Summary
הגישה ליתוגרפיה micropunching מפותח כדי ליצור מיקרו submicron דפוסי למעלה, דפנות ומשטחים התחתון של פולימר מצעים. הוא מתגבר על המכשולים של דפוסים מנהלת פולימרים ויצירת דפוסי דפנות. שיטה זו מאפשרת ייצור מהיר של תכונות מרובות ללא כימיה אגרסיבי.
Abstract
פולימרים מוליכים, משכו תשומת לב רבה מאז גילוי מוליכות גבוהה polyacetylene מסוממים בשנת 1977 1. הם מציעים את היתרונות של משקל נמוך, תפירה קלה של נכסים קשת רחבה של יישומים 2,3. בשל הרגישות של ניצוח פולימרים לתנאי הסביבה (למשל, אוויר, פתרונות, חמצן, לחות, טמפרטורה כימית גבוהה), טכניקות ליתוגרפיות להציג אתגרים טכניים משמעותיים בעבודה עם חומרים אלה 4. לדוגמה, שיטות photolithographic הנוכחי, כמו אולטרה סגול (UV), הם מתאימים את פולימרים מוליכים דפוסים בשל מעורבותם של תהליכים תחריט רטוב ו / או יבש בשיטות אלה. בנוסף, כיום מיקרו / ננו בעיקר יש צורה מישוריים 5,6. שכבה אחת של מבנים בנוי על פני השטח העליונים של שכבה נוספת של תכונות מפוברק. מספר שכבות של מבנים אלה נערמים יחד ליצירת מכשירים רבים עלמצע משותף. משטחים את דפנות של microstructures לא נעשה שימוש במכשירים בניית. מצד שני, דפוסי דפנות יוכל לשמש, למשל, לבנות 3-D מעגלים, לשנות ערוצי fluidic וצמיחה אופקית ישירה של nanowires ואת צינורות.
שיטת macropunching הוחל בענף התעשייה כדי ליצור macropatterns במתכת גיליון במשך 100 שנים. מונעים על ידי גישה זו, פיתחנו שיטת ליתוגרפיה micropunching (MPL) כדי להתגבר על המכשולים של דפוסים פולימרים מוליכים ויצירת דפוסי דפנות. כמו בשיטה macropunching, MPL כולל גם שני ניתוחים (איור 1): (i) חיתוך, וכן (ב) ציור. מבצע "חיתוך" היה מוחל על שלושה פולימרים מוליכים דפוס 4, polypyrrole (PPy), פולי (3,4-ethylenedioxythiophen)-Poly (4-styrenesulphonate) (PEDOT) ו polyaniline (פאני). הוא הועסק גם ליצור microstructures אל 7. Microstructures את מפוברק של ניצוח פולימרים שימשו 8 לחות, כימיקלים 8, וגלוקוז חיישנים 9. Microstructures בשילוב של אל על פולימרים מוליכים להיות מועסק לפברק קבלים heterojunctions שונים 9,10,11. מבצע "חיתוך" יושם גם כדי ליצור submicron דפוסי כמו 100 - 500 ננומטר רחב קווי PPy כמו גם 100 ננומטר רחב חוטי Au. מבצע "ציור" הועסק על שני יישומים: (i) לייצר ב"או דפוסי דפנות על פוליאתילן בצפיפות גבוהה (HDPE) ערוצים אשר יכול לשמש לבניית 3D מיקרוסיסטמס 12,13,14, ו - (ב) להמציא polydimethylsiloxane (PDMS) micropillars על מצעים HDPE להגדיל את זווית המגע של ערוץ 15.
Protocol
א schematics של MPL
שיטת macropunching כולל "חיתוך" פעולות "ציור". מבצע "חיתוך" מאמצת תבניות של קצוות חדים מבנים קמור וכולל שלושה שלבים בסיסיים (איור 1 (A1-A3)). ראשית, להציב פח על מצע קשיח (איור 1 (א 1)). שנית, להביא עובש סי ואת המצע במגע פיזי בכוח גבוה. במהלך שלב זה 2, חלק המתכת ישירות מתחת מבנים עובש קמור הוא חתך 1 מן המתכת השכנה על ידי מבנים עובש קמור ולאחר מכן דחפו עד לתחתית של תבניות קעורות ב המצע (איור 1 (א 2) ). לבסוף, להפריד את התבנית ואת המצע, השלמת דפוסים של מתכת גיליון (איור 1 (A3)). מבצע "ציור" משתמשת בתהליך ייצור דומה. עם זאת, היא מאמצת תבניות של סיבוב קצוות מבנים קמור (איור 1 (ב 1)). יתר על כן,הכוח ליישם הכניסה ומהירות הם הרבה יותר קטן ונמוך עמיתיהם מבצע "חיתוך". הבדלים אלו להוריד את המתחים הקיימים בין השאר של מתכת גיליון תחת מבנים קמור. כתוצאה מכך, חלק זה של מתכת גיליון נדחף כלפי מטה, אך לא רק מנותקים במבצע "ציור" (איור 1 (B2, B3)).
על מבצע "חיתוך" של MPL (איור 1 (C1-C3)), (ט) מצע סי מצופה שכבה של פולימר ביניים שכבה של חומר להדפסה מחוממים מעל טמפרטורת המעבר זכוכית ( T ז: טמפרטורת ריכוך) של פולימר ביניים ומטה T מ '(טמפרטורת התכה) או T גרם של חומר ממוקד (איור 1 (ג 1)), (ii) עובש ואת המצע מובאים במגע פיזי על ידי לחץ גבוה , ולאחר מכן קירור הבאים (איור 1 (ג 2)), וכן (iii) הם מופרדים כאשר הטמפרטורה שלהם נמוכהT גרם של פולימר ביניים, השלמת העברת דפוס מן עובש על השכבה ממוקד (איור 1 (C3)). "ציור" פעולה של MPL (איור 1 (D1-D3)) יש מדרגות ייצור דומים "חיתוך". עם זאת, "ציור" משתמש בתבניות רכות PDMS. זה גם כרוך בכוח הכניסה קטן יותר, מהירות הכניסה נמוכה יותר, הטמפרטורה הדפסה גבוהה (אשר מפחית את הצמיגות של פולימר ביניים ובכך מגביר ניידות שלה). בהתאם לכך, את תכונות פני השטח העליון של העקום בשל המצע עד מתח הפנים ואת ניידות גבוהה של פולימר ביניים. עובש סי ניתן לנקות מחדש המשמש הבלטות צעדים רצופים. עובש ניתן לנקות עם אצטון ומים DI, מיובשים היטב N 2 לפני כל שימוש. במקרה שאריות יישארו microfeatures של עובש, ניתן לנקות עם פתרון Nanostrip ומים DI, מיובשים עם N 2.
ב Cutting מבצע MPL ליצירת מתכת עריכת פולימר Micropatterns
- שכבה אחת microstructures על מצע: באמצעות ההליך לידי ביטוי באיור. 1 (C1-C3), שכבה של microstructures מופק על המצע. במהלך ייצור, המצע מצופה שכבה של פולימר ביניים, ואחריו שכבת ציפוי של חומר אחד (ניהול פולימר או מתכת) או שכבה של חומרים רבים. לפיכך, לאחר הבלטה חמה, שכבה של microstructures של חומרים יחידים או מרובים מופק על פני המצע. ייצור מפורטת להלן.
- להמציא תבניות סי של הממדים הנדרשים באמצעות ליתוגרפיה UV המקובלת (איור 2 א). הפרטים של בודה את התבנית סי מדווחים 4. איור. 2 (A1-A4) הצג את הפריסות של תבניות סי המשמשים התהליכים.
- השתמש גיליון שאינם מנהלים PMMA של מידות 500 x 170 מיקרומטר מ"מ x 170 מ"מ כשכבת ביניים, ומניחים אותו על המצע, נוקשה ושטוח.
- כדי ליצור microstructures של חומר אחד: ספין מעיל לנהל פולימר (PPy, PEDOT או SPANI) על גיליון PMMA או הפקדה אל באמצעות אידוי תרמי בעובי של 100-500 ננומטר.
- לפברק microstructures לנהל מספר רב של חומרים פולימריים: ספין מעיל PPy (סל"ד 2000), PEDOT (2,500 סל"ד) ו SPANI (סל"ד 1500) על חלקים שונים של גיליון PMMA. לפני ציפוי ספין 1 מנהלת שכבת פולימר במקום על דף PMMA, לכסות על אזורים אחרים באמצעות קלטות דבק. עבור אחרים ציפוי שכבות ניצוח פולימרי, ציפוי הקודמת בשטחים פתוחים צריכים להיות מכוסים על ידי דבק. הליך זה יש לחזור לשכבות המעיל מרובים במיקומים המבוקשים על פני המצע. PPy מצופה, PEDOT ו SPANI הם 500 ננומטר, 5 מיקרומטר ו -200 ננומטר עבים, בהתאמה.
- הבלטה באמצעות מצע machi חם הבלטותנה (דגם: 01/LT הקס, החברה Jenoptik Mikrotechnik) (איור 2b). זמן, טמפרטורה כוח עובש הכניסה הם 130-160 ° C, N ו 1500-1800 של 120-200, בהתאמה. בצע demolding ב 80-95 מעלות צלזיוס עם מהירות של 1.5 מ"מ / דקה. התוצאות של שכבה אחת microstructures של חומר יחיד מוצגים בתרשים. 2 (C1-C3). התוצאות של שכבה אחת microstructures של חומרים רבים ניתנים איור. 2 (D2, D3).
- יישום microwires PPy כמו חיישן לחות
- ספין PPy מעיל בסל"ד 1500 ליצור סרט 1-מיקרומטר בעובי של 1 ס"מ x 1 אזור 2 ולחבר שני חוטים חיצוניים בקצוות מנוגדים של הסרט באמצעות Ag אפוקסי עבור מדידות מוליכות.
- ספין מעיל בסל"ד 1500 ליצור סרט PPy של 1 מיקרומטר עובי. לבצע הבלטות עם פרמטרים בשלב 4 כדי ליצור microwires PPy של אורך ורוחב 5000 מיקרומטר 300 מיקרומטר ולצרף חוטי מגע חיצוניים עד הסוף 2ים של microwire יחיד באמצעות Ag אפוקסי.
- מניחים את הסרט PPy וחיישנים microwire בתוך תיבת כפפות אטום עם מד לחות אדים. אדים תאפשר גידול מבוקר של רמת הלחות בתוך תא הכפפות. חבר את חוטי קשר לתחנת Keithley Probe למדידות IV עבור כל חיישן (2e איור).
- לחשב את הרגישות של חיישן זה באמצעות הנוסחה הבאה:
שם, R ו-R ו i הם התנגדויות סופיים הראשונית של חיישנים סרטים microwire, בהתאמה. למדוד R i ברמת לחות הבסיס (בטמפרטורת החדר) ו-R ו ב כל רמות לחות לסרט וחיישנים microwire. - איור. 2F מראה תוצאות (ΔR / R) מדידות רגישות שנעשו 8 על 48% עד 85% לחות יחסית.היה נראה כי הרגישות של חיישן microwire PPy היה גבוה יותר מאשר חיישן סרט עבור% 48-58%. מעבר% 58 את הרגישות של חיישני סרטים microwire היו דומים.
- רב שכבתיים microstructures על מצע: בהתבסס על תהליך באיור. 1 (C1-C3), השכבה העליונה מוחלף על ידי שילוב של שני פולימרים ו 3 / שכבות מתכת, בהתאמה, כדי ליצור רב שכבתיים microstructures. פריסת המכשיר באיור. 3 (A1-A2). ייצור מפורטת להלן.
- לפברק עובש סי הממדים הנדרשים באמצעות ליתוגרפיה UV רגילה (איור 3 ב).
- השתמש גיליון שאינם מנהלים PMMA של מידות 500 x 170 מיקרומטר מ"מ x 170 מ"מ כשכבת ביניים, ומניחים אותו על המצע, נוקשה ושטוח.
- כדי ליצור שתי שכבות PPy-PEDOT heterojunction: (i) ספין מעיל בסל"ד 1000 להשיג שכבה של 10 מיקרון בעובי PEDOT בגיליון PMMA, (ii) לאפות צוללותtrate על 80 מעלות צלזיוס למשך 1 שעה, (iii) ספין מעיל בסל"ד 1500 להשיג 1-מיקרומטר בעובי הסרט PPy על שכבת PEDOT, וכן (iv) ואופים את המצע על 80 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות.
- ליצור דו שכבתי אל PEDOT דיודות: (i) ספין המעיל בסל"ד 1000 להשיג שכבה של 10 מיקרומטר בעובי PEDOT בגיליון PMMA, (ii) לאפות את המצע על 80 מעלות צלזיוס במשך 1 H, ו ( ג) מעיל 200 ננומטר בעובי אל הסרט על שכבת PEDOT על ידי אידוי תרמית.
- ליצירת תלת שכבתי PEDOT-PMMA-PEDOT קבלים: (i) ספין המעיל בסל"ד 1000 להשיג שכבה של 10 מיקרון בעובי PEDOT בגיליון PMMA, (ii) לאפות את המצע על 80 מעלות צלזיוס למשך 1 שעה, (iii) ספין מעיל ב 1000 סל"ד מספר פעמים כדי לקבל סרט PMMA בעובי 15-20 מיקרומטר על שכבת PEDOT, (ד) לאפות את המצע על 80 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות, (v) ספין מעיל ב 2500 סל"ד כדי לקבל שכבת PEDOT בעובי 2-3 מיקרומטר על הסרט PMMA, ו (ו ') ואופים את המצע על 80 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות.
- הבלטה באמצעות מצע machi חם הבלטותנה. זמן, טמפרטורה כוח עובש הכניסה הם 140-150 ° C, N ו 1500-2000 של 150-200, בהתאמה. בצע demolding ב 80-95 מעלות צלזיוס עם מהירות של 1.5 מ"מ / דקה. התוצאות מוצגות באיור. 3 (CF) 11.
- יישומים של רב שכבתיים microstructures שנוצר
- PPy / PEDOT heterojunction
- השתמש תחנת בדיקה Keithly עבור מדידות הרביעי המבנים heterojunction המתקבל לאחר שלב 2.1. שכבת PEDOT מעוגנת ואת הפוטנציאל הטיה (-20 V עד 20 V) על שכבת PPy.
- איור. 3 (G1) מציג את המאפיינים הרביעי heterojunction PPy / PEDOT ב [9,11], המתחים פירוק קדימה הפוכה של heterojunction PPy / PEDOT היו 5 V ו -8 V, בהתאמה. תיקון היחס היה 24 על 10 V. גורם האידיאליות היה שווה ל 8.88.
- אל / PEDOT heterojunction
- השתמש תחנת בדיקה Keithly על IVמדידות של המבנה heterojunction אל / PEDOT המתקבל לאחר שלב 2.2. שכבת אל מעוגנת ואת הפוטנציאל הטיה (-5 V עד 5 V) על שכבת PEDOT.
- איור. 3 (G2) מציג את המאפיינים הרביעי בצומת אל / PEDOT נמדד בטמפרטורת החדר ב 11, את המתחים פירוק קדימה לאחור היו 3 ו -2.5 V, בהתאמה. יחס תיקון heterojunction אל / PEDOT היה 2 על 1 ו 'גורם האידיאליות עבור צומת זה היה מחושב להיות 19.
- PEDOT / PMMA / PEDOT קבלים
- השתמש תחנת בדיקה Keithly עבור מדידות קורות חיים של קבלים PEDOT / PMMA / PEDOT המתקבל לאחר שלב 2.3.
- איור. 3 (G3) מציגה את קורות חיים של קבלים PEDOT / PMMA / PEDOT נמדד בטמפרטורת החדר ב 11. קיבול של קבלים נמדדים על משוא פנים בתדירות נמוכה היה על 0.06 pF, בעוד הכמות מחושבת באופן תיאורטי היה 1.38 pF.
ג חיתוך מבצע של MPL ליצירת מיקרון משנה Ppatterns של מתכת עריכת פולימר
על פי הנוהל לידי ביטוי באיור. 1 (C1-C3), תבניות סי עם מיקרון משנה תכונות משמשים ליצירת דפוסי הרצויות של חלקי מתכת, פולימרים מוליכים. ייצור מפורטת להלן.
- לפברק תבנית סיליקון עם תת מיקרון תכונות באמצעות אלומת יונים ממוקדת (FIB) ליתוגרפיה. שני סוגים שונים של תבניות סי, רוחב של 100 ו -500 ננומטר, עומק של 1 - 1.5 מיקרומטר, אורך של 20 מיקרומטר ו המגרש של 1 מיקרומטר, נוצרות.
- משטח הכנת תבנית סיליקון לפני השימוש: (א) לשטוף את התבנית במים DI, אצטון פתרון Nanostrip היטב בטמפרטורת החדר, מכה יבשה בגז חנקן אופים בחום של 150 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות לאחר מכן קירור לטמפרטורת החדר, ו (ב) אם התבנית אינה נקייה לאחר הצעדים ניקוי הנ"ל, להכפיף אותו לחמצן פלזמה נקי. המתכון הוא כמוכדלקמן: כוח פלזמה של 300 וואט, זרימת חמצן קצב SCCM 80 משך של 5 - 7 דקות.
- שכבת סמל PMMA: ספין מעיל פתרון PMMA (משקל מולקולרי 495 K ב chlorobenzene 9%) בסל"ד 3000 כדי להשיג עובי של כ -1.2 מיקרומטר, לאפות פרוסות סיליקון של 150 מעלות צלזיוס במשך 1 שעות ולאפשר לו להתקרר, ולחשוף משטח PMMA מצופה פלזמה חמצן 3 דקות ב 300 W עם 50 קצב הזרימה SCCM חמצן כדי להפוך אותו הידרופילי לשלב הבא.
- ספין מעיל פתרון PPy (דילול של 1:02 (V / V) במים DI) בסל"ד 3000 כדי לקבל עובי של כ -75 ננומטר ואופים את המצע על 60 מעלות צלזיוס במשך שעה 1 כדי לרפא את שכבת PPy.
- סמל הסרט Au בעובי של 10-25 ננומטר באמצעות תצהיר המקרטעת.
- צור חוטי PPy באמצעות השלבים הבאים.
- חותם 500 ננומטר ברחבי ערוצי Si: לבצע החתמה על 160 ° C עם מהירות של 1 מ"מ / דקה ולהכניס משך 600 של שימוש במצב שלעמדת שליטה מכונת חם הבלטות. כוח מרבי בשימוש הוא 1085 N במקרה זה.
- חותם 100 ננומטר ברחבי ערוצי Si: לבצע החתמה על 140 ° C עם מהירות של 1mm/min והכנס משך 500 של שימוש במצב של שליטה בכוח מכונת חם הבלטות. תקן כוח הבלטות ב 2300 נ '
- צור nanowires ב"או באמצעות תבנית Si עם 100 ננומטר רחב ערוצים: לבצע החתמה על 160 ° C עם מהירות של 1mm/min והכנס משך 700 של שימוש במצב של שליטה בכוח מכונת חם הבלטות. תקן כוח הבלטות ב 2300 נ '
- לצעדים 4.1-4.2, לבצע demolding ב 95 ° C במהירות של 3 מ"מ / דקה. התוצאות מוצגות באיור. 4.
- צור חוטי PPy באמצעות השלבים הבאים.
ד ציור מבצע של MPL ליצירת Micropatterns על הצדדיים של פולימר Si מצעים.
בעקבות הליך באיור. 1 (D1-D3), מבצע "ציור", הואהמשמש לייצור Au ו PDMS micropatterns על הצדדיים של microchannels HDPE. החומר המתאים על מצע HDPE הוא Au או PDMS, אשר מלווה את פרופיל פני השטח של פולימר ביניים שכבת במהלך החתמה. ייצור מפורטת להלן.
- ב"או דפנות דפוסי בערוצי HDPE
- ספין מעיל בסל"ד 3000 להשיג שכבה 1-מיקרומטר בעובי של photoresist חיובי (S1813) על דף HDPE 1.5 מ"מ, עבה (1.5 מ"מ x 40 מ"מ x 40 מ"מ).
- באמצעות ליתוגרפיה UV להעביר את דפוסי המסכה לתוך שכבת S1813 (איור 5 (AB)). דפוסי מסכת מורכבת של 10 x 10 2 נקודות מיקרומטר (איור 7 א) ו 110-מיקרומטר רחב קווי.
- סמל הסרט 100 ננומטר בעובי Au על שכבת S1813 באמצעות המאייד תרמית (איור 5 ג).
- הסר S1813 עם אצטון לשטוף, עוזב דפוסי ב"או בגיליון HDPE (איור 5 ד).
- מחממים את גיליון HDPE עד temperatיור טווח של 131-136 מעלות צלזיוס על פלטה חשמלית, שהיא מעט מעל T g של HDPE (כלומר, 128 מעלות צלזיוס), אך מתחת T מ 'של Au (כלומר, 1063 ° C) (איור 5e).
- השתמש עובש סי מחוזק PDMS 16 עד חותם את הגיליון Au בדוגמת HDPE עם טווח של לחץ kPa 40-120, עבור שעות 1 ואחריו קירור הבאים (איור 5F).
- הפרד עובש גיליון HDPE כאשר הטמפרטורות שלהם מתחת g T של HDPE, השלמת העברת דפוס מהתבנית PDMS למצע. דפוסי Au, אשר נדחפים לתוך גיליון HDPE ידי עובש PDMS, להישאר הצדדיים ומשטחים בתחתית של microstructures שנוצרו (איור 5 גרם). מאז כוח מליטה בין עובש PDMS ואת דפוסי ב"או חלשים יותר, כי בין גיליון HDPE דפוסי Au, דפוסי ב"או לא מקל עובש PDMS ולהישאר על פני השטח HDPE. התוצאות של תהליך זה מוצגות בתרשים. 7 (לפני הספירה) 12.
- PDMS micropillars על הצדדיים ערוץ HDPE
- ספין מעיל בסל"ד 3000 להשיג שכבה 1-מיקרומטר בעובי של S1813 על עובש SU-8 (איור 6 א). עובש SU-8 נוצרת באמצעות ליתוגרפיה UV רגיל 17.
- ספין מעיל PDMS (היחס בין PDMS וסוכן ריפוי שלה הוא 10:1) בסל"ד 1000 על תבנית מצופה S1813 SU-8, ואופים את המדגם על 85 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות על פלטה חשמלית ואחריו קירור עד טמפרטורת החדר (איור 6 ב).
- שחרר את סרט דק PDMS מ תבנית SU-8 על ידי תחריט S1813 עם אצטון, השלמת דור micropillar בנוי PDMS הסרט (איור 6 ג).
- מניחים את הסרט micropillar בנוי PDMS על דף HDPE 1.5 מ"מ בעובי (איור 6 ד).
- הכנס אל התבנית (עם קצוות מעוגלים) לסרט הן PDMS והסדין HDPE ב 140 ° C עם לחץ של kPa 52.5 (איור 6E). הדפסההזמן הוא 1 שעה. ב 140 ° C, הסרט PDMS נדחף לתוך גיליון HDPE רך על ידי עובש.
- אחרי המדגם הוא מקורר לטמפרטורת החדר ואחריו הסרת עובש אל, הערוץ מופק על גיליון HDPE. חלק בסרט זה PDMS micropillar בנוי מועבר למטה ושני הצדדיים של הערוץ (איור 6F). התוצאות מוצגות באיור. 7 (DF) 15.
- מדוד את זווית המגע של טיפות מים מונחת על גבי micropillars PDMS בתוך HDPE הערוץ. איור. 7 (GH) מציג את זווית המגע הממוצע כפי שהיא נמדדת על 145.5 ° 15.
קולי נציג תוצאות
לסיכום, התוצאות של MPL מפורטים להלן:
- שכבה יחידה לניהול פולימר micropatterns מתכת נוצרו כמו איור. 2 (B1-B3, C2, C3).
- הסרט PPy ולחות microwire חישה תוצאותאיור. 2.
- שכבה מספר מנהלים פולימר micropatterns מתכת נוצרו כמו איור. 3 (CF).
- אפיון צומת תוצאות איור. 3 (G1-G3).
- 100 - 500 ננומטר רחב חוטי PPy נוצרו כמו איור. 4 (AB).
- 100 ננומטר רחב nanowires ב"או נוצרו כמו איור. 4C.
- דפוסי ב"או נוצרו על 300 מיקרומטר רחב ו 42 מיקרומטר עמוק ערוצי HDPE כמו באיור. 7 (לפני הספירה).
- Micropillars PDMS נוצרו על פני השטח, למעלה התחתונות, דפנות של ערוצי HDPE 1 מ"מ לרוחב ו -1 מ"מ עמוק כמו באיור. 7 (DF).
- מגע המים הזוויות שנמדדו בתוך ערוץ HDPE באיור. 7 (GH).
איור 1 תהליך "חיתוך" של יצירת macropatterns קמור מתכת גיליון (חתך schematics). (א 1) במקום מתכת בחלק העליון של המצע, (א 2) להכניס את התבנית לתוך המצע, ואת (A3) עובש נפרד ואת המצע. "ציור" תהליך ייצור של macropatterns קעורות: (ב 1) במקום מתכת על פני המצע, (ב 2) להכניס את התבנית לתוך המצע, ו (ב 3) להפריד את התבנית ואת המצע. מבצע "חיתוך" של השיטה MPL בייצור של מבנים קמור (חתך schematics): (ג 1) לחמם את המצע, (ג 2) להכניס את התבנית לתוך המצע, ואת (C3) להפריד את התבנית ואת המצע. "ציור" פעולה של הגישה MPL בייצור של מבנים קעורות: (ד 1) לחמם את המצע, (D2) להכניס את התבנית לתוך המצע, ואת (D3) להפריד את התבנית ואת המצע.
איור 2 עיצובים של תבניות סי (מבט מלמעלה): (א 1) קווים ישרים, (A2) נקודות רבועים; (A3) מבנים מסבך, וכן (A4) קווי ומתפתלים..(ב) מכונת הבלטה חמה. SEM תמונות של מבנים שנוצר אל: (ג 1) 10 מיקרומטר רחב קווי, (ג 2) 20 × 20 נקודות 2 מיקרומטר, וכן (C3) מבנים מסבך. (ד 1) סכמטי של microstructures המורכב של מבנים רבים, (D2) של 300 מיקרומטר רחב ישר; (D3) 50 מיקרומטר רחב דפוסי microwire והמתפתלים של PPy, PEDOT, ו SPANI מפוברק בו זמנית באמצעות מבצע "חיתוך" של MPL . (ה) לחות חישה התקנה ניסיונית, ו (ו) הלחות חישה תוצאות עם הסרט PPy וחיישן microwire 4, 7, 8. לחץ כאן כדי להציג דמות גדולה .
. איור 3 פריסות של: (א 1) 2 ו (א 2) תלת שכבתי התקנים, (ב) הפריסה של עובש סי (מבט מלמעלה) נהגו לפברק רב שכבתיים התקנים, (ג) תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של 300 מיקרומטר רחב, microline בצורת PPy-PEDOT heterojunction, ו CLOSE-SEM את הדעות של חתכים של: (ד) PPy-PEDOT heterojunction: (ה) אל PEDOT דיודה, (ו) PEDOT-PMMA-PEDOT קבלים; תוצאות heterojunction אפיון: (G1) PPy / PEDOT; (G2 ) אל / PEDOT, וכן (G3) PEDOT / PMMA / PEDOT 9,11.
איור 4 (א) AFM סריקה של 500 ננומטר רחב חוטי בולטות PPy,. תמונות של SEM (ב) בולטות 100 ננומטר רחב קווי PPy ו (ג) 100 ננומטר רחב חוטי Au. לחץ כאן כדי להציג גדול להבין .
איור 5 המצאה של המצע HDPE עם דפוסי ב"או. (AB) באמצעות מסכה של תכונות רצויות, לחשוף ולפתח את השכבה S1813, (CD) פיקדון Au ולהסיר את השכבה S1813, (EF) הטבעה על מצעים באמצעות חיזוק סי עובש PDMS, ו (ז) לאחר demolדינג, המצע עם דפוסי דפנות הכוללות תכונות ב"או 12.
איור 6 המצאה של הסרט PDMS עם micropillars:. (א) להמציא SU-8 עובש, (ב) ספין מעיל לרפא שכבת PDMS: (ג) להסיר את שכבת PDMS מ תבנית SU-8 (ד) הטבעה המצע באמצעות עובש אל, וכן (EF) לאחר demolding, המצע עם דפוסי דפנות המורכב micropillars PDMS, מתקבלים 15.
איור 7 (א) הפריסה של נקודות ב"או; תמונות SEM של:. (ב) 10 x 10 מיקרומטר 2 נקודות, ו (ג) 110 מיקרומטר רחב קווי. מידותיו של הערוצים המופקים HDPE הם 1 ס"מ x 300 x 42 מיקרומטר (מיקרומטר רוחב x אורך x עומק); micropillars PDMS שנוצר על העליון, התחתון ואת דפנות surfaces1 מ"מ לרוחב ערוצי HDPE: (ד) חתך נוף שלערוץ: תמונות SEM של העליון (E), (ו) בפינה התחתונה של הערוץ, וכן (GH) זווית המגע מדידת התוצאות על עמודי PDMS 12,15. מעמודי התווך PDMS יש את הממדים 10 מיקרומטר x 10 x 27 מיקרומטר מיקרומטר. מידותיו של הערוצים HDPE הם 20 מ"מ X 1 מ"מ X 1 מ"מ (אורך x רוחב x גובה). - PPy / PEDOT heterojunction
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
מידע פתרון בעיות: נקודות קריטיות לגבי דור micropatterns יחיד ו מרובה שכבה של מנהלים פולימרים ומתכות באמצעות מבצע "חיתוך": (1) טמפרטורה של הבלטות מבטיחה נזילות של שכבת ביניים PMMA אשר מייצר תוצאות אופטימליות. מומלץ להתחיל לגבול התחתון של טווח ולהגדיל את הטמפרטורה בהדרגה, אם התוצאות הרצויות אינן מושגות. גם חום גבוה עלול לגרום שכבת הפולימר ניצוח לשינוי כימי ו / או תכונות חשמליות. (2) אם כוח החתמה גבוה מדי, הוא עלול לגרום עובש סי לפצח במהלך הבלטות, ואילו כוח נמוכה עלול לגרום מילוי עובש בלתי הולם שכבות פולימר לא יהיו חתוכים. (3) מכונת הבלטות צריך להיות מתוכנת להתחיל רק לאחר הטבעה המצע שהשיג את ערך הטמפרטורה סט. (4) פרופיל של חותם תלוי בגודל תכונה, הטבעה inse, כוח טמפרטורה עובשזמן RT, והוא עשוי להשתנות בין בעל קצוות חדים עד 1 מעוגל יותר. ככל שמספר גידול שכבות פולימר, פרופיל נוטה להיות מעוגל בקצוות. (5) תבניות סי עם קצוות חדים עדיפים על מנת להבטיח כי העוסקים פולימר / מתכת שכבות חתוכים לפי הצורך. השימוש עובש סי עם הצדדיים משופעים אינו מומלץ. (6) שימוש של עובש סי עמוק מאוד עלול לגרום stiction בין עובש לבין שכבת פולימר (ים). אם תבנית שטוחה מדי זה לא יכול להיות מסוגל להשיג "חיתוך" של השכבה העליונה (ים). (7) מומלץ סרט אנטי stiction (כגון טפלון) צריך להיות מצופה עובש על Si עבור בקלות הפרידה בינו לבין המצע במהלך תהליך demolding. (8) זמן נמוכה להוסיף עובש לא יכול לגרום "גזירה" ואת הפרופיל עובש ניתן מעוגלות. אם גודל תכונה קטנה, לפעמים להוסיף עוד נדרשים ולהיפך. (9) עבים ניצוח פולימר / מתכת סרטים יותר מכני חזק לעומת אלה רזה. עם זאת, comעובי bined של השכבה העליונה לא צריך להיות יותר מ עובי שכבת ביניים PMMA. (10) Demolding הטמפרטורה צריכה להיות מתחת 105 ° C (T g של PMMA). ערך גבוה עלול לגרום המצע להיות מעוגל כלפי מעלה לאחר demolding וערך נמוך עלול לגרום עובש סי להיצמד למצע ו להתפרק.
נקודות קריטיות לגבי הדור של PPy תת מיקרון ו - חוטים ב"או: (1) לפני השימוש את תבניות סי בפעם הראשונה, AFM ו-SEM לא סריקות של עובש יש לבצע. זה הכרחי כדי לשמור על השטח הבתולי של עובש סיליקון. (2) תהליכי ניקוי אגרסיביים כגון שימוש הפתרון NanoStrip או פלזמה חמצן יש להימנע, שכן קיימת אפשרות של הגדלת חספוס פני השטח של עובש סיליקון. זה עלול לגרום stiction בין עובש סיליקון שכבת הפולימר ניהול. (3) עובי השכבה העליונה (ניהול פולימר או מתכת) צריך להיות פחות מ עומק של עובשעל הניתוק של שכבת בקצוות. אין הגבלה כזו על עובי שכבת הפולימר בידוד. (4) חספוס פני השטח של עובש סיליקון צריך להיות המינימום. במקרה את פני השטח של התבנית סיליקון מחוספס בשל עיבוד או זיהום, יש לא יכול להיות קשר מושלם בין עובש ואת המצע, וכתוצאה מכך העברת דפוס לא תקין.
נקודות קריטיות לגבי דור micropatterns ב"או בערוצי HDPE: (1) בטמפרטורות גבוהות יותר (הבלטות ≥ 136 ° C), קווי ב"או לא עקומה עד אחרי פני השטח כמו HDPE הוא התרכך. (2) בעומקים עובש גבוהות יותר (מעל 42 מיקרומטר), קווי ב"או יכול לשבור בשולי ערוצי HDPE בשל הלחץ 12.
נקודות קריטיות לגבי הדור של ערוצים HDPE עם micropillars PDMS: (1) אם גובה של micropillars PDMS הוא גדול, הוא עשוי ליפול לאחר שחרורו מן עובש 8-SU. (2) יחס גבוה של עמודי PDMS רשאילהינזק במהלך שלב "ציור" 15.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
אין ניגוד עניינים הצהיר.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי NSFDMI-0508454, NSF / LEQSF (2006), Pfund-53, NSF-CMMI-0811888, ו-NSF-CMMI-0900595 מענקים.
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).
