Name: procedure for the transfer of polymer films onto porous substrates with minimized defects
Uploaded: 2019-06-22T14:00:00
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Este trabajo fue apoyado como parte del Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Center, un Centro de Investigación de Energy Frontier financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, Oficina de Ciencias, Ciencias Básicas de la Energía. Agradecemos las útiles conversaciones con Mark Stoykovich y Paul Nealey.

1. Fabricación de la herramienta de transferencia y sistema de cámara de drenaje
<ol><li>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.</li>
	<li>Para la parte superior, utilice una impre...

<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>

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...

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 portátil1, 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 transferencia4,5,6,7. 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 plástica8,9. 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.

<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 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.

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

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.

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

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

Para estudiar las películas delgadas de polímeros en aplicaciones de membrana, los materiales deben transferirse de un sustrato pulido y liso a sustratos porosos de una manera que no se pliegue, arruga, rasgue o deforme plásticamente la película. Este video describe una cámara de drenaje imprimible 3D diseñada para lograr este objetivo y se refiere a los pasos de cuatro a seis en el flujo de proceso que se muestra aquí. Las muestras utilizadas en este trabajo consisten en sustratos de obleas de silicio en los que se recubre una pila de ácido poliacrílico soluble en agua seguida de una estera de copolímero aleatorio y un bloque de poliestireno polimetil metacrilato bloque copolímero.El objetivo de los pasos cuatro a seis es transferir este copolímero de bloques formadores de poros de la oblea de silicio a una membrana de óxido de aluminio anodizado poroso para permitir la transformación posterior en un dispositivo de filtración funcional. La cámara de drenaje consiste en una rampa superior que permite la introducción de la pila de película de polímero y una porción inferior que contiene el sustrato poroso y el agua desionizada. La parte superior se imprime desde PLA desde una impresora de filamentos, y la parte inferior se imprimió desde una impresora 3D de inyección de tinta.También se imprime una herramienta de transferencia de muestras desde PLA utilizando la impresora de filamentos. La primera parte se une a un gato de laboratorio para que la muestra se pueda elevar y bajar suavemente y sin vibraciones de los movimientos de las manos. La segunda parte mantiene la pieza de oblea BCP en su lugar.Con eso, el proceso de transferencia puede comenzar. En primer lugar, se monta la herramienta BCP. La parte de la abrazadera está roscada para que un tornillo pueda fijarlo a la toma de laboratorio.El sustrato de óxido de aluminio anodizado se coloca dentro de la parte inferior de la cámara de drenaje utilizando fórceps. A continuación, se inserta una junta tórica de goma para garantizar un sello impermeable. La parte de rampa de la cámara de drenaje está atornillada firmemente.Por último, el tubo de vinilo transparente se une a la boquilla en la parte inferior de la cámara de drenaje y el otro extremo de la jeringa que está dentro de una bomba de jeringa para poder controlar la tasa de drenaje. A continuación, la oblea de silicio con la pila de polímero se coloca en la herramienta de transferencia, y la cámara de drenaje también se llena con agua desionizada. La oblea de silicio se baja lentamente en el agua, lo que hace que la capa de ácido poliacrílico comience a disolverse.Esta disolución delamina la película de polímero de la oblea de silicio dejándola flotar en la superficie del agua. La herramienta de transferencia se retira a continuación y el drenaje se activa iniciando la bomba de la jeringa. El agua es succionada a través del sustrato de óxido de aluminio y fuera de la cámara por la bomba.Aquí se muestra el drenaje que se lleva a cabo a una velocidad de un mililitro por minuto. El ángulo de la rampa y el diseño de la cámara dirige la película de polímero hacia el centro del cilindro. Aquí, la membrana y el nivel de agua han alcanzado el cuerpo cilíndrico del dispositivo, creando un menisco más prominente, que mantiene la membrana tensa y centrada ya que es más baja a la membrana subyacente de óxido de aluminio anodizado.Una vez que el agua se drena y el polímero está en contacto con la membrana, la cámara se puede desenroscar para permitir que el agua restante se evapore. El proceso total, incluyendo la configuración y el drenaje de agua, toma alrededor de 15 minutos, pero este tiempo se puede acortar aumentando la tasa de drenaje y construyendo la cámara para requerir un volumen de agua más pequeño. Aquí se muestran películas preparadas sacándolas directamente de una superficie de baño de agua utilizando la membrana porosa.El desgarro de la membrana y la colocación fuera del centro son evidentes. La distancia del centro de la membrana al centro del sustrato se muestra a la derecha para varias membranas colocadas. Aquí vemos la mejora en la reproducibilidad utilizando la cámara de drenaje.Las películas intactas son evidentes, y la distancia del centro de la membrana al centro del sustrato se muestra minimizada. La cámara de drenaje ha reducido la posibilidad de desgarro y plegado de película sobre el método manual. Un entorno de laboratorio limpio y libre de polvo limitará la contaminación incidental.Este método para la transferencia de membrana de película delgada reduce definitivamente el daño causado a la membrana y mejora la precisión y reproducibilidad de su colocación en el sustrato. Al eliminar la difícil tarea de manipular películas delgadas en la superficie del agua a mano, las modificaciones en el diseño básico de la cámara de drenaje pueden permitir la implementación de diferentes tamaños de muestra de polímero y tipos de sustrato poroso.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Micropunching litografía para la generación de microempresas y patrones de submicrónicas de sustratos poliméricos

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

Investigación

Ingeniería

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La integración de un Sistema de Up-conversión trío-triplete Aniquilación para Mejorar sensibilizado-Dye respuesta de células solares a la luz Sub-gap

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

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Propiedades Electroactivos Polymer Nanopartículas Exponer fototérmica

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