可扩展的印章印刷与定向导流表面的制备

摘要

提供了一种简单的方法，用于制备不同尺寸、形状和材料的半浸润微结构。该方法结合了物理压印、PDMS molding（聚二甲基硅氧烷成型）以及薄膜表面修饰技术。 通过 常见的材料沉积技术

摘要

半浸润（hemiwicking）是一种流体在毛细作用和吸入作用共同影响下，润湿超出其正常润湿长度的图案化表面的过程。这种润湿现象在从生理学到航空航天工程等多个技术领域中具有重要意义。目前已有多种不同的技术用于制备半浸润结构。然而，这些传统方法通常耗时较长，难以在大面积上实现规模化，或难以针对特定的非均匀图案几何形状进行定制。本方案为研究人员提供了一种简单、可扩展且成本效益高的微图案半浸润表面制备方法。该方法通过印章印刷、聚二甲基硅氧烷（PDMS）模塑和薄膜表面涂层技术来制备浸润结构。本方案以涂覆70 nm厚铝薄膜的PDMS微柱阵列上乙醇的半浸润为例进行了演示。

引言

近年来，人们对能够主动和被动调控流体的润湿、蒸发和混合表现出日益浓厚的兴趣。具有独特纹理的半芯吸表面为冷却技术提供了一种新颖的解决方案，因为这些纹理化表面可在无运动部件的情况下充当流体（和/或热量）泵。这种流体运动由与液体薄膜动态曲率相关的毛细作用级联事件所驱动。通常情况下，当流体润湿固体表面时，会迅速形成弯曲的液态薄膜（即液体弯月面）。流体厚度和曲率分布将持续演化，直至达到自由能最小值。作为参考，在仅数十微米的润湿长度尺度内，这种动态润湿分布的厚度可迅速衰减至几十纳米。因此，这一过渡性（液膜）区域中液-液界面曲率可能发生显著变化。正是在这一过渡性（薄膜）区域，几乎所有的动态物理与化学过程得以产生。特别是，最大（1）蒸发速率、（2）分离压梯度以及（3）静水压梯度均出现在该过渡性（薄膜）区域^1,2。因此，弯曲的液膜在热输运、相分离、流体不稳定性以及多组分流体的混合过程中起着至关重要的作用。例如，在传热方面，已观测到最高的壁面热流密度出现在这一高度弯曲的过渡性薄膜区域^3,4,5,6,7

方案

1. 创建图案化图谱

1. 使用图形编辑软件，创建以位图图像表示的所需半芯吸结构图案。
   注意：某些导流设计参数（即， 角度梯度、深度梯度）可被设置为依赖于分配给每个像素的灰度值。随后通过编辑这些灰度值来调节目标参数。
2. 将位图保存为可移植网络图形格式（.png），并将文件置于易于访问的文件夹中。

2. 放置待压印成型的塑料

1. 首先将 stamping bit 从工作区域移开，以避免意外接触导致针尖破损 (+z 位移， 图1).
2. 将塑料压印模具/晶圆固定到背板上，以进行后续的压印操作 x, y 翻译阶段（参见 图1）。将样本/背板固定在电动化XY打孔平台上（图1)
3. 将塑料模具/晶圆的中心与冲压头的冲压轴对齐。这可通过以下步骤实现 通过 计算机化的 ±x 和 ±y 位移与 x, y 电动冲压平台
4. 将印章向塑料模具/晶圆方向移动（-z 位移， 图1

结果

图1 展示了冲压装置在塑料模具上制造芯吸结构模具的示意图。为评估冲压装置在制造芯吸薄膜过程中的性能，设计了两种不同的柱状阵列，用于分析柱体质量，以供后续芯吸实验使用。研究重点包括：柱体高度的精确性（有无深度梯度）、PDMS 模塑后柱体的形貌质量、溅射沉积工艺后柱体的结构完整性，以及该结构实现半芯吸（hemi-wicking）的能力。为此，制备了两种芯吸图案变体：一种具有深度梯度，另一种为均匀深度。

图2a展示了用于生成深度和角度梯度的位图。可以看出，每个柱状结构列被赋予了从0到95不等的灰度值，以实现每列柱状结构具有不同的深度。图2b和2c展示了通过模塑工艺在PDMS上制备的柱状结构。这验证了灰度值确实影响了塑料模塑过程中的深度，从而决定了PDMS样品上柱状结构的高度.......

讨论

已提出一种用于制备具有毛细铺展结构的图案化微柱阵列的方法：通过使用刻写装置，将用户创建的位图中的图案转印到塑料晶圆上形成凹腔。随后浇注PDMS混合物，经固化后通过沉积方式在其表面镀上一层薄铝膜。via该方法，微柱阵列的特性可根据位图中设定的灰度值进行定制。这种图案化设计的关键环节可实现多种多样的毛细铺展结构，可用于各类应用中的测试，包括薄膜研究以及热力系统的直接应用。在代表性结果中未提及的另一可变因素是阵列中可实现的角度梯度。类似于深度梯度，通过改变不同像素的灰度值，可调节钻头的角度（θ，图1）。

另一个需要注意的重要步骤是PDMS基底的制备。在芯吸结构中，柱状结构的高度差异以及柱体表面及周围的形变较为常见。使用微网格砂纸或研磨浆料对表面进行打磨，有助于获得对称的样品和均匀的PDMS厚度。此外，脱气和热处理过程被设计为同时进行，因为模具内部集成了加热元件。这有效减少了操作人员的干预以及由此带来的不规则性，同时降低了空气中的污染风险。即， 在固化阶段产生的.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
NI-DAQ 9403	国家仪器公司	370466AE-01	相机与激光控制开关之间的通信接口。
控制开关	Crouzet	GN84134750	用于控制激光的控制器，该控制器根据数据采集设备（DAQ）发送的电压信号来激活激光。
跳蚤相机	FLIR	FL3-U3-120S3C-C	用于拍摄塑料模具上钻头的微距相机。
跳蚤成像相机	Point Grey	FL3-U3-20E4M-C	用于获取柱状结构侧面图像的微距相机。
200 步/转，12 V-350 mA 步进电机（x2）	AdaFruit	324	步进电机用于控制端铣刀的深度和角度。
10倍无限远校正长工作距离物镜	Mitutoyo	#46-144	用于获取柱体侧面图像的物镜。
15倍无限远焦距，紫外镀膜，ReflX物镜	技术说明	#58-417	用于获取柱状结构顶部图像的物镜。
72002 0.002D X 0.006 LOC 碳化钨方头双刃微型立铣刀	Harvey Tools	72002	用于在塑料模具上钻孔的钻头。
1 kW 直流电源输送	先进能源	MDX-1K	用于为沉积溅射仪供电。
Turbo-V 70LP 高速涡轮分子泵	瓦里安	9699336	用于降低沉积室内部压力的涡轮泵。
2000毫瓦，405纳米高功率蓝光聚焦激光器	WDLasers	KREE	样品加热激光器
5.875" I.D. 干燥器，含 0.25" 管路连接	McMaster-Carr	2204K5	PDMS 干燥器
SYLGARD 184 硅胶弹性体，0.5 kg 装套件	道康宁	4019862	用于制作基底的PDMS试剂盒。
隔膜空气压缩机/真空泵	胃	DOL-701-AA	干燥器真空泵
电动线性位移台（2个）	标准	8MT175	用于控制样品板在x和y方向移动的步进电机。
2" 未安装的正消色差双合透镜，直径，AR镀膜：400-700 nm	ThorLabs	AC508-150-A	使用消色差透镜以获取柱状结构侧面的图像。
Flea 3 Mono  相机，2448 × 2048 像素	Point Grey	FL3-GE-50S5M-C	用于成像柱状结构顶部的微距相机。
数字真空传感器	Thyrcont 真空仪器	4940-CF-212734	用于监测沉积室内的压力。
加压氩气罐储气瓶	Airgas	AR RP300	沉积过程中使用的气体。
一维平移台	纽波特公司	TSX-1D	用于移动相机以对准立铣刀的平移台。
圆柱形激光器支架（x2）	Newport Corporation	ULM-TILT-M	使用激光安装座移动相机，使其对准立铣刀进行聚焦。
台式冷却器配离心泵，120V，60Hz	Polyscience	LS51MX1A110C	用于沉积装置的冷却器。
Alcatel Adixen 2010SD XP，防爆电机，旋片式真空泵，单相	理想真空产品	210SDMLAM-XP	用于沉积装置的真空泵。
风扇，105 CFM，115 V（x2）	Comair Rotron	MU2A1	用于冷却沉积装置某些部件的风扇。