Prosedyre for overføring av polymer filmer på porøse underlag med minimerte defekter
Summary
Vi presenterer en prosedyre for svært kontrollert og rynke-fri overføring av blokk kopolymer tynne filmer på porøse støtte underlag ved hjelp av en 3D-trykt avløp kammer. Drenerings kammeret design er av generell relevans for alle prosedyrer som involverer overføring av makro molekylære filmer på porøse underlag, som normalt er gjort for hånd på en ved uforklarlige måte.
Abstract
Fabrikasjon av enheter som inneholder tynne film kompositt membraner nødvendiggjør overføring av disse filmene på overflater av vilkårlig støtte underlag. Å oppnå denne overføringen i en svært kontrollert, mekanisert og reproduserbar måte kan eliminere opprettelsen av macroscale defekt strukturer (f.eks. tårer, sprekker og rynker) i den tynne filmen som svekker enhetens ytelse og det brukbare området per prøve. Her beskriver vi en generell protokoll for den svært kontrollerte og mekanisert overføring av en polymer tynn film på en vilkårlig porøs støtte substrat for eventuell bruk som en vann filtrering membran enhet. Nærmere bestemt vi dikte opp en blokk kopolymer (BCP) tynn film på toppen av et offer, vannløselige Poly (akryl syre) (PAA) lag og silisium wafer substrat. Deretter bruker vi en spesialdesignet, 3D-trykt overføringsverktøy og drenerings kammer system for å sette inn, lift-off, og overføre BCP tynn film på midten av en porøs anodisert aluminiumoksid (AAO) støtte plate. Den overførte BCP-tynne filmen er vist å være konsekvent plassert på midten av støtten overflaten på grunn av veiledning av menisk som dannes mellom vann og 3D-trykt plast avløp kammer. Vi sammenligner også våre mekanisert overførings bearbeidede tynne filmer med de som har blitt overført for hånd ved bruk av pinsett. Optisk inspeksjon og bildeanalyse av de overførte tynne filmer fra mekanisert prosessen bekrefter at lite-til-Nei macroscale inhomogeneities eller plast deformasjoner er produsert, i forhold til mangfoldet av tårer og rynker produsert fra manuelle overføring for hånd. Våre resultater tyder på at den foreslåtte strategien for tynn film overføring kan redusere defekter sammenlignet med andre metoder på tvers av mange systemer og applikasjoner.
Introduction
Thin Film og nanomembrane-baserte enheter har nylig fått bred interesse på grunn av deres potensielle bruk i et bredt spekter av applikasjoner, alt fra fleksible solcellepanel og fotonikk, sammenleggbare skjermer, og bærbar elektronikk1, 2 andre priser , 3. A krav til fabrikasjon av disse ulike typer enheter er overføring av tynne filmer til overflater av vilkårlig underlag, som fortsatt er utfordrende på grunn av skjørhet av disse filmene, og den hyppige produksjonen av macroscale defekt strukturer, slik som rynker, sprekker, og tårer, i filmene etter overføring4,5,6,7. Manuell overføring for hånd, pinsett, og wire Loops er vanlige metoder for tynn film overføring, men uunngåelig føre til strukturelle urimeligheter og plast deformasjon8,9. Ulike typer av tynn film overføring metoder har blitt utforsket som: 1) Polydimethylsiloxan (PDMS) stempel overføring, som innebærer bruk av en elastomer stempel for å få den tynne filmen fra donor underlaget og deretter overføre til mottak substrat10, og 2) offer lag overføring11, der en etsemiddelet brukes til å selektivt oppløse en offerplasser lag mellom støtte underlaget og tynn film, og dermed løfte av tynn film. Men disse teknikkene alene ikke nødvendigvis tillater tynn film overføring uten å pådra seg skade eller defekt dannelse i de tynne filmene12.
Her presenterer vi en roman, lav pris, og generaliserings facile metode basert på offer lag lift-off og menisk overføring innenfor et spesialdesignet, 3D-trykt avløp kammer system, til mekanisk sted blokkere kopolymer (BCP) tynne filmer på sentre av porøse underlag som anodisert aluminiumoksid (AAO) plater med lite-til-no pådratt macroscale defekt strukturer, slik som rynker, tårer, og sprekker. I dagens sammenheng, kan disse overført tynne filmer deretter brukes som enheter i vann filtrerings studier, potensielt etter sekvensiell infiltrasjon syntese (SIS) behandling9. Bildeanalyse av overførte filmer innhentet fra optiske mikroskopi viser at det menisk, drenerings kammer systemet gir smidig, robust og rynke-frie prøver. I tillegg bildene viser også systemets evne til å pålitelig plassere tynn film membraner på sentrene for mottak underlag. Våre resultater har betydelige implikasjoner for alle typer enhets applikasjoner som krever overføring av tynne filmstrukturer på overflater av vilkårlige porøse underlag.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mens mange av trinnene som er oppført i denne protokollen er avgjørende for suksessen til den tynne film overføringen, gjør innholdet i spesialdesignet 3D trykt avløp kammer for bred fleksibilitet, i henhold til brukerens spesifikke behov. For eksempel, hvis mottakeren underlaget har en større diameter enn 25-mm-diameter AAO plater benyttes i denne studien, drenerings kammeret kan endres på riktig måte for å passe de nye spesifikasjonene. Det er imidlertid visse aspekter av protokollen som er nødvendige for å …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet som en del av de avanserte materialer for energi-vann Systems (AMEWS) Center, en Energy Frontier Research Center finansiert av US Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences. Vi takker takknemlig for nyttige diskusjoner med Markus Stoykovich og Paul Nealey.
Materials
| 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
- 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).
