聚合物薄膜在多孔基板上的转移程序,具有最小化的缺陷

摘要

我们提出了一种使用 3D 打印排放室将块共聚物薄膜转移到多孔支撑基板上的高度受控和无皱程序。排水室设计与涉及将大分子薄膜转移到多孔基板上的所有程序具有一般相关性,通常以不可重复的方式手工完成。

摘要

制造含有薄膜复合膜的装置需要将这些薄膜转移到任意支撑基板的表面。以高度可控、机械化和可重复的方式完成此传输,可以消除在薄膜内产生影响器件性能和可用区域的宏观缺陷结构(例如,撕裂、裂纹和皱纹)每个样品。在这里,我们描述了一个高度控制和机械化地将聚合物薄膜转移到任意多孔支撑基板上的通用协议,以便最终用作水过滤膜装置。具体来说,我们在牺牲性水溶性聚(丙烯酸)层和硅晶片基板之上制造块共聚物(BCP)薄膜。然后,我们使用定制设计的 3D 打印传输工具和排放室系统将 BCP 薄膜沉积、提升并将薄膜转移到多孔阳极氧化铝 (AAO) 支撑盘的中心。由于水和 3D 打印塑料排水室之间形成的半月板的引导,可显示转移的 BCP 薄膜始终放置在支撑表面的中心。我们还将我们的机械化转移处理薄膜与手工转让的薄膜与使用钳子进行比较。从机械化工艺中转移的薄膜的光学检测和图像分析证实,与手动产生的大量眼泪和皱纹相比,几乎不产生大尺度不均匀或塑性变形用手转移。我们的结果表明,与许多系统和应用中的其他方法相比,提出的薄膜转移策略可以减少缺陷。

引言

薄膜和纳米膜器件最近引起了广泛的兴趣,因为它们有可能用于广泛的应用,包括柔性光伏和光子、可折叠显示器和可穿戴电子产品^1。2,3.制造这些各类装置的一项要求是将薄膜转移到任意基板的表面,由于这些薄膜的脆弱性和宏观缺陷的频繁生产,这仍然具有挑战性结构,如皱纹,裂缝,和眼泪,在薄膜内转移^{后转移4,5,6,7。}手工手移、钳子和线环是薄膜转移的常用方法,但不可避免地会导致结构不协调、塑性变形8、9。已经探索了各种类型的薄膜转移方法,例如:1) 聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 邮票转移,这涉及使用弹性邮票从供体基质获得薄膜,然后转移到接收基^板10和2)牺牲层^转移11,其中蚀刻剂用于选择性地溶解支撑基板和薄膜之间的牺牲层,从而解除薄膜。然而,这些技术本身并不一定允许薄膜转移,而不会对^薄膜12内造成损伤或缺陷形成。

在这里,我们展示了一种基于牺牲层提升和半月板引导转移的新型、低成本和通用的易感方法,采用定制设计的 3D 打印排放室系统,以机械方式将块共聚物 (BCP) 薄膜放置在多孔基板的中心,如阳极氧化铝(AAO)盘,具有很少到无的宏观缺陷结构,如皱纹、撕裂和裂纹。在目前的情况下,这些转移的薄膜然后可用作设备在水过滤研究,有可能在顺序渗透合成(SIS)处理9。从光学显微镜获得的转移膜的图像分析表明,半月板引导的漏室系统提供平滑、坚固和无皱的样品。此外,这些图像还展示了系统能够可靠地将薄膜膜放置在接收基板的中心。我们的结果对需要将薄膜结构转移到任意多孔基板表面的任何类型的器件应用都有着重要影响。

研究方案

1. 输送工具和排水室系统的制造

1. 附件(补充文件1,2)是排水室组件的工程图纸,由顶部和底部两部分组成。 根据所需系统的规格(例如接收基板的外径)对本器件进行建模,并作为 STL 文件导出,用于 3D 打印。
2. 对于顶部部分,使用首选的灯丝打印机,并尽可能以最低分辨率打印,包括必要时的脚手架。遵守打印机的建议参数。还建议使用聚(乳酸)(PLA)打印顶部部件,以尽量减少材料脱落。
3. 对于底部部分,使用喷墨树脂打印机或长丝打印机,其构建高度为 20 μm。
   注:PLA 是一种合适的材料,可最大限度地减少材料脱落。
4. 用去离子水擦洗和清洁这两个部件,确保去除印刷过程中任何潜在的脱落材料。也建议在去离子水中进行声波。测试两个部件的螺纹,以确保良好的配合。
5. 用117个氯丁丁鱼O环和油管完成排水室,并记录在证明文件中指定的参数(补充文件1,2)。 图 1显示了整个排放室组件的示意图。
6. 使用任何细丝打印机以中等到精细分辨率打印传输工具。有两个部分:夹具和装载臂。
   注:强烈建议使用聚(乳酸)(PLA)打印转移工具,因为其他塑料可能湿透不良,导致晶圆意外变湿。
7. 用 10 号螺钉完成夹具,然后将夹具连接到实验室千斤顶。

2. 初始机械化沉积和从供体基板的膜提升

1. 将裸露的 25 mm 直径 AAO 盘(或任何任意多孔接收器基板)放在排放室的底部。然后,将氯丁丁O型环放在 AAO 盘的顶部,并拧在排放室的顶部。
2. 使用去离子 (DI) 水多次冲洗和/或声波设置。这有助于清除 3D 打印过程中的任何灰尘和/或任何残留的颗粒物。
3. 将带有可转移聚合物堆栈(捐赠晶圆)的 Si 晶圆片放在转移工具加载臂的唇上。
4. 向排水室注加 25 mL 的 DI 水。
5. 降低实验室千斤顶,使工具缓慢地浸入排水室的入口斜坡,并缓慢地淹没供体硅基板。确保晶圆浸没充分,使膜完全分层,并从底层供体基板中脱脱。
   注:使用一块无灰尘污染的Si晶圆将确保易于与供体基板分离。
6. 慢慢将转移工具从水中提起并移开,确保不会干扰浮膜。
7. 用钳子将膜插入室的开口。由于表面张力,将钳水放在膜前,将引导它。触摸浮膜本身是没有必要的,应避免。

3. 使用排水室系统将 Meniscus 引导传输到接收器基板

1. 将油管连接到排放室底部部分的出口。将此管连接到 20 mL Luer 锁注射器上。
2. 获得具有抽吸功能的注射器泵。将注射器放在泵上,以 1-2.5 mL/min 的速度倒水,直到所有水都排干。
3. 10分钟后,应从排水室完全取出水。如果腔室内仍有残留水,请重新连接注射器和管道,并继续提取任何残留水。
4. 水完全排水后,膜将放置在接收器基板的中心。从注射器泵上断开排放室,并拆卸排放室以移除包含膜的接收器基板。
   注:包括设置在内的整个过程需要约15分钟。减少水的工作量和提高排水速率可以缩短这个过程。
5. 在任何应用中进一步使用之前,让样品在室温下完全干燥。

结果

BCP膜样品是按照前面描述^的程序9制造的。样品被放置在3D打印传输工具的加载臂的唇上(图1,左),然后用实验室千斤顶将样品降低到3D打印的排水室工具的入口坡道上(图1,右图)。BCP膜与底层供体硅基板之间的聚酸(PAA)牺牲层溶解在排水室内的水中,形成浮乙基膜。然后,操作注射器泵(图2,底部)...

讨论

虽然该协议中列出的许多步骤对于薄膜传输的成功至关重要,但定制设计的 3D 打印排放室的性质允许根据用户的具体要求实现广泛的灵活性。例如,如果接收器基板的直径大于本研究中使用的 25 mm 直径 AAO 盘,则可以对排放室进行适当修改以适应新的规格。但是,协议的某些方面对于确保有效的传输结果是必要的。

为转移工具和排放室选择 3D 打印材料对于该协议的成功非常重要?...

材料

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