用于在聚合物基底上生成微米及亚微米级图案的微孔冲压光刻技术

本研究的总体目标是在聚合物基底的顶部侧壁和底面制备微米及亚微米级图案，以用于多种应用。该目标首先通过在刚性表面涂覆中间聚合物层和目标聚合物层来实现。随后，制备具有锐边和圆边结构的模具，并在中间聚合物玻璃化转变温度以上（但低于目标聚合物熔点）对基底进行热压印。

基底冷却后，移除模具，即可在聚合物基底表面显现出微米和亚微米级图案。微冲压光刻技术的生物医学应用居于首位。通过切割操作制备的PPY微生物组可用于葡萄糖检测。

其次，通过压印生成的HDP通道可作为芯片实验室设备内的微流控通道，以降低流体流动摩擦。在此过程中，将涂有中间聚合物和待打印材料的硅胶基底加热至高于中间聚合物的玻璃化转变温度，但低于目标材料的熔点或相变温度。接着，在高压下使模具与基底发生物理接触，随后进行冷却。

最后，当温度降至中间层聚合物的相变温度以下时，两者分离，从而完成从模具到目标层的图案转移。在此过程中，必须使用传统的紫外光刻技术制备所需尺寸的硅模具。选择一块非导电的PMMA片材作为中间层，并将其放置在刚性平坦的基底上。

现在可以将单一导电聚合物常规地旋涂在中间聚合物之上。此外，为了旋涂多种导电聚合物材料，可用胶带覆盖第一层导电聚合物周围的区域。通过使用胶带保护和旋涂，可在基底上所需位置涂覆多层材料。

接下来，使用热压印机对基底进行几分钟的压印，并在80至95摄氏度之间以1.5毫米/分钟的速度脱模。在此工艺中，顶层分别被两层或三层聚合物或金属层的组合所替代，以制备多层微结构。本文综述了异质结、二极管和电容器的 fabrication（制备）过程。

为了制备双层PPY-pdot异质结，首先在PMMA片上旋涂一层10微米厚的pdot层。接着，将基底在80摄氏度下烘烤一小时。烘烤完成后，在pdot层上旋涂一层1微米厚的PPY薄膜，并将基底再次烘烤五分钟。

制备双层铝-pdot二极管时，先在PMMA片上旋涂一层10微米厚的pdot层，并将基底烘烤一小时。然后使用热蒸发法在pdot层上沉积一层200纳米厚的铝膜。基底应正面朝下放置，蒸发腔内压力应设定为5微托，通过施加高电压使铝颗粒蒸发沉积。

监测石英厚度监测仪，直至达到 200 纳米。然后将电压降至零，对腔室通气，再取出样品。用于制备三层 Pdot、PMMA-Pdot 电容器。

在PMMA片材上旋涂一层10微米厚的Pdot层，并将基底烘烤一小时。接着以1000 RPM的转速多次旋涂，使Pdot层上形成15至20微米厚的PMMA薄膜，然后将基底烘烤30分钟。PMMA层烘烤完成后，在其上旋涂一层2至3微米厚的Pdot层，并将基底烘烤5分钟。针对所有微结构，使用热压印机压印数分钟，随后在80至95摄氏度下以1.5毫米每分钟的速度脱模。

绘制操作与切割类似，但使用带有圆角和 A-P-D-M-S 模具的刚性模具。该操作还需要较小的插入力、较低的插入速度以及较高的打印温度。首先，在 SU 八号模具上旋涂一层微米级厚度的 S 1813，以开始制备 PDMS 微柱。

采用常规紫外光刻技术制备SU-8模具。随后，在涂覆有S 1813的SU-8模具上以1000 RPM的转速旋涂PDMS，并在热板上85摄氏度条件下烘烤样品3小时。PDMS层固化后，用丙酮清洗样品以溶解S 1813，从而将薄PDMS膜从SU-8模具上剥离下来。

至此，完成微柱结构的PDMS薄膜即可用于打印。将具有微柱结构的PDMS薄膜置于一张1.5毫米厚的高密度聚乙烯（HDPE）片材上。将带有圆角边缘的铝制模具放置在PDMS薄膜和HDPE片材上，并在压力下加热一小时。模具会将PDMS薄膜压向柔软的HDPE片材。

待样品冷却至室温后，取下模具，完成在高密度聚乙烯（HDPE）片材上通道的制备。在此过程中，部分由微柱形成的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜被转移至通道的底部及两个侧壁。利用MPL切割操作，分别在PPY、PDOT和SPANI中制备了单层微结构。

采用扫描电子显微镜（SEM）分析了一条宽300微米的直线图案和一条宽50微米的蛇形微线图案，以测试其对湿度的敏感性。将一条PPY微线和一片面积为一平方厘米的PPY薄膜分别暴露于45%至85%的相对湿度环境中，通过测量电阻变化来评估并比较二者的敏感性。利用KEITHLEY探针台结合SEM，对多种多层微结构进行了检测，包括一条宽300微米的线形PPY Pdot结构、一个异质结铝Pdot二极管以及一个PDOT PMMA Pdot电容器。

将pdot层接地，并在PPY层施加-20伏至20伏的偏置电压。PPY与PDOT异质结的正向和反向击穿电压分别为5伏和-8伏。通过将铝层接地，并在pdot层施加-5伏至5伏的偏置电压，在室温下测得铝-pdot异质结的电学特性。

正向和反向击穿电压分别为三伏和负2.5伏。使用KEITHLEY探针台制备了pdot PMMA PDOT电容器，并在室温下测量了该电容器的CV特性。在低频偏压下测得的电容器电容约为0.06皮法。

尽管理论计算值为1.38皮法，但仍将皮法级PDMS微柱压入高密度聚乙烯（HDPE）片材中以形成微通道侧壁。水滴在HDPE微通道内的平均接触角为145.5度。PDMS微柱用于降低HDPE通道的拖曳摩擦力。

在A-P-D-M-S薄膜涂覆的HDPE通道中移动的液滴，其运动速度慢于在A-P-D-M-S微柱编码的HDPE通道中移动的液滴。这是由于PDM微柱赋予通道超疏水特性所致。在进行这些操作时，请务必注意，使用光刻胶、导电聚合物和挥发性有机化合物可能存在危险，应始终采取预防措施，例如佩戴个人防护装备并在通风良好的环境中操作。