Summary
Ein micropunching Lithographie Ansatz wurde entwickelt, um Mikro-und Submikron-Muster auf der Oberseite, Seitenwand-und Bodenflächen der Polymer-Substraten zu erzeugen. Sie überwindet die Hindernisse der Strukturierung leitfähiger Polymere und Erzeugung Seitenwand Muster. Diese Methode ermöglicht eine schnelle Fertigung von mehreren Funktionen und ist frei von aggressiven Chemie.
Abstract
Leitende Polymere sind große Aufmerksamkeit seit der Entdeckung der hohen Leitfähigkeit in dotierten Polyacetylen in 1977 1 angezogen. Sie bieten die Vorteile der niedrigen Gewicht, einfache Anpassung von Eigenschaften und einem breiten Spektrum von Anwendungen 2,3. Aufgrund der Empfindlichkeit von leitfähigen Polymeren auf Umweltbedingungen (zB Luft, Sauerstoff, Feuchtigkeit, hoher Temperatur und chemische Lösungen) präsentieren lithographische Techniken erhebliche technische Herausforderungen bei der Arbeit mit dieser Materialien 4. Zum Beispiel sind aktuelle photolithographischen Methoden, wie ultraviolette (UV), ungeeignet für die Strukturierung der leitfähigen Polymere aufgrund der Beteiligung der nassen und / oder trockene Ätzverfahren in diesen Methoden. Darüber hinaus aktuelle Mikro-/ Nanosysteme in erster Linie eine ebene Form 5,6. Eine Schicht von Strukturen auf den Oberflächen der anderen Schicht hergestellt Features. Mehrere Schichten von diesen Strukturen zusammen mit zahlreichen Geräten auf gestapelt sindeinem gemeinsamen Substrat. Die Seitenwandflächen der Mikrostrukturen nicht bei der Konstruktion verwendet worden. Auf der anderen Seite, könnte Seitenwand Muster verwendet werden, zum Beispiel, um 3-D-Schaltungen zu bauen, zu verändern Fluidik-Kanäle und direkte horizontale Wachstum der Nanodrähte und Nanoröhren.
Ein macropunching Methode wurde in der verarbeitenden Industrie angewendet worden, um macropatterns in einem Blech für mehr als hundert Jahren zu schaffen. Motiviert durch diesen Ansatz haben wir eine micropunching Lithographie-Methode (MPL), um die Hindernisse der Strukturierung leitfähiger Polymere und Erzeugung Seitenwand Muster überwinden entwickelt. Wie die macropunching Methode, die MPL enthält auch zwei Operationen (Abb. 1): (i) Schneiden, und (ii) Zeichnung. Die "Schneiden" Operation wurde auf Muster drei leitende Polymere 4, Polypyrrol (PPy), Poly (3,4-ethylenedioxythiophen)-Poly (4-styrolsulfonat) (PEDOT) und Polyanilin (PANI) aufgebracht ist. Es wurde auch verwendet, um zu erstellen Al Mikrostrukturen 7. Die gefertigten Mikrostrukturen von leitfähigen Polymeren haben als Feuchtigkeit 8, chemischen 8, 9 und Glukose-Sensoren eingesetzt. Kombinierte Mikrostrukturen von Al und leitende Polymere wurden verwendet, um Kondensatoren und verschiedenen Heteroübergänge 9,10,11 herzustellen. Das "Schneiden" Operation wurde auch eingesetzt, um Submikron-Muster, wie 100 zu generieren - und 500-nm-weiten PPy Linien sowie 100-nm breiten Au-Drähte. Die "Zeichnung" Operation wurde für zwei Anwendungen eingesetzt: (i) produzieren Au Seitenwand Muster auf Polyethylen hoher Dichte (HDPE) Kanäle, die für den Aufbau 3D-Mikrosystemen 12,13,14 verwendet werden könnten, und (ii) fabrizieren Polydimethylsiloxan (PDMS) Mikrosäulen auf HDPE Substrate zur Erhöhung der Kontaktwinkel des Kanals 15.
Protocol
A. Schematische Darstellung der MPL
Das Verfahren umfasst macropunching "Schneiden" und "Zeichnung" Operationen. Das "Schneiden" Betrieb nimmt Formen von scharfkantigen konvexen Strukturen und umfasst drei grundlegende Schritte (Abb. 1 (A1-A3)). Zuerst legen ein Blech auf einem starren Substrat (1 (a1)). Zweitens bringen eine Si-Form und das Substrat in physischen Kontakt durch eine hohe Kraft. Während dieser zweiten Schritt wird der Teil des Metalls direkt unter konvexen Form Strukturen zuerst aus der benachbarten Metall durch die konvexe Form Strukturen geschnitten und dann auf dem Boden der konkaven Muster in dem Substrat gedrückt wird (Abb. 1 (a2) ). Zum Schluss trennen die Form und das Substrat, die Vollendung des Strukturierung des Bleches (1 (a3)). Die "Zeichnung" Betrieb verwendet ein ähnliches Herstellungsprozess. Allerdings nimmt es Formen von rundkantig konvexen Strukturen (Abb. 1 (B1)). Darüber hinaus, dieAngewandte Einfügung Kraft und Geschwindigkeit sind viel kleiner und niedriger als ihre Kollegen in den "Schneid"-Betrieb. Diese Unterschiede Senkung der Spannungen in dem Teil des Blechs unter konvexen Strukturen. Folglich ist dieser Teil des Bleches nur nach unten geschoben, aber nicht gerade in der "Zeichnung" Operation geschnitten (Abb. 1 (B2-B3)).
In dem "Schneiden" Betrieb der MPL (1 (C1-C3)), (i) ein Si-Substrat mit einer Schicht aus einer polymeren Zwischenschicht und einer Schicht aus einem Material gedruckt werden beschichtet sind oben Glasübergangstemperatur erwärmt wird ( Tg: Erweichungstemperatur) des intermediären Polymers und unterhalb von T m (Schmelztemperatur) oder T g des zielgerichtete Material (1 (c1)), (ii) die Form und das Substrat werden in physischen Kontakt durch hohen Druck gebracht , gefolgt von anschließender Abkühlung (1 (c2)), und (iii) sie getrennt sind, wenn die Temperatur unterhalbT g des polymeren Zwischenschicht, die Vollendung des Strukturübertragungsregion aus der Form, um die gezielte Schicht (1 (c3)). Die "Zeichnung" Betrieb der MPL (Abb. 1 (D1-D3)) hat Fertigungsschritte ähnlich dem "Schneiden." Dennoch verwendet der "Zeichnung" weichen PDMS-Formen. Sie beinhaltet auch eine kleinere Steckkraft, eine untere Eintragsgeschwindigkeit, und eine höhere Druck Temperatur (die senkt die Viskosität des intermediären Polymers und erhöht somit dessen Mobilität). Dementsprechend sind die Funktionen an der oberen Oberfläche des Substrats Kurve bis auf die Oberflächenspannung und die hohe Beweglichkeit der intermediäre Polymer. Der Si-Form kann gereinigt und für aufeinanderfolgende Prägung Schritte wieder verwendet werden. Die Form kann mit Aceton und destilliertem Wasser gereinigt werden; und gründlich abgetrocknet werden mit N 2 vor jedem Gebrauch. Bei Reste in den Mikrostrukturen der Form bleibt, kann es mit Nanostrip Lösung und DI-Wasser gereinigt werden, und mit N 2 getrocknet.
B. Cutting Betrieb in MPL zur Erzeugung von Metall-und einem leitfähigen Polymer Mikrostrukturen
- Einlagige Mikrostrukturen auf einem Substrat: nach dem Verfahren des dargestellt. 1 (C1-C3), wird eine Schicht von Mikrostrukturen auf einem Substrat erzeugt. Während der Herstellung wird das Substrat mit einer Schicht aus intermediäre Polymer beschichtet, gefolgt vom Auftragen einer Schicht aus einem einzigen Material (leitendes Polymer oder Metall) oder einer Schicht aus unterschiedlichen Materialien. Dementsprechend werden nach Heißprägen wird eine Schicht von Mikrostrukturen von einem oder mehreren Materialien auf dem Substrat erzeugt. Die Fertigung wird im Folgenden aufgeführt.
- Fertigen Si Formen der erforderlichen Abmessungen mit herkömmlichen UV-Lithographie (Abb. 2a). Die Einzelheiten der Herstellung des Si Form sind in 4 angegeben. Bild. 2 (a1-a4) für die Layouts der Si Formen für die Prozesse verwendet.
- Verwenden Sie einen nichtleitenden PMMA-Platte mit den Abmessungen 500 pm x 170 mm x 170 mm als Zwischenschicht, und legen Sie es auf eine starre, flache Substrat.
- Um Mikrostrukturen aus einem einzigen Material zu erzeugen: Spin-Coat ein leitendes Polymer (PPy, PEDOT oder Späni) auf der PMMA-Tafel oder Ablagerung Al mittels thermischer Verdampfung auf eine Dicke von 100-500 nm auf.
- Spin-Coat PPy (bei 2000 UpM), PEDOT (bei 2500 UpM) und Späni (bei 1500 UpM) auf unterschiedlichen Abschnitten des PMMA-Platte: Um Mikrostrukturen von mehreren leitenden Polymermaterialien herzustellen. Vor dem Spin-Coating das erste leitende Polymerschicht auf einen Punkt auf der PMMA-Platte, auf die anderen Bereiche mit Klebebändern. Für die Beschichtung von anderen leitenden Polymerschichten, sollten die vorhandenen Farbschichten und leere Bereiche mit Klebeband abgedeckt werden. Dieses Verfahren sollte die Beschichtung mehrere Schichten an den gewünschten Stellen auf dem Substrat wiederholt werden. Das beschichtete PPy, PEDOT und Späni sind 500 nm, 5 m und 200 nm dick, beziehungsweise.
- Relief des Substrats mit einem Heißprägen machine (Modell: Hex 01/LT, Jenoptik Mikrotechnik Unternehmen) (Abb. 2b). Die Temperatur-, Kraft-und Formenbau Einfügung Zeit sind 130-160 ° C, N und 1500-1800 120-200 s angegeben. Führen Entformen bei 80-95 ° C mit einer Geschwindigkeit von 1,5 mm / min. Die Ergebnisse von einlagigen Mikrostrukturen aus einem einzigen Material in gezeigt. 2 (c1-c3). Die Ergebnisse von einlagigen Mikrostrukturen aus mehreren Materialien sind in Abb.. 2 (d2-d3).
- Anwendung PPy Mikrodrähte als Feuchtesensor
- Schleuderbeschichten bei 1500 U PPy, um eine 1-Mikrometer dicke Folie Bereich 1 x 1 cm 2 zu erzeugen und zwei externe Leitungen an gegenüberliegenden Enden der Folie unter Verwendung von Ag Epoxy für Leitfähigkeitsmessungen.
- Spin-Coating bei 1500 upm, um eine PPy dicke Folie 1 um zu generieren. Führen Prägen mit Parametern in Schritt 4 auf PPy Mikrodrähten der Länge und Breite 5000 um 300 pm erzeugen und befestigen externen Fahrdrähte an die zwei End-s aus einem einzigen Mikrodraht mit Epoxy Ag.
- Platzieren Sie den Film und PPy Mikrodraht Sensoren in einem luftdichten Handschuhfach mit einem Feuchtemesser und Luftbefeuchter. Der Luftbefeuchter ermöglichen würde kontrollierte Erhöhung der Feuchtigkeit im Inneren des Handschuhfachs. Befestigen Sie die Fahrdrähte zu einem Keithley Probe Station für IV-Messungen für jeden Sensor (Abb. 2e).
- Berechnen Sie die Empfindlichkeit eines jeden Sensors mit der folgenden Formel:
wo R f und R i sind die letzten und ersten Widerstände der Film und Mikrodraht Sensoren, jeweils. Messen Sie R i an der Basis Luftfeuchtigkeit (bei Raumtemperatur) und R f jeweils an die Luftfeuchtigkeit für die Film-und Microwire Sensoren. - Abb.. 2f zeigt die Ergebnisse der Empfindlichkeit (&Dgr; R / R)-Messungen bei 8 von 48% bis 85% relativer Luftfeuchtigkeit durchgeführt.Es wurde beobachtet, dass die Empfindlichkeit des Sensors PPy Mikrodraht höher als die Folien-DMS wurden für 48% bis 58%. Jenseits von 58% die Empfindlichkeiten der Film-und Microwire Sensoren waren ähnlich.
- Mehrschichtige Mikrostrukturen auf einem Substrat: über das Verfahren in gezeigt bezogen. 1 (C1-C3), die obere Schicht durch eine Kombination von zwei oder drei Polymeren / Metallschichten jeweils auf mehrschichtige Mikrostrukturen zu erzeugen ersetzt. Das Gerät Layout ist in Abb. 3 (a1-a2). Die Fertigung wird im Folgenden aufgeführt.
- Fertigen Sie ein Si Form der erforderlichen Abmessungen mit herkömmlichen UV-Lithographie (Abb. 3b).
- Verwenden Sie einen nichtleitenden PMMA-Platte mit den Abmessungen 500 pm x 170 mm x 170 mm als Zwischenschicht, und legen Sie es auf eine starre, flache Substrat.
- Um Zwei-Schicht-PPy PEDOT Heteroübergang generieren: (i) Spin-Coat bei 1000 rpm, ein 10-Mikrometer dicke Schicht auf der PEDOT PMMA-Platte zu erhalten, (ii) backen die U-BooteTrate bei 80 ° C für 1 h, (iii) Spin-Coat bei 1500 UpM Anspruch 1 um dicke PPy Film auf der PEDOT-Schicht zu erhalten, und (iv) Bake das Substrat bei 80 ° C für 5 min.
- Um die Zwei-Schicht-Al PEDOT Dioden erzeugen: (i) Spin-Coat bei 1000 UpM, um eine 10-Mikrometer dicke PEDOT-Schicht auf der PMMA-Folie zu erhalten, (ii) backen das Substrat bei 80 ° C für 1 h, und ( iii) Beschichtung eines 200-nm-dicker Al-Film auf der PEDOT-Schicht durch thermische Verdampfung.
- Um dreischichtigen PEDOT-PMMA-PEDOT Kondensatoren zu erzeugen: (i) Spin-Coat bei 1000 UpM, um eine 10-Mikrometer dicke PEDOT-Schicht auf der PMMA-Folie zu erhalten, (ii) backen das Substrat bei 80 ° C für 1 h, (iii) Spin-Coat bei 1000 UpM mehrfach unter Erhalt eines PMMA-Films mit einer Dicke von 15-20 um auf der PEDOT-Schicht, (iv) backen das Substrat bei 80 ° C für 30 min, (v) Spin-Coat bei 2500 UpM eine PEDOT-Schicht mit einer Dicke von 2-3 um auf der PMMA-Film zu erhalten, und (vi) Bake das Substrat bei 80 ° C für 5 min.
- Relief des Substrats mit dem Heißprägen machine. Die Temperatur-, Kraft-und Formenbau Einfügung Zeit sind 140-150 ° C, N und 1500-2000 150-200 s angegeben. Führen Entformen bei 80-95 ° C mit einer Geschwindigkeit von 1,5 mm / min. Die Ergebnisse sind in Abb. 3 (vgl.) 11.
- Anwendungen der erzeugten Multi-Layer-Mikrostrukturen
- PPy / PEDOT Heteroübergang
- Verwenden Sie einen Keithly Probe Station für den IV-Messungen der Hetero-Strukturen nach der Stufe 2,1 erhalten. Die PEDOT-Schicht geerdet ist und ein Bias-Potential (-20 V bis 20 V) mit dem PPy aufgebracht.
- Abb.. 3 (g1) zeigt die IV-Charakteristika des PPy / PEDOT Heteroübergang [9,11], die Vorwärts und Rückwärts-Durchbruchspannungen der PPy / PEDOT Heteroübergang 5 V und -8 V betrugen. Die Berichtigung betrug 24 bei 10 V. Die Idealitätsfaktor war gleich 8,88.
- Al / PEDOT Heteroübergang
- Verwenden Sie einen Keithly Probe Station für die IVMessungen der Al / PEDOT-Heteroübergangsstruktur nach Schritt 2.2 erhalten. Die Al-Schicht geerdet ist und ein Bias-Potential (-5 V bis 5 V) an der PEDOT-Schicht aufgebracht.
- Abb.. 3 (g2) zeigt die IV-Kennlinie der Al / PEDOT-Übergang bei Raumtemperatur in 11 gemessen, waren die Vorwärts und Rückwärts-Durchbruchspannungen 3 und -2,5 V, jeweils. Berichtigung Verhältnis der Al / PEDOT Heteroübergang betrug 2 bei 1 V. Die Idealitätsfaktor für diese Kreuzung wurde berechnet, dass 19 sein.
- PEDOT / PMMA / PEDOT Kondensator
- Verwenden Sie einen Keithly Probe Station für den CV-Messungen des PEDOT / PMMA / PEDOT Kondensator nach Schritt 2.3.
- Abb.. 3 (G3) zeigt den CV der PEDOT / PMMA / PEDOT Kondensators bei Raumtemperatur in 11 gemessen. Die gemessene Kapazität des Kondensators bei einer niedrigen Frequenz Vorspannung betrug etwa 0,06 pF, während der theoretisch berechneten Menge betrug 1,38 pF.
C. Schneidbetrieb der MPL zur Erzeugung von Sub-Mikron-Ppatterns von Metall und einem leitfähigen Polymer
Basierend auf dem Verfahren in dargestellt. 1 (C1-C3), Formen Si mit Submikrometer-Strukturen verwendet werden, um gewünschte Muster aus Metall und leitende Polymere zu erzeugen. Die Fertigung wird im Folgenden aufgeführt.
- Fertigen Sie ein Silikonform mit Sub-Mikrometer-Features mit Focused Ion Beam (FIB)-Lithographie. Zwei verschiedene Typen von Si Formen, Breiten 100 und 500 nm, Tiefe von 1 - 1,5 um, Länge von 20 um und Pech von 1 um, erzeugt werden.
- Vorbereitung der Oberfläche des Silizium-Form vor dem Gebrauch: (i) spülen Sie den Schimmel mit DI-Wasser, Aceton und Nanostrip Lösung gründlich bei Raumtemperatur, blasen mit Stickstoff trocken und backen bei 150 ° C für 30 min durch Abkühlen auf Raumtemperatur folgte, und (ii) wenn die Form nicht nach den vorstehend genannten Reinigungsschritte sauber, es keinen Sauerstoffplasma sauber. Das Rezept ist alsfolgt: Plasma mit 300 Watt Leistung, Sauerstoff-Durchflussmenge bei 80 sccm und die Dauer von 5 - 7 min.
- Bestreichen Sie die PMMA-Schicht: Spin-Coat-PMMA-Lösung (Molekulargewicht 495 K in 9% Chlorbenzol) bei 3000 min zu einer Dicke von etwa 1,2 um zu erhalten, backen, den Wafer bei 150 ° C für 1 h und lassen Sie es abkühlen, und entlarven Die PMMA-beschichtete Oberfläche Sauerstoffplasma für 3 min bei 300 W mit 50 sccm Sauerstoffströmungsrate sie hydrophil zu machen für den nächsten Schritt.
- Spin-Coat PPy-Lösung (verdünnt 1:2 (V / V) mit DI-Wasser) bei 3000 Umdrehungen pro Minute, um eine Dicke von etwa 75 nm zu erhalten und zu backen das Substrat bei 60 ° C für 1 h, um das PPy Schicht zu härten.
- Mantel ein Au-Film mit einer Dicke von 10-25 nm unter Verwendung Sputter-Abscheidung.
- Generieren Sie PPy Drähte mit den folgenden Schritten.
- Impressum der 500-nm breiten Si-Kanäle: ausführen Imprinting bei 160 ° C mit einer Geschwindigkeit von 1 mm / min und legen Sie die Dauer von 600 s über den Modus derLageregelung in der Heißprägen Maschine. Die maximale Kraft verwendet wird, ist 1085 N in diesem Fall.
- Impressum der 100-nm-weiten Si-Kanäle: ausführen Imprinting bei 140 ° C mit einer Geschwindigkeit von 1mm/min und legen Sie die Dauer von 500 s über den Modus der Kraftregelung im Heißprägen Maschine. Befestigen Sie die Prägekraft bei 2300 N.
- Generieren Sie Au-Nanodrähte mit einem Si-Form mit 100-nm breiten Kanäle: ausführen Imprinting bei 160 ° C mit einer Geschwindigkeit von 1mm/min und legen Sie die Dauer von 700 s mit dem Modus der Kraftregelung im Heißprägen Maschine. Befestigen Sie die Prägekraft bei 2300 N.
- Für Schritten von 4,1 bis 4,2, führen Entformung bei 95 ° C mit einer Geschwindigkeit von 3 mm / min. Die Ergebnisse sind in Abb. 4.
- Generieren Sie PPy Drähte mit den folgenden Schritten.
D. Zeichenoperation des MPL für das Generieren von Mikrostrukturen auf den Seitenwänden von Polymer-und Si-Substraten.
Nach dem Verfahren von Bild. 1 (D1-D3), ist die "Zeichnung" Betriebverwendet werden, um Au und PDMS Mikrostrukturen an den Seitenwänden des HDPE Mikrokanäle zu erzeugen. Die entsprechende auf den HDPE-Substrat Au oder PDMS, die das Oberflächenprofil von der mittleren Schicht Polymer während des Prägens folgt. Die Fertigung wird im Folgenden aufgeführt.
- Au Seitenwand Muster auf HDPE-Kanäle
- Spin-Coat bei 3000 rpm, um eine 1-Mikrometer dicke Schicht aus einem positiven Photoresist (S1813) auf einem 1,5 mm dicken HDPE-Folie (1,5 mm x 40 mm x 40 mm) zu erhalten.
- Mit UV-Lithographie, um weitere Masken in die S1813-Schicht (Abb. 5 (AB)) zu übertragen. Die Maske Muster bestehen aus 10 x 10 um 2 Punkte (Abb. 7a) und 110-um-breite Linien.
- Coat einen 100-nm dicke Au-Schicht auf dem S1813-Schicht mit einem thermischen Verdampfer (Abb. 5c).
- Entfernen Sie den S1813 mit Aceton nachgewaschen, wobei Au-Muster auf dem HDPE-Folie (Abb. 5d).
- Erhitzen Sie den HDPE-Folie bis zu einer Temp.Abbildung Bereich von 131 bis 136 ° C auf einer heißen Platte, die etwas höher als T g HDPE (dh 128 ° C), aber unterhalb von T m von Au (dh 1063 ° C) (5e) ist.
- Mit einem Si-verstärkten PDMS Form 16 notwendig, um dem Au-gemusterten HDPE-Folie mit Druck von 40-120 kPa für 1 Stunde durch anschließendes Abkühlen (Abb. 5f) gefolgt.
- Trennen der Form und der HDPE-Folie, wenn die Temperaturen unterhalb von T g des HDPE, Abschluss der Strukturübertragungsregion der PDMS-Form auf das Substrat. Die Au-Muster, die in die HDPE-Folie von der PDMS-Form gedrückt werden, an den Seitenwänden und der unteren Fläche der gebildeten Mikrostrukturen (Abb. 5g) zu bleiben. Da die Haftfestigkeit zwischen der PDMS-Form und die Au-Muster schwächer als die zwischen der HDPE-Folie und Au Muster sind, sind Au-Muster nicht mit dem PDMS-Form hängen bleiben auf der Oberfläche HDPE. Die Ergebnisse dieses Verfahrens sind in gezeigt. 7 (bc) 12.
- PDMS Mikrosäulen auf HDPE-Kanal-Seitenwände
- Spin-Coat bei 3000 rpm, um eine 1-Mikrometer dicke Schicht des S1813 auf einem SU-8-Form (Abb. 6a) zu erhalten. Der SU-8-Form wird unter Verwendung von herkömmlichen UV-Lithographie 17.
- Spin-Coat-PDMS (Verhältnis zwischen PDMS und Härtungsmittel beträgt 10:1) bei 1000 rpm auf dem S1813-beschichteten SU-8-Form und backen die Probe bei 85 ° C für 3 h auf einer heißen Platte durch Abkühlen zu beachten Raumtemperatur (Abb. 6b).
- Lassen Sie die dünne PDMS-Film von der SU-8-Form durch Ätzen S1813 mit Aceton, Beendigung der Erzeugung des Mikrosäulen-ausgebildet PDMS-Film (6c).
- Setzen Sie den Mikrosäulen-gebildet PDMS-Film auf einem 1,5-mm-dicke HDPE-Folie (Abb. 6d).
- Einfügen eines Al Form (mit abgerundeten Ecken) sowohl in PDMS-Film und HDPE-Folie bei 140 ° C mit einem Druck von 52,5 kPa (6e). Der Druckbeträgt etwa 1 h. Bei 140 ° C, wird der PDMS-Film nach unten in den weichen HDPE-Folie durch die Form gedrückt.
- Nachdem die Probe auf Raumtemperatur durch Entfernen des Al Form gefolgt abgekühlt ist, wird ein Kanal auf der HDPE-Folie erzeugt. Ein Teil dieser Mikrosäulen-ausgebildet PDMS-Film ist an dem Boden und zwei Seitenwände des Kanals (Abb. 6f) übertragen. Die Ergebnisse sind in Abb. 7 (df) 15.
- Messen Sie den Kontaktwinkel eines Wassertropfens auf der Oberseite der PDMS Mikrosäulen im Inneren des HDPE-Kanal. Bild platziert. 7 (gh) zeigt die mittlere Kontaktwinkel als 145,5 ° 15 gemessen.
E. repräsentative Ergebnisse
Zusammenfassend werden die Ergebnisse der unten aufgeführten MPL:
- Single-Layer-leitendes Polymer und Metall-Mikrostrukturen wurden wie in Abb. gebildet. 2 (b1-b3, C2-C3).
- PPy Film-und Microwire Feuchtigkeitssensoreinheit Ergebnisse inAbb.. 2d.
- Mehrschichtige leitendes Polymer und Metall-Mikrostrukturen wurden wie in Abb. ausgebildet. 3 (vgl.).
- Junction Charakterisierung Ergebnisse in Bild. 3 (G1-G3).
- 100 - und 500-nm-weiten PPy Drähte wurden wie in Abb. gebildet. 4 (b).
- 100-nm breiten Au-Nanodrähte wurden wie in Abb. gebildet. 4c.
- Au-Muster wurden auf 300-um-weite und 42 &mgr; m tief HDPE-Kanäle wie in Bild erzeugt. 7 (bc).
- PDMS Mikrosäulen wurden auf den oberen, unteren und Seitenwandflächen von 1-mm-breite und 1-mm-HDPE tiefe Kanäle wie in Bild erzeugt. 7 (df).
- Wasserkontaktwinkel innerhalb des HDPE-Kanal in Fig. gemessen. 7 (gh).
Abbildung 1: Das "Schneiden"-Prozess in der Schöpfung von konvexen macropatterns in einem Blech (Querschnitt Schaltpläne):. (a1) Stelle ein Blech auf der Oberseite des Substrats, (a2) Einfügen der Form in dem Substrat, und (a3) trennen die Form und das Substrat. Die "Zeichnung"-Prozess in der Herstellung von konkaven macropatterns: (b1) Platz ein Blech auf dem Substrat, (b2) legen Sie die Form in das Substrat, und (b3) trennen die Form und das Substrat. Das "Schneiden" Betrieb der MPL-Methode bei der Herstellung von konvexen Strukturen (Querschnitt Schaltpläne): (C1) Wärme das Substrat, (c2) legen Sie die Form in das Substrat, und (C3) zu trennen und die Form des Substrats. Die "Zeichnung" Betrieb des MPL-Ansatz bei der Herstellung von konkaven Strukturen: (d1) Wärme das Substrat, (d2) legen Sie die Form in das Substrat, und (d3) trennen die Form und das Substrat.
Abbildung 2 Designs von Si Formen (Draufsicht): (a1) gerade Linien; (a2) quadratische Punkte; (A3) Fachwerkkonstruktionen und (A4) Schlangenlinien..(B) Die Heißprägemaschine. REM-Aufnahmen von Al erzeugten Strukturen: (c1) 10-um-weiten Linien, (c2) 20 x 20 um 2 Punkte, und (C3) Fachwerkkonstruktionen. (D1) Schematische Darstellung der Mikrostrukturen, die aus mehreren Strukturen; (d2) 300-um-weiten gerade; (D3) 50-um-weiten Serpentinen Mikrodraht Muster der PPy, PEDOT, und Späni gleichzeitig mit dem "Schneiden" Betrieb des MPL hergestellt . (E) Der Feuchtigkeitssensor Versuchsaufbau, und (f) Feuchtigkeitssensoreinheit Ergebnisse mit PPy Film-und Microwire Sensor 4, 7, 8. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung anzuzeigen .
. Abbildung 3 Layouts von: (a1) zwei-und (a2) Drei-Schicht-Geräte, (b) Aufbau einer Si-Form (Ansicht von oben) verwendet werden, um Multi-Layer-Geräte herzustellen, (c) REM-Aufnahme eines 300-um -breit, Microline-förmigen PPY-PEDOT Heteroübergang; und close-bis SEM Abrufe von Querschnitten aufweist: (d) PPy-PEDOT Heteroübergang, (e) Al-PEDOT-Diode, (f) PEDOT-PMMA-PEDOT Kondensator; Heteroübergang Ergebnisse der Charakterisierung: (g1) PPy / PEDOT; (g2 ) Al / PEDOT und (g3) PEDOT / PMMA / PEDOT 9,11.
Abbildung 4 (a) AFM-Scan der geprägten 500-nm-weiten PPy Drähte;. REM-Aufnahmen (b) geprägte 100-nm-weiten PPy Linien und (c) 100-nm breiten Au-Drähte. Klicken Sie hier, um zu vergrößern Abbildung .
Abbildung 5 Herstellung eines HDPE-Substrat mit Au-Muster:. (Ab) mit einer Maske von gewünschten Features, Belichtung und Entwicklung des S1813-Schicht; (cd) Kaution Au und entfernen Sie den S1813 Schicht; (ef) Bedrucken der Substrate mit einem verstärkten Si PDMS-Form, und (g) nach demolDing, ein Substrat mit der Seitenwand Muster aus Au Eigenschaften 12.
Abbildung 6 Herstellung eines PDMS-Film mit Mikrosäulen:. (A) Herstellung einer SU-8-Form, (b) Spin-Mantel und Heilung einer PDMS-Schicht, (c) entfernen Sie die PDMS-Schicht von der SU-8-Form; (d) Bedrucken des Substrats unter Verwendung eines Al Form; und (ef) nach dem Entformen ein Substrat mit der Seitenwand Muster aus PDMS Mikrosäulen, 15 erhalten.
Abbildung 7 (a) Anordnung der Au Punkte; REM-Aufnahmen von:. (B) 10 x 10 um 2 Punkte, und (c) 110-um-wide-Linien. Die Abmessungen der Kanäle in HDPE erzeugt werden, sind 1 cm x 300 um x 42 um (Länge x Breite x Tiefe); PDMS Mikrosäulen auf der oberen, unteren und Seitenwand Oberflächen1 mm breite HDPE Kanäle generiert: (d) Querschnitt derKanal; REM-Aufnahmen von (e) oben, (f) der unteren Ecke des Kanals, und (gh) Randwinkelmessung Ergebnisse auf PDMS-Säulen 12,15. Die PDMS-Säulen haben die Abmessungen 10 um x 10 um x 27 um. Die Abmessungen der Kanäle in HDPE sind 20 mm x 1 mm x 1 mm (Länge x Breite x Höhe). - PPy / PEDOT Heteroübergang
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Informationen zur Fehlerbehebung: Kritische Punkte in Bezug auf Erzeugung von ein-und mehrlagige Mikrostrukturen von leitfähigen Polymeren und Metallen durch das "Schneiden" Operation: (1) Die Temperatur der Prägung sorgt Fließfähigkeit des Zwischen-PMMA-Schicht, die optimale Ergebnisse erzeugt. Es ist ratsam, an der unteren Grenze des Bereiches starten und Temperatur allmählich erhöht, wenn die gewünschten Ergebnisse nicht erreicht werden. Zu hohe Temperaturen kann die leitende Polymerschicht seiner chemischen und / oder elektrischen Eigenschaften ändern. (2) Wenn Imprinting Kraft zu hoch ist, kann es zu der Si-Form zu knacken beim Prägen, während geringer Kraft kann zu fehlerhafter Formfüllung und der Polymerschichten zur Folge haben kann nicht abgeschnitten zu sein. (3) Die Prägung Maschine sollte so programmiert, dass Imprinting beginnen erst, nachdem das Substrat hat den eingestellten Temperaturwert erreicht werden. (4) Das Profil des Impressums hängt Strukturgröße, Aufdrucken Kraft, Temperatur-und Formenbau INSErt der Zeit, und kann zwischen einem mit scharfen Kanten zu einer abgerundeten ein variieren. Da die Anzahl der Polymerschichten Zunahme neigt das Profil an den Kanten abgerundet werden. (5) Si Formen mit scharfen Kanten sind bevorzugt, um sicherzustellen, dass die leitenden Polymer / Metall-Schichten abgeschnitten werden, wie gewünscht. Verwendung einer Form mit Si geneigten Seitenwänden wird nicht empfohlen. (6) Verwendung von sehr tiefen Si Schimmel kann zu Haftreibung zwischen Werkzeug und Polymer-Schicht (en). Wenn die Form zu flach ist es möglicherweise nicht in der Lage, "Schneiden" der oberen Schicht (en) zu erreichen. (7) Es wird empfohlen, eine Anti-Haft-Film (zB Teflon) auf dem Si-Form sollte für leicht trennt sie vom Substrat bei der Entformung Verfahren beschichtet werden. (8) Low Formeinsatz Zeit darf nicht in "Schneiden" führen und die Form-Profil können gerundet sein. Wenn das Feature klein ist, sind längere Zeiten erforderlich einfügen und umgekehrt. (9) Dickere leitenden Polymer / Metall-Filme sind mehr mechanisch stärker im Vergleich zu dünneren. Allerdings ist die comkombinierten Dicke der oberen Schicht sollte nicht mehr als die Dicke der Zwischenschicht PMMA-Schicht. (10) Entformung Temperatur sollte unter 105 ° C (T g PMMA). Ein hoher Wert kann in dem Substrat gekrümmten bis nach dem Entformen und einem niedrigen Wert führen kann bewirken, dass die Si Form auf dem Substrat haften und zerbrechen.
Kritische Punkte in Bezug auf die Generation der Sub-Mikrometer-und Au-Drähte PPy: (1) Vor der Verwendung der Si-Formen zum ersten Mal, sollten keine AFM und SEM-Scans der Form durchgeführt werden. Dies ist notwendig, die ursprüngliche Oberfläche des Silizium-Form zu halten. (2) aggressive Reinigungsmittel Verfahren wie die Verwendung NanoStrip Lösung oder Sauerstoffplasma sollte vermieden werden, da es eine Möglichkeit der Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit der Silikonform. Dies kann zu Haftreibung zwischen der Silikonform und der leitenden Polymerschicht. (3) Die Dicke der Deckschicht (leitendes Polymer oder Metall) sollte kleiner sein als die Tiefe der Formzum Abschneiden der Schicht an den Kanten. Es gibt keine Beschränkung der Dicke des isolierenden Polymerschicht. (4) Die Oberflächenrauhigkeit der Silikonform sollte minimal sein. Falls die Oberfläche des Silizium-Form rau ist aufgrund der Verarbeitung oder Verunreinigung, kann es nicht perfekten Kontakt zwischen der Form und dem Substrat, was zu einer fehlerhaften Musterübertragung.
Kritische Punkte in Bezug auf Erzeugung von Mikrostrukturen Au auf HDPE-Kanäle: (1) Bei höheren Temperaturen Prägung (≥ 136 ° C), haben die Au-Linien nicht-Kurve bis an die Oberfläche zu folgen als das HDPE wird aufgeweicht. (2) Bei höheren Formtiefen (≥ 42 &mgr; m), können die Au-Linien an den Rändern der PE-HD-Kanäle aufgrund von Stress 12 zu brechen.
Kritische Punkte in Bezug auf die Erzeugung von PE-HD-Kanäle mit PDMS Mikrosäulen: (1) Ist die Höhe der PDMS Mikrosäulen groß ist, kann es herunterfallen nach der Entlassung aus der SU-8-Form. (2) Hohe Seitenverhältnis von PDMS-Säulen kannwährend der "Zeichnung" Schritt 15 beschädigt werden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Keine Interessenskonflikte erklärt.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde zum Teil durch NSFDMI-0508454, NSF / LEQSF (2006)-Pfund-53, NSF-CMMI-0811888 und NSF-CMMI-0900595 Zuschüsse unterstützt.
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).
