Cech, Jiri

Nanostrukturerede overflader, som kan ses både i naturen og i laboratoriet, indeholder en bred vifte af avancerede funktionaliteter, såsom fantastiske strukturelle farver, antireflektive -, selvrensende -, superhydrofobe -, superhydrofile - eller dug hæmmende effekter. Disse effekter opstår ved en særlig orientering af mikro- og nano-strukturer på overfladen. Menneskeskabte nanostrukturerede overflader, der fremstilles med avancerede halvleder mikrofabrikationsteknikker, kan ofte ligne eller endda i nogle tilfælde overgå de naturlige effekter. Men der er en væsentlig begrænsning, da de fleste af de ovennævnte teknikker kun kan anvendes på flade og plane overflader såsom silicium wafere. En af de mest udbredte industrielle fremstillingsteknikker, polymer sprøjtestøbning, er ikke blot i stand til at replikere ekstremt små strukturer, men også i stand til at fremstille plastemner med komplekse ikke-plane former til en rimelig pris. Hvis vi ønsker at bruge sprøjtestøbning til fremstilling af produkter med nanostrukturerede overflader, er vi også nødt til at fremstille formene og står over for den samme problemstilling med at overføre nanostrukturerne fra de plane halvledersubstrater. I denne afhandling adresseres denne problemstilling. I første omgang undersøges om den velkendte monolag tykke adhæsions-reducerende belægning (FDTS) kan anvendes under forskellige forhold, herunder selve sprøjtestøbningen. Disse belægninger er afgørende for at fremme afformningen af nanostrukturerede emner. Vi har undersøgt belagte overflader af aluminium-, titan- og nikkelforme før og efter 500 støbecykler ved brug af XPS, AFM og kontaktvinkel målinger. Vi viser, at kontaktvinklen øges, og at indholdet af fluor på overfladen forbliver højt efter brug. Ud fra resultaterne kan vi forudsige den forventede levetid og lineariteten af slid på belægningen. Fra disse data kan man konkludere at FDTS kan anvendes til belægning af forme, og er særlig velegnet til belægning af nanostrukturerede forme. Vi kan også rangordne testede metaller efter størrelsesordenen af den forventede levetid af FDTS belægningen på dem. I aftagende rækkefølge får vi: aluminium, titanium og nikkel. Det andet adresserede problem er overførslen af nanostrukturer til plane substrater. Vi brugte en hydrostatisk nanoimprint teknik, hvor en HSQ film blev deponeret ved hjælp af spin-coating og senere spray-coating på henholdsvis flade og krumme formdele. HSQ filmene viste sig at være slidstærke og hårde, hvilket gør dem til gode kandidater til strukturering af formgivende overflader, men den høje viskositet af HSQ under nanoimprint processen ved stuetemperatur krævede ekstremt høje tryk, op til 800 bar. Vi designede og testede en særlig anordning, der virkede til nanoimprint ved disse høje tryk, og brugte den til at overføre et præcist nanomønster med en periode på 426 nm til en HSQ film på sfæriske overflader med krumningsradier ned til 500 μm. Efter at mønsteret var blevet overført til en krum flade, undersøgte vi strækningen af mønsteret som følge af kontakten mellem de i sagens natur flade nikkel mastere og de dobbelt-krumme sfæriske formoverflader. Den gennemsnitlige mønster-periode blev målt som funktion af den radiære afstand og blev fundet til at være i god overensstemmelse med folie strækket beregnet med en finite element (FE) metode. FE metoden var i stand til at forudsige kontakttrykket som funktion af den radiære afstand fra centrum, og dermed også i stand til at forudsige det abrupte fald i kontakttryk ved en afstand fra centrum svarende til den eksperimentelt observerede grænse, bag hvilken mønsteret ikke længere var replikeret. Vi har således demonstreret en mulig metode til fremstilling af ikke-plane nanostrukturerede overflader til anvendelsen som formgivende overflader i sprøjtestøbeforme. Dette åbner for overkommelige nye mulighede muligheder for at fremstille polymerprodukter med funktionelle nanostrukturerede overflader.The nanostructured surfaces, as seen in both nature and in the lab, offer a broad range of advanced functionalities, such as stunning structural colors, antireflective, self-cleaning, superhydrophobic, superhydrophilic or antifogging effects. Those effects are facilitated by the specific arrangement of micro- and nano- structures on the surface. Manmade nanostructured surfaces, formed by advanced microfabrication techniques, can often mimic or even exceed natural ones in some property. However, there is a substantial limitation, as most of the abovementioned techniques work only on a flat, planar surface. One of the most widely used fabrication techniques, polymer injection molding, is not only capable of replicating extremely small structures, but also to produce parts with complex, non-planar shapes, at affordable cost. If we want to use injection molding for making products with nanostructured surfaces, we need to fabricate molds facing the same problem. In this work, we address this problem. At first, we need to verify if the previously reported monolayer adhesion-reducing coating (FDTS) can be used under different conditions during actual injection molding. Such coatings are critical to facilitate de-molding of the nanopatterned parts. We analyzed the coated surfaces of aluminum, titanium, and nickel molds before and after 500 molding cycles, using X-ray photoelectron spectroscopy, AFM and contact angle measurements. We show that the contact angle and that the fluorine concentration on the surface remains increased. These results enable us to predict the coating lifetime and the linearity of the coating removal. Based on the data, we can state that FDTS can be used for coating of molds, and is particularly suited for coating of nanostructured molds. We can also rank tested metals in the order of expected lifetime in descending order: aluminum, titanium, and nickel. The second problem addressed is the forming of a nanostructured surface on a non-planar substrate. We used the hydrostatic nanoimprinting technique, with the HSQ films deposited by spin-coating and spray-coating methods, on flat and curved mold inserts. The HSQ films are durable and tough, which makes them good candidates for molds, but the room temperature nanoimprint such high viscosity films as the HSQ dictates the use of extreme pressures, up to 800 bar. We designed and tested a special device capable of operation at those pressures, and used it to transfer the precise nanopattern with a period of 426 nm onto HSQ films on spherical surfaces with radii of curvature as low as 500 μm. With the pattern transferred onto a curved substrate, we investigated the pattern distortion, resulting from contact between inherently flat nickel masters and double-curved spherical surfaces. The mean pattern period was measured as a function of radial distance and found to be in good agreement with the foil strain computed with a finite element (FE) method. Moreover, this FE method was able to predict the contact pressure as a function of the radial distance. The FE method was also able to predict the sudden pressure drop at the position corresponding to the experimentally observed limit behind which the pattern was no longer replicated. We demonstrated a feasible method to produce non-planar nanopatterned surfaces for use as injection mold inserts. This opens new possibilities for making affordable polymer products with functional nanostructured surfaces

Online Research Database In Technology

Nanopatterning of tools for replication of non-planar polymer surfaces

http://orbit.dtu.dk/ws/files/56376344/Nanopatterning_of_tools.pdf

Nanopatterning of tools for replication of non-planar polymer surfaces

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology