Blok kopolimer ince filmlerin, 3D baskılı drenaj odası kullanılarak gözenekli destek altlıkları üzerine son derece kontrollü ve kırışıklık içermeyen transfer için bir prosedür sunuyoruz. Drenaj odası tasarımı, makromoleküler filmlerin, normalde el ile yeniden üretilemeyen bir şekilde yapılan gözenekli substratlar üzerine transferini içeren tüm prosedürlere genel ilgi görmektedir.
Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.
Yöntem makalesi
Polimer filmlerin küçültülmüş kusurlarla gözenekli substratlar üzerine aktarımı için prosedür
* These authors contributed equally
Bu makalede
Özet
Özet
İnce film kompozit membranlar içeren cihazların imalatı, bu filmlerin keyfi destek substratları yüzeylerine aktarılmasını gerektirir. Bu transferin son derece kontrollü, mekanize ve tekrarlanabilir bir şekilde gerçekleştirilmesi, cihaz performansını ve kullanılabilir alanı tehlikeye atabilen ince film içinde makroölçekli arıza yapılarının (örneğin gözyaşları, çatlaklar ve kırışıklıkların) oluşturulmasını ortadan kaldırabilir örnek başına. Burada, polimerik ince bir filmin yüksek kontrollü ve mekanize aktarımı için, su filtrasyon membran cihazı olarak nihai kullanım için rasgele gözenekli destek substrat üzerine genel bir protokol açıklanmaktadır. Özellikle, bir kurban, su çözünür Poly (akrilik asit) (PAA) tabaka ve silikon gofret substrat üstüne bir blok kopolimer (BCP) ince film imal. Daha sonra bir özel tasarlanmış, 3D-baskılı transfer aracı ve drenaj odası sistemi mevduat, lift-off için kullanmak ve bir gözenekli anodize alüminyum oksit (AAO) destek diski merkezine BCP ince film aktarmak. Aktarılan BCP ince film, su ve 3D Baskılı Plastik drenaj odası arasında oluşan menisküs rehberlik nedeniyle destek yüzeyinin merkezine sürekli olarak yerleştirilir gösterilir. Ayrıca, mekanik transfer-işlenmiş ince filmlerimizi, cımbız kullanımı ile el ile aktarılmış olanlar ile karşılaştırıyoruz. Mekanik süreçten aktarılan ince filmlerin optik muayene ve görüntü analizi, manuel olarak üretilen gözyaşı ve kırışıklıkların çokluğu ile karşılaştırıldığında, küçük-No makroölçekli inhomojenler veya plastik deformasyonların üretildiği teyit el ile transfer. Sonuçlarımız, ince film aktarımı için Önerilen stratejinin, birçok sistem ve uygulamada diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında kusurları azaltabilir olduğunu göstermektedir.
Giriş
İnce film ve nanomembran tabanlı cihazlar son zamanlarda esnek fotovoltaik ve fotonik, katlanabilir ekranlar ve giyilebilir elektronik1, çeşitli uygulamalarda potansiyel kullanımı nedeniyle geniş ilgi topladı 2 , 3. bu çeşitli cihazların imalatı için bir gereksinim, bu filmlerin kırılganlık ve makroölçekli defekt sık üretim nedeniyle zorlu kalır keyfi substratlar, yüzeylere ince filmlerin aktarımı olduğunu yapılar, kırışıklıkları gibi, çatlaklar, ve gözyaşları, Transfer sonrası filmler içinde4,5,6,7. El ile manuel transfer, cımbız, ve tel döngüler ince film transferi ortak yöntemleri, ama kaçınılmaz yapısal aykırılıklar ve plastik deformasyon neden,8,9. Çeşitli ince film transfer metodolojisi gibi incelenmiştir: 1) polidimetilsiloksan (PDMS) damga transferi, hangi bir elastomerik damga kullanımı içerir hangi donör substrat ince film elde etmek ve daha sonra alma transfer substrat10, ve 2) kurban katmanı transferi11, hangi bir etchant seçici olarak destek substrat ve ince film arasında bir kurban tabakası çözülür, böylece ince film kapalı kaldırma kullanılır. Ancak, bu teknikler tek başına mutlaka ince film transferi için zarar veya kusur oluşumunda küçük filmler içinde olmadan izin vermez12.
Burada, özel tasarlanmış, 3D baskılı drenaj odası sistemi içinde kurban katmanı kaldırma ve menisküs güdümlü transfer dayalı bir roman, düşük maliyetli ve genelleştirilebilir facile yöntemi sunuyoruz, mekanik olarak blok kopolimer (bcp) ince filmleri yerleştirmek için anotlu alüminyum oksit (AAO) diskleri gibi gözenekli substrat merkezleri, kırışıklıklar, gözyaşları ve çatlaklar gibi az-No kaynaklanan makroölçekli arıza yapıları ile. Bu bağlamda, bu aktarılan ince filmler daha sonra su filtrasyon çalışmalarında cihaz olarak, ardışık infiltrasyon sentezi (SIS) işleme9' dan sonra kullanılabilir. Optik mikroskopiden elde edilen aktarılan filmlerin görüntü analizi, menisküs güdümlü, drenaj odası sisteminin pürüzsüz, sağlam ve kırışıklık içermeyen örnekler sağladığını göstermektedir. Ayrıca, görüntüler aynı zamanda sistemin ince film membranlarını alıcı alt yüzeylerin merkezine güvenilir bir şekilde yerleştirebilmesini de göstermektedir. Sonuçlarımız, ince film yapıların keyfi gözenekli substratın yüzeylerine aktarılması gereken her türlü cihaz uygulaması için önemli etkilerine sahiptir.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Protokol
1. transfer aleti ve drenaj odası sisteminin imalatı
- Ekli (Tamamlayıcı dosyalar 1, 2) iki bölümden oluşan drenaj odası montajı için mühendislik çizimi: üst ve alt. Bu cihazı, istenilen sistemin belirtimlerine göre modellemek (örn., alıcı substratın dış çapı) ve 3B yazdırma için STL dosyası olarak dışa aktarma.
- En üst kısmı için, gerekli olan her yerde iskele de dahil olmak üzere, mümkün olan en düşük çözünürlükte seçim ve baskı bir filament yazıcı kullanın. Yazıcının önerilen parametrelerine uyun. Ayrıca, üst parçanın, malzemenin dökülmesine en aza indirmek için Poly (laktik asit) (PLA) kullanılarak basılması önerilir.
- Alt kısmı için, 20 μm kadar ince bir yapı yüksekliği ile inkjet reçine yazıcı veya filament yazıcı kullanın.
Not: PLA malzeme dökülme en aza indirir uygun bir malzemedir. - Her iki bölümü deiyonize suyla fırçalayın ve temizleyin, herhangi bir potansiyel dökülme malzemesinin baskı işleminden kaldırılmasını sağlar. Deiyonize suda sonication de tavsiye edilir. İyi bir uyum sağlamak için iki parça üzerinde iş parçacığı test edin.
- Bir boyut 117 neopren O-ring ve destek belgelerinde belirtilen parametrelerin boru ile drenaj odası tamamlayın (Tamamlayıcı dosyalar 1, 2). Tüm drenaj odası montajını şematik Şekil 1' de gösterilir.
- Orta ve ince çözünürlükte herhangi bir filament yazıcı kullanarak Aktarım aracını yazdırın. İki parça vardır: kelepçe ve yükleme kolu.
Not: diğer plastikler kötü ıslanacağı ve gofret 'ın beklenmedik bir şekilde ıslanmasına neden olduğu için, transfer aracının Poly (laktik asit) (PLA) kullanılarak yazdırılması şiddetle tavsiye edilir. - Kelepçe bir boyut 10 vida ile tamamlayın ve sonra bir laboratuar jakı üzerine kelepçe takın.
2. ilk mekanize biriktirme ve membran lift-off donör substrat
- Drenaj odasının alt kısmına çıplak 25 mm çap AAO disk (veya tercih edilen herhangi bir rasgele gözenekli alıcı substrat) yerleştirin. Daha sonra, neopren O-Ring AAO disk üstüne yerleştirin ve drenaj odasının üst kısmında vida.
- Deiyonize (dı) su ile kurulumu çeşitli zamanlarda durulayın ve/veya sonlayın. Bu, herhangi bir toz ve/veya kalan parçacıklar 3D baskı kaldırmak için yardımcı olur.
- Si gofret parçasını, Transfer aleti yükleme kolunun dudakına aktarılabilir polimer yığını (donör gofret) ile yerleştirin.
- Drenaj odasını 25 mL su ile doldurun.
- Aracın tahliye odasının giriş rampasına yavaşça daldırılabilmesi ve donör silikon substratın yavaşça batması için laboratuar jakını indirin. Gözenekli membranın, altta yatan donör substratın tamamen delaminate ve kaldırma için yeterince batmış olduğundan emin olun.
Not: toz kontaminasyonu olmayan bir parça si gofret kullanarak donör substrat kolay ayrılması sağlayacaktır. - Yavaşça su üzerinden transfer aracı yükseltmek ve yol dışarı hareket, emin yüzen membran rahatsız değil yapma.
- Membranı, odanın cımbız ile açılması içine koaksiyel. Membran önünde su cımbız yerleştirilmesi yüzey gerilimi nedeniyle rehberlik edecektir. Yüzen membranın kendisi dokunmadan gerekli değildir ve kaçınılmalıdır.
3. menisküs-drenaj odası sistemi ile alıcı substrat güdümlü transfer
- Drenaj odasının alt kısmının çıkışına boru bağlayın. Bu tüpü 20 mL Luer-Lock şırıngaya takın.
- Geri çekme işlevselliği ile bir şırınga pompası elde. Şırıngayı pompanın üzerine yerleştirin ve suyu tüm su boşaltılana kadar 1-2.5 mL/dak hızında çekin.
- 10 dakika sonra su tahliye odasından tamamen çıkarılmalıdır. Eğer hala oda içinde herhangi bir kalıntı su varsa, şırınga ve tüp yeniden ve herhangi bir kalıntı su geri çekmeye devam.
- Suyun tam drenaj sonra, membran şimdi alıcı substrat ortasına yerleştirilir. Drenaj odasını şırınga pompasından çıkarın ve membran içeren alıcı substrat kaldırmak için drenaj odası sökün.
Not: set-up dahil toplam süreç ~ 15 dk alır. suyun çalışma hacmini azaltmak ve drenaj hızını artırmak bu süreci kısaltabilir. - Herhangi bir uygulamada daha fazla kullanmadan önce numunenin oda sıcaklığında tamamen kurumasına izin verin.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Sonuçlar
BCP membran örnekleri daha önce açıklanan prosedüre göre üretilmiştir9. Örnekler, 3D baskılı transfer aracının (Şekil 1, sol) yükleme kolunun dudakına yerleştirilir ve daha sonra bir laboratuar jakı ile 3D baskılı drenaj odası aracının giriş rampasına yerleştirilmiştir (Şekil 1, sağ). BCP membran ve altta yatan donör silikon substrat arasında Poly (akrilik asit) (PAA) bir kurban tabakası drenaj odası içind...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Tartışma
Bu protokolde listelenen adımların çoğu ince film transferinin başarısı için çok önemli olmakla beraber, özel tasarlanmış 3D baskılı drenaj odasının doğası, kullanıcının özel gereksinimlerine göre geniş esneklik sağlar. Örneğin, alıcı substrat Bu çalışmada kullanılan 25 mm çap AAO disklerden daha büyük bir çapına sahipse, drenaj odası yeni spesifikasyonlara uyacak şekilde uygun şekilde değiştirilebilir. Ancak, etkin aktarım sonuçlarını sağlamak için gerekli olan protokolün belirli yönleri vardır.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Açıklamalar
Yazarların ifşa etmesi gereken hiçbir şey yok.
Teşekkürler
Bu çalışma, ABD Enerji Bakanlığı, bilim ofisi, temel enerji Bilimleri Bürosu tarafından finanse edilen enerji-su sistemleri (MEWS) Merkezi, enerji sınır araştırma merkezi 'nin bir parçası olarak destekleniyordu. Biz minnetle Mark Stoykovich ve Paul Nealey ile yararlı tartışmalar kabul ediyoruz.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Malzemeler
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| % 35 sodyum poliakrilik asit çözeltisi | Sigma Aldrich | 9003-01-4 | |
| Amicon Karıştırılmış Hücre modeli 8010 10mL | Millipore | 5121 | |
| Eloksallı alüminyum oksit, 0.2u kalınlık, 25mm çap | Sigma Aldrich | WHA68096022 | |
| o ring neopren 117 | Grainger | 1BUV7 | |
| Objet500 Connex3 3D Yazıcı | Stratasys | ||
| Onshape 3D yazılımı | onshape | ||
| Polilaktik asit filament | Ultimaker | ||
| ultimaker3 3d filament yazıcı | Ultimaker | ||
| Vero Ailesi yazdırılabilir malzemeler | Stratasys |
Kaynaklar
- 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).
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Yeniden basım ve izinler
