Summary
En micropunching litografi tilnærming er utviklet for å generere mikro-og submikron-mønstre på toppen, sideveggen og bunn overflater av polymer underlag. Det overvinner hindringer av mønster gjennomføre polymerer og generere sidevegger mønstre. Denne metoden gir rask fabrikasjon av flere funksjoner og er fri for aggressiv kjemi.
Abstract
Gjennomføre polymerer har fått stor oppmerksomhet siden oppdagelsen av høy ledningsevne i dopet polyacetylene i 1977 1. De tilbyr fordelene med lav vekt, enkel skreddersøm av eiendommer og et bredt spekter av applikasjoner 2,3. På grunn av følsomheten for å drive polymerer til miljøforhold (f.eks luft, oksygen, fuktighet, høy temperatur og kjemisk løsninger), litografiske teknikker presentere betydelige tekniske utfordringer ved arbeid med disse materialene 4. For eksempel, dagens fotolitografiske metoder, for eksempel ultrafiolett (UV), er uegnet for mønster de gjennomføre polymerer grunn av involvering av våte og / eller tørr radering prosesser i disse metodene. I tillegg dagens mikro / nanosystemer hovedsak har planar skjema 5,6. Ett lag av strukturer er bygd på de beste overflater av et lag av fabrikkerte funksjoner. Flere lag med disse strukturene er stablet sammen for å danne tallrike enheter påen felles substrat. Sideveggen flater av mikrostrukturer har ikke vært brukt i konstruere enheter. På den annen side kan sidevegger mønstre brukes, for eksempel å bygge 3-D kretser, modifisere fluidic kanaler og direkte horisontal vekst av nanotråder og nanorør.
En macropunching metoden har vært anvendt i industrien for å skape macropatterns i en metallplate for over hundre år. Motivert av denne tilnærmingen, har vi utviklet en micropunching litografi metode (MPL) til å overvinne hindringer av mønster gjennomføre polymerer og generere sidevegger mønstre. Som macropunching metoden, inkluderer MPL også to operasjoner (Fig. 1): (i) skjæring og (ii) tegning. Den "cutting" Operasjonen ble brukt mønster tre ledende polymerer 4, og Poly polypyrrole (PpY) (3,4-ethylenedioxythiophen)-poly (4-styrenesulphonate) (PEDOT) og polyaniline (PanI). Det ble også ansatt for å skape Al mikrostrukturer 7. De fabrikkerte mikrostrukturer for å gjennomføre polymerer har vært brukt som fuktighet 8, 8 kjemisk, og glukose sensorer 9. Kombinerte mikrostrukturer av Al og gjennomføre polymerer har blitt ansatt for å dikte kondensatorer og diverse heterojunctions 9,10,11. Den "cutting" operasjon ble også brukt til å generere submikron-mønstre, for eksempel 100 - og 500-nm-wide PpY linjer samt 100-nm-wide Au ledninger. "Drawing" operasjon ble ansatt for to programmene: (i) produserer Au sidevegger mønstre på høy tetthet polyetylen (HDPE) kanaler som kan brukes for å bygge 3D mikrosystemer 12,13,14, og (ii) dikte Polydimethylsiloxane (PDMS) micropillars på HDPE underlag for å øke kontakten vinkel på kanalen 15.
Protocol
A. Skjematisk av MPL
Den macropunching metoden inkluderer "cutting" og "Drawing" operasjoner. Den "cutting" operasjon vedtar former av skarpe kanter konvekse strukturer og omfatter tre grunnleggende trinn (Fig. 1 (A1-A3)). Først plasserer en plate på en rigid substrat (Fig. 1 (a1)). Sekund, ta en Si mugg og underlaget i fysisk kontakt med en høy styrke. I denne andre trinnet, er den delen av metall rett under konvekse mugg strukturer første avskåret fra nabolandet metallet av de konvekse mold strukturer, og deretter presset ned til bunnen av den konkave mønstre i underlaget (Fig. 1 (A2) ). Til slutt, skille mugg og underlaget, fullføre mønster av metallplater (Fig. 1 (a3)). "Drawing" operasjon bruker en lignende fabrikasjon prosessen. Men vedtar det støpeformer av runde kanter konvekse strukturer (Fig. 1 (B1)). Videreanvendt innsetting kraft og hastighet er mye mindre og lavere enn sine kolleger i "cutting" operasjon. Disse forskjellene senke stresset til stede i den delen av metallplater i henhold konvekse strukturer. Derfor er denne delen av metallplater bare presset ned, men ikke kuttet i "tegningen" operasjon (Fig. 1 (b2-B3)).
I "cutting" drift av MPL (Fig. 1 (C1-C3)), (i) en Si substrat belagt med et lag av en mellomliggende polymer og et lag av et materiale som skal skrives er oppvarmet over glassningstemperatur ( T g: oppmykning temperatur) av mellomliggende polymer og under T m (smeltetemperatur) eller T g av målrettet materialet (Fig. 1 (C1)), (ii) formen og underlaget er brakt inn i fysisk kontakt med høytrykk , etterfulgt av påfølgende kjøling (Fig. 1 (c2)), og (iii) de er atskilt når deres temperaturen er underT g av mellomliggende polymer, fullføre mønsteret overføring fra formen til målrettet lag (Fig. 1 (C3)). Den "tegning" drift av MPL (Fig. 1 (D1-D3)) har fabrikasjon trinn som ligner på "cutting". Likevel bruker "tegningen" myke PDMS muggsopp. Det innebærer også et mindre innsetting kraft, en lavere innsetting hastighet, og en høyere utskrift temperatur (som senker viskositeten på mellomliggende polymer og dermed øker mobilitet). Følgelig funksjonene øverst underlaget kurve opp på grunn av overflatespenningen og den høye mobiliteten middels polymer. Si mugg kan rengjøres og brukes på nytt for etterfølgende preging trinn. Formen kan rengjøres med aceton og DI vann, og tørkes grundig med N 2 før hver bruk. I tilfelle rester igjen i microfeatures av formen, kan det rengjøres med Nanostrip løsning og DI vann, og tørkes med N 2.
B. Cutting Drift i MPL for generering Metall og ledende polymer Micropatterns
- Single-lags mikrostrukturer på et substrat: Du kan bruke prosedyren illustrert i fig. 1 (C1-C3), er et lag av mikrostrukturer generert på et substrat. Under fabrikasjon blir underlaget belagt med et lag av middels polymer, etterfulgt av belegg et lag av en enkelt materiale (ledende polymer eller metall) eller et lag av flere materialer. Følgelig, etter varme preging, er et lag av mikrostrukturer av ett eller flere materialer produsert på underlaget. Fabrikasjon er beskrevet nedenfor.
- Dikte Si former av de nødvendige dimensjonene med konvensjonelle UV litografi (Fig. 2a). Detaljene i fabrikasjon av Si mold rapporteres i fire. Fig. 2 (A1-A4) viser oppsett av Si formene som brukes for prosessene.
- Bruk et ikke-ledende PMMA ark av dimensjoner 500 mikrometer x 170 mm x 170 mm som mellomlegg, og plasser den på en rigid, flat substrat.
- For å generere mikrostrukturer av et enkelt materiale: spin-frakk en ledende polymer (PpY, PEDOT eller SPANI) på PMMA arket eller innskudd Al bruke termisk fordampning til en tykkelse på 100-500 nm.
- Å dikte mikrostrukturer av flere ledende polymer materialer: spin-coat PpY (ved 2000 rpm), PEDOT (ved 2500 rpm) og SPANI (ved 1500 rpm) på ulike deler av PMMA arket. Før spinne belegg den første ledende polymer laget på et sted på PMMA ark, dekke de andre områdene med selvklebende tape. For belegg andre ledende polymer lag, bør de tidligere belegg og tomme områder dekkes av selvklebende tape. Denne prosedyren bør gjentas til å belegge flere lag på ønskede steder på underlaget. Den bestrøkne PpY, PEDOT og SPANI er 500 nm, 5 mikrometer og 200 nm tykke, henholdsvis.
- Relieff underlaget med en hot-preging machine (modell: Hex 01/LT, JENOPTIK Mikrotechnik Company) (Fig. 2b). Temperaturen, kraft og mugg innsetting tid er 130-160 ° C, 1500-1800 N og 120-200 s, henholdsvis. Utfør demolding ved 80-95 ° C med en hastighet på 1,5 mm / min. Resultatene av ett-lags mikrostrukturer av et enkelt materiale er vist i fig. 2 (C1-C3). Resultatene av single-layer mikrostrukturer av flere materialer er gitt i fig. 2 (d2-D3).
- Anvendelse av PpY microwires som en fuktsensor
- Spinn strøk PpY ved 1500 rpm for å generere en 1-mikrometer tykk film av områdets 1 x 1 cm 2 og koble to eksterne ledninger i motsatte ender av filmen bruker Ag epoxy for konduktivitetsmålinger.
- Spinn strøk ved 1500 rpm for å generere en PpY film av tykkelse 1 mikrometer. Utfør preging med parametre i trinn 4 for å generere PpY microwires av lengde 5000 mikrometer og bredde 300 mikrometer og fest ekstern kontakt ledninger til to sluttens med en enkelt microwire hjelp Ag epoxy.
- Plasser PpY film og microwire sensorer inni en lufttett hanskerommet med en fuktighetsmåler og luftfukter. Luftfukteren ville tillate kontrollert økning av fukten inne i hanskerommet. Fest kontakt ledninger til en Keithley Probe stasjon for IV målinger for hver sensor (Fig. 2e).
- Beregn følsomhet for hver sensor ved hjelp av følgende formel:
der, R f og R jeg er den siste og første motstander av filmen og microwire sensorer, henholdsvis. Mål R jeg på basen fukten (ved romtemperatur) og R f på hver fuktighet for film og microwire sensorer. - Fig. 2f viser resultatene av følsomhet (ΔR / R) målinger gjort i 8 for 48% til 85% relativ luftfuktighet.Det ble observert at følsomheten av PpY microwire sensoren var høyere enn filmen sensor for 48% til 58%. Utover 58% følsomheten til film og microwire sensorer var lik.
- Multi-lags mikrostrukturer på et substrat: basert på prosedyren som er vist i fig. 1 (C1-C3), er det øverste laget erstattet av en kombinasjon av to og tre polymerer / metall lag, henholdsvis å generere multi-layer mikrostrukturer. Enheten layout er vist i fig. 3 (a1-a2). Fabrikasjon er beskrevet nedenfor.
- Dikte en Si mold av de nødvendige dimensjonene med konvensjonelle UV litografi (Fig. 3b).
- Bruk et ikke-ledende PMMA ark av dimensjoner 500 mikrometer x 170 mm x 170 mm som mellomlegg, og plasser den på en rigid, flat substrat.
- For å generere to-lags PpY-PEDOT heterojunction: (i) spin-coat ved 1000 rpm for å få en 10-mikrometer tykt PEDOT lag på PMMA ark, (ii) bake substrate ved 80 ° C i 1 time, (iii) spin-coat ved 1500 rpm for å få 1-mikrometer tykke PpY film på PEDOT lag, og (iv) bake underlaget ved 80 ° C i 5 min.
- For å generere to-lags Al-PEDOT dioder: (i) spin-frakk ved 1000 rpm for å få en 10-mikrometer tykt PEDOT lag på PMMA ark, (ii) bake underlaget ved 80 ° C i 1 time, og ( iii) strøk en 200-nm-tykk Al film på PEDOT lag ved termisk fordampning.
- Slik genererer tre-lags PEDOT-PMMA-PEDOT kondensatorer: (i) spin-frakk ved 1000 rpm for å få en 10-mikrometer tykt PEDOT lag på PMMA ark, (ii) bake underlaget ved 80 ° C i 1 time, (iii) spin-coat ved 1000 rpm flere ganger for å få en PMMA film av tykkelse 15-20 mikrometer på PEDOT lag, (iv) bake underlaget ved 80 ° C i 30 min, (v) spin-coat ved 2500 rpm å få en PEDOT lag av tykkelse 2-3 mikrometer på PMMA film, og (vi) bake underlaget ved 80 ° C i 5 min.
- Relieff underlaget ved hjelp av hot-preging machine. Temperaturen, kraft og mugg innsetting tid er 140-150 ° C, 1500-2000 N og 150-200 s, henholdsvis. Utfør demolding ved 80-95 ° C med en hastighet på 1,5 mm / min. Resultatene er vist i fig. 3 (jf.) 11.
- Anvendelser av genererte multi-layer mikrostrukturer
- PpY / PEDOT heterojunction
- Bruk en Keithly Probe stasjon for IV målinger av heterojunction strukturer oppnådd etter trinn 2.1. Den PEDOT laget er jordet og en skjevhet potensiell (-20 V til 20 V) brukes til PpY laget.
- Fig. 3 (G1) viser IV egenskaper PpY / PEDOT heterojunction i [9,11], de forover og bakover sammenbrudd spenninger i PpY / PEDOT heterojunction var 5 V og -8 V, henholdsvis. Retting ratio var 24 på 10 V. ideality faktoren var lik 8,88.
- Al / PEDOT heterojunction
- Bruk en Keithly Probe stasjon for IVmålinger av Al / PEDOT heterojunction struktur oppnås etter trinn 2.2. Al laget er jordet og en skjevhet potensiell (-5 V til 5 V) brukes til PEDOT laget.
- Fig. 3 (G2) viser IV egenskapene til Al / PEDOT knutepunkt målt ved romtemperatur i 11, var de forover og bakover sammenbrudd spenninger 3 og -2,5 V, henholdsvis. Retting forholdet mellom Al / PEDOT heterojunction var to på en V. ideality faktor for dette krysset ble beregnet å være 19.
- PEDOT / PMMA / PEDOT kondensator
- Bruk en Keithly Probe stasjon for CV målinger av PEDOT / PMMA / PEDOT kondensator innhentet etter trinn 2.3.
- Fig. 3 (G3) viser CV for PEDOT / PMMA / PEDOT kondensator målt ved romtemperatur i 11. Den målte kapasitans kondensatoren på lav frekvens skjevhet var om 0,06 pF, mens den teoretisk beregnede kvantum var 1.38 pF.
C. Cutting Drift av MPL for generering Sub-mikron Ppatterns av metall og ledende polymer
Basert på prosedyren illustrert i fig. 1 (C1-C3), SI muggsopp med sub-mikron funksjoner brukes til å generere ønskede mønstre av metall og ledende polymerer. Fabrikasjon er beskrevet nedenfor.
- Dikte en silisium mold med sub-mikron funksjoner ved hjelp fokusert ion stråle (FIB) litografi. To forskjellige typer Si former, av bredder 100 og 500 nm, dybde av 1 - 1,5 mikrometer og lengde på 20 mikrometer og pitch på 1 mikrometer, er generert.
- Forbehandling av silisium mugg før bruk: (i) Skyll formen med DI vann, aceton og Nanostrip løsning grundig ved romtemperatur, blås tørr med nitrogen gass og stek ved 150 ° C i 30 min etterfulgt av nedkjøling til romtemperatur, og (ii) hvis formen er ikke rent etter de ovennevnte rengjøring trinnene, utsett det for oksygen plasma rent. Oppskriften er somfølger: plasma effekt på 300 watt, oksygen vannmengde på 80 SCCM og varighet på 5 - 7 min.
- Smør PMMA lag: spin-coat PMMA løsning (molekylvekt 495 K i 9% chlorobenzene) ved 3000 rpm for å få en tykkelse på ca 1,2 mikrometer, bake kjeks ved 150 ° C i 1 time og la den avkjøles, og utsetter den PMMA belagte overflaten til oksygen plasma for 3 min ved 300 W med 50 SCCM oksygen strømningshastighet for å gjøre det hydrofile for neste trinn.
- Spin-coat PpY løsning (fortynnet med 01:02 (V / V) med DI vann) ved 3000 rpm for å få en tykkelse på ca 75 nm og bake underlaget ved 60 ° C i 1 time for å kurere PpY laget.
- Coat en Au film av en tykkelse på 10-25 nm med sprutende deponering.
- Generer PpY ledninger på følgende måte.
- Imprint de 500 nm brede Si kanaler: utføre imprinting ved 160 ° C med en hastighet på 1 mm / min og sette varighet på 600 s ved hjelp av modusposisjon kontroll i hot-embossing maskin. Den maksimale kraft som brukes er 1085 N i dette tilfellet.
- Imprint de 100 nm brede Si kanaler: utføre imprinting ved 140 ° C med en hastighet på 1mm/min og sette varighet på 500 s med innstillingen av makt kontroll i hot-embossing maskin. Fest preging kraft på 2300 N.
- Generer Au nanotråder ved hjelp av en Si formen med 100-nm-brede kanaler: utføre imprinting ved 160 ° C med en hastighet på 1mm/min og sette varighet på 700 s med innstillingen av makt kontroll i hot-embossing maskin. Fest preging kraft på 2300 N.
- For trinn 4.1-4.2, utføre demolding ved 95 ° C med hastighet på 3 mm / min. Resultatene er vist i fig. 4.
- Generer PpY ledninger på følgende måte.
D. Tegning Drift av MPL for generering Micropatterns på sidevegger Polymer og Si substrater.
Etter prosedyren i fig. 1 (D1-D3), er den "tegningen" operasjonbrukes til å generere AU og PDMS micropatterns på sidevegger HDPE microchannels. Den tilsvarende Materialet på HDPE underlaget er Au eller PDMS, som følger overflaten profilen til middels lag polymer under pregning. Fabrikasjon er beskrevet nedenfor.
- Au sidevegger mønstre på HDPE kanaler
- Spin-coat ved 3000 rpm for å få en 1-mikrometer tykt lag av en positiv fotoresist (S1813) på en 1,5 mm tykk HDPE ark (1,5 mm x 40 mm x 40 mm).
- Bruke UV litografi å overføre maske mønstre inn i S1813 lag (Fig. 5 (ab)). Maskens mønstre består av 10 x 10 mm 2 prikker (Fig. 7a) og 110-mikrometer brede linjer.
- Coat en 100-nm tykke Au film på S1813 lag med en termisk fordamperen (Fig. 5c).
- Fjern S1813 med aceton skyll, forlater Au mønstre på HDPE ark (Fig. 5d).
- Varm HDPE arket opp til en temperature utvalg av 131-136 ° C på en varm plate, som er litt høyere enn T g av HDPE (dvs. 128 ° C), men under T m av Au (dvs. 1063 ° C) (Fig. 5e).
- Bruk en Si-forsterket PDMS mold 16 til forlaget på Au-mønstrede HDPE ark med trykk utvalg av 40-120 kPa, for en time etterfulgt av påfølgende kjøling (Fig. 5f).
- Skill mold og HDPE arket når deres temperaturen er under T g av HDPE, fullføre mønsteret overføring fra PDMS mold til underlaget. De Au mønstre, som blir presset inn i HDPE arket ved PDMS mugg, opphold på sideveggene og bunnen flater formet mikrostrukturer (Fig. 5g). Siden limstyrke mellom PDMS mugg og AU mønstrene er svakere enn mellom HDPE plater og Au mønstre, trenger Au mønstre ikke holde seg til PDMS mugg og forbli på HDPE overflaten. Resultatene av denne prosessen er vist i fig. 7 (bc) 12.
- PDMS micropillars på HDPE kanal sideveggene
- Spin-coat ved 3000 rpm for å få en 1-mikrometer tykt lag av S1813 på en SU-8 mold (Fig. 6a). SU-8 mold er generert ved bruk av konvensjonell UV litografi 17.
- Spin-coat PDMS (forholdet mellom PDMS og dens herder er 10:1) ved 1000 rpm på S1813-belagt SU-8 mugg, og bake prøven ved 85 ° C for tre t på en varm plate etterfulgt av nedkjøling til romtemperatur (Fig. 6b).
- Slipp den tynne PDMS filmen fra SU-8 mugg ved etsing S1813 med aceton, fullføre generasjon av micropillar-formet PDMS film (Fig. 6c).
- Plasser micropillar-formet PDMS film på en 1,5 mm tykk HDPE ark (Fig. 6d).
- Sett en Al mold (med avrundede kanter) i både PDMS film og HDPE ark ved 140 ° C med et trykk på 52,5 kPa (Fig. 6e). TrykkerietKlokka er en time. Ved 140 ° C, er PDMS filmen presses ned i den myke HDPE ark av støpeformen.
- Etter at prøven er kjølt ned til romtemperatur etterfulgt av fjerning av Al mold, er en kanal som genereres på HDPE arket. En del av denne micropillar-formet PDMS film overføres til bunnen og to sidevegger av kanalen (Fig. 6f). Resultatene er vist i fig. 7 (DF) 15.
- Mål kontakten vinkelen en vanndråpe plassert på toppen av PDMS micropillars inne i HDPE kanalen. Fig. 7 (GH) viser gjennomsnittlig kontakt vinkel målt 145,5 ° 15.
E. Representative Resultater
Oppsummert er resultatene av MPL listet nedenfor:
- Enkelt lag ledende polymer og metall micropatterns ble dannet som i fig. 2 (B1-B3, C2-C3).
- PpY film og microwire fuktighet sensing resultater iFig. 2d.
- Flere lag ledende polymer og metall micropatterns ble dannet som i fig. 3 (CF).
- Junction karakterisering resultater i Fig. 3 (G1-G3).
- 100 - og 500-nm-wide PpY ledninger ble dannet som i fig. 4 (ab).
- 100-nm-wide Au nanotråder ble dannet som i fig. 4c.
- Au mønster ble generert på 300-mikrometer brede og 42-mikrometer-dyp HDPE kanaler som i fig. 7 (bc).
- PDMS micropillars ble generert på topp, bunn og sideveggen flater 1-mm-brede og 1-mm-dyp HDPE kanaler som i fig. 7 (DF).
- Vann-kontakten vinkler målt inne i HDPE-kanalen i fig. 7 (GH).
Figur 1 "cutting"-prosessen i etableringen av konvekse macropatterns i en metallplate (tverrsnitt schematics):. (a1) plassere en plate på toppen av underlaget, (A2) sett formen inn i underlaget, og (A3) separat mold og underlaget. Den "tegning" prosess i fabrikasjon av konkave macropatterns: (B1) plass en metallplate på underlaget, (b2) sett formen inn i underlaget, og (b3) skiller mugg og underlaget. Den "cutting" drift av MPL metoden i fabrikasjon av konvekse strukturer (tverrsnitt skjematisk): (C1) varme underlaget, (c2) sett formen inn i underlaget, og (C3) skiller mugg og underlaget. Den "tegning" drift av MPL tilnærming i fabrikasjon av konkave strukturer: (d1) varme underlaget, (D2) sett formen inn i underlaget, og (D3) skiller mugg og underlaget.
Figur 2 tegninger av Si muggsopp (ovenfra): (A1) rette linjer, (A2) firkantede prikker; (a3) truss strukturer, og (A4) buktende linjer..(B) Den varme preging maskin. SEM bilder av genererte Al strukturer: (C1) 10-mikrometer brede linjer; (K2) 20 × 20 mikrometer 2 prikker, og (K3) truss strukturer. (D1) Skjematisk fremstilling av mikrostrukturer bestående av flere strukturer, (D2) 300 mikrometer brede rett; (D3) 50-mikrometer brede buktende microwire mønstre av PpY, PEDOT, og SPANI fabrikkerte samtidig med "cutting" drift av MPL . (E) fukt sensing eksperimentelle oppsett, og (f) fuktighet sensing resultater med PpY film og microwire sensor 4, 7, 8. Klikk her for å se større figur .
. Figur 3 Layouts av: (A1) to og (A2) tre-lags enheter, (b) utforma Si mold (ovenfra) brukes til å dikte multi-layer innretninger; (c) SEM bilde av en 300-mikrometer bred, MICROLINE-formet PpY-PEDOT heterojunction, og close opp SEM utsikt tverrsnitt av: (d) PpY-PEDOT heterojunction; (e) Al-PEDOT diode, (f) PEDOT-PMMA-PEDOT kondensator; heterojunction karakterisering resultater: (G1) PpY / PEDOT; (g2 ) Al / PEDOT, og (G3) PEDOT / PMMA / PEDOT 9,11.
Figur 4 (a) AFM skanning av pregede 500 nm brede PpY ledninger;. SEM bilder av (b) pregede 100-nm-wide PpY linjer og (c) 100-nm-wide Au ledninger. Klikk her for å se større figur .
Figur 5 Fabrikasjon av en HDPE substrat med Au mønstre:. (Ab) med en maske av ønskede egenskaper, eksponere og utvikle S1813 laget, (cd) innskudd Au og fjern S1813 laget, (EF) imprinting substratene ved hjelp av en Si forsterket PDMS mugg, og (g) etter demolDing, et substrat med sidevegger mønstre bestående av Au funksjoner 12.
Figur 6 Fabrikasjon av en PDMS film med micropillars:. (A) dikte en SU-8 mold, (b) spin-coat og kurere en PDMS lag, (c) fjern PDMS laget fra SU-8 mold, (d) imprinting underlaget med en Al mugg, og (EF) etter demolding, er et substrat med sidevegger mønstre bestående av PDMS micropillars, innhentet 15.
Figur 7 (a) oppsett av AU prikker; SEM bilder av:. (B) 10 x 10 mikrometer 2 prikker, og (c) 110-mikrometer brede linjer. Dimensjonene på de kanalene som genereres i HDPE er 1 cm x 300 mikrometer x 42 mikrometer (lengde x bredde x dybde); PDMS micropillars generert på topp, bunn og sidevegger surfaces1 mm brede HDPE kanaler: (d) tverrsnitt visning avkanal; SEM bilder av (e) øverst, (f) hjørne av kanalen, og (GH) kontakt vinkel måleresultater på PDMS søyler 12,15. De PDMS søylene har dimensjonene 10 mm x 10 mm x 27 mikrometer. Dimensjonene på kanalene i HDPE er 20 mm x 1 mm x 1 mm (lengde x bredde x høyde). - PpY / PEDOT heterojunction
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Feilsøkingsinformasjon: Kritiske punkter i forbindelse generasjon av single-og multippel-lag micropatterns å gjennomføre polymerer og metaller ved hjelp av "cutting" operasjon: (1) Temperatur på preging sikrer flyt av mellomliggende PMMA laget som genererer optimale resultater. Det er tilrådelig å starte på den nedre grensen av området og øke temperaturen gradvis dersom ønsket resultat ikke oppnås. For høy temperatur kan føre til at ledende polymer laget for å endre sin kjemiske og / eller elektriske egenskaper. (2) Dersom imprinting kraft er for høy, kan det føre til at Si mold å knekke under preging, mens lav kraft kan føre til uriktig mugg fylling og polymer lag kan ikke bli kuttet. (3) embossing Maskinen skal være programmert til å starte imprinting først etter at underlaget har oppnådd innstilt temperatur verdi. (4) Profilen på forlaget avhenger funksjonen størrelse, imprinting kraft, temperatur og mugg insert tid, og kan variere mellom en med skarpe kanter til en mer avrundet en. Som antall polymer lag økning, en tendens til profilen til å bli avrundet i kantene. (5) Si muggsopp med skarpe kanter er å foretrekke for å sikre at ledende polymer / metall lag er cut-off som ønsket. Bruk av Si formen med skrå sidevegger anbefales ikke. (6) Bruk av meget dyp Si mugg kan forårsake stiction mellom mugg og polymer lag (s). Hvis formen er for grunt det ikke kan være i stand til å oppnå "klippe" av det øverste laget (e). (7) Det anbefales at en anti-stiction film (f.eks teflon) bør belagt på Si mold for lett å skille den fra underlaget under demolding prosessen. (8) Lav mold insert tid ikke kan resultere i "cutting" og mugg profilen kan rundes. Hvis funksjonen størrelsen er liten, blir lenger sette ganger nødvendig og vice versa. (9) Tykkere ledende polymer / metall filmer er mer mekanisk sterkere enn tynnere seg. Men COMbineres tykkelse av det øverste laget bør ikke være mer enn tykkelsen på det mellomliggende PMMA laget. (10) Demolding temperatur bør være under 105 ° C (T g PMMA). En høy verdi kan resultere i at underlaget er buet opp etter demolding og en lav verdi kan føre til at Si mold å holde seg til underlaget og brekker.
Kritiske punkter i forbindelse med generering av sub-micron PpY og Au ledninger: (1) Før du bruker Si formene for første gang, bør ingen AFM og SEM skanninger av formen skal utføres. Dette er nødvendig for å opprettholde den uberørte overflaten av silisium mold. (2) Aggressive rengjøringsprosedyrer for eksempel bruk NanoStrip løsning eller oksygen plasma bør unngås, da det er en mulighet for å øke overflateruhet av silisium mold. Dette kan indusere stiction mellom silisium mugg og ledende polymer laget. (3) Tykkelsen på topplaget (ledende polymer eller metall) bør være mindre enn dybden av muggfor cutting-off av laget på kantene. Det er ingen slik begrensning av tykkelsen på det isolerende polymer laget. (4) overflateruhet av silisium mugg bør være minimum. Ved overflaten av silisium mold er grovt på grunn av behandling eller forurensning, kan det ikke være perfekt kontakt mellom mugg og underlaget, noe som resulterer i urettmessig mønster overføring.
Kritiske punkter i forbindelse generasjon av Au micropatterns på HDPE kanaler: (1) Ved høyere preging temperaturer (≥ 136 ° C), AU linjene gjør ikke kurve opp til følge overflaten som HDPE er myknet. (2) Ved høyere mugg dyp (≥ 42 mikrometer), kan Au linjene bryte på kantene av HDPE-kanaler på grunn av stress 12.
Kritiske punkter i forbindelse med generering av HDPE-kanaler med PDMS micropillars: (1) Dersom høyden på PDMS micropillars er stor, kan den falle ned etter løslatelse fra SU-8 mold. (2) Høy størrelsesforholdet PDMS pilarer kanbli skadet under "tegningen" steg 15.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ingen interessekonflikter erklært.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet delvis gjennom NSFDMI-0508454, NSF / LEQSF (2006)-Pfund-53, NSF-CMMI-0811888, og NSF-CMMI-0900595 tilskudd.
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).
