Verfahren zur Übertragung von Polymerfolien auf poröse Substrate mit minimierten Defekten

Zusammenfassung

Wir präsentieren ein Verfahren zur hochkontrollierten und faltenfreien Übertragung von Blockcopolymer-Dünnschichten auf poröse Stützsubstrate mit einer 3D-gedruckten Abflusskammer. Die Drainagekammerkonstruktion ist von allgemeiner Bedeutung für alle Verfahren, bei denen makromolekulare Filme auf poröse Substrate übertragen werden, was normalerweise von Hand in unwiederbringlicher Weise erfolgt.

Zusammenfassung

Die Herstellung von Vorrichtungen, die Dünnschichtverbundmembranen enthalten, erfordert die Übertragung dieser Folien auf die Oberflächen beliebiger Stützsubstrate. Durch die Durchführung dieser Übertragung in einer hochkontrollierten, mechanisierten und reproduzierbaren Weise kann die Erstellung von makroskaligen Defektstrukturen (z. B. Risse, Risse und Falten) innerhalb des dünnschichtigen Films, der die Geräteleistung und den nutzbaren Bereich beeinträchtigt, eliminiert werden. pro Probe. Hier beschreiben wir ein allgemeines Protokoll für den hochkontrollierten und mechanisierten Transfer eines polymeren Dünnfilms auf ein beliebiges poröses Stützsubstrat für den eventuellen Einsatz als Wasserfiltrationsmembrangerät. Insbesondere fertigen wir einen Blockcopolymer (BCP) Dünnschicht auf einer opferreichen, wasserlöslichen Poly(Acrylsäure) (PAA) Schicht und Siliziumwafersubstrat. Wir verwenden dann ein maßgeschneidertes, 3D-gedrucktes Transferwerkzeug und Abflusskammersystem, um den BCP-Dünnfilm auf die Mitte einer porösen eloxierten Aluminiumoxid-Trägerscheibe (AAO) zu legen, abzuheben und zu übertragen. Der übertragene BCP-Dünnfilm wird durch die Führung des zwischen dem Wasser und der 3D-gedruckten Kunststoffabflusskammer gebildeten Meniskus konsequent auf die Mitte der Stützfläche gelegt. Wir vergleichen auch unsere mechanisierten transferverarbeiteten Dünnschichten mit denen, die von Hand mit der Verwendung von Pinzetten übertragen wurden. Optische Inspektion und Bildanalyse der übertragenen Dünnschichten aus dem mechanisierten Verfahren bestätigen, dass im Vergleich zur Vielzahl von Rissen und Falten aus manuellen Übertragung von Hand. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die vorgeschlagene Strategie für den Dünnschichttransfer Fehler reduzieren kann, wenn sie mit anderen Methoden in vielen Systemen und Anwendungen verglichen wird.

Einleitung

Dünnschicht- und Nanomembran-basierte Geräte haben in letzter Zeit großes Interesse geweckt, da sie in einer breiten Palette von Anwendungen eingesetzt werden können, von flexibler Photovoltaik und Photonik, faltbaren Displays bis hin zu tragbarer Elektronik^{1, 2 , 3}. Voraussetzung für die Herstellung dieser verschiedenen Gerätetypen ist die Übertragung von dünner Folien auf die Oberflächen beliebiger Substrate, die aufgrund der Fragilität dieser Folien und der häufigen Herstellung von Makroschuppendefekten weiterhin eine Herausforderung darstellen. Strukturen, wie Falten, Risse und Risse, innerhalb der Filme nach der Übertragung^4,5,6,7. Manuelle Übertragung von Hand, Pinzette und Drahtschleifen sind gängige Methoden der Dünnschichtübertragung, führen aber unweigerlich zu strukturellen Inkongruenz und plastischer Verformung^8,9. Es wurden verschiedene Arten von Dünnschichttransfermethoden untersucht, wie z. B.: 1) Polydimethylsiloxan (PDMS) Stempelübertragung, bei der ein elastomerer Stempel verwendet wird, um den Dünnfilm aus dem Spendersubstrat zu erhalten und anschließend an den Empfänger zu übertragen. Substrat¹⁰, und 2) Opferschichttransfer¹¹, bei dem ein Etchant verwendet wird, um selektiv eine Opferschicht zwischen dem Stützsubstrat und dem dünnschichtigen aufzulösen und dabei den dünnen Film abzulösen. Diese Techniken allein erlauben jedoch nicht notwendigerweise einen Dünnschichttransfer, ohne dass die Bildung oder Diefehlerbildung innerhalb der Dünnschichten beschädigt wird¹².

Hier präsentieren wir eine neuartige, kostengünstige und verallgemeinerbare einfache Methode, die auf Opferschichtabhebe- und Meniskus-geführten Transfer innerhalb eines kundenspezifischen, 3D-gedruckten Abflusskammersystems basiert, um Blockcopolymer (BCP) dünnzupfern, um Zentren von porösen Substraten wie eloxierte Aluminiumoxid -Scheiben (AAO) mit wenig bis gar keinen angefallenen makroskaligen Defektstrukturen wie Falten, Rissen und Rissen. Im vorliegenden Kontext können diese übertragenen Dünnschichten dann als Geräte in Wasserfiltrationsstudien eingesetzt werden, möglicherweise nach sequenzieller Infiltrationssynthese (SIS) Verarbeitung⁹. Die Bildanalyse von übertragenen Filmen aus der optischen Mikroskopie zeigt, dass das meniskusgeführte, abflusskammergeführte System glatte, robuste und faltenfreie Proben liefert. Darüber hinaus zeigen die Bilder auch die Fähigkeit des Systems, die Dünnschichtmembranen zuverlässig auf die Zentren der aufnehmenden Substrate zu legen. Unsere Ergebnisse haben erhebliche Auswirkungen auf jede Art von Geräteanwendung, die die Übertragung von Dünnschichtstrukturen auf die Oberflächen beliebiger poröser Substrate erfordert.

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Protokoll

1. Herstellung des Transferwerkzeugs und des Abflusskammersystems

1. Angefügt (Ergänzende Dateien 1, 2) ist die Konstruktionszeichnung für die Abflusskammerbaugruppe, die aus zwei Teilen besteht: oben und unten. Modellieren Sie dieses Gerät nach den Spezifikationen des gewünschten Systems (z.B. außendurchmesser des aufnehmenden Substrats) und exportieren Sie es als STL-Datei für den 3D-Druck.
2. Verwenden Sie für das obere Teil einen Filamentdrucker der Wahl und drucken Sie in der niedrigstmöglichen Auflösung, einschließlich Gerüst, wo immer nötig. Halten Sie sich an die empfohlenen Parameter des Druckers. Es wird auch empfohlen, das obere Teil mit Poly(Milchsäure) (PLA) zu drucken, um Materialabwurf zu minimieren.
3. Verwenden Sie für das untere Teil einen Tintenstrahlharzdrucker oder Einen Filamentdrucker mit einer Bauhöhe von bis zu 20 m.
   HINWEIS: PLA ist ein geeignetes Material, das Materialabwurf minimiert.
4. Scheuern und reinigen Sie beide Teile mit entionisiertem Wasser, um die Entfernung von potentiellem Vergießen von Material aus dem Druckprozess zu gewährleisten. Ultraschall in entionisiertem Wasser wird ebenfalls empfohlen. Testen Sie das Gewinde an den beiden Teilen, um eine gute Passform zu gewährleisten.
5. Vervollständigen Sie die Abflusskammer mit einem Neopren-O-Ring der Größe 117 und Schläuchen der in den Belegen angegebenen Parameter (Ergänzende Dateien 1, 2). Ein Schaltplan der gesamten Abflusskammerbaugruppe ist in Abbildung 1dargestellt.
6. Drucken Sie das Übertragungswerkzeug mit einem beliebigen Filamentdrucker mit mittlerer bis feiner Auflösung. Es gibt zwei Teile: Klemme und Ladearm.
   HINWEIS: Es wird dringend empfohlen, das Transferwerkzeug mit Poly(Milchsäure) (PLA) zu drucken, da andere Kunststoffe schlecht benetzt werden können und dazu führen, dass der Wafer unerwartet nass wird.
7. Vervollständigen Sie die Klemme mit einer Schraube der Größe 10 und befestigen Sie die Klemme dann an einer Laborbuchse.

2. Anfängliche mechanisierte Ablagerung und Membranabheber aus dem Spendersubstrat

1. Legen Sie eine nackte AAO-Scheibe mit 25 mm Durchmesser (oder ein beliebiges poröses Empfängersubstrat nach Wahl) auf den unteren Teil der Abflusskammer. Legen Sie dann den Neopren-O-Ring auf die AAO-Scheibe und schrauben Sie ihn am oberen Teil der Abflusskammer.
2. Spülen und/oder beschallen Sie das Setup mehrmals mit deionisiertem (DI) Wasser. Dies hilft, Staub und/oder Restpartikel aus dem 3D-Druck zu entfernen.
3. Legen Sie das Stück Si-Wafer mit dem übertragbaren Polymerstapel (Spenderwafer) auf die Lippe des Transferwerkzeug-Ladearms.
4. Füllen Sie die Abflusskammer mit 25 ml DI-Wasser.
5. Senken Sie die Laborbuchse, so dass das Werkzeug langsam in die Eingangsrampe der Abflusskammer getaucht wird und das Spendersiliziumsubstrat langsam untergetaucht wird. Stellen Sie sicher, dass der Wafer ausreichend untergetaucht ist, damit die Membran vollständig des enmittiert und vom darunter liegenden Spendersubstrat abhebt.
   HINWEIS: Die Verwendung eines Si-Wafers ohne Staubkontamination gewährleistet eine einfache Trennung vom Spendersubstrat.
6. Heben Sie das Transferwerkzeug langsam aus dem Wasser und bewegen Sie es aus dem Weg, um sicherzustellen, dass die schwimmende Membran nicht gestört wird.
7. Koax die Membran in die Öffnung der Kammer mit Pinzette. Das Platzieren der Pinzette in Wasser vor der Membran führt sie aufgrund der Oberflächenspannung. Das Berühren der schwimmenden Membran selbst ist nicht notwendig und sollte vermieden werden.

3. Meniskus-geführte Übertragung auf Empfängersubstrat mit dem Abflusskammersystem

1. Schließen Sie Schläuche an den Auslass des unteren Teils der Abflusskammer an. Befestigen Sie diesen Schlauch an einer 20 ml Luer-Lock Spritze.
2. Besorgen Sie sich eine Spritzenpumpe mit der Zurückgezogensfunktion. Legen Sie die Spritze auf die Pumpe und ziehen Sie Wasser mit einer Rate von 1-2,5 ml/min ab, bis das gesamte Wasser abgelassen ist.
3. Nach 10 min sollte das Wasser vollständig aus der Abflusskammer entfernt werden. Wenn sich noch Restwasser in der Kammer befindet, schließen Sie die Spritze und den Schlauch wieder an und ziehen Sie weiterhin Restwasser ab.
4. Nach vollständiger Entwässerung des Wassers wird die Membran nun in der Mitte des Empfängersubstrats platziert. Trennen Sie die Abflusskammer von der Spritzenpumpe und zerlegen Sie die Abflusskammer, um das Empfängersubstrat zu entfernen, das die Membran enthält.
   HINWEIS: Der gesamte Prozess einschließlich Einrichtung dauert 15 min. Eine Reduzierung des Arbeitsvolumens von Wasser und eine Erhöhung der Abflussrate kann diesen Prozess verkürzen.
5. Lassen Sie die Probe vollständig bei Raumtemperatur trocknen, bevor Sie sie in beliebiger Anwendung verwenden.

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Ergebnisse

Die BCP-Membranproben wurden nach dem zuvor beschriebenen Verfahren⁹hergestellt. Die Proben wurden auf die Lippe des Ladearms des 3D-gedruckten Transferwerkzeugs (Abbildung1, links) gelegt und anschließend mit einer Laborbuchse auf die Eingangsrampe des 3D-gedruckten Ablasskammerwerkzeugs abgesenkt (Abbildung1, rechts). Eine Opferschicht aus Poly(Acrylsäure) (PAA) zwischen der BCP-Membran und dem darunte...

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Diskussion

Während viele der in diesem Protokoll aufgeführten Schritte entscheidend für den Erfolg des Dünnschichttransfers sind, ermöglicht die Art der kundenspezifischen 3D-gedruckten Abflusskammer eine breite Flexibilität, je nach den spezifischen Anforderungen des Benutzers. Wenn das Empfängersubstrat beispielsweise einen größeren Durchmesser als die in dieser Studie verwendeten AAO-Scheiben mit 25 mm Durchmesser hat, kann die Abflusskammer entsprechend den neuen Spezifikationen angepasst werden. Es gibt jedoch einige ...

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Materialien

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