Name: procedure for the transfer of polymer films onto porous substrates with minimized defects
Uploaded: 2019-06-22T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Procedure for the Transfer of Polymer Films Onto Porous Substrates with Minimized Defects at JoVE.com

Ce travail a été soutenu dans le cadre du Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Center, un Centre de recherche sur la frontière énergétique financé par le Département de l'énergie des États-Unis, Office of Science, Basic Energy Sciences. Nous remercions les discussions utiles avec Mark Stoykovich et Paul Nealey.

1. Fabrication de l'outil de transfert et du système de chambre de vidange
<ol><li>Ci-joint (Dossiers supplémentaires 1, 2) est le dessin d'ingénierie pour l'assemblage de la chambre de vidange composé de deux parties: haut et bas. Modélisez ce dispositif selon les spécifications du système désiré (p. ex., le diamètre extérieur du substrat récepteur) et exportez comme fichier STL pour l'impression 3D.</li>
	<li>Pour la partie supérieure, utilisez une imprimante filament de...

<ol>
	<li>Shah, A., Torres, P., Tscharner, R., Wyrsch, N., Keppner, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photovoltaic+technology:+the+case+for+thin-film+solar+cells.">Photovoltaic technology: the case for thin-film solar cells.</a> Science. 285 (5428), 692-698 (1999).</li><li>Kim, T. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Full-colour+quantum+dot+displays+fabricated+by+transfer+printing.">Full-colour quantum dot displays fabricated by transfer printing.</a> Nat. Photon. 5 (3), 176 (2011).</li><li>Nomura, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Room-temperature+fabrication+of+transparent+flexible+thin-film+transistors+using+amorphous+oxide+semiconductors.">Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors.</a> Nature. 432 (7016), 488 (2004).</li><li>Pirkle, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+chemical+residues+on+the+physical+and+electrical+properties+of+chemical+vapor+deposited+graphene+transferred+to+SiO2.">The effect of chemical residues on the physical and electrical properties of chemical vapor deposited graphene transferred to SiO2.</a> Applied Physics Letters. 99 (12), 122108-122110 (2011).</li><li>Chae, S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+of+large-area+graphene+layers+on+poly-nickel+substrate+by+chemical+vapor+deposition:+wrinkle+formation.">Synthesis of large-area graphene layers on poly-nickel substrate by chemical vapor deposition: wrinkle formation.</a> Advanced Materials. 21 (22), 2328-2333 (2009).</li><li>Zhu, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structure+and+electronic+transport+in+graphene+wrinkles.">Structure and electronic transport in graphene wrinkles.</a> Nano Letters. 12 (7), 3431-3436 (2012).</li><li>Paronyan, T. M., Pigos, E. M., Chen, G., Harutyunyan, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+ripples+in+graphene+as+a+result+of+interfacial+instabilities.">Formation of ripples in graphene as a result of interfacial instabilities.</a> ACS Nano. 5 (12), 9619-9627 (2011).</li><li>Stadermann, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+large-area+free-standing+ultrathin+polymer+films.">Fabrication of large-area free-standing ultrathin polymer films.</a> Journal of Visualized Experiments : JoVE. (100), e52832 (2015).</li><li>Zhou, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+Nanoporous+Alumina+Ultrafiltration+Membrane+with+Tunable+Pore+Size+Using+Block+Copolymer+Templates.">Fabrication of Nanoporous Alumina Ultrafiltration Membrane with Tunable Pore Size Using Block Copolymer Templates.</a> Advanced Functional Materials. 27 (34), 1701756 (2017).</li><li>Meitl, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transfer+printing+by+kinetic+control+of+adhesion+to+an+elastomeric+stamp.">Transfer printing by kinetic control of adhesion to an elastomeric stamp.</a> Nature Materials. 5 (1), 33 (2006).</li><li>Suk, J. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transfer+of+CVD-grown+monolayer+graphene+onto+arbitrary+substrates.">Transfer of CVD-grown monolayer graphene onto arbitrary substrates.</a> ACS Nano. 5 (9), 6916-6924 (2011).</li><li>Chen, Y., Gong, X. L., Gai, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Progress+and+Challenges+in+Transfer+of+Large-Area+Graphene+Films.">Progress and Challenges in Transfer of Large-Area Graphene Films.</a> Advanced Science. 3 (8), 1500343 (2016).</li></ol>

Alors que bon nombre des étapes énumérées dans ce protocole sont cruciales pour le succès du transfert de film mince, la nature de la chambre de vidange imprimée 3D conçue sur mesure permet une grande flexibilité, selon les exigences spécifiques de l'utilisateur. Par exemple, si le substrat du récepteur a un diamètre plus grand que les disques AAO de 25 mm de diamètre utilisés dans cette étude, la chambre de vidange peut être modifiée de façon appropriée pour s'adapter aux nouvelles spécifications. Cep...

Les dispositifs à film mince et à base de nanomembrane ont récemment suscité un grand intérêt en raison de leur utilisation potentielle dans un large éventail d'applications, allant du photovoltaïque flexible et de la photonique, des écrans pliables et de l'électronique portable1, 2 (en) , 3. Une exigence pour la fabrication de ces différents types d'appareils est le transfert de couches minces à la surface de substrats arbitraires, ce qui reste difficile en raison de la fragilité de ces films et de la production fréquente de défauts macro-échelles structures, telles que les rides, les fissures et les larmes, dans les films après le transfert4,5,6,7. Le transfert manuel à la main, les pinces et les boucles de fil sont des méthodes courantes de transfert de film mince, mais entraînent inévitablement des incongruités structurelles et une déformation plastique8,9. Divers types de méthodes de transfert de pellicules minces ont été explorées telles que : 1) le transfert de timbres polydiméthylsiloxane (PDMS), qui implique l'utilisation d'un timbre élastomérique pour obtenir la pellicule mince du substrat du donneur et ensuite transférer à la réception substrat10, et 2) transfert de couche sacrificielle11, dans lequel un etchant est utilisé pour dissoudre sélectivement une couche sacrificielle entre le substrat de soutien et le film mince, soulevant ainsi le film mince. Cependant, ces techniques à elles seules ne permettent pas nécessairement le transfert de film mince sans encourir des dommages ou la formation de défaut dans les films minces12.
Ici, nous présentons une méthode nouvelle, peu coûteuse et facile et généralisable basée sur le décollage de la couche sacrificielle et le transfert guidé par le ménisque dans un système de chambre de vidange imprimé en 3D sur mesure, pour placer mécaniquement des films minces de copolymère de bloc (BCP) sur le les centres des substrats poreux tels que les disques anodisés d'oxyde d'aluminium (AAO) avec peu ou pas les structures de défaut macroscale encourues, telles que des rides, des déchirures, et des fissures. Dans le contexte actuel, ces couches minces transférées peuvent alors être utilisées comme dispositifs dans les études de filtration de l'eau, potentiellement après le traitement de synthèse par infiltration séquentielle (SIS)9. L'analyse d'images de films transférés obtenus à partir d'une microscopie optique montre que le système de chambre de vidange guidé par le ménisque fournit des échantillons lisses, robustes et sans rides. En outre, les images démontrent également la capacité du système à placer de manière fiable les membranes minces du film sur les centres des substrats récepteurs. Nos résultats ont des implications significatives pour tout type d'application de dispositif exigeant le transfert des structures minces de film sur les surfaces des substrats poreux arbitraires.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:631px;" width="631">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:264px;">35% sodium polyacrylic acid solution</td>
			<td style="width:73px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:123px;">9003-01-4&#160;&#160;</td>
			<td style="width:171px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:264px;">Amicon Stirred Cell model 8010 10mL</td>
			<td style="width:73px;">Millipore</td>
			<td style="width:123px;">5121</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:264px;">Anodized aluminum oxide, 0.2u thickness, 25mm diameter</td>
			<td style="width:73px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:123px;">WHA68096022</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:264px;">o ring neoprene 117</td>
			<td style="width:73px;">Grainger</td>
			<td>1BUV7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:264px;">Objet500 Connex3 3D Printer</td>
			<td style="width:73px;">Stratasys</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:264px;">Onshape 3D software</td>
			<td style="width:73px;">onshape</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:264px;">Polylactic acid filament</td>
			<td style="width:73px;">Ultimaker</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:264px;">ultimaker3 3d filament printer</td>
			<td style="width:73px;">Ultimaker</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:264px;">Vero Family printable materials</td>
			<td style="width:73px;">Stratasys</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

procedure for the transfer of polymer films onto porous substrates with minimized defects

La fabrication d'appareils contenant de fines membranes composites de film nécessite le transfert de ces films sur les surfaces de substrats de soutien arbitraires. Accomplir ce transfert d'une manière hautement contrôlée, mécanisée et reproductible peut éliminer la création de structures de défauts macro-échelle (p. ex. déchirures, fissures et rides) dans le film mince qui compromet les performances de l'appareil et la zone utilisable. par échantillon. Ici, nous décrivons un protocole général pour le transfert fortement commandé et mécanisé d'un film mince polymère sur un substrat poreux arbitraire de support pour l'utilisation éventuelle comme dispositif de membrane de filtration d'eau. Plus précisément, nous fabriquons un copolymère de bloc (BCP) film mince sur le dessus d'un sacrifice, soluble dans l'eau poly (acide acrylique) (PAA) couche et substrat de plaquette de silicium. Nous utilisons ensuite un outil de transfert imprimé sur mesure et imprimé en 3D et un système de chambre de vidange pour déposer, décoller et transférer le film mince BCP sur le centre d'un disque de support poreuse d'oxyde d'aluminium anodisé (AAO). Le film mince DE BCP transféré est montré pour être uniformément placé sur le centre de la surface de support en raison de la conduite du ménisque formé entre l'eau et la chambre de vidange en plastique 3D-imprimée. Nous comparons également nos films minces traités par transfert mécanisé à ceux qui ont été transférés à la main avec l'utilisation de pinces à épiler. L'inspection optique et l'analyse d'image des films minces transférés du processus mécanisé confirment que peu ou pas d'inhomogénéités macro-échelles ou de déformations plastiques sont produites, par rapport à la multitude de larmes et de rides produites à partir de manuels transfert à la main. Nos résultats suggèrent que la stratégie proposée pour le transfert de film mince peut réduire les défauts par rapport à d'autres méthodes dans de nombreux systèmes et applications.

Les échantillons de membrane DE BCP ont été fabriqués selon la procédureprécédemmentdécrite 9. Les échantillons ont été placés sur la lèvre du bras de chargement de l'outil de transfert imprimé en 3D (figure1, à gauche) et ensuite abaissés, avec une prise de laboratoire, sur la rampe d'entrée de l'outil de chambre de vidange imprimé en 3D (figure 1, à droite). Une couche sacrificielle de...

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Procedure for the Transfer of Polymer Films Onto Porous Substrates with Minimized Defects

Nous présentons une procédure pour le transfert fortement commandé et sans ride des films minces de copolymère de bloc sur les substrats poreux de support utilisant une chambre de vidange 3D-imprimée. La conception de la chambre de vidange est d'intérêt général pour toutes les procédures impliquant le transfert de films macromoléculaires sur des substrats poreux, ce qui est normalement fait à la main d'une manière irréproductible.

Procédure pour le transfert de films polymères sur des substrats poreux avec des défauts minimisés

The fabrication of devices containing thin film composite membranes necessitates the transfer of these films onto the surfaces of arbitrary support ...

Pour étudier les films minces en polymère dans les applications membranaires, les matériaux doivent être transférés d’un substrat poli et lisse à des substrats poreux d’une manière qui ne se plie pas, ne se froisse pas, ne se déchire pas ou ne déforme pas plastiquement le film. Cette vidéo décrit une chambre de vidange imprimable 3D conçue pour atteindre cet objectif et concerne les étapes quatre à six dans le flux de processus montré ici. Les échantillons utilisés dans ce travail se composent de substrats de gaufrettes de silicium dans lesquels sont enrobés d’une pile d’acide polyacrylique soluble dans l’eau suivi d’un tapis de copolymère aléatoire et d’un bloc de polystyrène polyméthyle bloc copolymère bloc.L’objectif des étapes quatre à six est de transférer ce copolymère de bloc de formation de pore de la plaquette de silicium sur une membrane poreuse d’oxyde d’aluminium anodisé pour permettre la transformation suivante en dispositif fonctionnel de filtration. La chambre de vidange se compose d’une rampe supérieure qui permet l’introduction de la pile de film polymère et d’une partie inférieure qui détient le substrat poreux et l’eau déionisée. La partie supérieure est imprimée à partir de PLA à partir d’une imprimante filament, et la partie inférieure a été imprimée à partir d’une imprimante 3D à jet d’encre.Un outil de transfert d’échantillons est également imprimé à partir de PLA à l’aide de l’imprimante filament. La première partie se fixe à une prise de laboratoire afin que l’échantillon puisse être soulevé et abaissé en douceur et sans vibrations des mouvements de la main. La deuxième partie maintient la plaquette BCP en place.Avec cela, le processus de transfert peut commencer. Tout d’abord, l’outil BCP est assemblé. La partie de pince est filetée de sorte qu’une vis peut la fixer à la prise de laboratoire.Le substrat anodisé d’oxyde d’aluminium est ensuite placé à l’intérieur de la partie inférieure de la chambre de vidange à l’aide de forceps. Ensuite, un anneau en caoutchouc O est inséré pour assurer un joint étanche. La partie de rampe de la chambre de vidange est vissée sur étroitement.Enfin, des tuyaux en vinyle transparent sont fixés au bec à la partie inférieure de la chambre de drainage et à l’autre extrémité de la seringue qui se trouve à l’intérieur d’une pompe à seringues pour pouvoir contrôler le taux de drainage. Ensuite, la gaufrette de silicium avec la pile de polymères est placée sur l’outil de transfert, et la chambre de vidange est également remplie d’eau déionisée. La gaufrette de silicium est ensuite abaissée lentement dans l’eau, ce qui provoque la couche d’acide polyacrylique pour commencer à se dissoudre.Cette dissolution déliminate le film polymère de la plaquette de silicium le laissant flotter à la surface de l’eau. L’outil de transfert est ensuite retiré, et le drainage est activé en commençant la pompe à seringues. L’eau est aspirée à travers le substrat d’oxyde d’aluminium et hors de la chambre par la pompe.Il est indiqué ici que le drainage a lieu à raison d’un millilitre par minute. L’angle de la rampe et la conception de la chambre dirige le film polymère vers le centre du cylindre. Ici, la membrane et le niveau d’eau ont atteint le corps cylindrique de l’appareil, créant un ménisque plus proéminent, qui maintient la membrane tendue et centrée car elle est inférieure à la membrane sous-jacente d’oxyde d’aluminium anodisé.Une fois que l’eau est drainée et que le polymère est en contact avec la membrane, la chambre peut être dévissé pour permettre au reste de l’eau de s’évaporer. Le processus total, y compris l’installation et le drainage de l’eau, prend environ 15 minutes, mais cette fois peut être raccourcie en augmentant le taux de drainage et en construisant la chambre pour exiger un plus petit volume d’eau. Sont projetés ici des films préparés en les ramassant directement d’une surface de bain d’eau à l’aide de la membrane poreuse.La déchirure de la membrane et le placement au large du centre sont évidents. La distance du centre membranaire au centre du substrat est indiquée sur la droite pour diverses membranes placées. Ici, nous voyons l’amélioration de la reproductibilité en utilisant la chambre de vidange.Les films intacts sont évidents, et la distance du centre membranaire au centre du substrat est montrée pour être réduite au minimum. La chambre de vidange a réduit les risques de déchirure du film et de pliage sur la méthode manuelle. Un environnement de laboratoire propre, exempt de poussière, limitera la contamination accidentelle.Cette méthode de transfert de la membrane à couches minces réduit définitivement les dommages causés à la membrane et améliore la précision et la reproductibilité de son placement sur le substrat. En supprimant la tâche difficile de manipuler les couches minces à la surface de l’eau à la main, des modifications à la conception de base de la chambre de drainage peuvent permettre la mise en œuvre de différentes tailles d’échantillons polymères et de types de substrat poreux.

Research

JoVE Journal

Engineering

Micropunching Lithography for Generating Micro- and Submicron-patterns on Polymer Substrates

Micropunching lithographie pour la génération de micro-et submicronique des motifs sur des substrats polymères

Conducting polymers have attracted great attention since the discovery of high conductivity in doped polyacetylene in 19771. They offer the advantages of ...

Recherche

Ingénierie

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L&#39;intégration d&#39;un système Annihilation Up-conversion triplet triplet visant à accroître à colorant cellule solaire réponse au sous-bande interdite Lumière

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents ...

SSVEP-based Experimental Procedure for Brain-Robot Interaction with Humanoid Robots

SSVEP basé procédure expérimentale pour Brain-Robot Interaction avec des robots humanoïdes

Brain-Robot Interaction (BRI), which provides an innovative communication pathway between human and a robotic device via brain signals, is prospective in ...

Electroactive Polymer Nanoparticles Exhibiting Photothermal Properties

Propriétés électro-Polymer nanoparticules Exposer photothermiques

A method for the synthesis of electroactive polymers is demonstrated, starting with the synthesis of extended conjugation monomers using a three-step ...

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

Fabrication de microsphères polymères pour résonateurs optiques et applications laser

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