Methodenartikel

Herstellung von reaktiven Oberflächen mit Pinsel-Like und querverbunden Filme von Azlactone funktionalisiert Block-Copolymere

DOI:

10.3791/57562

⸱

30. Juni 2018

 ,  ,  , 
1Chemical Engineering Department, Kansas State University, 2Center for Nanophase Materials Sciences, Oak Ridge National Laboratory

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Oberfläche Herstellungsmethoden für gemusterte Ablagerung von Nanometer dicken Pinsel oder Mikrometer dick, querverbunden Filme von einer Azlactone-Block-Copolymer werden gemeldet. Kritischen experimentellen Schritte, repräsentative Ergebnisse und Grenzen der einzelnen Methoden werden diskutiert. Diese Methoden sind hilfreich für die Erstellung von funktionaler Schnittstellen mit maßgeschneiderten Körpermerkmale und einstellbaren Oberfläche Reaktivität.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In diesem Papier, Herstellungsmethoden, die neuartige Oberflächen mit Azlactone-basierten Block-Copolymer, Poly (glycidylmethacrylat Methacrylat) generieren -Block- Poly (Vinyl-Dimethyl-Azlactone) (PGMA -b- PVDMA), werden vorgestellt. Aufgrund der hohen Reaktivität der Azlactone Gruppen in Richtung Amin, Thiol und Hydroxyl-Gruppen modifizierbar PGMA -b- PVDMA Oberflächen mit sekundären Moleküle chemisch oder biologisch funktionalisierten Schnittstellen für eine Vielzahl von Anwendungen zu erstellen. Frühere Berichte der gemusterten PGMA -b- PVDMA Schnittstellen haben traditionellen Top-Down-Musterung Techniken verwendet, die ungleichmäßige Filme und schlecht kontrollierten Hintergrund Chemikalien erzeugen. Hier beschreiben wir individuelle Musterung Techniken, die es präzise Ablagerung von sehr einheitliche PGMA -b- PVDMA Filme im Hintergrund ermöglichen, sind chemisch inert oder das Biomolekül-abweisende Eigenschaften haben. Wichtig ist, sollen diese Methoden Kaution PGMA -b- PVDMA-Filme in einer Art und Weise, die völlig Azlactone Funktionalität durch jeden Bearbeitungsschritt bewahrt. Gemusterte Filme zeigen gut kontrollierte stärken, die Polymer-Bürsten entsprechen (~ 90 nm) oder hoch vernetzte Strukturen (~ 1 – 10 μm). Pinselmuster entstehen mit entweder der Parylene abheben oder Schnittstelle Regie Montageverfahren beschrieben und sind nützlich für präzise Modulation von insgesamt Reaktivität Oberfläche entweder die PGMA -b- PVDMA Muster Dichte einstellen oder die Länge des VDMA Blocks. Im Gegensatz dazu die dicken querverbunden PGMA -b- PVDMA Muster stammen mit einer angepassten Mikro-Kontakt-Drucktechnik und bieten den Vorteil der höheren Belastung oder Erfassung von Sekundärmaterial aufgrund höherer von Oberfläche zu Volumen-Verhältnis. Experimentelle Anleitung, kritischen Film Charakterisierungen und Fehlersuche Führer für jede Herstellung Methode diskutiert.

Einleitung

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Entwicklung von Fertigungstechniken, die vielseitige und präzise Steuerung der chemischen und biologischen Oberflächenfunktionalität zulassen ist wünschenswert, dass eine Vielzahl von Anwendungen, von der Aufnahme von Umweltkontaminanten zur Entwicklung der nächsten generation Biosensoren, Implantate und Gewebetechnik Geräte1,2. Funktionelle Polymere sind hervorragende Materialien für Oberflächeneigenschaften durch "Pfropfen aus" oder "Pfropfen auf" Techniken3-tuning. Diese Ansätze ermöglichen Kontrolle der Oberfläche Reaktivität anhand der chemische Funktionalität von Monomeren und Molekulargewicht Polymer4,5,6. Azlactone-basierte Polymere sind in diesem Zusammenhang intensiv untersucht worden, wie Azlactone Gruppen schnell mit verschiedenen nukleophile Ringöffnende Reaktionen zu koppeln. Dazu gehören primäre Amine, Alkohole und Thiole Hydrazin Gruppen, wodurch eine vielseitige Route für weitere Oberfläche Funktionalisierung7,8. Azlactone-basierte Polymerfolien wurden in verschiedene ökologische und biologische Anwendungen einschließlich Analyten zu erfassen,9,10, Zelle Kultur6,11und Antifouling-/ Anti-Haft Beschichtungen12. In vielen Anwendungen in der Biologie ist die Musterung Azlactone Polymerfolien bei Nano Mikrometer Länge Skalen wünschenswert räumliche Kontrolle über Biomolekül Präsentation, zellulären Interaktionen zu erleichtern oder Oberfläche Interaktionen13modulieren, 14,15,16,17,18. Daher sollten Herstellungsmethoden entwickelt werden, um hohe Muster Gleichförmigkeit und gut kontrollierte Schichtdicke zu bieten, ohne chemische Funktionalität19.

In letzter Zeit entwickelt Lokitz Et Al. eine PGMA -b- PVDMA-Block-Copolymer die Oberfläche Reaktivität zu manipulieren konnte. PGMA Blöcke paar oxid-Auflageflächen, Gewinnung hoch und einstellbaren Oberfläche Dichte von Azlactone Gruppen20. Früher gemeldeten Methoden zur Strukturierung dieses Polymers für die Schaffung von biofunktionellen Schnittstellen traditionellen Top-Down-Photolithographie Ansätze, die ungleichmäßige Polymerfolien mit Hintergrund Regionen mit Rückständen kontaminiert generiert Photoresist Material, verursachen hohe chemische und biologische Interaktionen unspezifisch21,22,23. Hier verursacht Versuche, Hintergrund Regionen passiviert Kreuzreaktionen mit Azlactone Gruppen, Kompromisse bei der Polymer-Reaktivität. Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen haben wir vor kurzem entwickelt Techniken zur Musterung Pinsel (~ 90 nm) oder hoch vernetzt (~ 1 – 10 μm) Filme PGMA -b- PVDMA in chemisch oder biologisch inert Hintergründe in einer Weise, die die Chemikalie vollständig bewahrt Funktionalität der Polymer-24. Diese vorgestellten Methoden nutzen Parylene-Lift-Off, unter der Regie von Schnittstelle Montage (IDA) und benutzerdefinierte Microcontact Drucktechniken (μCP). Sehr detaillierte experimentelle Methoden für diese Musterung Ansätze sowie kritischen Film Charakterisierungen und Herausforderungen und Einschränkungen verbunden mit jeder Technik werden hier in schriftlicher und video-Format vorgestellt.

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Protokoll

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(1) PGMA -b- PVDMA Synthese20

  1. Synthese von PGMA Makro-Kette Transferstelle (Makro-CTA)
    1. Verwenden Sie ein 250-mL Rundboden Reaktion flask mit Polytetrafluorethylen beschichtet magnetische Stir Bar ausgestattet.
    2. Kombinieren Sie 14,2 g glycidylmethacrylat Methacrylat GMA (142.18 g/Mol) mit 490,8 mg 2-Cyano-2-Propyl-Dodecyl-trithiocarbonates (CPDT) (346.63 g/Mol) und 87,7 mg 2, 2′-Azobis (4-Methoxy-2,4-Dimethyl-Valeronitrile) (V-70) (308.43 g/Mol) (Molverhältnis von CPDT: V-70 = 5:1), und Benzol (100 mL) in die Luft frei um unteren Kolben.
    3. Das Reaktionsgemisch mit Argon entgasen und 30 min köcheln. Anschließend setzen Sie die Lösung in einem temperierten Ölbad bei 30 ° C und für 18 h reagieren.
      Hinweis: Das gezielte Molekulargewicht für die Makro-CTA ist 10.000 g/mol 18 Stunden war entschlossen, die notwendige Zeit, um angemessene Umwandlung zu erreichen. Die Farbe der Polymerlösung ist transparent hellgelb.
    4. Kündigen Sie nach 18 h die Reaktion durch Eintauchen der Rundboden-Küvette in Flüssigkeit N2.
    5. Auszufällen Sie das Polymer durch Gießen die hellgelbe Lösung von Polymer/Benzol (~ 100 mL) in 400 mL Hexan.
    6. Rühren Sie die Mischung für 5 min. Niederschlag an der Unterseite des Bechers beglichen werden und wird durch Filtration gewonnen.
    7. Trocknen Sie die voreilige Übernachtung unter Vakuum. Verdünnen Sie es dann in 400 mL Tetrahydrofuran (THF). Neu in Hexan auszufällen.
    8. Trocknen Sie diese neuen Niederschlag wieder mit Argon über Nacht.
      Hinweis: Makro-CTA ist ein feines gelbes Pulver. Die Produktausbeute der Reaktion werden ~ 43,8 %. Mn des PGMA Makro-CTA ist 7.990 g/Mol mit einer Polydispersität (PDI) von 1.506 (MW = 12.030 g/Mol).
  2. Synthese von PGMA -b- PVDMA
    1. Geringfügig Destillieren Sie VDMA unter vermindertem Druck zu, und reservieren Sie den mittleren Anteil (~ 70 %) für den Einsatz.
      Hinweis: Dies ist erforderlich, um die Polymerisation Inhibitor zu entfernen. Die Destillation Apparat wird an eine Schlenk-Linie und das Luftventil Dichtung teilweise geöffnet, die Vakuumleitung. Minimale Wärme wird mit einem Varistat und heizpilz bis das VDMA-Monomer mit einer Rate von 1 Tropfen pro Sekunde beginnt über Destillation angewendet.
    2. Kombinieren Sie das 2-Vinyl-4,4-Dimethyl Azlactone (VDMA) (139.15 g/Mol) Monomer (10,436 g) mit PGMA-MacroCTA (1,669 g), V-70 (14,5 mg; molare Verhältnis von PGMA-MacroCTA: V-70 = 3:1) und Benzol (75,0 mL) in ein Single-Hals 250 mL Rundboden Reaktion flask, ausgestattet mit einem Teflon-beschichtete magnetische rühren Bar.
      Hinweis: Molekulargewicht Informationen, PVDMA: 139.15 g/Mol, PGMA-MacroCTA: 12.030 g/Mol, Benzol: 78.11 g/Mol.
    3. Entgasen Sie die Mischung mit hochreinem Argon und rühren für 30 min, und dann im Ölbad bei 32 ° C für 18 h.
    4. Beenden Sie die Reaktion durch Eintauchen der Rundboden-Küvette in Flüssigkeit N2.
    5. Niederschlag des Polymers dreimal in Hexan und trocknen Sie sie bei Raumtemperatur unter Vakuum.
    6. Prägen das Molekulargewicht und PDI des Produkts mithilfe Größe Ausgrenzung Chromatographie (S) (siehe Tabelle der Materialien) nach dem Verfahren in Lokitz Et Al. 20. Die Größe Ausgrenzung Chromatograph (S) ist ausgestattet mit drei PLgel 5 µm gemischt-C Spalten (300 x 7,5 mm) in Serie, einen Brechungsindex-Detektor (Wellenlänge = 880 nm), eine Photodiode Array-Detektor, Multiwinkel Lichtstreuung (MALS)-Detektor (Wellenlänge = 660 nm), und eine Viskosimeter (siehe die Tabelle der Materialien).
      Hinweis: Alle Experimente durchgeführt in diesem Manuskript verwendet Produkt mit PGMA und PVDMA Blocklängen von 56 und 175, beziehungsweise. Das Molekulargewicht des Block copolymers war 37.620 g/Mol und die PDI war 1.16.

2. Generation der Parylene Schablone Muster über Silizium-Substraten

  1. Parylene-Beschichtung
    1. Beschallen Sie Silizium-Wafer in 50 % WT Aceton im Wasser für 5 min, gefolgt von Beschallung in 50 % WT Isopropanol (IPA) im Wasser für 5 min.
    2. Silizium-Wafer mit entionisiertem Wasser (DI) und fönen mit Stickstoff zu spülen.
    3. 80 nm und 1 µm dicken Parylene N auf 4-Zoll-Silizium-Wafer mit einem Parylene-Coater zu hinterlegen (siehe die Tabelle der Materialien).
      Hinweis: Die Dicke der Parylene Filme mithilfe einer Oberfläche Profilometer charakterisieren (siehe die Tabelle der Materialien).
      1. Parylene Schichtdicke mit Parylene Dimer Masse für jedes einzelne Parylene-Beschichtung-System zu kalibrieren.
        Hinweis: Im aktuellen System ~ 80 mg und ~ 1000 mg Parylene N Dimer bedurfte, um 80 nm und 1 µm Schichtdicke, bzw. zu erhalten (basierend auf der Kalibrierkurve erhalten).
      2. Verwenden Sie die folgenden Einstellungen während des Betriebs der Parylene-Coater: Druck: 80 mTorr, Dauer: 1 h, Ofentemperatur: 690 ° C, Verdampfer-Temperatur: 160 ° C.
  2. Photolithographie
    1. Backen Sie Wafer in einem Ofen bei 100 ° C 20 min.; dann lassen Sie Wafer für weitere 3 Minuten bei Raumtemperatur sitzen.
      Hinweis: Zusätzliche Wartezeit verbessert die Haftung von der Fotolack.
    2. Fügen Sie 2 mL positiven Photoresist (siehe die Tabelle der Materialien) und in der Mitte des beschichtet Parylene Wafers zu verzichten. Spin zu beschichten die Wafer bei 3000 u/min für 30 s.
      Hinweis: Spin Beschichtung muss unter der Haube erfolgen.
    3. Warten Sie 1 min, Backen Wafer auf einer heißen Platte bei 105 ° C für 1 min.
    4. Fotomaske in eine Maske Ausrichtungssystem zu laden (siehe die Tabelle der Materialien). Wafer mit UV-Licht aussetzen (λ = 325 nm) für 10 s mit einer Dosierung von 65 mJ/cm2.
    5. Lassen Sie die Wafer für weitere 5 Minuten bei Raumtemperatur sitzen.
    6. Wafer zu entwickeln durch Eintauchen in Entwickler (siehe die Tabelle der Materialien) Lösung für 2 min. die Wafer mit entionisiertem Wasser spülen und dann trocknen Sie mit N2. Tun Sie dies unter der Haube.
      Hinweis: Nach der Entwicklung erscheint Photoresist aus UV-exponierten vollständig entfernt. Ein optisches Mikroskop zu verwenden (siehe die Tabelle der Materialien), die Wafer zu überprüfen.
  3. Reaktive Ionen Ätzen
    1. Verwenden Sie eine reaktive Ionen Ätzen (RIE) Werkzeug (siehe die Tabelle der Materialien) entwickelten Wafer mit Sauerstoffplasma Ätzen.
    2. Gelten Sie eine Sauerstoff-Durchflussmenge von 50 cm3/min bei einem Kammerdruck von 20 mTorr.
    3. Für eine Parylene-Schichtdicke von 1 µm verwenden HF-Leistung von 50 W und induktiv gekoppelte (ICP) plasmaleistung von 500 W für 100 s wurde an exponierten Parylene aus gemusterten Bereichen zu entfernen. Dies entsprach einem Parylene Rate von 1,0-1,15 µm/min Ätzen.
    4. Für eine Parylene-Dicke von 80 nm, Nutzung HF-Leistung von 50 W und ICP-Leistung von 200 W für 55 s, exponierten Parylene aus gemusterten Bereichen zu entfernen. Dies entspricht einem Parylene Rate von 570-620 nm/min Ätzen.
      Hinweis: Für eine effiziente Parylene Entfernung bestimmen die Parylene Ätzen Rate für jedes RIE-System.
    5. Geätzte Substrate mit einem optischen Mikroskop zu inspizieren. Die Siliziumoberfläche wird glänzend angezeigt, nachdem der Parylene exponierten Regionen vollständig entzogen wird.
    6. Überprüfen Sie Tiefe mit einem Oberflächen Profilometer Ätzen (siehe die Tabelle der Materialien).

(3) Parylene-Lift-Off-Verfahren

  1. Vorbereitung der Polymertechnik
    1. Auflösen von PGMA -b- PVDMA in Chloroform (1 % Gew.). Chloroform sollte wasserfreie Hydrolyse Azlactone Gruppen zu verhindern.
      Hinweis: Chloroform ist das bevorzugte Lösungsmittel weil es hat eine hohe Löslichkeit für das Polymer ermöglicht mehr einheitliche Oberfläche Ablagerung von einzelnen Polymerketten, die im Vergleich zu anderen organischen Lösungsmitteln25.
  2. Parylene Schablonen mit dem Plasma Reiniger Reinigung
    1. Plasma Reiniger (siehe die Tabelle der Materialien) Hauptschalter schalten Sie ein und Parylene beschichtete Substrate in der Plasmakammer sauberer.
    2. Schalten Sie die Vakuumpumpe und evakuieren Sie der Luft in der Kammer zu, bis das Manometer weniger als 400 mTorr ist.
    3. Leicht öffnen Sie das Dosierventil und lassen Sie die Luft in das Plasma Reiniger eingeben, bis das Manometer 800-1000 mTorr zeigt.
    4. Wählen Sie RF mit Hi-Modus und setzen Sie der Substrate für 3 min aus.
    5. Am Ende des Prozesses die HF-Leistung und Vakuumpumpe ausschalten.
    6. Schalten Sie das Plasma Reiniger und entfernen Sie Substrate zu.
      Hinweis: Nach Plasma Reinigung, zeigt die Oberfläche hydrophile Verhalten (Abbildung 1 b). Das Wasser Kontaktwinkel von nackten Silizium Oberflächen vor und nach Plasma Reinigung sind 27° ± 2 ° c und 0 ° c, beziehungsweise.
  3. Spin-Coating PGMA -b- PVDMA, Glühen und Beschallung über Parylene-Schablonen
    1. Sofort Spin-Mantel der Substrate mit 100 µL 1 % WT PGMA -b- PVDMA in wasserfreien Chloroform bei 1500 u/min, für 15 s mit einem Spin Coater (siehe die Tabelle der Materialien).
      Hinweis: Führen Sie Spin-Coating innerhalb 1-2 s von pipettieren der Polymerlösung um Film Uneinheitlichkeit verursacht durch schnelle Chloroform Verdunstung zu minimieren.
    2. Tempern Polymerfolien bei 110 ° C in einem Vakuumofen (siehe die Tabelle der Materialien) für 18 h.
      Hinweis: Glühen für Polymer Microphase Segregation und Oberfläche Befestigung des GMA-Block an der Oberfläche26ermöglicht.
      1. Charakterisieren Sie nach dem glühen die Polymerbeschichtung durch die Messung der Kontaktwinkel von Substraten. Oberflächen zeigen einen Kontaktwinkel von 75° ± 1° (Abbildung 1)20.
    3. Beschallen Sie die Substrate im 20 mL Aceton oder Chloroform für 10 min bis zum Entfernen der Parylene-Schicht und Physisorbed Polymer.
      Hinweis: Verwenden Sie die folgenden Bedingungen Beschallung: ultra-sonic-Power, 284 W; Betriebsfrequenz, 40 kHz (siehe die Tabelle der Materialien).
      Hinweis: Parylene kann auch aus dem Substrat geschält werden durch Anwendung ein Stück Tesafilm am Rand des Substrats dann ziehen das Klebeband entfernt27.
    4. Lagern Sie die Substrate unter Vakuum in den Exsikkator gestellt bis zur Charakterisierung.

figure-protocol-1
Abbildung 1: kontaktieren Sie Winkelmessungen für behandelten Silizium-Substraten. (A) Bare Silizium, (B) Plasma gereinigt Silizium, (C) Spin-beschichteten Silizium mit PGMA-b-PVDMA (nach glühen und Beschallung in Chloroform). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

4. PGMA -b- PVDMA unter der Regie von Schnittstelle Montageschritte

Hinweis: Dieses Verfahren kann auf Untergründen mit einem chemisch inert Hintergrund (Abschnitt 4.1) oder einen biologisch inert Hintergrund (Abschnitt 4.2), abhängig von der Anwendung durchgeführt werden.

  1. Vorbereitung der chemisch inert Hintergrund auf Silizium-Substraten
    1. Verwenden Sie Sauerstoffplasma Reiniger um die nackten Silizium (Abschnitt 3.2) zu reinigen.
    2. Pipette 100 µL trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl) Silan (TPS) auf einer Petrischale und legen Sie die Silizium-Substraten im Inneren ein Vakuum Exsikkator neben der Petrischale.
    3. 1 h für chemical Vapor Deposition (CVD) Vakuum (-750 Torr) beantragen.
      Achtung: TPS ist hochgiftig und CVD-Verfahren in einem Abzug erfolgen soll.
      Hinweis: Nach 1 h zeigt das Substrat hydrophobe Verhalten. Ein Kontaktwinkel von 109° ± 3° wird in der Regel nach dem CVD-Verfahren gemessen. Die Dicke des Films TPS ist 1,5 ± 0,5 nm.
      Hinweis: TPS blockiert Reaktion der reaktiven Oberfläche Oxide mit PGMA -b- PVDMA.
    4. Bestreichen Sie die Waffeln mit Parylene (1 µm Dicke). Durchführen Sie Photolithographie und reaktive Ionen Ätzen, Parylene Muster (Abschnitt 2) zu generieren und entfernt die TPS-Schicht in den exponierten Regionen Ätzen.
  2. Vorbereitung von Polyethylenglykol (PEG)-Hintergrund auf Silizium-Substraten.
    1. Verwenden der Sauerstoffplasma Reiniger für 3 min um den nackten Silizium-Substraten (Abschnitt 3.2) zu reinigen.
    2. CVD TPS für 1 h (Abschnitt 4.1.2) durchführen.
    3. Tauchen Sie Substrate in einer 0,7 % wt/V Lösung von Pluronic F-127 Reinstwasser für 18 h um eine PEG-Schicht auf der Oberfläche28,29zu generieren.
      Hinweis: Pluronic enthält einen hydrophoben Polypropylen-oxid (PPO) Polymer Block zwischen zwei PEG-Ketten. PPO-Block Anker das Polymer an die TPS-Oberfläche, während die PEG-Ketten Lösung28ausgesetzt sind.
    4. Waschen Sie und spülen Sie das Substrat für 5 min bei 100 mL von Reinstwasser.
    5. Hinterlegen Sie 80 nm und 1 µm dicken Parylene N auf 4-Zoll-Silizium-Wafer mit einem Parylene-Coater.
    6. Führen Sie Photolithographie und reaktive Ionen Ätzen Parylene Muster (Abschnitt 2) zu generieren.
  3. Beschallung, Spin-Coating PGMA -b- PVDMA Polymer und glühen die Substrate
    1. Beschallen Sie chemisch inert (TPS) Substraten (Abschnitt 4.1) oder PEG-funktionale Substrate (Abschnitt 4.2) für 10 min in Aceton, der Parylene-Schicht zu entfernen.
    2. Spin-Mantel der beschallten Substrat mit 100 µL 1 % WT PGMA -b- PVDMA in wasserfreien Chloroform bei 1500 u/min für 15 s.
    3. Tempern Sie Polymerfolien bei 110 ° C unter Vakuum für 18 h.
    4. Beschallen Sie die Substrate in Aceton oder Chloroform für 10 min, Physisorbed Polymer im Hintergrund Regionen auf der Oberfläche zu entfernen.
    5. Speichern Sie die Substrate in ein Vakuum Exsikkator bis zur weiteren Verwendung.

5. Custom PGMA -b- PVDMA Micro-Kontakt Drucken (μCP)

  1. PDMS Stempel Herstellung
    1. Die Silizium-Meister nach dem standard Photolithographie Verfahren30zu fabrizieren. Verwenden Sie CVD-Verfahren (Abschnitt 4.1.2), um Anti-Adhäsiv TPS auf die Silizium-Meister zu hinterlegen.
      Hinweis: Die Silikon-Form behandelt werden mit TPS zum ersten Mal verwendet und neu aufgetragen, wenn es aufgebraucht ist 5-10 mal.
    2. Führen Sie standard weichen Lithographie Methoden für die Herstellung von Briefmarken (PDMS Vorläufer zur Heilung Agent-Masse-Verhältnis 10:1)31.
      Hinweis: In dieser Studie verwendeten Stempel bestehen aus Micropillar Arrays (Durchmesser = 5-50 µm, Höhe = 20 µm).
    3. Schneiden Sie einen einzigen Stempel. Reinigen Sie den Stempel beschallen für 10 min in HCl (1 M), 5 min in Aceton, gefolgt von 5 min in Ethanol.
    4. Trocknen Sie die Briefmarken in einem Umluftofen bei 80 ° C für 20 min, um verbleibende organische Lösungsmittel zu entfernen.
  2. MicroContact Druck von PGMA -b- PVDMA auf Silizium-Substraten
    1. TPS Einzahlung auf die Oberfläche des PDMS Briefmarken mit der CVD-Verfahren (Abschnitt 4.1.2).
      Hinweis: Die TPS-Schicht wird verwendet, um die Kupplung des Polymers auf der Stempel-Oberfläche zu verhindern.
      Hinweis: Kontakt Winkelmessungen lässt sich charakterisieren Briefmarken nach TPS Adsorption, wie in Abbildung 2 (Einschub A, B)dargestellt.
    2. Lösen sich die PGMA -b- PVDMA Polymer in wasserfreien Chloroform in einer Konzentration von 0,25-1 Gew.-%.
    3. Die Briefmarken in 5 mL der Polymerlösung für 3 min eintauchen.
    4. Plasma Reinigen 2 × 2 cm nackten Silizium Substrate für 3 min, saubere Oberfläche zur Kopplung mit PGMA Blöcke (Abschnitt 3.2).
    5. Nehmen Sie die Polymer beschichtet Briefmarken von der Polymerlösung.
      Hinweis: Briefmarken müssen verwendet werden, für den Druck, während sie noch feucht sind und eine Schicht der Lösung vorhanden, über sie ist.
    6. Legen Sie Tinte Stempel direkt auf Silizium-Substrat.
    7. Verwendung eine manuellen Bohrmaschine stehen (siehe die Tabelle der Materialien) (Abbildung 3) drücken, die Polymer beschichtet Briefmarken auf der Siliziumoberfläche Muster Transfer zu fördern. Sofort auftragen Sie den Stempel auf das Substrat (innerhalb 1 bis 2 s) nach Herausnehmen der beschichteten Briefmarken von Polymerlösung.
      Hinweis: Sowohl das Silizium und PDMS-Stempel kann auf doppelseitigem Klebeband Unterstützung PDMS Stempel Verformung durch ungleichmäßige oder Hochdruck Stempeln32zu minimieren.
    8. Winkeltreue Kontakt zwischen Polymer-Tinte Stempel anwenden und Silizium-Substrat für 1 min. die geschätzte Druck von 75 g/cm2(7,35 kPa) drücken.
    9. Trennen Sie vorsichtig den Stempel von der Siliziumoberfläche.
    10. Tempern Sie gedruckten Silizium-Substraten sofort in einem Vakuumofen bei 110 ° C für 18 h.
    11. Beschallen Sie die gedruckten Silizium-Substrate in Aceton oder Chloroform für 10 min physikalisch adsorbiert PGMA -bentfernen - PVDMA und dann trocken mit N2.
      1. Oberflächencharakterisierung Analysen für PDMS-Stempel (nach Druck Schritt) und gedruckt-Silizium (nach glühen und Beschallung Schritten) durchführen, um zu überprüfen, die erfolgreiche Übertragung der PGMA -b- PVDMA.
        Hinweis: Oberflächen Sie Profilometer und abgeschwächte totale Reflexion Fourier-Transform Infrarotspektroskopie (ATR-FTIR) Analyse verwendet werden, um die gedruckt-Silizium-Substrat und PDMS-Stempel, bzw. zu analysieren.
    12. Lagern Sie die Substrate unter Vakuum in den Exsikkator gestellt bis zur Charakterisierung.

figure-protocol-2
Abbildung 2 : ATR-FTIR-Messungen für die behandelten PDMS Briefmarken (Relative Intensität). (Kleines Foto A) Kontaktieren Sie Winkelmessungen für bloßen PDMS-Stempel. (Einschub B) Kontakt Winkelmessungen für TPS behandelt PDMS Stempel. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

figure-protocol-3
Abbildung 3: Setup für μCP PGMA -b- PVDMA Lösungen auf Silizium-Substraten. Das Verfahren beinhaltet die Nutzung einer (A) manuelle bohrgerätpresse, (B) einen TPS funktionalisiert PDMS-Stempel mit dem PGMA -b- PVDMA Polymer beschichtet, (C) ein Plasma gereinigt, 2 × 2-cm-Silizium-Substrat, und (D) doppelseitiges Klebeband.

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Ergebnisse

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Kontaktwinkel Messungen können verwendet werden, um die Funktionalisierung von Silizium mit PGMA-b-PVDMA zu bewerten. Abbildung 1 zeigt die Kontaktwinkel der Silizium-Substrat während die verschiedenen Bearbeitungsschritte. Hydrophile Verhalten der Plasma gereinigt-Silizium-Substrat wird in Abbildung 1 bgezeigt. Der Kontaktwinkel nach Polymer Spin coating und Glühen 75° ± 1 ist °(Figur 1...

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Diskussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dieser Artikel stellt drei Ansätze zur Strukturierung PGMA -b- PVDMA, jeweils mit einem Satz von vor- und Nachteile. Parylene-Lift-Off-Methode ist eine vielseitige Methode zur Strukturierung von Block-Copolymere im Mikro-bis nanoskaligen Auflösung und wird als eine Ablagerung Maske in andere Musterung Systeme33,34,35. Aufgrund seiner relativ schwachen Oberflächenhaftung kann Parylene-Schablone leicht durch Ultraschallbe...

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Offenlegungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diese Forschung wurde unterstützt von der Kansas State University. Ein Teil dieser Forschung wurde in der Mitte für Anwendungspotential Materialwissenschaften durchgeführt am Oak Ridge National Laboratory von wissenschaftlichen Benutzer Einrichtungen Division, Büro der grundlegenden Energiewissenschaften sowie U.S. Department of Energy gesponsert wird.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Material
Ethanol, ≥ 99,5 %Sigma-Aldrich459844-HCL
, 1,019 N in H2OFluka Analytisches318949-Aceton
, ≥ 99,5 %Sigma-Aldrich320110-Benzol
, ≥ 99,9 %Sigma-Aldrich270709-
Isopropanol, ACS-Reagenz ≥ 99,5 %Sigma-Aldrich190764
HexanFisher ChemicalH292-4-Argon
Matheson Gas
G1901175-Tetrahydrofuran (THF), > 99,9 %Sigma-Aldrich
401757-Pluronic F-127Sigma-AldrichP2443-Polydimethylsiloxan
(PDMS) Slygard 184Dow Corning4019862-Trichlor
(1H,1H,2H,2H-perfluoroctyl)silan (TPS), 97%Sigma-Aldrich448931Es ist giftig. Arbeiten Sie damit unter der Haube
Wasserfreies Chloroform, ≥ 99%Sigma-Aldrich372978-Positive
Fotolack AZ1512MicroChemicalsAZ 1512bernsteinrote Flüssigkeit, Dichte 1,083 g/cm3, der Schleuderbeschichtungsschritt sollte unter der Haube durchgeführt werden
Entwickler AZ 300 MIFMicroChemicalsAZ300 MIFklare farblose Flüssigkeit mit leichtem Amingeruch und einer Dichte von 1 g/cm3
1,2-Vinyl-4,4-dimethylazlacton (VDMA)Isochem North America, LLCVDMA-2-cyano-2-propyldodecyltrithiocarbonate
(CPDT)Sigma-Aldrich
723037-2,2′-Azobis (4methoxy-2,4-dimethylvaleronitri) (V-70)Wako SpezialchemikalienCAS-Nr. 15545-97-8, EINECS Nr. 239-593-8-Parylene
NSpeziallacksysteme15B10004-
NameUnternehmenKatalognummer<>Kommentare
Ausrüstung
Parylene CoaterSpezialbeschichtungssystemeSCS Labcoater (PDS 2010)-Maskenausrichtungssystem
NeutronixQuintel NXQ8000-
Sauerstoff-Plasma-ÄtzerOxford InstrumentsPlasma Lab System 100-Oberflächen-Profilometer
VeecoDektak 150Scan-Typ war Standard-Hügel. Die Scandauer und -kraft betrugen 120 s bzw. 1 mg.
Hellfeld-StandmikroskopOlympus CorporationBX51-Sauerstoff-Plasma
  ReinigerHarrick PlasmaPDC-001-HP-Gedenuated
Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR)Perkin ElmerATR-FTIR 100-Rasterkraftmikroskopie
(AFM)PicoPlusPicoplus RasterkraftmikroskopVeeco MLCT-E Ausleger mit einer Federkonstante von 0,5 N/m. Die Scangeschwindigkeiten variierten zwischen 0,25 und 1 Hz.
Rasterelektronenmikroskopie (REM)Hitachi Science Systems Ltd., Tokio, Japan--
Drehwerkzeug-ArbeitsplatzDremelModell 220-01-Spin
CoaterSmart CoaterSC100-Vakuumofen
Yamato Scientific Co.PKD-C6(5)000)-
Größenausschlusschromatographie (SEC)Waters Alliance 2695 Separationsmodul720004547EN-Brechungsindex-Detektor
RI)WatersModell 2414-Photodioden-Array-Detektor
WatersModell 2996,716001286-Mehrwinkel-Lichtstreudetektor
(MALS)Wyatt TechnologyminiDAWN TREOSII-Viskosimeter
Wyatt TechnologieViscostar-PLgel
5 & Mikro; m mixed-C Säulen (300 x 7,5 mm)Agilent5 & micro; m gemischt-C-Säulen-Ellipsometer
J. A. Woollamalpha-SECauchy-Modell, PGMA- und PVDMA-Schichten hatten Brechungsindizes von 1,50 und 1,52 bei 632 nm
Ultraschall-UltraschallgerätFischer ScientificFS-110H-
strong Total (

Referenzen

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