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

Detta arbete stöddes som en del av avancerade material för energi-vatten system (AMEWS) Center, ett energi centrum Research Center som finansieras av USA: s energi departement, Office of Science, grundläggande energi vetenskap. Vi erkänner tacksamt hjälpsamma diskussioner med mark Stoykovich och Paul Nealey.

1. tillverkning av överförings verktyg och tömnings kammar system
<ol><li>Bifogat (tilläggsfiler 1, 2) är den tekniska ritningen för dräneringskammaren församling bestående av två delar: topp och botten. Modellera den här enheten enligt specifikationerna för det önskade systemet (t. ex. den yttre diametern hos det mottagande underlaget) och exportera som en STL-fil för 3D-utskrifter.</li>
	<li>För den övre delen, använda en filament skrivare val och tryck i den lägsta...

<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>

Medan många av de steg som anges i detta protokoll är avgörande för framgången för tunn film överföring, den typ av specialdesignade 3D tryckt dräneringskammare möjliggör bred flexibilitet, enligt användarens specifika krav. Till exempel, om mottagarens substrat har en större diameter än de 25 mm-diameter AAO-skivor som används i denna studie, kan dräneringskammaren modifieras på lämpligt sätt för att passa de nya specifikationerna. Det finns dock vissa aspekter av protokollet som är nödvändiga fö...

Tunn film och nanomembrane-baserade enheter har nyligen samlat stort intresse på grund av deras potentiella användning i ett brett spektrum av tillämpningar, allt från flexibla sol celler och fotonik, vikbara displayer och bärbar elektronik1, 2 för att , 3. ett krav för tillverkning av dessa olika typer av anordningar är överföring av tunna filmer till ytorna av godtyckliga substrat, som fortfarande är utmanande på grund av bräckligheten i dessa filmer och frekvent produktion av makro skala defekt strukturer, såsom rynkor, sprickor, och tårar, inom filmerna efter överföring4,5,6,7. Manuell överföring för hand, pincett, och tråds slingor är vanliga metoder för tunn film överföring, men oundvikligen resultera i strukturella orättvisor och plastisk deformation8,9. Olika typer av metoder för tunn Films överföring har undersökts såsom: 1) frimärks överföring av Polydimetylsiloxan (PDMS), som innebär användning av en elastomerstämpel för att erhålla den tunna filmen från givar underlaget och därefter överföras till den mottagande substrat10, och 2) offer Layer överföring11, där en etsmedel används för att selektivt lösa upp ett offer skikt mellan stöd substrat och tunn film, vilket lyfter bort den tunna filmen. Emellertid, dessa tekniker ensam inte nödvändigt vis tillåter för tunn film överföring utan att ådrar sig skada eller defekt formation inom tunna filmer12.
Här presenterar vi en ny, billig och generaliserbar facile-metod baserad på uppoffrande lager lyft-off och menisk-guidad överföring inom ett specialdesignat, 3D-tryckt dräneringssystem, för att mekaniskt placera block sampolymer (BCP) tunna filmer på centra av porösa substrat såsom anodiserad aluminium oxid (AAO) skivor med lite-till-ingen uppstår makro skala defekt strukturer, såsom rynkor, tårar, och sprickor. I det nuvarande sammanhanget kan dessa överförda tunna filmer sedan användas som anordningar i vatten filtrerings studier, eventuellt efter bearbetning av SIS (sekventiell infiltration Synthesis)9. Bild analys av överförda filmer som erhållits från optisk mikroskopi visar att det menisk-guidade, dräneringssystem system ger smidig, robust, och skrynkla-fria prover. Dessutom visar bilderna också systemets förmåga att på ett tillförlitligt sätt placera de tunna film membranen på centrum av de mottagande substrat. Våra resultat har betydande konsekvenser för alla typer av anordning program som kräver överföring av tunna film strukturer på ytorna av godtyckliga porösa substrat.

<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

Tillverkningen av anordningar som innehåller tunna film komposit membran nödvändignar överföring av dessa filmer på ytorna av godtyckliga stöd substrat. Åstadkomma denna överföring i en mycket kontrollerad, mekaniserad, och reproducerbara sätt kan eliminera skapandet av makro skala defekt strukturer (t. ex. tårar, sprickor och rynkor) i tunn film som äventyrar enhetens prestanda och det användbara området per prov. Här beskriver vi ett allmänt protokoll för den mycket kontrollerade och mekaniserade överföringen av en polymertunn film på ett godtyckligt poröst stöd substrat för eventuell användning som en vatten filtrerings membran enhet. Specifikt fabricerar vi ett block sampolymer (BCP) tunn film ovanpå en offerande, vattenlösliga poly (akryl syra) (PAA) skikt och kisel rån substrat. Vi använder sedan en specialdesignad, 3D-tryckt överförings verktyg och avlopp kammar system för att sätta in, lyfta och överföra BCP tunn film på mitten av en porös anodiserad aluminium oxid (AAO) stöd skiva. Den överförda BCP tunn film visas konsekvent placeras på mitten av stöd ytan på grund av ledning av menisken bildas mellan vattnet och 3D-tryckta plast dräneringskammaren. Vi jämför också våra mekaniserade överföringsbearbetade tunna filmer till dem som har överförts för hand med hjälp av pincett. Optisk inspektion och bild analys av de överförda tunna filmerna från mekaniserade processen bekräftar att föga-till-ingen makroskala inhomogena eller plast deformationer produceras, jämfört med de många tårar och rynkor som produceras av manuella överföring för hand. Våra resultat tyder på att den föreslagna strategin för tunn Films överföring kan minska defekter jämfört med andra metoder i många system och applikationer.

BCP-membranproverna tillverkades enligt den tidigare beskrivna proceduren9. Proverna placerades på läppen på last armen på det 3D-tryckta överförings verktyget (figur 1, vänster) och sänktes därefter, med ett laboratorie uttag, på ingångs rampen för det 3D-tryckta tömnings kammar verktyget (bild 1, höger). Ett offer skikt av poly (akryl syra) (PAA) mellan BCP membranet och underliggande givar...

Watch this Scientific Journal Video about Procedure for the Transfer of Polymer Films Onto Porous Substrates with Minimized Defects at JoVE.com

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

Vi presenterar ett förfarande för mycket kontrollerad och skrynkelfri överföring av block sampolymer tunna filmer på porösa stöd substrat med hjälp av en 3D-tryckt dräneringskammare. Avlopps kammarens utformning är av allmän betydelse för alla procedurer som involverar överföring av makro molekyl ära filmer till porösa substrat, vilket normalt sker för hand på ett irreproducerbart sätt.

Förfarande för överföring av Polymerfilmer på porösa substrat med minimerade defekter

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

För att studera polymertunna filmer i membranapplikationer måste material överföras från ett polerat, slät substrat till porösa substrat på ett sätt som inte viker sig, skrynkla, riva, eller plastiskt deformera filmen. Denna video beskriver en 3D utskrivbar avloppskammare utformad för att uppnå detta mål och gäller steg fyra till sex i processflödet som visas här. Prover som används i detta arbete består av kisel wafer substrat som är spinn belagda en stapel av vattenlöslig polyakrylsyra följt av en slumpmässig sampolymer matta och en polystyren block polymethyl metakrylat block sampolymer.Syftet med steg fyra till sex är att överföra denna porbildande block copolymer från kisel wafer på en porös anodiserad aluminiumoxid membran för att möjliggöra efterföljande omvandling till en funktionell filtrering enhet. Avtappningskammaren består av en toppramp som möjliggör införandet av polymerfilmstackan och en bottendel som håller det porösa substratet och avjoniserat vatten. Den övre delen skrivs ut från PLA från en filamentskrivare, och den nedre delen skrevs ut från en 3D-skrivare med bläckstråleskrivare.Ett provöverföringsverktyg skrivs också ut från PLA med hjälp av filamentskrivaren. Den första delen fäster vid ett laboratorieuttag så att provet kan höjas och sänkas smidigt och utan vibrationer från handrörelser. Den andra delen håller BCP wafer bit på plats.Med det kan överföringsprocessen börja. Först monteras BCP-verktyget. Klämporten är gängad så att en skruv kan säkra den på labbuttaget.Den anodiserade aluminiumoxid substrat placeras sedan insidan av botten delen av avtappningskammaren med hjälp av forceps. Därefter sätts en O-ring i gummi för att säkerställa en vattentät tätning. Avtappningskammarens rampdel skruvas fast ordentligt.Sist är klar vinyl slangar fäst vid pipen på botten delen av avloppskammaren och den andra änden till sprutan som är inne i en spruta pump för att kunna kontrollera dräneringshastigheten. Därefter placeras kiselrån med polymerstacken på överföringsverktyget, och avtappningskammaren fylls också med avjoniserat vatten. Därefter sänks kiselplattorna långsamt ner i vattnet, vilket gör att polyakrylsyraskiktet börjar lösas upp.Denna upplösning delaminates polymeren filmar från silikonrånet som lämnar den för att sväva på bevattna ytbehandlar. Överföringsverktyget tas bort nästa gång, och avtappningen aktiveras genom att sprutpumpen startas. Vattnet sugs genom aluminiumoxidsubstratet och ut ur kammaren av pumpen.Visas här är dränering sker med en hastighet av en milliliter per minut. Vinkeln på rampen och utformningen av kammaren riktar polymerfilmen mot mitten av cylindern. Här har membranet och vattennivån nått den cylindriska kroppen av enheten, vilket skapar en mer framträdande menisk, som håller membranet spänd och centrerad som det är lägre till den underliggande, anodiserad aluminiumoxidmembran.När vattnet är avrunna och polymeren är i kontakt med membranet, kan kammaren skruvas loss för att låta det återstående vattnet avdunsta. Den totala processen, inklusive inställning och vattenavlopp, tar ca 15 minuter, men den här gången kan förkortas genom att öka dräneringshastigheten och genom att konstruera kammaren för att kräva en mindre vattenvolym. Visas här är filmer som utarbetats genom att direkt ösa bort dem från ett vattenbad yta med hjälp av det porösa membranet.Den riva av membranet och placeringen off center är uppenbart. Membranets mittavstånd till substratcentret visas till höger för olika placerade membran. Här ser vi förbättringen av reproducerbarhet utnyttja avloppskammaren.De intakta filmerna är uppenbara, och avståndet av membrancentrum till substratcentrum visas att minimeras. Avloppskammaren har minskat risken för att filmen rivs och viks över den manuella metoden. En ren laboratoriemiljö fri från damm kommer att begränsa tillfällig kontaminering.Denna metod för tunn filmmembranöverföring minskar slutgiltigt skadan på membranet och förbättrar noggrannheten och reproducerbarheten av dess placering på underlaget. Genom att ta bort den svåra uppgiften att manipulera tunna filmer på vattenytan för hand, kan ändringar av den grundläggande avloppskammarens utformning möjliggöra genomförandet av olika polymerprovstorlekar och porösa substrattyper.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Micropunching Litografi för att generera Micro-och submikron-mönster på polymersubstrat

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

Integrating a Triplet-triplet Annihilation Up-conversion System to Enhance Dye-sensitized Solar Cell Response to Sub-bandgap Light

Att integrera en Triplet-triplett Annihilation uppkonvertering System för att förbättra Dye-sensibiliserade solceller Svar på Under bandgap Ljus

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-baserade Försöksförfarande för Brain-Robot Interaktion med Humanoid robotar

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

Elektroaktiv polymer Nanopartiklar som uppvisar fototermisk Egenskaper

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

Tillverkning av polymera mikrosfärer för optisk resonator och laserapplikationer

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, ...

Fabrication of Ultra-thin Color Films with Highly Absorbing Media Using Oblique Angle Deposition

Tillverkning av ultra-tunn färg filmer med mycket absorberande medier med sned vinkel nedfall

Ultra-thin film structures have been studied extensively for use as optical coatings, but performance and fabrication challenges remain.&#160; We present ...

Preparation of Large-area Vertical 2D Crystal Hetero-structures Through the Sulfurization of Transition Metal Films for Device Fabrication

Beredning av stora ytor vertikala 2D Crystal Hetero-strukturer genom Sulfurization övergången metall filmer för enheten Fabrication

We have demonstrated that through the sulfurization of transition metal films such as molybdenum (Mo) and tungsten (W), large-area and uniform transition ...

Fabricating Reactive Surfaces with Brush-like and Crosslinked Films of Azlactone-Functionalized Block Co-Polymers

Fabricera reaktiva ytor med borsta-gillar och tvärbundna filmer av Azlactone-Functionalized Block sampolymerer

In this paper, fabrication methods that generate novel surfaces using the azlactone-based block co-polymer, poly (glycidyl methacrylate)-block-poly (vinyl ...

Radio Frequency Magnetron Sputtering of GdBa2Cu3O7&#8722;&#948;/ La0.67Sr0.33MnO3 Quasi-bilayer Films on SrTiO3 (STO) Single-crystal Substrates

Radio Frequency Magnetron Sputtering of GdBa2Cu3O7ÃƒÆ’Ã‚Â¢Ãƒâ€¹Ã¢â‚¬Â 'ÃƒÆ’Ã…Â½Ãƒâ€šÃ‚Â´/ La0.67Sr0.33MnO3 Quasi-bilayer Films on SrTiO3 STO Single-crystal Substrates

Radiofrekvens Magnetron Sputtering av GdBa2Cu3O7−δ/ La0,67Sr0,33MnO3 kvasi lipidens filmer på SrTiO3 (STO) singel-kristall substrat

Here, we demonstrate a method of coating ferromagnetic La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) nanoparticles on (001) SrTiO3 (STO) single-crystal substrates by radio ...

Synthesis, Functionalization, and Characterization of Fusogenic Porous Silicon Nanoparticles for Oligonucleotide Delivery

Syntes, funktionalisering och karakterisering av Fusogenic porösa Silicon nanopartiklar för oligonukleotiden leverans

With the advent of gene therapy, the development of an effective in vivo nucleotide-payload delivery system has become of parallel import. Fusogenic ...