Surface wrinkling of elastic supported membranes : Controlling defects and upscaling

Titelangaben

Glatz, Bernhard Alexander:
Surface wrinkling of elastic supported membranes : Controlling defects and upscaling.
Bayreuth , 2020 . - VII, 191 S.
( Dissertation, 2019 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The controlled surface wrinkling of bilayer systems is a widely known approach within so-called soft lithography. This method is used for structuring solid surfaces in the micro- and nano-range. Bilayer surface wrinkles show a high degree of uniformity in terms of their feature dimensions, but are at the same time often accompanied by defects within the surface structuring. Those defects can be of global dimensions like lateral surface cracks, or as for line defects of very localized dimensions. In the first part of this thesis, the possibility to control line defects by generating them specifically on previously defined boundary lines within the elastic substrate is shown. Thus, areas near the boundary lines are kept line defect-free. At the same time, these induced line defects show a high degree of symmetry under suitable conditions, which can be explained by finite element simulations. Furthermore, lateral surface cracks can be controlled and even avoided. For this purpose, a vertical elasticity gradient is generated in the thin layer of the two-layer system, which noticeably reduces the maximum in-plane stress within the layer and thus noticeably increases the crack resistance of the folded two-layer system. In the second part of this thesis the possibility of using two different atmospheric plasma systems to fold large film areas as well as complex 3D structures of elastomeric materials with high uniformity in their feature dimensions is shown. Up to now, it has only been possible to fold small areas on a laboratory scale, i.e. a maximum of a few cm2. Using atmospheric-pressure plasmas, this is now possible on a m2-scale and thus in an industrially relevant size range. In the last part of the thesis the possibility of using wrinkling on two-layer systems as a mechanical measuring method for molecular 2D films is shown, which otherwise could only be measured by AFM via nanoindentation of free-standing films. The results of this work help to understand and optimize existing wrinkling formation systems. In addition, by scaling existing systems up to industrial scale, it enables the future technical use of two-layer wrinkle systems. Furthermore, it shifts the technically feasible limits as a measuring method for thin films towards film thicknesses < 1 nm.

Abstract in weiterer Sprache

Die kontrollierte Oberflächenfaltenbildung in Zweischichtsystemen ist ein weit verbreiteter Ansatz innerhalb der so genannten weichen Lithographie. Diese Methode wird zur Strukturierung von Festkörperoberflächen im Mikro- und Nanobereich eingesetzt. Oberflächenfalten auf Zweischichtsystemen weisen eine hohe Gleichmäßigkeit in den Dimensionen ihrer Merkmale wie bspw. Wellenlänge oder Strukturhöhe auf, sind aber gleichzeitig häufig von Defekten innerhalb der Oberflächenstrukturierung begleitet. Diese Defekte können globale Dimensionen wie laterale Oberflächenrisse aufweisen, oder - wie bei Liniendefekten - stark lokalisierte Dimensionen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird zunächst die Möglichkeit gezeigt, Liniendefekte zu kontrollieren, indem man sie gezielt auf zuvor definierten Grenzlinien des elastischen Substrates erzeugt. Dadurch werden Bereiche nahe der Grenzlinien defektfrei gehalten. Gleichzeitig weisen diese induzierten Liniendefekte bei passenden Rahmenbedingungen eine hohe Symmetrie auf, die mittels Finite-Element-Simulationen erklärt werden können. Weiterhin können auch laterale Oberflächenrisse kontrolliert und sogar vermieden werden. Zu diesem Zweck wird ein vertikaler Elastizitätsgradient in der dünnen Schicht des Zweischichtsystems erzeugt, der die maximale Spannung in der Schichtebene deutlich herabsetzt und somit die Rissfestigkeit des gefalteten Zweischichtsystems merklich erhöht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Möglichkeit gezeigt, mittels zweier unterschiedlicher atmosphärischer Plasmasysteme sowohl große Folienflächen als auch komplexe 3D-Strukturen elastomerer Materialien mit hoher Gleichmäßigkeit in ihren Merkmalsdimensionen zu falten. Bis dato war es nur möglich, kleine Flächen im Labormaßstab zu falten, d.h. maximal wenige cm2. Mittels der atmosphärischen Plasmen ist dies nun im m2-Maßstab und folglich in einem industriell relevanten Größenbereich realisierbar. In letzten Teil der Arbeit wird die Möglichkeit aufgezeigt, Faltenbildung auf Zweischichtsystemen als mechanische Messmethode für molekulare 2D-Filme zu nutzen, die ansonsten nur per Nano-indentation freistehender Filme via AFM vermessen werden könnten. Die Ergebnisse dieser Arbeit helfen beim Verständnis sowie der Optimierung bestehender Faltenbildungssysteme. Zudem ermöglicht sie es durch Skalierung bestehender Systeme hin zum industriellen Maßstab, Zweischicht-Faltensysteme zukünftig technisch nutzen zu können. Außerdem verschiebt sie die technisch realisierbaren Grenzen als Messmethode für dünne Filme hin zu Filmdicken < 1 nm.