Polimer filmlerin küçültülmüş kusurlarla gözenekli substratlar üzerine aktarımı için prosedür

Özet

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.

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 elektronik^1, 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 içinde^4,5,6,7. 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.

Protokol

1. transfer aleti ve drenaj odası sisteminin imalatı

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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

1. 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.
2. 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.
3. Si gofret parçasını, Transfer aleti yükleme kolunun dudakına aktarılabilir polimer yığını (donör gofret) ile yerleştirin.
4. Drenaj odasını 25 mL su ile doldurun.
5. 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.
6. Yavaşça su üzerinden transfer aracı yükseltmek ve yol dışarı hareket, emin yüzen membran rahatsız değil yapma.
7. 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

1. Drenaj odasının alt kısmının çıkışına boru bağlayın. Bu tüpü 20 mL Luer-Lock şırıngaya takın.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Herhangi bir uygulamada daha fazla kullanmadan önce numunenin oda sıcaklığında tamamen kurumasına izin verin.

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 kur...

Tartışmalar

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 protokol?...

Malzemeler

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