Summary
Bir micropunching litografi bir yaklaşım oluşturmak için mikro ve Mikronaltı-desen üst, yanak ve polimer yüzeylerde alt yüzeylerinde geliştirilmiştir. Bu desenlendirme iletken polimerlerin ve yanak modelleri üretme engellerin üstesinden gelir. Bu yöntem birden fazla özelliklerin hızlı üretimi sağlayan ve agresif kimya ücretsizdir.
Abstract
İletken polimerler 1977 1 yılında katkılı poliasetilen yüksek iletkenlik keşfedilmesinden bu yana büyük ilgi çekmiştir. Onlar düşük ağırlık, özelliklerin kolay terzilik ve uygulamaları 2,3 geniş bir yelpazenin avantajlar sunmaktadır. Bu malzemeler 4 çalışırken çevre koşullarına iletken polimerlerin hassasiyeti nedeniyle (örneğin, hava, oksijen, nem, yüksek sıcaklık ve kimyasal çözümler), taşbaskı teknikleri önemli teknik zorluklar. Örneğin, ultraviyole (UV) olarak mevcut fotolitografik yöntemleri, bu yöntemlerde, ıslak ve / veya kuru aşındırma proseslerin tutulum nedeniyle desenlendirme iletken polimerler için uygun değildir. Ayrıca, mevcut mikro / nano ağırlıklı bir düzlemsel formunu 5,6 var. Yapılardan biri tabakası imal özellikleri başka bir katman en üst yüzeyleri üzerinde inşa edilmiştir. Bu yapılardan çoklu katmanlar üzerinde çok sayıda aygıt oluşturmak üzere birlikte dizilirortak bir substrat. Mikro yapıların yan yüzeyleri inşa cihazlarda kullanılan edilmemiştir. Diğer taraftan, yanak desen değiştirebilir, akışkan kanalı ve nanoteller ve nanotüplerin doğrudan yatay büyüme 3-D devreleri inşa etmek için, örneğin, kullanılan olabilir.
Bir macropunching yöntemi yüz yılı aşkın bir sac macropatterns oluşturmak için imalat sanayi uygulanmıştır. Bu yaklaşım hareketle, biz iletken polimerlerin ve yanak modelleri üreten desenlendirmenin engelleri aşmak için bir micropunching litografi yöntemi (MPL) geliştirdik. Ve (ii) çizim (i) kesme: macropunching metodu gibi, MPL da iki işlem (Şekil 1) içerir. "Kesme" işlemi desen üç iletken polimerler 4, polipirol (PPy), poli (3,4-ethylenedioxythiophen)-poli (4-styrenesulphonate) (PEDOT) ve Polianilin (PANI) uygulanmıştır. Ayrıca Al mikro 7 oluşturmak için istihdam edildi. Iletken polimerlerin imal mikroyapıları nem 8, kimyasal 8, 9 ve glikoz sensörler olarak kullanılmıştır. Al ve iletken polimerlerin Kombine mikro kapasitörler ve çeşitli heterojunctions 9,10,11 imal etmek için kullanılmıştır. "Kesme" işlemi de 100 gibi Mikronaltı-desenleri oluşturmak için uygulandı - ve 500 nm çapında polipirol hatları gibi 100 nm çapında Au teller. "Çizim" operasyonu iki uygulamalar için kullanıldı: (i) yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) 3D mikrosistemler 12,13,14 oluşturmak için kullanılabilecek kanallar Au yanak kalıplarını üretmek, ve (ii) polidimetilsiloksan (PDMS) micropillars imal HDPE yüzeylerde kanalı 15 ile temas açısı arttırmaktır.
Protocol
MPL A. Schematics
Macropunching yöntemi "kesim" ve "çizim" işlemleri içerir. "Kesme" işlemi keskin kenarlı dışbükey yapıların kalıpları benimser ve üç temel adım (Şekil 1 (a1-a3)) içerir. İlk olarak, sert bir yüzeye (Şekil 1 (A1)) üzerinde bir metal plaka yerleştirin. İkincisi, yüksek bir güç tarafından fiziksel temas Si kalıp ve substrat getirmek. (Şekil 1 (a2), bu ikinci adım sırasında doğrudan dışbükey kalıp yapılarının altında metal kısmı ilk olarak dışbükey kalıp yapılarının komşu metalden kesilir, ve daha sonra substrat içbükey kalıpların alt aşağı doğru itilir ). Son olarak, levha metalin desen (Şekil 1 (a3)) tamamlayan, kalıp ve substrat ayırmak. "Çizim" operasyonu benzer bir üretim süreci kullanır. Ancak, yuvarlak kenarlı dışbükey yapıların kalıplar (Şekil 1 (b1)) benimser. Ayrıca,uygulamalı giriş kuvveti ve hız "kesme" operasyonu kendi muadilleri çok daha küçük ve daha düşüktür. Bu farklılıklar dışbükey yapılar altında sac parçası mevcut gerilimleri düşürür. Sonuç olarak, sac bu bölümü sadece aşağı itti ama (Şekil 1 (b2-b3)) "çizim" operasyonda kesilmiş değil.
MPL (Şekil 1 (C1-C3)), (i) 'kesme "işlemi bir ara ürün bir polimer tabakası ve basılacak bir malzemeden bir tabaka ile kaplanmış bir substratı Si (cam geçiş sıcaklığının üzerinde ısıtılır T g: yumuşama sıcaklığını) aşağıda ara polimer ve T m (erime sıcaklığı) ya da hedeflenen malzemenin T g (Şekil 1 (C1)), (ii) kalıp ve substrat yüksek basınç ile fiziksel temas haline getirilmektedir , sonradan soğutucu (Şekil 1 (c2)) takiben, ve bunların sıcaklığı altında olduğunda, (iii) bunların ayrılırHedeflenen tabakası (Şekil 1 (c3)) için kalıbın ikinci desen transferi tamamlandıktan ara polimerin T g,. MPL ve "çizim" operasyonu (Şekil 1 (d1-d3)) benzer fabrikasyon adımlar var "kesme." Bununla birlikte, "çizim" yumuşak PDMS kalıpları kullanır. Ayrıca, daha küçük bir giriş kuvveti, bir düşük değerli ekleme hızı, ve daha yüksek bir sıcaklığa baskı (ara polimerin viskozite düşürmektedir ve böylece mobil artırır) içerir. Buna göre, yüzey gerilimi ve ara polimerin hareketliliği yüksek kadar bağlı substrat eğrisinin üst yüzeyine sahiptir. Si kalıp temizlenir ve ardışık kabartma adımlar için yeniden kullanılabilir. Kalıp aseton ve DI su ile temizlenmelidir olabilir ve her kullanımdan önce N 2 ile iyice kurutulur. Artıkları kalıp microfeatures kalması durumunda, Nanostrip çözeltisi ve su ile temizlenir DI edilebilir; ve N2 ile kurutuldu.
B. CuMetal oluşturuluyor için MPL Operasyonu tting ve Polimer Micropatterns yürütülmesi
- Bir alt-tabaka üzerine tek katmanlı mikroyapıları: Şekil l'de gösterilen prosedür kullanılarak. 1 (C1-C3), mikro bir tabaka, bir alt tabaka üzerine oluşturulur. Imalat esnasında, substrat kaplamanın tek bir malzeme tabakası (polimer veya metal iletken) ya da birden fazla malzeme tabakası tarafından takip, ara polimer bir tabaka ile kaplanır. Buna göre, sıcak kabartma sonra, tek veya birden fazla madde ile mikro bir tabaka substrat üzerindeki üretilir. Fabrikasyon aşağıda detaylandırılmıştır.
- Geleneksel UV litografi (Şekil 2a) kullanılarak istenilen ölçülerde Si kalıplar imal. Si kalıp imalatı ayrıntılarını 4 raporlanır. Şek. 2 (A1-A4) işlemleri için kullanılan Si kalıpların düzenlerini göstermektedir.
- Boyutları 500 um x 170 mm x 1 bir iletken olmayan PMMA levha kullanın70 ara katman olarak mm ve sert, düz bir yüzeye yerleştirin.
- Tek bir malzeme mikro oluşturmak için: spin-ceket 100-500 nm kalınlığında termal buharlaşma kullanılarak PMMA levha veya depozito Al polimer (PPy, PEDOT veya SPANI) yürütmek.
- PMMA levha farklı bölümlerini üzerine spin-kat polipirol (2000 rpm), PEDOT (2500 rpm) ve SPANI (1500 rpm): Birden fazla iletken polimer malzemelerin mikroyapıları imal etmek. Kaplama dönmeye önce ilk PMMA sayfası üzerinde bir noktada polimer katmanı iletken, yapışkan bantlar kullanarak diğer alanları kapsayacak. Boya başka iletken polimer katmanları için, önceki katları ve boş alanları yapışkan bant ile kaplanmış olmalıdır. Bu prosedür, alt tabaka üzerine arzu edilen katı noktada, çoklu katmanlar için tekrar edilmelidir. Kaplamalı polipirol, PEDOT ve SPANI 500 nm, kalın 5 mm ve 200 nm, sırasıyla.
- Bir sıcak kabartma machi kullanılarak substrat Kabartmane (model: Hex 01/LT, Jenoptik Mikrotechnik Şirketi) (Şekil 2b). Sıcaklık, kuvvet ve kalıp yerleştirilmesi zamanda, sırasıyla 130-160 ° C, 1500-1800 N ve 120-200 s, bulunmaktadır. ° C'de 1.5 mm / dak 'lık bir hızda 80-95 azından demolding gerçekleştirmek. Tek bir malzemeden tek katlı mikro yapıların sonuçları şekil gösterilmektedir. 2 (C1-C3). Birden fazla madde ile tek katmanlı mikro yapıların sonuçları şekil verilmiştir. 2 (D2-D3).
- Bir nem sensörü olarak polipirol Gercek Uygulaması
- Alanı 1 x 1 cm 2 'nin 1-um-kalın film üretmek ve iletkenlik ölçümleri için Ag epoksi kullanarak filmin iki ucunda dış telleri bağlamak için 1500 rpm'de kat polipirol Spin.
- Kalınlığı 1 mikron bir polipirol filmi üretmek için 1500 rpm'de kat Spin. Uzunluğu polipirol Gercek 5000 mikron ve genişliği 300 mikron oluşturmak ve iki uç için dış temas telleri bağlamak için 4. adımda parametreleri ile kabartma gerçekleştirAg epoksi kullanarak tek Mikrotelin s.
- Bir nem ölçer ve nemlendirici ile hava geçirmez bir eldiven kutusu içinde polipirol film ve Mikrotelin sensörleri yerleştirin. Nemlendirici eldiven kutusunun içindeki nem seviyesi kontrollü artış sağlayacak. Her algılayıcı için IV ölçümleri için bir Keithley Probe istasyonu (Şekil 2e) için iletişim telleri takın.
- Aşağıdaki formül kullanılarak her bir sensör hassasiyeti hesaplayın:
burada, R ve R f i film ve Mikrotelin sensörlerin nihai ve başlangıç dirençleri, sırasıyla. Film ve Mikrotelin sensörler için her nem seviyelerinde taban nem seviyesinde R i (oda sıcaklığında) ve R f ölçün. - Şek. 2f% 48 ila% 85 bağıl nem için 8 yapılabilir hassasiyeti (ΔR / R) ölçüm sonuçlarını gösterir.Bu PPy Mikrotelin sensörünün hassasiyeti% 48% 58 için film sensör daha yüksek olduğu gözlenmiştir. % 58 Ötesinde film ve Mikrotelin sensörlerin duyarlılıkları benzerdir.
- Bir alt-tabaka üzerinde çok katmanlı mikroyapıları: Şekil l'de gösterilen prosedüre göre. 1 (C1-C3), üst tabaka, çok katmanlı bir mikro yapı oluşturmak için, sırasıyla iki ve üç polimer / metal tabaka, bir kombinasyonu ile değiştirilir. Cihaz düzeni Şek. 3 (A1-A2). Fabrikasyon aşağıda detaylandırılmıştır.
- Geleneksel UV litografi (Şekil 3b) kullanılarak istenilen ölçülerde bir Si kalıp imal.
- Boyutlarda bir iletken olmayan PMMA levha kullanın 500 mikron x 170 mm x 170 ara katman olarak mm ve sert, düz bir yüzeye yerleştirin.
- Iki-katmanlı PPy-PEDOT heterojunction üretmek için: PMMA levha üzerinde bir 10-um kalınlığındaki PEDOT tabaka elde etmek için 1000 rpm de, (i) spin-kaplama, (ii) subs fırında(iii) 1500 rpm'de yan kaplama tabakası üzerine PEDOT 1-um kalınlığındaki PPy filmi elde edilir ve 5 dakika için 80 ° C'da (iv) fırında substrata, 1 saat boyunca 80 ° C'de trate.
- Iki-katmanlı Al-PEDOT diyotları üretmek için: PMMA levha üzerinde bir 10-um kalınlığındaki PEDOT tabaka elde etmek için (i) spin-kaplama, 1000 rpm'de, (ii) 1 saat boyunca 80 ° C'de substrat fırında, ve ( termal buharlaştırma ile PEDOT katman üzerinde iii) kat 200 nm kalınlığında Al film.
- Üç katmanlı PEDOT-PMMA-PEDOT kondansatör üretmek için: PMMA levha üzerinde bir 10-um kalınlığındaki PEDOT tabaka elde etmek için (i) spin-kaplama, 1000 rpm'de, (ii) 80 substrat fırında 1 saat süreyle ° C, (iii) 1000 rpm birden fazla kez de spin-kat PEDOT tabakaya 15-20 um, (iv) 80 alt tabaka kalınlığının bir fırında PMMA filmi elde edilmesi için 2500 rpm'de 30 dakika, (v) spin-katın ° C PMMA film kalınlığı 2-3 um PEDOT tabaka elde edilir, ve (vi) fırında 80 az substrat 5 dakika boyunca ° C. için
- Sıcak-kabartma machi kullanılarak substrat Kabartmane. Sıcaklık, kuvvet ve kalıp yerleştirilmesi zamanda, sırasıyla 140-150 ° C, 1500-2000 N ve 150-200 s, bulunmaktadır. ° C'de 1.5 mm / dak 'lık bir hızda 80-95 azından demolding gerçekleştirmek. Sonuçlar Şekil 'de gösterilmiştir. 3 (cf) 11.
- Oluşturulan çok katlı mikro Uygulamaları
- Polipirol / PEDOT heterojunction
- Adım 2,1 sonra elde heterojunction yapıların IV ölçümleri için, bir Keithly Prob İstasyonu kullanabilir. PEDOT tabakası topraklanmış ve bir çapraz potansiyeli (-20 V 20 V) PPy tabakasına uygulanır.
- Şek. 3 (g1) [9,11] olarak PPy / PEDOT heterojunction ve IV karakteristiği, polipirol / PEDOT heterojunction arasında ileri ve geri arıza gerilimleri sırasıyla 5 V ve V -8 idi gösterir. Düzeltme oranı 10 az 24 olan V. idealite faktörü 8.88 düzeyindeydi.
- Al / PEDOT heterojunction
- IV için bir Keithly Probe İstasyonu kullanınAl / PEDOT heterojunction yapısının ölçümler 2.2 adım sonra elde. Al tabakası topraklanmış ve bir çapraz potansiyeli (-5 V ila 5 V) PEDOT tabakasına uygulanır.
- Şek. 3 (G2) 11, oda sıcaklığında ölçülen Al / PEDOT bileşkenin IV karakteristiklerini gösterir, ileri ve geri dökümü gerilimleri, sırasıyla, V ve 3 -2,5 edildi. Al / PEDOT heterojunction düzeltilmesi oranı 1 2 idi V. Bu kavşak için idealite faktörü 19 olarak hesaplandı.
- PEDOT / PMMA / PEDOT kapasitör
- 2.3 adım sonra elde PEDOT / PMMA / PEDOT kondansatör CV ölçümleri için bir Keithly Probe İstasyonu kullanın.
- Şek. 3 (G3) 11, oda sıcaklığında ölçülen PEDOT / PMMA / PEDOT kondansatörün CV gösterir. Teorik olarak hesaplanan miktar 1.38 pF iken düşük frekanslı önyargı de kondansatörün ölçülen kapasitans, yaklaşık 0.06 pF oldu.
C. Metal Sub-mikron Ppatterns oluşturuluyor için MPL İşletilmesi Kesme ve Polimer İletken
Şekil l'de gösterilen prosedür dayalı. Mikronaltı özelliklere sahip 1 (C1-C3), Si kalıplar metal ve iletken polimerlerin istenen kalıpları üretmek için kullanılır. Fabrikasyon aşağıda detaylandırılmıştır.
- Odaklanmış İyon Işın (FIB) litografi kullanarak alt mikron özelliklere sahip bir silikon kalıp imal. Genişlikleri 100 ve 500 nm Si kalıp iki farklı tipte, 1 derinliği - 1.5 mikron, 20 mikron ve 1 mikron sahanın uzunluğu, oluşturulur.
- Kullanmadan önce silikon kalıp yüzeyi hazırlanması: (i), oda sıcaklığına kadar soğutulması, ardından 30 dakika süreyle 150 ° C'de azot gazı ve fırında sahip kuru bir darbe, DI, su, aseton ve oda sıcaklığında iyice Nanostrip çözeltisi ile kalıp durulama ve kalıp yukarıdaki temizleme adımları sonra temiz değilse (ii), oksijen plazma temiz maruz. Tarifi gibidirşöyle: 300 watt güç plazma, 80 sccm ve 5 süresi oksijen debisi - 7 dakika.
- Coat PMMA katman: 3000 rpm'de yan kaplama PMMA solüsyonu (% 9 klorobenzen in moleküler ağırlığı 495 K), yaklaşık 1.2 um kalınlığında elde 150 azından gofret pişirmeye 1 saat ve soğumaya ve göstermek için izin vermek için ° C Bir sonraki adım için hidrofilik olmak üzere 50 sccm oksijenin akış hızı ile 300 W azından 3 dakika boyunca oksijen plazmaya PMMA kaplanmış yüzey.
- 3000 rpm'de Spin-kat PPy çözeltisi (DI su ile 01:02 (v / v) ile seyreltilmiştir) yaklaşık 75 nm arasında bir kalınlığı elde edilir ve PPy tabakası tedavisi için 1 saat boyunca 60 ° C'de substrat pişirmeye.
- Coat fışkırtması birikimi ile 10-25 nm kalınlığında bir Au film.
- Aşağıdaki adımları kullanarak polipirol teller oluşturun.
- Künye 500 nm çapında bir Si kanallar: 1 mm / dak 'lık bir hızla 160 ° C' de basma gerçekleştirmek ve mod kullanarak 600 s süresi eklemeksıcak kabartma makinesi pozisyon kontrolü. Kullanılacak maksimum kuvvet bu durumda, 1085, N'dir.
- Künye 100 nm çapında Si kanallar: 1mm/min bir hız ile 140 ° C'de imprinting gerçekleştirmek ve sıcak kabartma makinesi kuvvet kontrol modunu kullanarak 500 s süresi yerleştirin. N. 2300 kabartma kuvveti saptamak
- 100-nm çapında kanalları Si kalıp kullanarak Au nanoteller oluşturun: 1mm/min bir hız ile 160 ° C'de imprinting gerçekleştirmek ve sıcak kabartma makinesi kuvvet kontrol modunu kullanarak 700 s süresi yerleştirin. N. 2300 kabartma kuvveti saptamak
- Adımları 4,1-4,2 için ° C'de 3 mm / dakika hızıyla 95 az demolding gerçekleştirmek. Sonuçlar Şekil 'de gösterilmiştir. 4.
- Aşağıdaki adımları kullanarak polipirol teller oluşturun.
D. Polimer ve Si Substratlar yan duvarları üzerinde Micropatterns oluşturuluyor için MPL İşletilmesi çizimi.
Şekil prosedür izlenerek. 1 (d1-d3), "çizim" operasyonuHDPE mikrokanalların yanaklardaki Au ve PDMS micropatterns oluşturmak için kullanılır. HDPE yüzey üzerine karşılık gelen malzemenin Au veya baskılama sırasında orta tabaka polimer yüzey profiline aşağıdaki PDMS vardır. Fabrikasyon aşağıda detaylandırılmıştır.
- HDPE kanallarda Au yanak modelleri
- 3000 rpm'de Spin-ceket 1.5 mm kalınlığında HDPE sayfası (x 40 mm x 40 mm 1.5 mm) bir pozitif foto (S1813) 1-mikron kalınlığında bir tabaka elde etmek.
- S1813 tabakası (Şekil 5 (ab)) içine maske desenleri aktarmak için UV litografi kullanma. Maske modelleri 10 x 10 mikron 2 nokta (Şekil 7a) ve 110-mikron çapında satırlarından oluşur.
- Termal bir evaporatör (Şekil 5c) kullanılarak S1813 tabakaya Coat bir 100 nm-kalınlığında Au film.
- Aseton HDPE tabakası (Şekil 5d) Au desenleri bırakarak, durulama ile S1813 çıkarın.
- Bir temperat için HDPE sac ısıtınHDPE T g (yani, 128 ° C) ama aşağıda Au T m (yani, 1063 ° C) (Şekil 5e) biraz daha sıcak bir plaka üzerinde 131-136 ° C ure aralığı.
- Daha sonraki soğutma (Şekil 5f) takip 1 saat, künye 40-120 kPa basınç aralığı ile Au-desenli HDPE sayfalık bir Si-takviyeli PDMS kalıp 16 kullanın.
- Substrata PDMS kalıptan desen transferi tamamlayan, bunların sıcaklıklarda HDPE T g aşağıdaki gibidir kalıp ve HDPE levha ayırmak. PDMS kalıp tarafından HDPE tabaka içine itilmektedir Au desenler, oluşturduğu mikro (Şekil 5g), yanakların ve alt yüzeylerinde muaftır. PDMS kalıp ve Au modelleri arasında yapıştırma gücü HDPE sac ve Au desenler arasında olduğundan daha zayıf olduğundan, Au desenler PDMS kalıp sopa ve HDPE yüzeyde kalmaz. Bu işlemin sonuçları Şek edilir. 7 (bc) 12.
- HDPE kanal yanaklardaki PDMS micropillars
- 3000 rpm'de Spin-ceket SU-8 kalıp üzerine S1813 1-mikron kalınlığında bir tabaka (Şekil 6a) elde etmek. SU-8 kalıp geleneksel UV litografi 17 kullanılarak oluşturulur.
- Spin-kat PDMS (PDMS ve sertleştirici arasındaki oranı 10:1 olan) S1813 kaplı SU-8 kalıp üzerine 1000 devirde, ve sıcak bir plaka üzerinde 3 saat süreyle 85 ° C'de örnek pişirmek için soğuma izledi oda sıcaklığında (Şekil 6b).
- Micropillar biçimli PDMS film (Şekil 6C) üretimi tamamlayan, aseton ile S1813 yakma ile SU-8 kalıptan ince PDMS filmin bırakın.
- 1.5 mm kalınlığında HDPE levha (Şekil 6d) üzerinde micropillar biçimli PDMS filmi yerleştirin.
- 52.5 kPa (Şekil 6e) bir basınç ile 140 PDMS film ve HDPE sayfalık iki ° C içine bir Al kalıp (yuvarlak kenarlı) yerleştirin. Baskısüresi 1 saattir. 140 ° C, PDMS filmi kalıp ile yumuşak HDPE tabaka içine doğru itilir.
- Örnek Al kalıbın uzaklaştırılması ve ardından oda sıcaklığına kadar soğuduktan sonra, bir kanal HDPE tabaka oluşturulur. Bu micropillar biçimli PDMS film parçası alt ve kanalının iki yan duvara (Şekil 6f) transfer edilir. Sonuçlar Şekil 'de gösterilmiştir. 7 (sd) 15.
- HDPE kanal. Şekil içindeki PDMS micropillars üstüne yerleştirilmiş bir su damlasının temas açısı ölçün. 7 (GH) 145.5 ° 15 olarak ölçülen ortalama temas açısını gösterir.
E. Temsilcisi Sonuçlar
Özet olarak, MPL sonuçları aşağıda listelenmiştir:
- Polimer ve metal micropatterns yürüten tek katman Şekil oluşmuştur. 2 (B1-B3, C2-C3).
- Sonuçlarını algılama polipirol film ve Mikrotelin nemŞek. 2d.
- Polimer ve metal micropatterns yürütülmesi Çoklu katman Şekil oluşmuştur. 3 (cf).
- Şekil bileşke karakterizasyonu sonuçlanır. 3 (g1-g3).
- 100 - 500 nm çapında PPy teller Şekil oluşmuştur. 4 (ab).
- 100-nm çapında Au nanoteller Şekil oluşmuştur. 4c.
- Au desenleri Şekil olarak 300 mikron çapında ve 42 mikron derinliğinde HDPE kanallarda oluşturulmuştur. 7 (bc).
- PDMS micropillars Şekil olarak 1 mm çapında ve 1 mm derinliğindeki HDPE kanallarının üst, alt ve yan yüzeyler üzerinde oluşturulmuştur. 7 (df).
- Şekil HDPE kanalı içinde ölçülen su temas açıları. 7 (GH).
Şekil 1 sac konveks macropatterns yaratılması "kesme" işlemi (kesit şeması):. (A1) substrat üstünde bir metal plaka yerleştirmek, (a2) substrat içine kalıp yerleştirin ve (a3) ayrı bir kalıp ve substrat. Içbükey macropatterns imalatı yılında "çizim" süreci: Yüzeydeki (b1) yerde bir metal levha, (b2) substrata kalıp takın ve (b3) kalıp ve substrat ayırın. Dışbükey yapıların üretiminde MPL yöntemi (kesit şematik) arasında "kesme" işlemi: (C1) ısı substrat (c2) substrat içine kalıp yerleştirin ve (c3) kalıp ve substrat ayırmak. Içbükey yapıların üretiminde MPL yaklaşımın "çizim" operasyonu: (d1) ısı substrat, (d2) substrata kalıp takın ve (d3) kalıp ve substrat ayırın.
Şekil 2 Si kalıpları Tasarımları (üst görünüm): (a1) düz çizgiler; (a2) kare noktalar; (a3) kafes yapıları ve (a4) serpantin hatları..(B) sıcak kabartma makinesi. Oluşturulan Al yapılarının SEM görüntü: (C1) 10-um çapında bir hat; (c2) 20 x 20 um 2 noktalar ve (c3) kafes yapısı. Birden yapılardan oluşan mikro yapıların (d1) Şematik; (d2) 300 mikron çapında düz; polipirol, PEDOT of (d3) 50 mikron çapında serpantin Mikrotelin desenleri ve SPANI MPL bir "kesme" işlemi ile aynı anda fabrikasyon . (E) nem deney düzeneği algılama ve (f) nem polipirol film ve Mikrotelin sensörü 4, 7, 8 ile sonuçlar algılama. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .
. Şekil 3 Düzenleri: (a1) iki ve (a2) üç katlı cihazlar, (b) Si kalıp düzeni (üst görünüm) çok katmanlı cihazları imal etmek için kullanılan; (c) SEM görüntüsü 300 mikron çapında, MICROLINE şeklinde PPy-PEDOT heterojunction ve close-up kesit görünümleri SEM: (d) polipirol-PEDOT heterojunction, (e) Al-PEDOT diyot, (f) PEDOT-PMMA-PEDOT kapasitör; heterojunction karakterizasyonu sonuçları: (g1) PPy / PEDOT; (g2 ) Al / PEDOT ve (g3) PEDOT / PMMA / PEDOT 9,11.
Şekil 4, kabartmalı, 500 nm çapında PPy tellerin (a) AFM tarama;.. (B) kabartma 100 nm çapında PPy hatları ve (c) 100 nm çapında Au tellerin SEM görüntü tıklayınız büyük görmek için rakam .
Şekil 5 Au desenleri ile bir HDPE substrat Fabrikasyon:. (Ab) ortaya çıkarmak ve S1813 katmanı geliştirmek, istenilen özelliklerin bir maske kullanılarak; (cd) mevduat Au ve S1813 katmanı kaldırmak; (ef) Si takviyeli kullanarak yüzeylerde imprinting PDMS kalıp ve (g) sonra demolrı, Au özellikleri 12 oluşan yanak desenli bir substrat.
Şekil 6 micropillars bir PDMS filmin İmalat:. (A) bir SU-8 kalıp imal, (b) spin-kaplama tabakası ve bir PDMS tedavi etmek; (c) SU-8 kalıptan PDMS tabakası kaldırmak; (d) Al, bir kalıp kullanılarak substrat basma ve (EF) demolding sonra, PDMS micropillars oluşan yanak desenli bir alt-tabaka, 15 elde edilir.
Şekil 7 Au nokta (a) düzen; SEM görüntüleri:. (B) 10 x 10 mikron 2 nokta; ve (c) 110-um-geniş çizgiler. (D) kesit görünümü: üst, alt ve yan duvar surfaces1 mm çapında HDPE kanallar üzerinde oluşturulan PDMS micropillars; HDPE oluşturulan kanalların boyutlarının x 300 x 42 mikron mikron (uzunluk x genişlik x derinlik) 1 cm arasındakanal, (e) üst SEM görüntüleri; kanal (f) alt köşede; PDMS ve sütunlar 12,15 üzerine (gh) temas açısı ölçüm sonuçları. PDMS sütunlar boyutları 10 x 10 mikron mikron x 27 mikron var. HDPE kanallarının boyutları x 1 mm x 1 mm (uzunluk x genişlik x yükseklik) 20 mm. - Polipirol / PEDOT heterojunction
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Sorun giderme bilgileri: "kesme" işlemi kullanılarak polimer ve metallerin iletken tek ve çok katmanlı micropatterns nesil ilgili Kritik noktalar: (1) kabartma Sıcaklık optimum sonuçlar üretir ara PMMA tabakasının akışkanlığını sağlar. Bu aralığın alt limitten başlar ve istenen sonuçları elde değilse yavaş yavaş sıcaklığını artırmak için önerilir. Çok yüksek sıcaklıkta, kimyasal ve / veya elektrik özelliklerini değiştirmek için ileten polimer tabakası neden olabilir. Basma kuvveti çok yüksek ise (2), Si kalıp kabartma sırasında çatlamasına neden olabilir; düşük kuvvet ise cut-off olmayabilir uygunsuz kalıp doldurma ve polimer katmanları neden olabilir. (3) ve kabartma makinesi substrat set sıcaklığına değerinin elde hemen sonra basma başlatmak için programlanmış olması gerekir. (4) arasında künye profili kuvveti, sıcaklık ve kalıp Inse basma, özelliği boyutuna bağlıdırrt zamanı; ve daha yuvarlak bir ila keskin kenarları ile bir arasında değişebilir. Polimer tabakalar artış sayısı olarak, profili kenarlarında yuvarlanır eğilimindedir. (5) keskin kenarlı Si kalıplar iletken polimer / metal tabaka kesme istediğiniz gibi emin olmak için tercih edilir. Eğimli yanaklı bir Si kalıp kullanılması tavsiye edilmez. (6) çok derin Si kalıbın Kullanım kalıp ve polimer katman (ları) arasındaki yapışma neden olabilir. Kalıp çok sığ Eğer üst katman (lar) "kesme" elde etmek mümkün olmayabilir. (7) Bu bir anti-yapışma film (örneğin, teflon) kolayca demolding işlemi sırasında yüzeyi ayıran için Si kalıp kaplanmış gerektiğini tavsiye edilir. (8) Düşük kalıp insert time "kesme" neden olmayabilir ve kalıp profili yuvarlak olabilir. Özelliği boyutu küçük ise, uzun insert kez gerekli ve tersi. (9) Kalın iletken polimer / metal filmlerin ince göre daha fazla mekanik güçlüdür edilir. Ancak, comÜst tabakanın kalınlığı birleşik ara PMMA tabakasının kalınlığı daha fazla olmaması gerekir. (10) Demolding sıcaklığının altında 105 ° C olmalıdır (PMMA T g). Yüksek bir değer eğri-up demolding ve düşük değerden sonra olmak substrat neden olabilir Si kalıp yüzeye yapışabilir ve ayırmasına neden olabilir.
Mikronaltı PPy ve Au tellerin üretimi açısından kritik nokta: (1) ilk kez Si kalıplar kullanmadan önce, herhangi bir kalıbın AFM ve SEM taramaların yapılması gerekir. Bu silikon kalıp yüzeyi bozulmamış korumak için gereklidir. Silikon kalıp yüzey pürüzlülüğü artan bir olasılık var gibi (2) Bu NanoStrip çözüm veya oksijen plazma kullanma gibi agresif temizleme prosedürleri, kaçınılmalıdır. Bu silikon kalıp ve ileten polimer tabakası arasındaki yapışma uyarabilir. (3) üst tabakasının kalınlığı (polimer veya metal iletken) kalıbın derinliği daha az olmalıdırkenarlarında tabakasının kesme için. Yalıtıcı polimer tabakasının kalınlığına böyle bir sınırlama yoktur. (4) silikon kalıbın yüzey pürüzlülüğü az olmalıdır. Durumda silikon kalıp yüzeyi nedeniyle işleme veya bulaşma kaba, yanlış desen aktarımı sonucu, kalıp ve yüzey arasındaki temas mükemmel olmayabilir.
HDPE kanallarda Au micropatterns üretimi ile ilgili kritik noktaları: (1) yüksek kabartma sıcaklıkları (≥ 136 ° C), Au çizgileri eğri kadar HDPE yumuşatılmış olarak yüzeyde takip etmek istemiyorum. (2) üst kalıp derinlikte (≥ 42 um) anda, Au çizgiler gerilim nedeniyle 12 HDPE kanalların kenarlarında kırılabilir.
PDMS micropillars HDPE kanalları nesil ile ilgili kritik noktaları: PDMS micropillars yüksekliği büyük ise (1), bu SU-8 kalıp çıktıktan sonra aşağı düşebilir. PDMS direklerinden (2) Yüksek boy oranı olabilir"çizim" adım 15 sırasında hasar görmüş.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Çıkar çatışması ilan etti.
Acknowledgments
Bu çalışma NSFDMI-0508454, NSF / LEQSF (2006)-Pfund-53, NSF-CMMI-0.811.888, ve NSF-CMMI-0.900.595 hibe yoluyla kısmen desteklenmiştir.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PMMA | Sigma-Aldrich | 495C9 | The solvent is cholorobenzene. Handle PMMA solution under a fume hood with adequate ventilation. Do not breathe the vapor. Refer to MSDS for safe handling instructions. |
| PPy | Sigma-Aldrich | -- | 5% by weight in water. Used as received. |
| PEDOT-PSS | H. C. Starck Co. | Baytron P HC V4 | Proprietary solvent. Used as received. |
| SPANI | Sigma-Aldrich | -- | Water soluble form. Used as received. |
| Hot embossing machine | JenoptikMikrotechnik Co. | HEX 01/LT | |
| Sputter machine | Cressington Co. | 208HR | |
| FIB machine | Carl Zeiss, Inc. | FIB Crossbeam 1540 XB | |
| Spin coater | Headway Research Inc. | PWM32-PS-R790 Spinner System | |
| RIE machine | Technics MicroRIE Co. | -- | |
| Photoresist | Shipley Co. | S1813 | |
| PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 Silicone elastomer kit | |
| HDPE sheet | US Plastic Corp. | -- | |
| PMMA sheet | Cyro Co. | -- | |
| Double-sided adhesive tape | Scotch Co. | -- | |
| Single-sided tape | Delphon Co. | Ultratape # 1310 | |
| Glass micropipettes | FHC, Inc. | 30-30-1 | |
| Clip | Office Depot | Bulldog clip | |
| Humidifier | Vicks Co. | Filter free humidifier |
References
- Menon, R. Conducting polymers: Nobel Prize in Chemistry, 2000. Current Science. 79, 1632 (2000).
- Inzelt, G., Pineri, M., Schultze, J. W., Vorotyntsev, M. A. Electron and proton conducting polymers: recent developments and prospects. Electrochimica Acta. 45, 2403 (2000).
- Adhikari, B., Majumdar, S.
- Chakraborty, A., Liu, X., Parthasarathi, G., Luo, C. An intermediate-layer lithography method for generating multiple microstructures made of different conducting polymers. Microsystem Technologies. 13 (8), 1175 (2007).
- Madou, M. Fundamentals of Microfabrication. , CRC Press. (1995).
- Bustillo, J. M., Howe, R. T., Muller, R. S. Surface micromachining for microelectromechanical systems. Proceedings of the IEEE. 86, 1552 (1998).
- Liu, X., Luo, C. Intermediate-layer lithography for producing metal micropatterns. Journal of Vacuum Science and Technology B. 25, 677 (2007).
- Chakraborty, A., Luo, C. Multiple conducting polymer microwire sensors. Microsystem Technologies. 15, 1737 (2009).
- Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C. Polypyrrole: A new patterning approach and applications. Polypyrrole: Properties, Performance and Applications. Mason, E. C., Weber, A. P. , Nova Science Publishers, Inc. (2011).
- Poddar, R., Luo, C. A novel approach to fabricate a PPy/p-type Si heterojunction. Solid-State Electronics. 50, 1687 (2006).
- Liu, X., Chakraborty, A., Luo, C. Generation of all-polymeric diodes and capacitors using an innovative intermediate-layer lithography. Progress in Solid State Electronics Research. Martingale, J. P. , Nova Science Publishers, Inc. 127-139 (2008).
- Liu, X., Luo, C. Fabrication of Au sidewall micropatterns using a Si-reinforced PDMS mold. Sensors and Actuators A. 152, 96 (2009).
- Liu, X., Chakraborty, A., Luo, C. Fabrication of micropatterns on the sidewalls of a thermal shape memory polystyreme block. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20, 095025 (2010).
- Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C. Fabrication of micropatterns on channel sidewalls using strain-recovery property of a shape-memory polymer. Sensors and Actuators A. , Accepted (2011).
- Liu, X., Luo, C.
- Luo, C., Meng, F., Liu, X., Guo, Y. Reinforcement of PDMS master using an oxide-coated silicon plate. Microelectronics Journal. 37, 5 (2006).
- Luo, C., Garra, J., Schneider, T., White, R., Currie, J., Paranjape, M. Thermal ablation of PMMA for water release using a microheater. Sensors and Actuators A. 114, 123 (2004).
