Summary
Nós apresentamos um procedimento para a transferência altamente controlada e enrugamento-livre de películas finas do copolímero do bloco em carcaças porosas da sustentação usando uma câmara 3D-impressa do dreno. O projeto da câmara do dreno é da relevância geral a todos os procedimentos que envolvem a transferência de películas macromolecular em carcaças porosas, que é feita normalmente à mão em uma forma irreprodutível.
Abstract
A fabricação de dispositivos contendo membranas compostas de película fina requer a transferência desses filmes para as superfícies de substratos de suporte arbitrário. Realizar essa transferência de forma altamente controlada, mecanizada e reprodutível pode eliminar a criação de estruturas de defeitos de macrosescala (por exemplo, lágrimas, rachaduras e rugas) dentro do filme fino que comprometem o desempenho do dispositivo e a área utilizável por amostra. Aqui, nós descrevemos um protocolo geral para a transferência altamente controlada e mecanizada de uma película fina poliméricos em um substrato poroso arbitrário da sustentação para o uso eventual como um dispositivo da membrana da filtração da água. Especificamente, nós fabricamos uma película fina do copolímero do bloco (BCP) sobre uma camada sacrificial, solúvel em água (do ácido acrílico) (PAA) e a carcaça da bolacha do silicone. Em seguida, utilizamos um personalizado-projetado, 3D-impresso ferramenta de transferência e sistema de câmara de drenagem para depositar, lift-off, e transferir a película fina BCP para o centro de um óxido de alumínio anodizado poroso (AAO) disco de apoio. A película fina transferida BCP é mostrada para ser colocada consistentemente no centro da superfície da sustentação devido à orientação do menisco dado forma entre a água e a câmara plástica 3D-impressa do dreno. Também comparamos nossos filmes finos processados por transferência mecanizados àqueles que foram transferidos à mão com o uso de pinças. A inspeção óptica e a análise de imagens dos filmes finos transferidos do processo mecanizado confirmam que não são produzidas inhomogenidades de macroescala ou deformações plásticas de pouca a nenhuma, em comparação com a multiplicidade de lágrimas e rugas produzidas a partir de transferência à mão. Nossos resultados sugerem que a estratégia proposta para a transferência de filmes finos pode reduzir defeitos quando comparado a outros métodos em muitos sistemas e aplicações.
Introduction
A película fina e os dispositivos nanomembrane-baseados têm ganhou recentemente o interesse largo devido a seu uso potencial em uma escala larga das aplicações, variando da energia fotovoltaica e do Photonics flexíveis, de exposições foldable, e de eletrônica wearable1, 2. º , 3. um requisito para a fabricação destes vários tipos de dispositivos é a transferência de filmes finos para as superfícies de substratos arbitrários, que continua a ser desafiador devido à fragilidade destes filmes e a produção frequente de defeito macroescala estruturas, tais como rugas, rachaduras, e lágrimas, dentro dos filmes após a transferência4,5,6,7. Transferência manual à mão, pinças, e loops de arame são métodos comuns de transferência de película fina, mas inevitavelmente resultam em incongruências estruturais e deformação plástica8,9. Vários tipos de metodologias de transferência de filme fino foram explorados, tais como: 1) transferência de carimbo de polidimetilsiloxano (PDMS), que envolve o uso de um carimbo elastomérico para obter o filme fino do substrato doador e subsequentemente transferir para o receptor substrato10, e 2) transferência de camada sacrificial11, em que um Etchant é usado para dissolver seletivamente uma camada de sacrifício entre o substrato de apoio e a película fina, levantando assim o filme fino. Entretanto, estas técnicas sozinhas não permitem necessariamente a transferência fina da película sem incorrer dano a ou a formação do defeito dentro dos filmes finos12.
Aqui, nós apresentamos um novo, de baixo custo, e generalizáveis facile método baseado na camada sacrificial lift-off e menisco-guiado de transferência dentro de um personalizado-projetado, 3D-impresso sistema de câmara de drenagem, para colocar mecanicamente bloco copolímero (BCP) filmes finos para o centros de substratos porosos, como discos de óxido de alumínio anodizado (AAO) com estruturas de defeitos de macroescala incorridas, como rugas, lágrimas e rachaduras. No contexto atual, estes filmes finos transferidos podem então ser usados como dispositivos em estudos da filtração da água, potencial após o processamento seqüencial da síntese da infiltração (SIS)9. A análise da imagem de películas transferidas obtidas da microscopia ótica mostra que o sistema menisco-guiado, da dreno-câmara fornece amostras lisas, robustas, e enrugamento-livres. Além disso, as imagens também demonstram a capacidade do sistema de colocar de forma confiável as membranas de película fina para os centros dos substratos de recebimento. Nossos resultados têm implicações significativas para qualquer tipo de aplicação de dispositivo que exija a transferência de estruturas de película fina para as superfícies de substratos porosos arbitrários.
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Protocol
1. fabricação da ferramenta de transferência e sistema de câmara de drenagem
- Anexado (arquivos suplementares 1,2) é o desenho de engenharia para o conjunto de câmara de drenagem consistindo de duas partes: superior e inferior. Modelar este dispositivo de acordo com as especificações do sistema desejado (por exemplo, o diâmetro externo do substrato receptor) e exportar como um arquivo STL para impressão 3D.
- Para a parte superior, utilize uma impressora do filamento da escolha e imprima-a na mais baixa definição possível, incluindo o andaime sempre que necessário. Aderir aos parâmetros recomendados da impressora. Também é recomendável que a parte superior seja impressa usando poli (ácido láctico) (PLA) para minimizar o derramamento de material.
- Para a parte inferior, use uma impressora de resina jato de tinta ou uma impressora de filamento com uma altura de construção tão fina quanto 20 μm.
Nota: o PLA é um material apropriado que minimize o derramamento material. - Esfregue e limpe ambas as partes com água deionizada, assegurando a remoção de qualquer material de derramamento potencial do processo de impressão. Sonication em água deionizada também é recomendado. Teste o rosqueamento nas duas partes para garantir um bom ajuste.
- Termine a câmara do dreno com um anel-O do neopreno do tamanho 117 e a tubulação dos parâmetros especificados nos documentos de apoio (arquivos suplementares 1, 2). Um esquema de todo o conjunto da câmara de drenagem é mostrado na Figura 1.
- Imprima a ferramenta de transferência usando qualquer impressora de filamento em resolução média a fina. Há duas partes: braçadeira e braço de carregamento.
Nota: é altamente recomendável que a ferramenta de transferência seja impressa usando poli (ácido láctico) (PLA), como outros plásticos podem ser mal molhados e fazer com que a bolacha se torne molhada inesperadamente. - Termine a braçadeira com um parafuso do tamanho 10 e prenda então a braçadeira em um jaque do laboratório.
2. deposição mecanizada inicial e levantamento de membrana do substrato doador
- Coloque um disco de AAO de 25 mm de diâmetro (ou qualquer substrato de receptor poroso arbitrário de escolha) na parte inferior da câmara de drenagem. Em seguida, coloque o anel-O em neoprene em cima do disco AAO e aparafuse a parte superior da câmara de drenagem.
- Enxágüe e/ou proceda a instalação várias vezes com água deionizada (di). Isso ajuda a remover qualquer poeira e/ou quaisquer partículas remanescentes da impressão 3D.
- Coloc a parte de Wafer do si com a pilha transferível do polímero (bolacha fornecedora) no bordo do braço de carregamento da ferramenta de transferência.
- Encha a câmara de drenagem com 25 mL de água DI.
- Abaixe o jaque do laboratório de modo que a ferramenta seja mergulhada lentamente na rampa de entrada da câmara do dreno e que o substrato doador do silicone é submergido lentamente. Assegure-se de que a bolacha esteja suficientemente submersa para que a membrana se delaminate e retire completamente do substrato do doador subjacente.
Nota: usando um pedaço de si Wafer sem poeira contaminação irá garantir a fácil separação do substrato doador. - Levante lentamente a ferramenta de transferência para fora da água e mova-a para fora do caminho, certificando-se de não perturbar a membrana flutuante.
- COAX a membrana na abertura da câmara com pinças. Coloc o pinça na água na frente da membrana guiá-lo-á devido à tensão de superfície. Tocar a membrana flutuante em si não é necessário e deve ser evitado.
3. menisco-transferência guiada para o substrato do receptor com o sistema de câmara de drenagem
- Ligue a tubagem à saída da parte inferior da câmara de drenagem. Prenda esta tubagem a uma seringa Luer-Lock de 20 mL.
- Obter uma bomba de seringa com a funcionalidade de retirada. Coloque a seringa na bomba e retire a água a uma taxa de 1-2,5 mL/min até que toda a água tenha sido drenada.
- Após 10 min, a água deve ser completamente removida da câmara de drenagem. Se ainda houver água residual dentro da câmara, reconecte a seringa e o tubo e continue a retirar qualquer água residual.
- Após a drenagem completa da água, a membrana será colocada agora no centro do substrato do receptor. Desconecte a câmara de drenagem da bomba da seringa e desmonte a câmara de drenagem para remover o substrato do receptor que contém a membrana.
Nota: o processo total, incluindo set-up leva ~ 15 min. reduzindo o volume de trabalho de água e aumentando a taxa de drenagem pode encurtar este processo. - Deixe a amostra secar completamente à temperatura ambiente antes de usar em qualquer aplicação.
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Representative Results
As amostras de membrana BCP foram fabricadas de acordo com o procedimento descrito anteriormente9. As amostras foram colocadas no lábio do braço de carga da ferramenta de transferência impressa em 3D (Figura 1, esquerda) e posteriormente abaixadas, com um macaco de laboratório, na rampa de entrada da ferramenta de câmara de drenagem impressa em 3D (Figura 1, direita). Uma camada sacrificial de poli (ácido acrílico) (PAA) entre a membrana BCP e o substrato de silício doador subjacente foi dissolvida na água dentro da câmara de drenagem, resultando em uma membrana BCP flutuante. Em seguida, a bomba da seringa (Figura 2, fundo) foi operada para retirar água a uma vazão volumétrica de 2,5 ml/min, resultando em um tempo de transferência total de 10 min (assumindo uma inicial de 25 ml de água dentro do sistema de câmara de drenagem). Este método de transferência de película fina foi comparado com a transferência manual de película fina manualmente e com pinças, conforme indicado na Figura 3.
As imagens representativas de amostras de película fina BCP transferidas manualmente para substratos de AAO porosos são mostradas na Figura 4. Essas imagens ilustram a má qualidade do método de transferência manual, evidenciada pela deformação plástica severa e pelas estruturas de defeitos de macroescala presentes nas membranas bcp. Todas as membranas BCP têm rugas e fragmentadas após transferência manual, além da distorção da geometria retangular inicial das membranas BCP em cubos. O erro humano introduzido pela transferência manual resulta em transferência incompleta das membranas, bem como falta de centralização e/ou precisão de colocação no substrato AAO receptor-isso será examinado com software de análise de imagem.
As imagens representativas de amostras de película fina BCP transferidas para substratos porosos de AAO, utilizando a orientação do menisco e o sistema de câmara de drenagem, são mostradas na Figura5. Em cima da inspeção, estas imagens mostram uma diferença marcada daquelas na Figura 4, porque a geometria retangular de cada membrana foi preservada. Parece haver laminação completa e uniforme da membrana sobre os substratos do receptor AAO, sem quaisquer grandes efeitos de deformação plástica observados. Além disso, parece haver uma alta precisão de centralização da membrana BCP sobre os substratos do receptor, que será confirmado com software de análise de imagem.
Para caracterizar a precisão da colocação e centralização da membrana BCP no substrato receptor AAO, a análise de imagem centroide foi realizada utilizando o software de análise ImageJ. Especificamente, calculou-se a distância entre o centroide da membrana BCP e o centroide do substrato receptor AAO para cada amostra. Esses valores são relatados na tabela 1 e na tabela 2, correspondendo ao método de transferência manual e ao método menisco-guiado/dreno-câmara, respectivamente. As distâncias centro-a-centro para as amostras transferidas manualmente (tabela1) variaram amplamente, com valores variando de 0,533 mm a 8,455 mm. A distância média do centro ao centro e o desvio padrão para as amostras transferidas com o método manual foi de 3,840 mm 2,788 mm. Por outro lado, as distâncias centro-a-centro para as amostras transferidas por câmara de drenagem (tabela 2) mostraram muito menos variação, com valores variando de 0,282 mm a 0,985 mm. A distância média do centro-à-centro e o desvio padrão para a câmara menisco-guiada/dreno transferiram amostras eram 0,521 milímetros 0,258 milímetros. Estes resultados sugerem que o sistema de transferência menisco-guiado/dreno da câmara fornece a maior exatidão e reprodutibilidade no que diz respeito à colocação e à centralização da membrana de BCP no substrato do receptor. Quando acoplada à deformação plástica limitada e às estruturas de defeito macroscal observadas nessas amostras (Figura 4), em comparação com as transferidas manualmente (Figura 3), a transferência guiada por menisco com o uso da câmara de drenagem sistema revela-se um protocolo eficaz e robusto para a transferência de membranas de película fina para substratos porosos arbitrários.
Figura 1 : Esquemático representando o desenho e montagem da ferramenta de transferência (esquerda) e câmara de drenagem (direita). A ferramenta de transferência (à esquerda) consiste em duas partes individuais: a braçadeira e o braço de carregamento, como rotulado. A braçadeira prende a todo o jaque padrão do laboratório em (1) com um parafuso do tamanho #10. O substrato doador contendo a membrana de película fina a ser transferida é colocado em (2). A câmara de drenagem (direita) consiste em duas partes individuais: a parte superior e a parte inferior, como rotulada. O substrato do doador é abaixado para a rampa de entrada em (3). Um anel-O do neopreno (4) é fornecido para assegurar um selo apertado entre o substrato do receptor (5) e a parte inferior da câmara de dreno. A água flui através da câmara e sai na saída (6). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 : Configuração experimental completa. (Emcima) Retratado mostra o completo 3D-impresso ferramenta de transferência (braçadeira e braço de carregamento) e sistema de câmara de drenagem. (Fundo) A foto é uma seringa mantida por uma bomba de seringa com funcionalidade de retirada, conectada ao sistema de câmara de drenagem. A bomba da seringa retira a água do sistema da câmara do dreno e permite a transferência menisco-guiada do nanomembrane ao substrato do receptor. Também retratado é uma taça de vidro cobrindo o sistema de câmara de drenagem para evitar a poeira e outras partículas estrangeiras de entrar no sistema de câmara de drenagem. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 : Manual de filme fino método de transferência com a mão e pinças. Neste método, a carcaça fornecedora do silicone é submergida lentamente em um banho da água, dissolvendo a camada sacrificial entre a membrana e o substrato de BCP e liberando a membrana de BCP no banho. Subseqüentemente, o usuário prende a carcaça do receptor AAO com um par de pinças e lentamente "Scoops" para cima para coloc a membrana de bcp no substrato do receptor AAO. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 : Imagens ópticas de películas finas de copolímero de bloco (BCP) transferidas manualmente. Fotografias que descrevem as membranas BCP em cima do receptor AAO substratos (25 mm de diâmetro), após a transferência manual por mão e pinças. As estruturas plásticas severas da deformação e do defeito do macroescala são observadas nas amostras. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5 : Imagens ópticas de filmes finos de copolímero (BCP) de blocos transferidos guiados por menisco, especificamente com o uso da ferramenta de câmara de transferência/drenagem impressa em 3D. Fotografias que descrevem as membranas BCP em cima do receptor AAO substratos (25 mm de diâmetro), após menisco-guiado/dreno câmara de transferência. A laminação uniforme, com deformação plástica limitada, é observada nas amostras. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Amostra | Distância Center-to-Center (milímetro) |
| 1 | 3.65 s |
| 2 | 5,334 |
| 3 | 0,533 |
| 4 | 8,455 |
| 5 | 3,765 |
| 6 | 1,895 |
Tabela 1: distâncias centro-a-centro para amostras transferidas manualmente. Estes valores descrevem as distâncias entre o centro da membrana BCP e o centro do substrato receptor AAO, determinado pela função centroide do software de análise ImageJ. A distância centro-a-centro foi de 3,840 2,788 mm (média ± DP).
| Amostra | Distância Center-to-Center (milímetro) |
| 1 | 0,527 |
| 2 | 0,985 |
| 3 | 0,597 |
| 4 | 0,282 |
| 5 | 0,438 |
| 6 | 0,300 |
Tabela 2: distâncias Center-to-Center para a câmara menisco-guiada/dreno amostras transferidas. Estes valores descrevem as distâncias entre o centro da membrana BCP e o centro do substrato receptor AAO, determinado pela função centroide do software de análise ImageJ. A distância centro-a-centro foi de 0,521 0,258 mm (média ± DP).
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Discussion
Embora muitas das etapas listadas neste protocolo sejam cruciais para o sucesso da transferência de filme fino, a natureza da câmara de drenagem impressa em 3D personalizada permite uma ampla flexibilidade, de acordo com as necessidades específicas do usuário. Por exemplo, se o substrato receptor tem um diâmetro maior do que os discos AAO de 25 mm de diâmetro utilizados neste estudo, a câmara de drenagem pode ser apropriadamente modificada para caber as novas especificações. No entanto, há certos aspectos do protocolo que são necessários para garantir resultados efetivos de transferência.
A escolha do material impresso em 3D para a ferramenta de transferência e a câmara de drenagem revela-se importante para o sucesso deste protocolo. A ferramenta de transferência e a câmara do dreno devem ser imprimidas com os materiais que não derramam continuamente o material, porque os pedaços de restos do derramamento podem arruinar a integridade da membrana fina da película. O PLA e a resina printable Inkjet foram determinados para ser materiais óptimos para esta finalidade. Quando acoplado com a limpeza completa com água e sonication deionizada, as peças 3D-Printed não devem produzir as partículas que contaminariam de outra maneira as amostras. Adicionalmente, a escolha do material 3D-impresso para a ferramenta de transferência é crítica para impedir dano de todas as bolhas da tensão de água que levantam-se do contato inicial entre o braço do carregamento e a água na câmara do dreno. O PLA foi determinado ser o material óptimo a este respeito, e outros polímeros hidrófilos devem trabalhar também. Conseqüentemente, nós recomendamos altamente que o PLA esteja usado para a ferramenta de transferência, visto que a câmara do dreno deve ser imprimida com PLA e/ou a resina printable Inkjet.
Outro aspecto crítico do protocolo é a orientação do menisco no processo de transferência, pois o menisco ajuda a colocar a membrana sobre o centro do substrato receptor. Isto pode ser controlado pela escolha do caudal volumétrico da bomba da seringa. Muito rápido de uma taxa de retirada (maior que 5 mL/min para este protocolo) provavelmente danificará a membrana e impedirá o menisco em guiar lentamente a membrana para o centro do substrato do receptor. 2,5 mL/min foi determinado para ser uma taxa óptima para este protocolo, porque preserva a integridade estrutural da membrana e a exatidão elevada da centralização e da colocação no substrato do receptor, sem sacrificar a eficiência. Da mesma forma, esses parâmetros ainda podem ser ajustados com base nas considerações específicas do projeto, especialmente se as especificações geométricas da câmara de drenagem impressa em 3D forem alteradas.
Quando a metodologia descrita menisco-guiada/da transferência da câmara do dreno ajudar a eliminar a criação de defeitos estruturais da macrosescala e a deformação plástica severa nos filmes finos transferidos, há ainda a possibilidade de defeito do microescala estruturas dentro das membranas, tais como fracturas e defeitos de linha/plano. No entanto, esses tipos de inhomogenidades em pequena escala podem resultar da fabricação inicial das amostras, em vez do próprio protocolo de transferência. O papel dessas estruturas de defeitos de microescala no desempenho da membrana é um tema de pesquisa em andamento.
Nós demonstramos uma metodologia simples baseada na orientação 3D-Printing e do menisco para controlar exatamente e rereproduvelmente a transferência de membranas do BCP do filme fino dos substratos doadores do silicone aos substratos porosos. Os resultados do software ótico da inspeção e da análise da imagem confirmam a alta qualidade resultante da colocação. Este protocolo poderia ser estendido a toda a aplicação da pesquisa que exija a transferência exata e a laminação uniforme de películas finas aos substratos porosos arbitrários.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado como parte do centro de materiais avançados para sistemas de água de energia (AMEWS), um centro de pesquisa de fronteira de energia financiado pelo departamento de energia dos EUA, escritório de ciência, Ciências energéticas básicas. Nós reconhecemos com gratidão discussões úteis com Mark Stoykovich e Paul Nealey.
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
- 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).
