ختم قابلة الطباعة وتصنيع الأسطح هيميويكينج

Summary

وينص بروتوكول بسيط تصنيع هياكل هيميويكينج متفاوتة الأحجام والأشكال والمواد. البروتوكول يستخدم مزيجاً من ختم المادية، PDMS صب، وغشاء رقيق التعديلات السطحية عن طريق مواد ترسب التقنيات الشائعة.

Abstract

هيميويكينج هو عملية حيث ويتس سائل على سطح منقوشة يتجاوز طوله ترطيب طبيعية نتيجة لمزيج من الإجراءات الشعرية وإيمبيبيتيون. المهم هذه الظاهرة التبول في العديد من الميادين التقنية التي تتراوح بين علم وظائف الأعضاء للهندسة الفضائية. حاليا، توجد عدة تقنيات مختلفة لاختلاق الهياكل هيميويكينج. هذه الأساليب التقليدية، بيد غالباً ما تستغرق وقتاً طويلاً ويصعب الصعود لمناطق كبيرة أو من الصعب تخصيص للهندسات الزخرفة نونهوموجينيوس ومحددة. ويوفر البروتوكول قدم الباحثين مع بسيطة وقابلة للتطوير، وطريقة فعالة من حيث التكلفة لاختلاق الأسطح الصغيرة المنقوشة هيميويكينج. الأسلوب تلفيق فتل الهياكل من خلال استخدام طباعة الطوابع وبولي دايمثيل سيلوكسان (PDMS) صب وطلاء السطح غشاء رقيق. ويتجلى البروتوكول هيميويكينج مع الإيثانول على صفائف ميكروبيلار PDMS مغطاة بطبقة 70 نانومتر سميكة ألومنيوم غشاء رقيق.

Introduction

وقد حدث مؤخرا زيادة الاهتمام بالقدرة على التحكم بنشاط وسلبية على حد سواء التبول، التبخر، وخلط السوائل. هيميويكينج فريد محكم أسطح توفر حلاً رواية للتبريد تقنيات لأن هذه الأسطح مزخرفة بمثابة مضخة السوائل (و/أو الحرارة) دون أجزاء متحركة. هذا حركة السوائل محكوم بسلسلة أحداث عمل الشعرية المرتبطة بدينامية انحناء غشاء رقيق السائل. وبصفة عامة، عندما ويتس سائل سطح صلب، منحنى سائل غشاء رقيق (أي سائل غضروف) سرعة أشكال. سمك السائل وانحناء الشخصية تتطور حتى يتم التوصل إلى حد أدنى من الطاقة مجاناً. للإشارة، هذه الشخصية ديناميكية التبول يمكن سرعة تسوس عشرات نانومتر في سمك داخل الامتداد (السوائل-ترطيب) طول-مقياس فقط عشرات ميكرومتر. وهكذا، يمكن الخضوع لهذه المنطقة الانتقالية (سائل-فيلم) تغييرات كبيرة في واجهة السائل انحناء. المنطقة الانتقالية (غشاء رقيق) التي ينشأ فيها ما يقرب من جميع الفيزياء الحيوية والكيمياء. على وجه الخصوص، المنطقة الانتقالية (غشاء رقيق) حيث توجد معدلات التبخر كحد أقصى (1)، (2) ديس الانضمام الضغط التدرجات والتدرجات الضغط الهيدروليكي (3)^1،2. نتيجة لذلك منحنى السائل-الأفلام تلعب دوراً حيويا في النقل الحراري، وانفصال، والقلاقل السوائل وخلط السوائل المتعددة العناصر. على سبيل المثال، فيما يتعلق بنقل الحرارة، لوحظت تدفقات الحرارة الجدار أعلى في هذه المنطقة غشاء رقيق منحنى عاليا، والانتقالية^4،3،5،،من⁶⁷.

وقد أظهرت الدراسات هيميويكينج الحديثة أن الهندسة (مثلاً، الارتفاع، القطر، إلخ) ووضع دعائم تحديد الشخصية الجبهة التبول وسرعة السائل قيد التشغيل من خلال هياكل⁸. كما يتم التبخر الجبهة السائل قبالة نهاية هيكل آخر في صفيف، يتم الاحتفاظ الجبهة السوائل في مسافة ثابتة وانحناء، كما هو يجري استبدال السوائل المتبخرة من السوائل المخزنة في هياكل فتل⁹. هياكل هيميويكينج أيضا قد استخدمت في أنابيب الحرارة وعلى أسطح المغلي لتحليل وتحسين آليات نقل الحرارة المختلفة. ^{10 , 11 , 12}.

هو أسلوب واحد المستخدمة حاليا لإنشاء هياكل فتل البصمة الحرارية الطباعة الحجرية¹³. يتم تنفيذ هذا الأسلوب بختم على التخطيط المطلوب إلى طبقة مقاومة في عينة قالب سليكون مع طابع بوليمر حرارية، ثم إزالة الطابع الاحتفاظ المجهرية. بمجرد إزالة، يتم وضع العينة عن طريق أيون رد الفعل النقش عملية لإزالة أي من ال^14،طبقة مقاومة الزائدة¹⁵. هذه العملية، ومع ذلك، يمكن أن تكون حساسة لدرجة الحرارة لتصنيع هياكل فتل ويتضمن العديد من الخطوات التي تستخدم الطلاء المختلفة ضمان دقة هياكل فتل¹⁶. كما أنها الحالة التي لا تكون تقنيات الطباعة الحجرية عمليا بالنسبة للحجم الكلي الزخرفة؛ وفي حين أنها لا تزال توفر طريقة لإنشاء نمط من المجهرية على سطح، الإنتاجية من هذا الإجراء أقل بكثير من مثالي للاستنساخ على نطاق واسع. ونظرا للتركيب على نطاق واسع، واستنساخه، مثل الطلاء تدور أو تراجع، هناك غياب الأصيل للزخرفة يمكن السيطرة عليها. هذه الطرق إنشاء مجموعة عشوائية من المجهرية على سطح الهدف ولكن يمكن قياسه لتغطية مناطق أوسع إلى حد كبير من تقنيات الطباعة الحجرية التقليدية¹⁷.

البروتوكول المبينة في هذا التقرير يحاول الجمع بين نقاط قوة أساليب التركيب التقليدي بينما في الوقت نفسه القضاء على نقاط الضعف المحددة لكل منها؛ أنه يعرف طريقة اصطناع هياكل هيميويكينج مخصصة لمختلف مرتفعات والأشكال والتوجهات والمواد على نطاق ماكرو ومع الإنتاجية المرتفعة المحتملة. يمكن بسرعة إنشاء مختلف أنماط فتل غرض الاستغلال الأمثل فتل الخصائص، مثل التحكم الاتجاهي سرعة السوائل، ونشر، وخلط السوائل المختلفة. يمكن أيضا توفير استخدام مختلف الهياكل فتل متفاوتة غشاء رقيق السمك وانحناء الملامح، والتي يمكن أن تستخدم بصورة منهجية دراسة اقتران بين الحرارة والنقل الجماعي مع سمك مختلفة وملامح انحناء السائل غضروف.

Protocol

1-إنشاء خريطة الزخرفة

1. باستخدام محرر رسومات، إنشاء النمط المطلوب للهياكل هيميويكينج التي تمثل كصورة نقطية.
   ملاحظة: بعض المعلمات التصميم فتل (أي زاوية التدرج، والتدرج في العمق) يمكن إجراء يعتمد على درجات الرمادي القيم المعينة لكل بكسل. ثم يتم تحرير هذه القيم الرمادي من أجل تعديل المعلمة المطلوبة.
2. حفظ الصورة النقطية كرسم شبكة للأجهزة محمولة (.png) ووضع الملف في مجلد متاحة بسهولة.

2-وضع البلاستيك لتكون مختومة لصب

1. ابدأ بترجمة بت ختم بعيداً عن مساحة العمل لتجنب أي اتصال العرضية التي قد تسبب الكسر من تلميح (+z التشرد، الشكل 1).
2. تأمين البلاستيك ختم العفن/يفر إلى لوحة النسخ لختم اللاحقة على x, y مرحلة الترجمة (انظر الشكل 1). تأمين لوحة عينة/النسخ إلى x، y الميكانيكية ختم المرحلة (الشكل 1)
3. محاذاة للوسط من البلاستيك القالب/يفر مع المحور ختم بت ختم. وهذا إنجازه عن طريق الحاسوب ±العاشر و ±y تشرد مع مرحلة ختم x, y المزودة بمحركات.
4. ترجمة بت ختم صوب بلاستيكية العفن/يفر (-z التشرد، الشكل 1) إلى حين بت ختم يكاد يكون على اتصال بسطح العفن/يفر.

3-ختم العينة البلاستيك لصب PDMS

1. باستخدام برنامج مراقبة ختم المحوسبة، تعيين المسافة بين بت ختم (تلميح) وسطح البلاستيك العفن/يفر.
2. ترجمة بت ختم تزايدات صغيرة (-δz التشرد، الشكل 1) نحو سطح العينة حتى الأدوات على اتصال بالبلاستيك.
   ملاحظة: ينبغي البت فقط اتصل بخفة على السطح.
3. بعد الاتصال، ترجمة بت ختم بعيداً عن عينة لتجنب أي اتصال ممكن بين بت وعينه أثناء الترجمة اللاحقة (δz ≈ 100 ميكرومتر).
4. تعيين المسافة بكسل (في ميكرون)، وعمق تجويف الحد الأقصى والحد الأدنى (في ميكرون)، زاوية الحد الأقصى والحد الأدنى (بالدرجات)، موضع بكسل x و y الأولية، نمط، والعتبة بكسل للزخرفة مرتبط أي تدرج رمادي لختم الإجراء.
5. تحميل خريطة الزخرفة (تم إنشاؤه في الخطوة 1، 1) يمكن قراءتها من قبل البرنامج. مواقع جميع الطوابع استناداً إلى المسافة بكسل والخريطة الزخرفة، وترسل إلى السائر المحركات.
6. ضمان تركز على غيض بت ختم ليزر تدفئة وينشط فقط حين بت ختم تتحرك نحو وإلى العفن البلاستيك.
7. إنشاء التجاويف بالضغط قليلاً في البلاستيك مع اتباع الخريطة الزخرفة لتحقيق نمط هيميويكينج المرجوة.
8. إزالة العفن البلاستيك مختومة للسطح اللاحقة طلاء وتلميع.
9. البولندية على سطح من البلاستيك القالب استخدام حصى 9000، أدق الرطب/الجافة الصنفرة.
   ملاحظة: بدلاً من ذلك، الكاشطة الصغير-مش يمكن استخدام لضمان إزالة الرواسب السطحية أن قضية الآثار حول الأعمدة في العفن PDMS.

4-إنشاء صب PDMS

1. صب ز 2 من قاعدة الاستومر و 0.2 ز عامل علاج الاستومر في كوب وتخلط معا جيدا لمدة 3 دقيقة.
2. ضع الخليط في دائرة للذين تم إجلاؤهم الإفراج عن أي فقاعات الهواء اشتعلت في الخليط؛ قد تحتاج هذه الخطوة إلى تكرارها عدة مرات.
   ملاحظة: لعينات من مختلف متطلبات التخزين، قم بضبط مقدار عامل أساسي وعلاج حسب الحاجة مع الاحتفاظ بنسبة 10:1.
3. ضع العفن البلاستيك ختمها في حاوية مسورة، من الناحية المثالية لا أكبر بكثير من القطر الخارجي للقالب، عن علاج لتحدث.
4. صب خليط PDMS خالية من جيوب هوائية على البلاستيك ختمها وداخل الحاوية. صب في دوامة، بدءاً من وسط المنطقة المختوم، في محاولة لتوزيع الخليط PDMS التساوي قدر الإمكان.
5. كرر الخطوة 4، 2 أي جيوب الهواء التي قد شكلت من صب الخليط على نمط ختمها. وضع خليط PDMS وقطعة بلاستيكية مع نمط ختمها على صفيحة ساخنة والحرارة الجمعية العامة عند 100 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة. ثم الحرارة 25 دقيقة إضافية عند 65 درجة مئوية.
6. السماح الخليط PDMS باردة وعلاج لمدة 20 دقيقة قبل معالجة.
7. قطع حواف البلاستيك PDMS بعيداً عن الجدار الحاوية وإزالة البلاستيك PDMS من العفن. تخزين البلاستيك PDMS في حاوية مغطاة لتجنب ذرات الغبار من جمع على السطح.

5-إيداع المعدن غشاء رقيق في PDMS

1. ضع العينة PDMS داخل قاعة ترسب ترك مساحة كافية مصراع لفتحها وإغلاقها دون عائق.
2. ديبريسوريزي إلى الدائرة ترسب متور 10 على الأقل.
3. الانخراط في منظومة مضخة الجافة وتعيين معدل الدوران إلى كربم 75. تسمح الدائرة للوصول إلى ضغط يقارب 10^-8 ميلليمتر زئبق.
   ملاحظة: هذا سيؤدي إلى إزالة معظم الملوثات من الدائرة؛ قد تستغرق عملية يصل إلى 12 ساعة لإكمال.
4. السلطة على برودة والطاقة DC العرض وتعيين السلطة إلى 55 جورج
5. فتح صمام الأرجون قليلاً والضغط على الدائرة بترتيب 10^-3 ميلليمتر زئبق. تعيين كربم نظام 50 مضخة الجافة والانتظار حتى يتم تحقيق هذه السرعة المحددة.
6. الحد 35 واط من الطاقة، وديبريسوريزي إلى الدائرة متورر 13. فتح مصراع لتشعل البلازما وبدء تشغيل جهاز ضبط الوقت.
   ملاحظة: ينبغي إعطاء البلازما تشعل قبالة توهج زرقاء، المتوهجة. يجب تعيين جهاز ضبط الوقت للسمك المطلوب إيداع الفيلم. وقد تبين أنه من المتوقع بمعدل 7 نانومتر ترسب في الدقيقة 35 ث وضغط متور حوالي الساعة 13،.
7. سمك الفيلم المطلوب في حال تحققه، إغلاق مصراع الكاميرا وإيقاف إمدادات الطاقة.
8. قم بإغلاق جميع الصمامات داخل قاعة ترسب وإيقاف تشغيل نظام ضخ الجافة. إتاحة الوقت للمروحة مضخة الجاف للتوصل إلى وقف كامل.
9. ببطء الضغط الدائرة حتى يصل الضغط الجوي المحلي وإزالة العينة، تخزينه للتجارب المقبلة.

النتائج

ويقدم الشكل 1 تخطيطي لكيفية أن إنشاء إليه ختم العفن لهياكل فتل على العفن بلاستيك. للتحقيق في نوعية جهاز ختم في صناعة الأفلام فتل، تم إنشاؤها صفيفين دعامة مختلفة لتحليل نوعية الأعمدة لتجارب فتل مستقبلا. جوانب جهاز التحقيق بالدقة لارتفاع الأعمدة (مع وبدون ت...

Discussion

وقد أدخلت أسلوب لإنشاء صفائف الدعامة منقوشة للهياكل هيميويكينج؛ يتم ذلك عن طريق ولﻷخذ تجاويف على رقاقة بلاستيكية مع جهاز حفر الذي يلي الزخرفة من صورة نقطية تم إنشاؤها بواسطة المستخدم. ثم يسكب خليط PDMS، شُفي ومغطاة بطبقة رقيقة من الألمنيوم عن طريق الترسيب. يمكن تخصيص خصائص صفيف الأعمد...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
NI-DAQ 9403	National Instruments	370466AE-01	The communication interface between the camera and the control switch for the laser.
Control Switch	Crouzet	GN84134750	A controller to use for the laser that activates the laser based on the voltage sent by the DAQ.
Flea Camera	FLIR	FL3-U3-120S3C-C	A flea camera used for imaging the drill bit on the plastic mold.
Flea Imaging Camera	Point Grey	FL3-U3-20E4M-C	A flea camera used for obtaining the side images of the pillars.
200 Steps/rev, 12V-350mA Stepper Motor (x2)	AdaFruit	324	The stepper motors are used to control the depth and angle of the end mill.
10x Infinity Corrected Long Working Distance Objective	Mitutoyo	#46-144	The objective used to get the image of the side of the pillars.
15x Infinite Conjugate, UV Coated, ReflX Objective	TechSpec	#58-417	The objective used to get the image of the top of the pillars.
72002 0.002D X 0.006 LOC Carbide SQ 2FL Miniature End Mill	Harvey Tools	72002	The drill bit that was used to create holes in the plastic mold.
DC Power Delivery at 1 kW	Advanced Energy	MDX-1K	Used to power the deposition sputterer.
Turbo-V 70LP Nacro Torr Pump	Varian	9699336	Turbo Pump used to reduce pressure inside deposition chamber.
2000mw, 405nm High-Power Blue Light Focus Laser	WDLasers	KREE	Sample Heating Laser
5.875" I.D. Dessicator w/ 0.25" Tube Connections	McMaster-Carr	2204K5	PDMS Dessicator
SYLGARD 184 Silicone Elastomer, 0.5kg Kit	Dow-Corning	4019862	The PDMS Kit used to make the base.
Diaphragm Air Compressor / Vacuum Pump	Gast	DOL-701-AA	Dessicator Vacuum Pump
Motorized Linear Stages (2x)	Standa	8MT175	The stepper motors used to control the sample plate in the x- and y- direction.
2" Diameter Unmounted Poistive Achromatic Doublets, AR Coated: 400-700 nm	ThorLabs	AC508-150-A	The achromat was ued in order to obtain the images of the side of the pillars.
Flea 3 Mono  Camera, 2448 X 2048 Pixels	Point Grey	FL3-GE-50S5M-C	A flea camera used for imiaging the top of the pillars.
Digital Vacuum Transducer	Thyrcont Vacuum Instruments	4940-CF-212734	Used for monitoring pressure inside deposition chamber.
Pressurized Argon Tank Resovoir	Airgas	AR RP300	Gas used in deposition process.
1-D Translation Stage	Newport Corporation	TSX-1D	A translation stage used to move the camera to focus on the end mill.
Cylindrical Laser Mount (x2)	Newport Corporation	ULM-TILT-M	The laser mount was used to move the camera to focus on the end mill.
Benchtop Chiller with Centrifugal Pump, 120V, 60Hz	Polyscience	LS51MX1A110C	A chiller used for the deposition assembly.
Alcatel Adixen 2010SD XP, Explosion Proof Motor, Rotary Vane Vacuum Pump, 1-Phase	Ideal Vacuum Products	210SDMLAM-XP	A vacuum pump used for the deposition assembly.
Fan, 105 CFM, 115 V (x2)	Comair Rotron	MU2A1	A fan used for cooling certain aspects of the deposition assembly.