Summary
Мы представляем процедуру для строго контролируемой и без морщин передачи блока copolymer тонких пленок на пористые подпоры поддержки с помощью 3D-печатной дренажной камеры. Конструкция дренажной камеры имеет общее отношение ко всем процедурам, связанным с передачей макромолекулярных пленок на пористые субстраты, что обычно делается вручную невосполнимым способом.
Abstract
Изготовление устройств, содержащих тонкопленочные композитные мембраны, требует переноса этих пленок на поверхности произвольных вспомогательных субстратов. Выполнение этой передачи в высоко контролируемой, механизированной и воспроизводимой манере может устранить создание макромасштабных дефектных структур (например, слезы, трещины и морщины) в тонкой пленке, которая ставит под угрозу производительность устройства и пригодную для узла область на образец. Здесь мы описываем общий протокол для высококонтролируемой и механизированной передачи полимерной тонкой пленки на произвольный пористый опорный субстрат для последующего использования в качестве мембранного устройства фильтрации воды. В частности, мы изготавливаем блок кополимера (BCP) тонкую пленку поверх жертвенного, водорастворимого поли (акриловой кислоты) (PAA) слоя и кремниевого вафелова. Затем мы используем специально разработанный, 3D-печатный инструмент передачи и системы дренажной камеры для депонирования, подъема, и передачи BCP тонкой пленки на центр пористой анодированного оксида алюминия (AAO) поддержки диска. Передаваемый БЦП тонкая пленка, как показано, постоянно помещается на центр опорной поверхности из-за наведения мениска, образовавого между водой и 3D-печатной пластиковой дренажной камерой. Мы также сравниваем наши механизированные обработанные тонкие пленки с теми, которые были переданы вручную с использованием пинцета. Оптический осмотр и анализ изображений переданных тонких пленок из механизированного процесса подтверждают, что практически нет макромасштабового неоднородности или пластических деформаций производятся, по сравнению с множеством слез и морщин, произведенных из ручного передачи вручную. Наши результаты показывают, что предлагаемая стратегия переноса тонкого пленки может уменьшить дефекты по сравнению с другими методами во многих системах и приложениях.
Introduction
Тонкая пленка и наномембранные устройства в последнее время получили широкий интерес из-за их потенциального использования в широком диапазоне приложений, начиная от гибкой фотоэлектрической и фотоники, складные дисплеи, и носимой электроники1, 2 , 3. Требование для изготовления этих различных типов приспособлений будет перенос тонких пленок к поверхностям произвольных субстратов, которые остают challenging из-за хрупкости этих пленок и частого продукции макромасштабного дефекта структуры, такие как морщины, трещины и слезы,в пленках после передачи 4,5,6,7. Ручная передача вручную, пинцет, и проводпета являются общими методами тонкой передачи пленки, но неизбежно приводят к структурным несоответствиям и пластиковой деформации8,9. Были изучены различные типы тонкой методологии передачи пленки, такие как: 1) полидиметилсилоксан (PDMS), что предполагает использование эластомической марки для получения тонкой пленки из донорского субстрата и последующего перевода на получение субстрат10, и 2) жертвенный слой передачи11, в котором etchant используется для выборочнорастворя жертвенный слой между подпортом поддержки и тонкой пленкой, тем самым снимая тонкую пленку. Тем не менее, эти методы сами по себе не обязательно позволяют тонкой передачи пленки без повреждения или образования дефекта в тонких пленках12.
Здесь мы представляем новый, недорогой и обобщенный легкий метод, основанный на жертвенных подъемах слоя и переносе мениска в рамках специально разработанной 3D-печатной системы дренажной камеры, чтобы механически разместить блок кополимера (BCP) тонких пленок на центры пористых субстратов, таких как анодированные оксид алюминия (ААО) диски с практически не понесенных макромасштабных дефектных структур, таких как морщины, слезы и трещины. В данном контексте эти переданные тонкие пленки могут быть использованы в качестве устройств в исследованиях фильтрации воды, потенциально после последовательного синтеза инфильтрации (SIS) обработки9. Анализ изображений переданных пленок, полученных с оптической микроскопии, показывает, что система сводной камерой с мениска обеспечивает гладкие, надежные и без морщин образцы. Кроме того, изображения также демонстрируют способность системы надежно размещать тонкопленочные мембраны на центры принимающих субстратов. Наши результаты имеют значительные последствия для любого типа устройства приложения, требующего передачи тонкопленочных конструкций на поверхности произвольных пористых субстратов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Изготовление инструмента передачи и дренажной камеры системы
- Прилагается(Дополнительные файлы 1, 2) является инженерный чертеж для сборки дренажной камеры, состоящей из двух частей: верхней и нижней. Моделируй это устройство в соответствии со спецификациями желаемой системы (например, внешний диаметр принимающего субстрата) и экспортируй в качестве файла STL для 3D-печати.
- Для верхней части, используйте принтер нити выбора и печати в самом низком разрешении возможно, в том числе леса, где это необходимо. Придерживайтесь рекомендуемых параметров принтера. Также рекомендуется печатать верхнюю часть с использованием поли (молочной кислоты) (PLA), чтобы свести к минимуму пролитие материала.
- Для нижней части, используйте струйный принтер resin или принтер нити с высотой сборки как штраф, как 20 мкм.
ПРИМЕЧАНИЕ: PLA является подходящим материалом, который сводит к минимуму пролитие материала. - Скраб и очистить обе части с деионизированной водой, обеспечивая удаление любого потенциального пролития материала из процесса печати. Также рекомендуется соникирование в деионизированной воде. Проверьте резьбу на двух частях, чтобы обеспечить хорошую посадку.
- Заполните дренажную камеру размером 117 неопрена O-кольца и трубки параметров, указанных в сопрозрающих документах (Дополнительныефайлы1, 2). Схема всей сборки дренажной камеры показана на рисунке 1.
- Печать инструмента передачи с помощью любого принтера нити в среднем и тонком разрешении. Есть две части: зажим и погрузка руки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Настоятельно рекомендуется, чтобы инструмент передачи быть напечатаны с использованием поли (молочная кислота) (PLA), как и другие пластмассы могут быть плохо смачивают и привести к, чтобы стать мокрым неожиданно. - Завершите зажим с большим винтом 10, а затем прикрепите зажим на лабораторный домкрат.
2. Первоначальный механизированный осаждение и снятие мембраны с донорского субстрата
- Поместите голый 25-мм-диаметр диска ААО (или любой произвольный пористый приемник субстрата выбора) на нижней части дренажной камеры. Затем поместите неопреновый O-кольцо на верхней части диска ААО и винт на верхней части дренажной камеры.
- Промыть и/ или сонять установку в разное время с деионированной (DI) водой. Это помогает удалить любую пыль и/или оставшиеся частицы из 3D-печати.
- Поместите кусок Si с передаваемым полимерным стеком (донорской пластиной) на губу руки для загрузки инструмента передачи.
- Заполните дренажную камеру 25 мл воды DI.
- Нижняя лабораторный домкрат так, что инструмент медленно окунается в входную рампу дренажной камеры и что донорский кремний субстрат медленно погружается. Убедитесь, что вафля погружена достаточно для мембраны, чтобы полностью делеаминать и выйти из основного донорского субстрата.
ПРИМЕЧАНИЕ: Использование куска Si пластины без загрязнения пыли обеспечит легкое отделение от донорского субстрата. - Медленно поднимите инструмент передачи из воды и переместить его в сторону, убедившись, что не беспокоить плавающей мембраны.
- Уговорить мембрану в отверстие камеры с помощью пинцета. Размещение пинцета в воде перед мембраной будет направлять его из-за поверхностного натяжения. Прикосновение к плавающей мембране само по себе не является необходимым и следует избегать.
3. Перенос направляется на мениска на приемник с системой дренажной камеры
- Соедините трубку к розетке нижней части дренажной камеры. Прикрепите эту трубку к шприцу Започу Луер-замок 20 мл.
- Получить шприц насос с снятием функциональности. Поместите шприц на насос и вывести воду из скорости 1-2,5 мл/мин до тех пор, пока вся вода не будет слита.
- Через 10 минут воду следует полностью удалить из дренажной камеры. Если в камере все еще есть остаточная вода, подключите шприц и трубки и продолжайте изымать любую остаточную воду.
- После полного дренажа воды мембрана теперь будет помещена в центр приемника. Отключите дренажную камеру от шприца насоса и разобрать дренажную камеру, чтобы удалить приемник субстрата, содержащего мембрану.
ПРИМЕЧАНИЕ: Общий процесс, включая настройку занимает 15 мин. Снижение рабочего объема воды и увеличение скорости стока может сократить этот процесс. - Разрешить образец полностью высохнуть при комнатной температуре перед дальнейшим использованием в любом приложении.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Образцы мембраны BCP были изготовленыв соответствии с ранее описанной процедурой 9. Образцы были помещены на губу погрузочной руки 3D-печатного инструмента передачи(рисунок 1, слева) и затем опущены, с лабораторным домкратом, на входную рампу 3D-печатного инструмента камеры стока (рисунок1, справа). В воде в дренажной камере растворился жертвенный слой поли (акриловой кислоты) (PAA) между мембраной BCP и основным донорским кремниевым субстратом, что привело к поплаванию мембраны BCP. Затем был прооперирован шприц-насос(рисунок 2, дно) для снятия воды при объемной скорости потока 2,5 мл/мин, что привело к общему времени передачи 10 мин (при условии первоначального 25 мл воды в системе дренажной камеры). Этот метод тонкой передачи пленки был сравним с ручной тонкой передачей пленки вручную и пинцетом, как показано на рисунке 3.
Репрезентативные изображения образцов тонкой пленки BCP, вручную передаваемые на пористые субстраты ААО, показаны на рисунке 4. Эти изображения иллюстрируют низкое качество ручного метода передачи, о чем свидетельствуют тяжелые пластические деформации и макромасштабные дефектные структуры, присутствующие в мембранах BCP. Все мембраны BCP морщинистые и фрагментированные после ручной передачи, в дополнение к искажению первоначальной прямоугольной геометрии кубиками мембран BCP. Человеческая ошибка, введенная ручной передачей, приводит к неполной передаче мембран, а также отсутствию центрирования и/или точности размещения на подстратприемника ААО - это будет дополнительно изучено с помощью программного обеспечения для анализа изображений.
Репрезентативные изображения образцов тонкой пленки BCP, переданных на пористые субстраты ААО, используя руководство мениска и систему дренажной камеры, показаны на рисунке5. При осмотре эти изображения показывают заметное отличие от тех, на рисунке 4,так как прямоугольная геометрия каждой мембраны сохранилась. Там, как представляется, полное и равномерное ламинирование мембраны на приемник ААО субстратов, без каких-либо больших эффектов деформации пластика наблюдается. Кроме того, как представляется, высокая точность центрирования мембраны BCP на субстраты приемника, которая будет подтверждена с помощью программного обеспечения для анализа изображений.
Чтобы охарактеризовать точность размещения и центрирования мембраны BCP на подприемнике ААО, с помощью программного обеспечения для анализа ImageJ был проведен анализ центроидных изображений. В частности, для каждого образца было рассчитано расстояние между центроидом мембраны BCP и центроидом субстрата приемника ААО. Эти значения регистрируются в таблице 1 и таблице2, соответствующей методу ручной передачи и методу мениска с направляемым/дренажным камерами, соответственно. Расстояние от центра к центру для ручных образцов(таблица1) варьировалось в широких пределах, со значениями от 0,533 мм до 8,455 мм. Среднее расстояние от центра к центру и стандартное отклонение для образцов, передаваемых ручным методом, составило 3,840 мм 2,788 мм. В отличие от этого, расстояние между центром и центром для передаваемых образцов мениска/дренажной камеры(таблица2) показало гораздо меньшие различия, со значениями от 0,282 мм до 0,985 мм. Среднее расстояние от центра к центру и стандартное отклонение для передаваемых образцов мениска/дренажной камеры составило 0,521 мм 0,258 мм. Эти результаты свидетельствуют о том, что мениска руководством / дренажной камеры передачи системы обеспечивает большую точность и воспроизводимость в отношении размещения и центрирования мембраны BCP на приемник субстрата. В сочетании с ограниченной пластиковой деформации и макромасштабных дефектных структур, наблюдаемых в этих образцах (Рисунок 4), по сравнению с теми, которые вручную передаются (Рисунок3), мениска-руководствопередачи с использованием дренажной камеры система оказывается эффективным и надежным протоколом для передачи тонкопленочных мембран в произвольные пористые субстраты.
Рисунок 1 : Схема, изображающая дизайн и сборку инструмента передачи (слева) и дренажной камеры (справа). Инструмент передачи (слева) состоит из двух отдельных частей: зажима и погрузочной руки, как помечено. Зажим крепится к любому стандартному лабораторному гнезду на (1) с размером #10 винтом. Донорский субстрат, содержащий переносимый тонкопленочной мембраной, помещается по адресу (2). Дренажная камера(справа) состоит из двух отдельных частей: верхней и нижней части, как помечено. Донорский субстрат опускается на входную рампу по адресу (3). Неопреновый О-кольцо(4) обеспечивается для обеспечения плотного уплотнения между субстратом приемника (5) и нижней частью дренажной камеры. Вода течет через камеру и выходит на выходе (6). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2 : Полная экспериментальная установка. (Топ) На рисунке показан полный 3D-печатный инструмент передачи (зажим и погрузка руки) и дренажная камера системы. (Внизу) На рисунке изображен шприц, удерживаемый шприц насосом с функцией снятия, подключенной к системе дренажной камеры. Шприц насос изводит воду из системы дренажной камеры и позволяет мениска руководствоваться передачи наномембраны в приемник субстрата. Также изображен стеклянный стакан, покрывающий систему дренажной камеры, чтобы предотвратить попадание пыли и других иностранных частиц в систему дренажной камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3 : Ручной метод тонкой пленки передачи вручную и пинцетом. В этом методе донорский кремний субстрат медленно погружается в ванну с водой, растворяя жертвенный слой между мембраной BCP и субстратом и выпуская мембрану BCP в ванну. Впоследствии пользователь держит подложку приемника ААО с парой пинцетов и медленно «совки» вверх, чтобы поместить мембрану BCP на подложку приемника ААО. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4 : Оптические изображения вручную переданных блоков кополимера (BCP) тонких пленок. Фотографии, изображающие мембраны BCP поверх приемника ААО субстратов (25 мм в диаметре), после ручной передачи вручную и пинцетом. В образцах наблюдаются тяжелые пластические деформации и макромасштабные дефектные структуры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 5 : Оптические изображения мениска-наведении переданных блоков copolymer (BCP) тонкие пленки, в частности с использованием 3D-печатного переноса / дренажной камеры инструмент. Фотографии, изображающие мембраны BCP на верхней части приемника ААО субстратов (25 мм в диаметре), после мениска-направленных / дренажной камеры передачи. В образцах наблюдается однородная ламинирование с ограниченной пластиковой деформацией. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
| Образец | Расстояние от центра до центра (мм) |
| 1 | 3.055 |
| 2 | 5.334 |
| 3 | 0,533 |
| 4 | 8.455 |
| 5 | 3,765 |
| 6 | 1,895 |
Таблица 1: Расстояние от центра к центру для вручную переданных образцов. Эти значения описывают расстояния между центром мембраны BCP и центром субстрата Приемника ААО, определяемым центроидной функцией программного обеспечения для анализа ImageJ. Расстояние от центра до центра составило 3,840 2,788 мм (среднее и SD).
| Образец | Расстояние от центра до центра (мм) |
| 1 | 0,527 |
| 2 | 0,985 |
| 3 | 0,597 |
| 4 | 0,282 |
| 5 | 0,438 |
| 6 | 0.300 |
Таблица 2: Расстояние от центра к центру для мениска-направленной/дренажной камеры переданных образцов. Эти значения описывают расстояния между центром мембраны BCP и центром субстрата Приемника ААО, определяемым центроидной функцией программного обеспечения для анализа ImageJ. Расстояние от центра до центра составило 0,521 0,258 мм (среднее и SD).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Хотя многие из шагов, перечисленных в этом протоколе имеют решающее значение для успеха тонкой передачи пленки, характер специально разработанных 3D печатной дренажной камеры позволяет широкую гибкость, в соответствии с конкретными требованиями пользователя. Например, если субстрат приемника имеет больший диаметр, чем диски ААО диаметром 25 мм, используемые в данном исследовании, дренажная камера может быть соответствующим образом изменена в соответствии с новыми спецификациями. Однако существуют некоторые аспекты протокола, которые необходимы для обеспечения эффективных результатов передачи.
Выбор 3D-печатного материала для инструмента передачи и дренажной камеры оказывается важным для успеха этого протокола. Оба переноса инструмента и дренажной камеры должны быть напечатаны с материалами, которые не постоянно пролить материал, как куски мусора от пролития может разрушить целостность тонкой пленочной мембраны. PLA и струйная печатная мизинка были определены как оптимальные материалы для этой цели. В сочетании с тщательной очисткой с деионизированной водой и звукоизоляцией, 3D-печатные части не должны производить твердые частицы, которые в противном случае загрязняли бы образцы. Кроме того, выбор материала, напечатанного на 3D-принтере для инструмента передачи, имеет решающее значение для предотвращения повреждения пузырьков напряжения воды, возникающих в результате первоначального контакта между погрузочной рукой и водой в дренажной камере. НОАК была определена в качестве оптимального материала в этом отношении, и другие гидрофильные полимеры должны работать также. Поэтому мы настоятельно рекомендуем, чтобы PLA использовался для переноса инструмента, в то время как дренажная камера должна быть напечатана с помощью PLA и/или струйной гравюры.
Другим важным аспектом протокола является руководство мениска в процессе передачи, так как мениска помогает поместить мембрану на центр приемника субстрата. Это можно контролировать по выбору объемной скорости потока шприца насоса. Слишком быстрая скорость снятия (более 5 мл/мин для этого протокола), скорее всего, повредит мембрану и предотвратит мениска, медленно направляя мембрану к центру подстоявки приемника. 2.5 мл/мин было определено как оптимальная скорость для этого протокола, так как он сохраняет структурную целостность мембраны и высокую точность центрирования и размещения на приемнике субстрата, без ущерба для эффективности. Аналогичным образом, эти параметры все еще могут быть скорректированы на основе конкретных соображений проекта, особенно если геометрические характеристики 3D-печатной дренажной камеры изменены.
В то время как описанная методология передачи камеры с направляются менисками/дренажной камерой помогает устранить создание макромасштабных структурных дефектов и тяжелой пластической деформации в передаваемых тонких пленках, все еще существует возможность микромасштабного дефекта структур внутри мембран, таких как ГРП и дефекты линии/плоскости. Однако эти типы мелкомасштабных неоднородностей могут возникнуть в результате первоначального изготовления образцов, а не самого протокола передачи. Роль таких микро-масштабных дефектных структур в производительности мембраны является темой текущих исследований.
Мы продемонстрировали простую методологию, основанную на 3D-печати и мениска руководство точно и воспроизводимо контролировать передачу тонкопленочных мембран BCP от донорского кремния субстратов в пористые субстраты. Результаты оптического контроля и анализа изображений программного обеспечения подтверждают резонное высокое качество размещения. Этот протокол может быть распространен на любое исследовательское приложение, которое требует точной передачи и равномерного ламинирования тонких пленок на произвольные пористые субстраты.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана в рамках Центра перспективных материалов для энергетических водных систем (AMEWS), Научно-исследовательского центра energy Frontier, финансируемого Министерством энергетики США, Управлением по науке, фундаментальным энергетическим наукам. Мы с благодарностью отмечаем полезные беседы с Марком Стойковичем и Полом Нили.
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).
