Herstellung und Visualisierung von Kapillarbrücken in Schlitzporengeometrie

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, Kapillarbrücken in spaltarmer Geometrie zu bilden und abzubilden. Dies wird erreicht, indem zunächst lang erhabene PDMS-Säulensubstrate mit Standard-Fotolithografieformen hergestellt werden. Der zweite Schritt besteht darin, die Oberseite der Säulen zu funktionalisieren, um einen Benetzungskontrast zwischen der Oberseite und den Seiten mit Hilfe von Imprint-Transferlithografie und selbstorganisierten Monolayern einzuführen.

Anschließend werden die beiden Säulen in einem vierachsigen Mikrotischgerät gegenüberliegend platziert. Die translatorischen und rotativen Freiheitsgrade ermöglichen es dem Untersucher, die beiden gegenüberliegenden Säulen richtig auszurichten und den Abstand zwischen den Säulen während des Experiments zu kontrollieren. Der letzte Schritt besteht darin, Flüssigkeit zwischen die beiden erhöhten Säulen einzuführen und die resultierende Kapillarbrücke mit der CCD-Kamera abzubilden.

Da sich die Höhe des Schlitzgusses geändert hat, wird letztendlich die Änderung der Morphologie der Flüssigkeitsbrücke mit zunehmender Schlitzgießhöhe verwendet, um zu zeigen, dass der Lalo-Druck der Flüssigkeitsbrücke das Vorzeichen von attraktiv zu abstoßend wechselt, wenn die Schlitzgießhöhe zunimmt. Diese Methode kann jedoch einen Einblick in das Verständnis der Eigenschaften des Phänomens der teilweise gepinnten Benetzung geben. Es kann auch auf Probleme wie Flip-Chip-Design, Ölrückgewinnung in porösen Materialien und bioinspirierte Haftung angewendet werden.

Bevor Sie mit diesem Vorgang beginnen, reinigen Sie einen vier Zoll großen Siliziumwafer mit Piha-Lösung, indem Sie diesem Spinco SU Eight 2002 folgen, 40 Sekunden lang bei 500 U/min auf die Wasseroberfläche. Als nächstes Spinco SU 8 20 50 auf den Wafer mit einem zweistufigen Spin-Coder-Programm für 40 Sekunden bei 500 U/min, gefolgt von einer Minute bei 1500 U/min. Sobald der spinbeschichtete Wafer getrocknet ist, legen Sie eine transparente Maske darüber, legen Sie ihn dann unter eine UV-Lampe und belichten Sie ihn 30 Sekunden lang bei 200 Watt.

Nachdem Sie den Wafer auf einer 95 Grad Celsius heißen Platte getrocknet haben, legen Sie ihn in SU eight Entwicklerlösung und rühren Sie ihn leicht um, bis alle nicht belichteten SU eight entfernt wurden. Spülen Sie den Wafer dann 30 Sekunden lang in einem Strahl Isopropylalkohol ab und föhnen Sie ihn mit Stickstoff. Zu diesem Zeitpunkt wird ein 10 zu eins Massenverhältnis P-D-M-S-S Schutz, 180 4 Base zu Härter in einem Becherglas unter Verwendung eines Einwegrührstabes Degas kräftig gemischt, das PDMS in einer Vakuumkammer bis alle Blasen verschwunden sind.

Nachdem Sie die SU Eight gefertigte Form in eine große Wang-Kunststoffschale gelegt haben, gießen Sie die PDMS-Mischung darüber. Nachdem Sie die Form-PDMS-Mischung entgast haben, stellen Sie das gesamte Gericht für mindestens zwei Stunden bei 75 Grad Celsius in einen Ofen. Sobald die Probe auf Raumtemperatur abgekühlt ist, schneiden Sie mit einer Rasierklinge die Schale vom PDMS und das PDMS vom Silikonwafer ab.

Schneiden Sie dann die PDMS-Region mit den Säulen aus dem Schüttgut aus und lagern Sie sie in einer sauberen Petrischale. Nachdem Sie 20 Nanometer Gold direkt auf einen sauberen Siliziumwafer verdampft haben, legen Sie ihn in einen Plasmareaktor und reinigen Sie ihn 10 Minuten lang mit Sauerstoffplasma bei einem Druck von 300 Milour und einer Leistung von 50 Watt. Wenn Sie fertig sind, legen Sie die Waffel für mindestens 10 Minuten in eine mit 200 Proof Ethanol gefüllte Pyrex-Petrischale.

Nachdem Sie die Waffel aus der Form genommen haben, spülen Sie sie mit Ethanol ab und föhnen Sie sie mit Stickstoff. Anschließend wird eine zuvor hergestellte MPTS-Toluollösung 30 Sekunden lang bei 500 U/min auf den Wafer geschleudert, gefolgt von 2.750 U/min für eine Minute. Sobald der Wafer gespült und getrocknet wurde, legen Sie ihn in eine Pyrex-Petrischale, die genügend 16 Millimolare Salzsäurelösung enthält, um den Wafer vollständig einzutauchen.

Nach mindestens fünf Minuten Untertauchen nehmen Sie den Wafer aus der Lösung und föhnen Sie ihn mit Stickstoff trocken. Platzieren Sie dann die PDMS-Säulen in der Plasmakammer und führen Sie 30 Sekunden lang Sauerstoffplasma bei einem Druck von 300 milour und einer Leistung von 50 Watt durch. Nachdem Sie die PDMS-Substrate aus dem Plasmareaktor entfernt haben, binden Sie die Rückseite jedes einzelnen mit leichtem Druck an einen sauberen Objektträger.

Drehen Sie die glaskaschierten PDMS-Substrate um und drücken Sie die Säulen auf die MPTS-funktionalisierten Goldfolien. Sobald mäßiger Druck ausgeübt wurde, legen Sie ein Gewicht von ca. 100 Gramm auf den Objektträger, um einen konformen Kontakt zu gewährleisten. Trennen Sie nach mindestens 12 Stunden jedes PDMS-Substrat vom Wafer und verwenden Sie eine Rasierklinge. Wenn das PDMS-Substrat festsitzt, überprüfen Sie mit einem optischen Mikroskop, ob der Goldfilm nicht gerissen ist oder dass entlang der Säule keine Teile fehlen.

Tauchen Sie anschließend das PDMS-Substrat in ein zuvor vorbereitetes Substrat. Millimolare MHA-Dimethylsulfoxid-Lösung für mindestens 24 Stunden. Nach dem Spülen mit entionisiertem Wasser und dem Trocknen legen Sie das PDMS-Substrat für mindestens 12 Stunden mit zwei Säulensubstraten in eine Vakuumkammer mit einem Druck von weniger als 100 milour bei 25 Grad Celsius.

Platzieren Sie einen in den oberen und einen in den unteren Haltern der vierachsigen Mikrotischbaugruppe. Sichern Sie die Substrate mit seitlichen Spannschrauben. Bauen Sie an dieser Stelle das Gerät zusammen, indem Sie die obere Substratstufe so an der Steckplatine befestigen, dass sich das obere Substrat ungefähr über dem unteren Substrat befindet.

Verringern Sie die Höhe zwischen den beiden gegenüberliegenden Säulen mit den x-, y- und Drehknöpfen auf etwa einen Millimeter. Auf der unteren Substratstufe. Richten Sie die Goldstreifen für die beiden Substrate so aus, dass sie parallel sind.

Positionieren Sie dann die Kamera so, dass sie mithilfe des Live-Kamera-Feeds auf dem Computerbildschirm über die Länge der PDMS-Säule nach unten schaut, und passen Sie die Position des unteren Substrats so an, dass die Säulen parallel sind. Bewegen Sie anschließend die Kamera auf die gegenüberliegende Seite des Geräts und wiederholen Sie die beiden vorherigen Schritte. Verkleinern Sie mithilfe des Live-Kamera-Feeds den Abstand zwischen den beiden Säulen, bis die obere Säule Kontakt mit der unteren Säule hat.

Stellen Sie dann den digitalen Mikrotisch auf Null und erhöhen Sie die Porenhöhe auf ca. 200 Mikrometer. Montieren Sie eine Spritze mit einer 80%igen Glycerin-Wasserlösung mit der mechanischen Klemme auf die Spritze XY, Z-Translationstisch. Stellen Sie dann die Mikrometer am Spritzenpositioniertisch so ein, dass die 30-Gauge-Nadel in den Schlitzguss passt.

Verringern Sie die Spaltgießhöhe, so dass die Ober- und Unterseite die Nadel sanft berühren, nachdem Sie die Flüssigkeit langsam aus der Spritze in den Schlitzeinguss abgegeben haben. Verwenden Sie die Mikrometer am Spritzenpositioniertisch, um die Nadel aus der Schlitzpore zu entfernen. Das Experimentiergerät kann in vier Hauptteile unterteilt werden.

Der obere Substrattisch, der untere Substrattisch, die Spritze XY, der Z-Translationstisch sowie die Kameraoptik und der Kamerahalter. Details zum experimentellen Gerät finden Sie im Textprotokoll Bei der Übertragung des Goldes auf das PDMS-Substrat ist es wichtig, das PDMS-Gerät vom Siliziumwafer zu trennen. Glatt und sorgfältig dargestellt Hier ist eine Mikroskopaufnahme der A-P-D-M-S Säule mit Gold nach einem erfolgreichen Transfer abgebildet.

Hier ist ein Bild, das überschüssige Goldfolie vom Wafer zeigt, die aufgrund einer schlechten Übertragung auf die Säule übertragen wurde. Um die Übertragung des Goldfilms zu erleichtern, kann mit einem scharfen Rasierhobel eine Kante der PDMS-Säule vorsichtig vom Siliziumwafer gelöst werden. Zusätzlich sollte das PDMS-Substrat senkrecht zur Waferoberfläche gezogen werden, um zu verhindern, dass zusätzliche Goldfolie am Rand des Substrats haften bleibt. Gezeigt.

Hier ist ein Bild, das zeigt, wie sich nach dem Transfer Risse in der Goldschicht bilden können, wenn das PDMS-Substrat stark schert oder gebogen wird. Sobald der Herstellungsprozess abgeschlossen ist, ist es wichtig, die Qualität der MHA-Monoschicht zu überprüfen, indem ihr Wasserkontaktwinkel getestet wird. Hier ist ein flüssiger Wassertropfen auf einem Gold-PDMS-Substrat zu sehen, nachdem er mit MHA funktionalisiert wurde.

Der geringe Kontaktwinkel am PDMS zeigt an, dass der Prozess erfolgreich war. Der Einsatz zeigt einen flüssigen Wassertropfen, der nach dem abgeschlossenen Eingriff auf eine der erhöhten Säulen gelegt wird. Der Kontaktwinkel von 140 Grad zeigt, dass die Kombination aus physikalischen und chemischen Heterogenitäten es ermöglicht, den Tropfen an den Seiten der Säulen zu befestigen.

Sobald die Substrate hergestellt und in die Mikrotischhalter eingebaut wurden, können die Kanäle mit der Spritze XY, Z gefüllt werden. Der hier gezeigte Translationstisch ist eine gefüllte Schlitzpore mit einer Perspektive senkrecht zur Breite der abgebildeten Säule. Hier ist eine perspektivische Orthogonal zum ersten Bild, die senkrecht zur Länge der Schlitzpore verläuft. Der Prozess des Befüllens des Kanals aus der gleichen Perspektive wie das zweite Bild ist hier zu sehen, es ist entscheidend, während der Füllphase die Flüssigkeit aus der Spritze abzugeben.

Langsam kann die Kraft plötzlicher großer Durchflussraten die Flüssigkeit von der Oberseite der Säule tief festnageln, wodurch sie sich auf die hydrophoben PDMS-Bereiche ausbreitet. In diesem Fall müssen die Untergründe im Spachtelvorgang wiederholt gereinigt und getrocknet werden. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man PDMS-Säulen bildet.

Funktionalisieren Sie diese mit einer selbstorganisierenden Monolage und richten Sie sie zu Kapillarbrücken aus. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Piran extrem gefährlich sein kann und Vorsichtsmaßnahmen wie ein funktionierender Abzug. Eine Schutzbrille ist ein Gesichtsschutz.

Bei jeder Durchführung dieses Verfahrens sollte ein Laborkittel mit Neoprenhandschuhen verwendet werden.