 배출될 때까지 1-2.5 mL/min의 속도로 물을 빼내십시오.
  3. 10 분 후, 물은 배수 챔버에서 완전히 제거되어야한다. 챔버 내에 잔류물이 여전히 있으면 주사기와 튜브를 다시 연결하고 잔류 수를 계속 인출하십시오.
  4. 물의 완전한 배수 후, 멤브레인은 이제 수신기 기판의 중심에 배치됩니다. 주사기 펌프에서 드레인 챔버를 분리하고 드레인 챔버를 분해하여 멤브레인을 포함하는 수신기 기판을 제거합니다.
    참고 : 설치를 포함한 총 공정은 ~ 15 분이 소요됩니다.
  5. 모든 용도에 추가로 사용하기 전에 시료를 실온에서 완전히 건조시키십시오.

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Representative Results

BCP 멤브레인 샘플은 앞서 설명한 절차9에 따라 제조되었다. 샘플을 3D 프린팅 전달 도구의 로딩 암의 입술에 배치하였다(도 1, 왼쪽) 이어서 실험실 잭을 사용하여 3D 프린팅 드레인 챔버 도구의 입구 램프에 하부(그림1,오른쪽)에 놓였다. BCP 멤브레인과 기본 공여자 실리콘 기판 사이의 폴리 (아크릴 산) (PAA)의 희생 층은 배수 챔버 내의 물에 용해되어 부동 BCP 멤브레인을 초래했습니다. 이어서, 주사기 펌프(도2, 하단)를 2.5 mL/min의 체적 유량으로 물을 인출하도록 작동하여 총 이송 시간이 10분(배수 챔버 시스템 내의 초기 25 mL의 물이라고 가정)을 초래하였다. 이러한 박막 전달 방법은 3에 도시된 바와 같이 수동 박막 전달과 수작업 및 핀셋을 비교하였다.

다공성 AAO 기판상에 수동으로 이송된 BCP 박막 샘플의 대표적인 이미지는 4에 도시되어 있다. 이러한 이미지는 BCP 멤브레인에 존재하는 심각한 소성 변형 및 대용량 결함 구조에 의해 입증된 바와 같이 수동 전달 방법의 품질이 좋지 않습니다. 모든 BCP 멤브레인은 다이싱된 BCP 멤브레인의 초기 직사각형 형상의 왜곡 외에도 수동 이송 후 주름지고 조각화되었습니다. 수동 전송에 의해 도입된 인간의 실수는 멤브레인의 불완전한 전달뿐만 아니라 수신기 AAO 기판에 배치의 중심 및 / 또는 정확도의 부족을 초래합니다 -이 이미지 분석 소프트웨어로 더 검사될 것입니다.

반월 상 연골 유도 및 드레인 챔버 시스템을 사용하여 다공성 AAO 기판상에 전달된 BCP 박막 샘플의 대표적인 이미지는 5에나타내고 있다. 검사 시 이러한 이미지는 각 멤브레인의 직사각형 형상이 보존됨에 따라 그림4의 이미지와 현저한 차이를 보여줍니다. 큰 소성 변형 효과없이 수신기 AAO 기판상에 멤브레인의 완전하고 균일한 적층이 있는 것으로 보인다. 더욱이, 수신기 기판에 BCP 멤브레인의 중심화의 높은 정확도가 있는 것으로 보이며, 이는 이미지 분석 소프트웨어로 확인될 것이다.

수신기 AAO 기판상에 BCP 멤브레인의 배치 및 센터링의 정확도를 특성화하기 위해 이미지J 분석 소프트웨어를 사용하여 중심 이미지 분석을 수행하였다. 구체적으로, BCP 멤브레인의 중심과 수신기 AAO 기판의 중심 사이의 거리를 각 샘플에 대해 계산하였다. 이러한 값은 각각 수동 전달 방법 및 반월 상 연골 유도/드레인 챔버 방법에 대응하는 표 1 및 2에 보고된다. 수동으로 이송된 시료의 중심-중앙 거리(표1)는 0.533mm에서 8.455mm에 이르는 값으로 매우 다양합니다. 수동 방법으로 이송된 시료의 평균 중심 간 거리 및 표준 편차는 3.840 mm 2.788mm였습니다. 대조적으로, 반월 상 연골 유도 / 드레인 챔버 전송 샘플에대한 중앙 - 투 - 센터 거리 (표 2) 0.282 mm에서 0.985 mm에 이르기까지 값으로 훨씬 적은 변화를 보였다. 반월 상 연골 유도 / 드레인 챔버 전송 샘플에 대한 평균 중심 간 거리 및 표준 편차는 0.521 mm 0.258 mm였다. 이러한 결과는 반월 상 연골 유도 / 드레인 챔버 전달 시스템이 수신기 기판에 BCP 멤브레인의 배치 및 센터링과 관련하여 더 큰 정확도와 재현성을 제공한다는 것을 시사합니다. 이러한 샘플에서 관찰되는 제한된 소성 변형 및 거시적결함 구조와 결합할 경우(도 4), 수동으로 이송된 것과 비교하여(도3),드레인 챔버의 사용과 함께 반월상 연골 유도 전달 시스템은 박막 멤브레인을 임의의 다공성 기판으로 전달하기 위한 효과적이고 강력한 프로토콜임이 입증되었습니다.

Figure 1
그림 1 : 이송 공구(왼쪽)와 드레인 챔버(오른쪽)의 설계 및 조립을 묘사한 회로도. 전사 도구(왼쪽)는 레이블이 지정된 클램프와 로딩 암의 두 부분으로 구성됩니다. 클램프는 크기 #10 나사로표준 실험실 잭 (1)에 부착됩니다. 투-투-투-투-투-투-투-투-투-투-투-박막 막을 포함하는 공여기 기판은 (2)에 배치된다. 드레인 챔버(오른쪽)는 두 개의 개별 부분으로 구성되어 있습니다 : 상단 부분과 하단 부분, 레이블로. 공여기는 (3)에서 입구 경사로로낮아집니다. 네오프렌 O 링(4)은 수신기 기판 (5)과 드레인 챔버의 하단 부분 사이에 단단한 밀봉을 보장하기 위해 제공된다. 물은 챔버를 통해 흐르고 출구(6)에서 나옵니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2 : 완벽한 실험 설정. (상단) 사진은 전체 3D 인쇄 전사 도구 (클램프 및 로딩 암) 및 드레인 챔버 시스템을 보여줍니다. (하단) 사진은 드레인 챔버 시스템에 연결된 기능을 철회하는 주사기 펌프에 의해 개최 주사기입니다. 주사기 펌프는 드레인 챔버 시스템에서 물을 배출하고 수신기 기판에 나노 멤브레인의 반월 상 연강 유도 전달을 허용한다. 또한 사진은 먼지 및 기타 이물질이 배수 챔버 시스템에 유입되는 것을 방지하기 위해 드레인 챔버 시스템을 덮는 유리 비커입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3 : 수동 박막 전달 방법 수작업 및 핀셋. 이 방법에서, 공여자 실리콘 기판은 천천히 물의 목욕으로 침수되어 BCP 멤브레인과 기판 사이의 희생층을 용해시키고 BCP 멤브레인을 욕조내로 방출한다. 이어서, 사용자는 한 쌍의 핀셋으로 수신기 AAO 기판을 잡고 천천히 위쪽으로 "스쿱"하여 BCP 멤브레인을 수신기 AAO 기판 에 놓습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4 : 수동으로 이송된 블록 공중합체(BCP) 박막의 광학 이미지. 수작업 및 핀셋으로 수동 전송후 수신기 AAO 기판(직경 25mm) 상단의 BCP 멤브레인을 묘사한 사진. 시료에서 심한 소성 변형 및 대용량 결함 구조가 관찰됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5 : 반월 상 연골 유도 전송 블록 공중합체 (BCP) 박막의 광학 이미지, 특히 3D 인쇄 전송 / 드레인 챔버 도구의 사용과 함께. 반월 상 연골 유도 / 드레인 챔버 전송 후 수신기 AAO 기판 (직경 25mm)의 상단에 BCP 멤브레인을 묘사 한 사진. 제한된 소성 변형을 가진 균일 한 적층은 샘플에서 관찰됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

샘플 중심에서 중심까지의 거리(mm)
1개 3.055
2개 5.334
3개 0.533
4개 8.455
5개 3.765
6개 1.895

표 1: 수동으로 이송된 시료의 중심에서 중심까지의 거리. 이러한 값은 ImageJ 분석 소프트웨어의 중심 함수에 의해 결정되는 BCP 멤브레인의 중심과 수신기 AAO 기판의 중심 사이의 거리를 설명합니다. 중심에서 중심까지의 거리는 3.840 2.788 mm(평균 ± SD)였다.

샘플 중심에서 중심까지의 거리(mm)
1개 0.527
2개 0.985
3개 0.597
4개 0.282
5개 0.438
6개 0.300

표 2: 반월 상 연골 유도 /배수 챔버 전송 시료에 대한 중앙 - 투 - 센터 거리. 이러한 값은 ImageJ 분석 소프트웨어의 중심 함수에 의해 결정되는 BCP 멤브레인의 중심과 수신기 AAO 기판의 중심 사이의 거리를 설명합니다. 중심-중앙 거리는 0.521 0.258 mm(평균 ± SD)였다.

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Discussion

이 프로토콜에 나열된 많은 단계는 박막 전달의 성공에 매우 중요하지만, 사용자 정의 설계 3D 인쇄 드레인 챔버의 특성상 사용자의 특정 요구 사항에 따라 광범위한 유연성을 허용합니다. 예를 들어, 수신기 기판이 본 연구에서 활용되는 25mm 직경의 AAO 디스크보다 더 큰 직경을 가지는 경우, 드레인 챔버는 새로운 사양에 맞게 적절하게 변형될 수 있다. 그러나 효과적인 전송 결과를 보장하는 데 필요한 프로토콜의 특정 측면이 있습니다.

이송 공구 및 드레인 챔버를 위한 3D 프린팅 재료의 선택은 이 프로토콜의 성공에 중요한 것으로 입증됩니다. 이송 도구와 드레인 챔버는 흘리기에서 파편이 박막 막의 무결성을 망칠 수 있기 때문에 지속적으로 물질을 흘리지 않는 재료로 인쇄해야합니다. PLA 및 잉크젯 인쇄 형 수지 모두 이러한 목적을 위한 최적의 재료로 결정되었다. 탈이온수 및 초음파 처리와 철저한 세척과 결합할 경우 3D 인쇄 부품은 시료를 오염시킬 미립자를 생성해서는 안 됩니다. 또한, 이송 도구용 3D 프린팅 재료의 선택은 로딩 암과 배수 챔버의 물 사이의 초기 접촉으로 인해 발생하는 물 장력 기포의 손상을 방지하는 데 중요합니다. PLA는 이러한 점에서 최적의 물질로 결정되었고, 다른 친수성 고분자도 작동해야 한다. 따라서, 우리는 매우 드레인 챔버 PLA 및 / 또는 잉크젯 인쇄 수지와 함께 인쇄해야하는 반면, 전송 도구에 사용되는 것이 좋습니다.

프로토콜의 또 다른 중요한 측면은 반월 상 연골이 수신기 기판의 중심에 막을 배치하는 데 도움이로, 전송 과정에서 반월 상 연골의 지도이다. 이것은 주사기 펌프의 체적 유량의 선택에 의해 제어 될 수있다. 너무 빨리 인출 속도 (이 프로토콜의 경우 5 mL / min 보다 큰)는 멤브레인을 손상시키고 천천히 멤브레인을 수신기 기판의 중심으로 안내하는 반월 상 연골을 방지 할 수 있습니다. 2.5 mL/min은 효율성을 희생하지 않으면서 멤브레인의 구조적 무결성과 수신기 기판에 중앙 집중 및 배치의 높은 정확도를 보존하기 때문에 이 프로토콜에 대한 최적의 속도로 결정되었습니다. 마찬가지로, 이러한 파라미터는 특히 3D 프린팅 드레인 챔버의 기하학적 사양이 변경되는 경우 프로젝트의 특정 고려 사항에 따라 조정할 수 있습니다.

설명된 반월상 연골 유도/배수 챔버 전달 방법론은 대용량 구조적 결함과 이송된 박막의 심한 소성 변형을 제거하는 데 도움이 되지만, 여전히 미세 스케일 결함의 가능성이 있습니다. 골절 및 라인/평면 결함과 같은 멤브레인 내 구조물. 그러나 이러한 유형의 소규모 불균질성은 전송 프로토콜 자체가 아니라 샘플의 초기 제작으로 인해 발생할 수 있습니다. 멤브레인 성능에 대한 이러한 마이크로 스케일 결함 구조의 역할은 지속적인 연구의 주제입니다.

우리는 3D 프린팅 및 반월 상 연골 지침에 기초한 간단한 방법론을 입증하여 공여자 실리콘 기판에서 다공성 기판으로 박막 BCP 멤브레인의 전달을 정확하고 재현가능하게 제어합니다. 광학 검사 및 이미지 분석 소프트웨어의 결과는 높은 배치 품질을 확인합니다. 이 프로토콜은 임의의 다공성 기판에 박막의 정확한 전달 및 균일한 적층이 필요한 모든 연구 응용 분야로 확장될 수 있습니다.

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Disclosures

저자는 공개 할 것이 없다.

Acknowledgments

이 작품은 에너지 -물 시스템을위한 고급 재료의 일환으로 지원되었다 (AMEWS) 센터, 에너지 국경 연구 센터 에너지 의 미국 부서에 의해 투자, 과학의 사무실, 기본 에너지 과학. 우리는 마크 스토이코비치와 폴 닐리와 함께 하는 유익한 토론을 감사하게 인정합니다.

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

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References

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엔지니어링 발행 148 박막 전달 블록 공중합체 멤브레인 대용량 결함 장치 제작 물 여과
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Guio, L., Liu, C., Boures, D.,More

Guio, L., Liu, C., Boures, D., Getty, P. T., Waldman, R., Liu, X., Darling, S. B. Procedure for the Transfer of Polymer Films Onto Porous Substrates with Minimized Defects. J. Vis. Exp. (148), e59554, doi:10.3791/59554 (2019).

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