Procedimiento para la transferencia de películas de polímeros a sustratos porosos con defectos minimizados

Resumen

Presentamos un procedimiento para la transferencia altamente controlada y libre de arrugas de películas delgadas de copolímero de bloque sobre sustratos de soporte porosos utilizando una cámara de drenaje impresa en 3D. El diseño de la cámara de drenaje es de importancia general para todos los procedimientos que implican la transferencia de películas macromoleculares a sustratos porosos, que normalmente se hace a mano de una manera irreproducible.

Resumen

La fabricación de dispositivos que contienen membranas compuestas de película delgada requiere la transferencia de estas películas a las superficies de sustratos de soporte arbitrarios. Lograr esta transferencia de una manera altamente controlada, mecanizada y reproducible puede eliminar la creación de estructuras de defectos a escala de macros (por ejemplo, lágrimas, grietas y arrugas) dentro de la película delgada que comprometen el rendimiento del dispositivo y el área utilizable por muestra. Aquí, describimos un protocolo general para la transferencia altamente controlada y mecanizada de una película delgada polimérica a un sustrato de soporte poroso arbitrario para su uso eventual como dispositivo de membrana de filtración de agua. Específicamente, fabricamos una película delgada de copolímero de bloque (BCP) encima de una capa de poli(ácido acrílico) sacrificial y de silicio. A continuación, utilizamos una herramienta de transferencia impresa en 3D diseñada a medida y un sistema de cámara de drenaje para depositar, despegar y transferir la película delgada BCP al centro de un disco de soporte de óxido de aluminio anodizado poroso (AAO). La película delgada BCP transferida se muestra que se coloca constantemente en el centro de la superficie de soporte debido a la guía del menisco formado entre el agua y la cámara de drenaje de plástico impresa en 3D. También comparamos nuestras películas delgadas procesadas por transferencia mecanizadas con las que han sido transferidas a mano con el uso de pinzas. La inspección óptica y el análisis de imágenes de las películas delgadas transferidas del proceso mecanizado confirman que se producen pequeñas o ninguna inhomogeneidades de macroescala o deformaciones plásticas, en comparación con la multitud de lágrimas y arrugas producidas a partir de inhomogeneidades manuales transferencia a mano. Nuestros resultados sugieren que la estrategia propuesta para la transferencia de película delgada puede reducir los defectos en comparación con otros métodos en muchos sistemas y aplicaciones.

Introducción

Los dispositivos basados en películas delgadas y nanomembranas han despertado recientemente un amplio interés debido a su uso potencial en una amplia gama de aplicaciones, que van desde la fotovoltaica flexible y fotónica, las pantallas plegables y la electrónica portátil^{1, 2 , 3}. Un requisito para la fabricación de estos diversos tipos de dispositivos es la transferencia de películas delgadas a las superficies de sustratos arbitrarios, que sigue siendo difícil debido a la fragilidad de estas películas y la producción frecuente de defectos a escala de macros estructuras, tales como arrugas, grietas y lágrimas, dentro de las películas después de la transferencia^4,5,6,7. La transferencia manual a mano, las pinzas y los bucles de alambre son métodos comunes de transferencia de película delgada, pero inevitablemente dan lugar a incongruencias estructurales y deformación plástica^8,9. Se han explorado varios tipos de metodologías de transferencia de película delgada tales como: 1) transferencia de sello de polidimetilsiloxano (PDMS), que implica el uso de un sello elastomérico para obtener la película delgada del sustrato del donante y posteriormente transferirla al receptor sustrato¹⁰, y 2) transferencia de la capa de sacrificio¹¹, en la que se utiliza un etchant para disolver selectivamente una capa de sacrificio entre el sustrato de soporte y la película delgada, levantando así la película delgada. Sin embargo, estas técnicas por sí solas no permiten necesariamente la transferencia de película delgada sin incurrir en daños o formación de defectos dentro de las películas delgadas¹².

Aquí, presentamos un método de facil novedoso, de bajo costo y generalizable basado en el despegue de la capa de sacrificio y la transferencia guiada por menisco dentro de un sistema de cámara de drenaje impreso en 3D diseñado a medida, para colocar mecánicamente películas delgadas de copolímero de bloque (BCP) en las películas delgadas de bloque sin el centros de sustratos porosos como discos de óxido de aluminio anodizado (AAO) con estructuras de defectos de macroescala poco o nada incurridos, como arrugas, lágrimas y grietas. En el contexto actual, estas películas delgadas transferidas se pueden utilizar como dispositivos en estudios de filtración de agua, potencialmente después del procesamiento secuencial de síntesis de infiltración (SIS)⁹. El análisis de imágenes de películas transferidas obtenidas a partir de microscopía óptica muestra que el sistema de cámara de drenaje guiado por menisco proporciona muestras suaves, robustas y sin arrugas. Además, las imágenes también demuestran la capacidad del sistema para colocar de forma fiable las membranas de película delgada en los centros de los sustratos receptores. Nuestros resultados tienen implicaciones significativas para cualquier tipo de aplicación de dispositivo que requiera la transferencia de estructuras de película delgada a las superficies de sustratos porosos arbitrarios.

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Protocolo

1. Fabricación de la herramienta de transferencia y sistema de cámara de drenaje

1. Adjunto (Archivos complementarios1, 2) es el dibujo de ingeniería para el conjunto de la cámara de drenaje que consta de dos partes: superior e inferior. Modele este dispositivo de acuerdo con las especificaciones del sistema deseado (por ejemplo, el diámetro exterior del sustrato receptor) y exporte como un archivo STL para la impresión 3D.
2. Para la parte superior, utilice una impresora de filamentos de su elección e imprima en la resolución más baja posible, incluido el andamio siempre que sea necesario. Siga los parámetros recomendados de la impresora. También se recomienda imprimir la parte superior utilizando poli(ácido láctico) (PLA) para minimizar el desprendimiento de material.
3. Para la parte inferior, utilice una impresora de resina de inyección de tinta o una impresora de filamentos con una altura de construcción tan fina como 20 m.
   NOTA: PLA es un material adecuado que minimiza el desprendimiento de material.
4. Frote y limpie ambas piezas con agua desionizada, asegurando la eliminación de cualquier material de desprendimiento potencial del proceso de impresión. También se recomienda la sonicación en agua desionizada. Pruebe el enhebrado en las dos partes para garantizar un buen ajuste.
5. Complete la cámara de drenaje con una gran tamaño 117 de anillo tórteo de neopreno y tubos de los parámetros especificados en los documentos de apoyo ( Archivos suplementarios1, 2). En la Figura 1se muestra un esquema de todo el conjunto de la cámara de drenaje.
6. Imprima la herramienta de transferencia con cualquier impresora de filamentos con una resolución media a fina. Hay dos partes: abrazadera y brazo de carga.
   NOTA: Se recomienda encarecidamente que la herramienta de transferencia se imprima con poli(ácido láctico) (PLA), ya que otros plásticos pueden humedecerse mal y hacer que la oblea se moje inesperadamente.
7. Complete la abrazadera con un tornillo de tamaño 10 y luego conecte la abrazadera en un conector de laboratorio.

2. Deposición mecanizada inicial y despegue de membrana del sustrato del donante

1. Coloque un disco AAO de 25 mm de diámetro (o cualquier sustrato receptor poroso arbitrario de su elección) en la parte inferior de la cámara de drenaje. A continuación, coloque la placa tórica de neopreno en la parte superior del disco AAO y atornille la parte superior de la cámara de drenaje.
2. Enjuague y/o sonice la configuración varias veces con agua desionizada (DI). Esto ayuda a eliminar el polvo y/o las partículas restantes de la impresión 3D.
3. Coloque la pieza de oblea Si con la pila de polímeros transferible (oblea del donante) en el labio del brazo de carga de la herramienta de transferencia.
4. Llene la cámara de drenaje con 25 ml de agua DI.
5. Baje el gato de laboratorio para que la herramienta se sumerje lentamente en la rampa de entrada de la cámara de drenaje y para que el sustrato de silicio del donante se sumerde lentamente. Asegúrese de que la oblea esté sumergida lo suficiente para que la membrana se delare y despegue por completo del sustrato del donante subyacente.
   NOTA: El uso de una pieza de oblea Si sin contaminación por polvo garantizará una fácil separación del sustrato del donante.
6. Levante lentamente la herramienta de transferencia fuera del agua y muévala fuera del camino, asegurándose de no molestar a la membrana flotante.
7. Coax la membrana en la abertura de la cámara con pinzas. Colocar la pinza en agua delante de la membrana lo guiará debido a la tensión superficial. Tocar la membrana flotante en sí no es necesario y debe evitarse.

3. Transferencia guiada por menisco al sustrato del receptor con el sistema de cámara de drenaje

1. Conecte el tubo a la salida de la parte inferior de la cámara de drenaje. Conecte este tubo a una jeringa Luer-lock de 20 ml.
2. Obtenga una bomba de jeringa con la funcionalidad de retirada. Coloque la jeringa en la bomba y retire el agua a una velocidad de 1-2,5 ml/min hasta que se haya drenado toda el agua.
3. Después de 10 minutos, el agua debe retirarse completamente de la cámara de drenaje. Si todavía hay agua residual dentro de la cámara, vuelva a conectar la jeringa y el tubo y continúe retirando cualquier agua residual.
4. Después del drenaje completo del agua, la membrana ahora se colocará en el centro del sustrato receptor. Desconecte la cámara de drenaje de la bomba de la jeringa y desmonte la cámara de drenaje para retirar el sustrato receptor que contiene la membrana.
   NOTA: El proceso total, incluida la configuración, tarda 15 minutos en reducir el volumen de trabajo del agua y aumentar la tasa de drenaje puede acortar este proceso.
5. Deje que la muestra se seque completamente a temperatura ambiente antes de su uso posterior en cualquier aplicación.

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Resultados

Las muestras de membrana BCP se fabricaron de acuerdo con el procedimiento⁹descrito anteriormente. Las muestras se colocaron en el labio del brazo de carga de la herramienta de transferencia impresa en 3D (Figura1, izquierda) y posteriormente se bajaron, con un gato de laboratorio, en la rampa de entrada de la herramienta de cámara de drenaje impresa en 3D (Figura1,derecha). Una capa sacrificial de poli(?...

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Discusión

Si bien muchos de los pasos enumerados en este protocolo son cruciales para el éxito de la transferencia de película delgada, la naturaleza de la cámara de drenaje impresa en 3D diseñada a medida permite una amplia flexibilidad, de acuerdo con los requisitos específicos del usuario. Por ejemplo, si el sustrato del receptor tiene un diámetro mayor que los discos AAO de 25 mm de diámetro utilizados en este estudio, la cámara de drenaje se puede modificar adecuadamente para adaptarse a las nuevas especificaciones. S...

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Materiales

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