Ujævne flydende film kunne forenkle fremstillingen af ​​mikrolinser

Har du nogensinde lagt mærke til, at en film af olie i en gryde ikke forbliver helt flad, når den opvarmes? I stedet, den danner et bølget mønster, der ligner det ydre af en appelsin. Disse former for deformationer inspirerede en gruppe forskere ved det tekniske universitet i Darmstadt, i Tyskland, at undersøge, om de kunne bruges til at forbedre og strømline mikrofabrikationsprocesser.

Oliefilmen er et klassisk eksempel på et hydrodynamisk system med en væske-gas-grænseflade, mens for eksempel, de små dråber fedt i mælk har en væske-væske grænseflade. Plane flydende film, ligesom oliefilmen, er særligt mekanisk ustabile og kan undergå ændringer i morfologi, hvis de ikke holdes ved en ensartet temperatur.

Kun tilstrækkeligt tynde flydende film undergår væsentlige overfladedeformationer ved udsættelse for spændinger på overfladen, mens der udvikles meget regelmæssige periodiske strømningsmønstre i hovedparten af ​​tykkere film, når de udsættes for de samme belastninger.

I markant kontrast til tyndere film, tykkere film viser ikke væsentlige overfladedeformationer. Så, i forbindelse med udvikling af ukonventionelle mikrofremstillingsteknikker, de fleste bestræbelser har fokuseret på grænsefladeustabiliteten i meget tynde film.

Disse bestræbelser viste, at accentuerede mønstre kan opnås, men de er desværre meget uregelmæssige i filmens spredningsretning. Denne grundlæggende ulempe kan spores til samme grund til, at en vandstråle, der løber fra en vandhane, til sidst deler sig op i dråber:overfladespænding.

Som gruppen beskriver i Anvendt fysik bogstaver , fra AIP Publishing, de kombinerede det meget regelmæssige konvektionsmønster, der dannes i tykkere lag med stærke grænsefladedeformationer, der kun er mulige i meget tyndere væskefilm. "I modsætning til tidligere arbejdsadresseringssystemer med flere grænseflader, i vores tilgang har hvert lag en meget anderledes begyndelsestykkelse end det andet, " sagde Iman Nejati, avisens hovedforfatter og en ph.d. studerende ved Institut for Nano og Mikrofluidik, Center for Smart Interfaces, TU Darmstadt.

Denne fremgangsmåde indebærer i det væsentlige, at en tynd film af olie, der er følsom over for bestråling med ultraviolet (UV) lys, klemmes mellem et fast plant substrat og et meget tykkere lag af en anden ublandbar væske. Dette indebærer, at systemet ikke kun har en væske-gas-grænseflade som det indledende eksempel på oliefilmen i en pande, men også en væske-væske-grænseflade.

"At udsætte dette flerlagssystem for en overraskende lille temperaturforskel i lagdelingens retning forårsager spændinger ved væske-gas-grænsefladen på grund af en temperaturafhængig overfladespænding, " sagde Nejati. "Disse spændinger driver roterende cellulære strømningsmønstre i det tykkere lag, som er meget periodiske i dette lags spredningsretning."

I stedet for at bruge spændingerne forårsaget af den temperaturafhængige overfladespænding direkte til at mønstre filmen, gruppens tilgang er afhængig af strømningsmønsteret i det tykkere lag for at deformere den tyndere film nedenunder.

Denne strategi gør det muligt at "mønstre store områder med meget regelmæssige strukturer på en parallel måde - alle strukturer fremstilles på samme tid - i et enkelt procestrin, som sparer tid og reducerer omkostningerne, " forklarede Nejati. "Da strukturerne er genereret fra en væske, uden værktøj, der kommer i mekanisk kontakt med arbejdsmaterialet, overfladen er meget glat og kræver ikke yderligere behandling."

Og ved at konstruere temperaturfordelingen langs væske-gas-grænsefladen i det tykkere lag, konvektionscellerne og deformationen af ​​den tynde film kan tilpasses til at opfylde specifikationerne for en ønsket struktur af interesse. Når den ønskede deformation er opnået, det er "frosset" på plads ved bestråling med UV-lys.

Kombinationen af ​​de nævnte fordelagtige egenskaber ved den nye teknik er yderst ønskelig, fordi alle gængse mikrofabrikationsteknologier - inklusive fotolitografi, trykning, eller prægning – opfylder ikke mindst et af disse kriterier. "I betragtning af den relative enkelhed af det nødvendige udstyr til vores metode, og hvor let det tilpasser sig specifikke situationer, det kan også bruges til fremstilling af små mængder produkter, " tilføjede Nejati.

Hvilke anvendelser forestiller gruppen sig for deres metode? Til at begynde med, den er ideel til fremstilling af mikrolinse-arrays. "Disse arrays øger lokalt lysintensiteten og kan bruges af optikindustrien i integrerede billedbehandlingssystemer, ukonventionel fotolitografi, og solcelleanlæg, " forklarede Nejati. "For solceller, en række linser placeret oven på en solcelle kan tjene som en lysopsamler for at øge effektiviteten af ​​solcelleanlægget ved at gøre det mindre følsomt over for sollysets hældningsvinkel i forhold til celleoverfladen." Gruppens metode kunne nemt være integreret i fremstillingsprocessen af ​​solceller.

I den nærmeste fremtid, "der vil ikke være noget direkte behov for at størkne strukturerne med UV-lys, " bemærkede han. "I stedet, rækken af ​​linser kan forblive i flydende tilstand, som giver os mulighed for at ændre periodiciteten af ​​de flydende linser, hvis, sige, temperaturforskellen, der driver konvektionscellerne, varieres. Dette skulle bidrage til udviklingen af ​​tunable linse arrays."