Summary
En micropunching litografi tillvägagångssätt har utvecklats för att generera mikro-och submikron-mönster ovanpå, sidoväggen och bottenytor polymersubstrat. Den övervinner de hinder som mönstring ledande polymerer och generera sidovägg mönster. Denna metod möjliggör snabb tillverkning av flera funktioner och är fri från aggressiva kemi.
Abstract
Ledande polymerer har rönt stor uppmärksamhet sedan upptäckten av hög ledningsförmåga i dopad polyacetylen i 1977 1. De erbjuder fördelarna av låg vikt, är lätt att skräddarsy egenskaperna och ett brett spektrum av tillämpningar 2,3. På grund av känslighet ledande polymerer till miljöförhållanden (t.ex. luft, syre, fukt, hög temperatur och kemisk lösningar), litografiska metoder ger betydande tekniska utmaningar när man arbetar med dessa material 4. Exempelvis är nuvarande fotolitografiska metoder, såsom ultraviolett (UV), är olämpliga för mönstring av ledande polymerer på grund av inblandning av våt-och / eller torr etsningsprocesser i dessa metoder. Dessutom, aktuella mikro / nanosystem har huvudsakligen en plan form 5,6. Ett skikt av strukturer är byggd på de övre ytorna av ett annat skikt av fabricerade funktioner. Multipla skikt av dessa strukturer är staplade tillsammans för att bilda ett flertal enheter påett gemensamt substrat. Sidoväggsytorna av mikrostrukturerna har inte använts för att konstruera anordningar. Å andra sidan kan sidoväggarna mönster användas till exempel för att bygga upp 3-D kretsar, ändra fluidic kanaler och direkta horisontella tillväxt av nanotrådar och nanorör.
En macropunching metod har tillämpats i tillverkningsindustrin att skapa makromönster i en plåt i över hundra år. Motiverad av detta tillvägagångssätt har vi utvecklat en micropunching litografi metod (MPL) för att övervinna de hinder som mönstring ledande polymerer och generera sidovägg mönster. Liksom macropunching metoden innehåller MPL även två operationer (Fig. 1): (i) skär, och (ii) ritning. Den "skärande"-operation applicerades på mönstret tre ledande polymerer 4, polypyrrol (PPy), poly (3,4-ethylenedioxythiophen)-poly (4-styrenesulphonate) (PEDOT) och polyanilin (PANI). Det användes också för att skapa Al mikrostrukturer 7. De framställda mikrostrukturer av ledande polymerer har använts som fuktigheten 8, 8 kemisk och glukos-sensorer 9. Kombinerade mikrostrukturer av Al och ledande polymerer har använts för att tillverka kondensatorer och olika heterojunctions 9,10,11. Den "skär" operation också för att skapa submikron-mönster, såsom 100 - och 500-nm hela PPy linjer samt 100-nm-nivå Au ledningar. Den "teckning" operation användes för två applikationer: (i) ger Au sidovägg mönster på polyeten med hög densitet (HDPE) kanaler som kan användas för att bygga 3D mikrosystem 12,13,14, och (ii) tillverka polydimetylsiloxan (PDMS) mikropinnar på HDPE substrat för att öka kontaktvinkeln hos kanalen 15.
Protocol
A. Schema för MPL
Den macropunching Metoden inkluderar "cutting" och "Rita" verksamhet. Den "skär" operation antar formar av vassa konvexa strukturer och omfattar tre grundläggande steg (Fig. 1 (A1-A3)). Först placerar en plåt på ett styvt substrat (fig. 1 (a1)). För det andra, ta en Si form och substratet i fysisk kontakt med en stor kraft. Under detta andra steg, är den del av metall direkt under konvex form strukturer först skära bort från den angränsande metallen genom de konvexa mögel strukturer, och sedan trycks ned till botten av den konkava mönster i substratet (figur 1 (a2) ). Slutligen separera formen och substratet, vilket avslutar mönstringen av plåt (fig. 1 (A3)). Den "ritning" operation använder en liknande tillverkningsprocess. Emellertid antar den formar av runda kanter konvexa konstruktionerna (fig 1 (b1)). VidareTillämpad insättning kraft och hastighet är mycket mindre och lägre än deras motsvarigheter i "cutting" operation. Dessa skillnader sänka de spänningar som finns i den del av metallplåten enligt konvexa konstruktionerna. Följaktligen är denna del av plåten trycks bara ner men inte klippa bort i "ritningen" operation (Fig. 1 (B2-B3)).
I "skärning" drift av MPL (fig. 1 (C1-C3)), (i) ett Si-substrat belagt med ett skikt av ett mellanliggande polymer och ett skikt av ett material som skall skrivas ut är upphettas över glas-övergångstemperaturen ( Tg: mjukningstemperatur) av den intermediära polymeren och under Tm (smälttemperatur) eller Tg av den målsökta materialet (figur 1 (c1)), (ii) i formen och substratet bringas i fysisk kontakt med högt tryck , följt av efterföljande kylning (fig. 1 (c2)), och (iii) de är separerade när deras temperatur är underTg av förpolymeren, slutföra överföringen av mönstret från formen till den riktade skiktet (fig. 1 (c3)). Den "ritning" drift av MPL (Fig. 1 (D1-D3)) har tillverkningssteg som liknar "cutting". Ändå använder "ritningen" mjuka PDMS formar. Det innebär också en mindre insättning kraft, lägre insättning hastighet och en högre tryck temperatur (vilket sänker viskositeten av förpolymeren och därmed ökar dess rörlighet). Följaktligen särdragen hos den övre ytan av substratet kurvan upp på grund av ytspänningen och den höga mobiliteten hos förpolymeren. Si Formen kan rengöras och återanvändas för efterföljande prägling steg. Formen kan rengöras med aceton och avjonat vatten, och torkades noggrant med N2 före användning. I fallet med rester i de mikrodetaljer av formen, kan det rengöras med Nanostrip lösning och avjoniserat vatten, och torkades med N2.
B. Cutting Drift i MPL för generering av metall och ledande polymer Micropatterns
- Enkla lager mikrostrukturer på ett substrat: användning av förfarandet som illustreras i fig. 1 (C1-C3), är ett skikt av mikrostrukturer som genereras på ett substrat. Under tillverkningen, är substratet belagt med ett skikt av förpolymeren, följt av beläggning av ett skikt av ett enda material (ledande polymer eller metall) eller ett skikt av flera material. Följaktligen, efter varmpressning, är ett skikt av mikrostrukturer av enstaka eller multipla material framställs på substratet. Tillverkning beskrivs nedan.
- Tillverka Si formar de erforderliga måtten med konventionell UV-litografi (Fig. 2a). Detaljerna för framställning av Si formen rapporteras i 4. Fig.. 2 (A1-A4) visar layouter av SI formar som används för processerna.
- Använda en icke-ledande PMMA-ark med dimensionerna 500 pm x 170 mm x 170 mm som det mellanliggande lagret, och placera den på en styv, plan substrat.
- Att generera mikrostrukturer av ett enda material: spinn-beläggning en ledande polymer (PPy, PEDOT eller Spani) på PMMA-ark eller insättning Al användning av termisk indunstning till en tjocklek av 100-500 nm.
- Att tillverka mikrostrukturer i multipla ledande polymermaterial: spinn-beläggning PPy (vid 2000 rpm), PEDOT (vid 2500 rpm) och Spani (vid 1500 varv per minut) på olika partier av PMMA-ark. Innan spinnbeläggning det första ledande polymerskiktet på en plats i PMMA arket omfatta andra områden med tejp. För beläggning av andra ledande polymer lager, bör de tidigare beläggningarna och tomma områden skall omfattas av tejp. Detta förfarande bör upprepas att belägga flera skikt vid de önskade lägena på substratet. Den belagda PPy, PEDOT och Spani är 500 nm, 5 ^ m och 200 nm tjocka, respektive.
- Relief underlaget med hjälp av en hot-prägling machine (modell: Hex 01/LT, Jenoptik Mikrotechnik Company) (fig. 2b). Temperaturen, kraft och mögel insättning tid är 130-160 ° C, 1500-1800 N och 120-200 s, respektive. Utföra formurtagning vid 80-95 ° C med en hastighet av 1,5 mm / min. Resultaten av enkla lager mikrostrukturer av ett enda material visas i fig. 2 (C1-C3). Resultaten av enkla lager mikrostrukturer av multipla material ges i Fig.. 2 (D2-D3).
- Tillämpningen av PPy microwires som en fuktgivare
- Snurra belägga PPy vid 1500 rpm för att generera en 1-im tjock film av i området 1 x 1 cm 2 och förbinda två externa ledningar på motsatta ändar av filmen med hjälp av Ag epoxi för konduktivitetsmätningar.
- Spin päls vid 1500 rpm för att generera en PPy film tjocklek 1 pm. Utför prägling med parametrar i steg 4 för att generera PPy microwires av längd 5000 m och bredden 300 m och fäst externa kontaktledningar de två sistas av en enda microwire med Ag epoxi.
- Placera PPy filmen och sensorer microwire inuti en lufttät handskfacket med en luftfuktighet mätare och luftfuktare. Luftfuktaren skulle tillåta kontrollerad ökning av luftfuktigheten inne i handskfacket. Fäst kontaktledningar till en Keithley Probe station för IV mätningar för varje sensor (bild 2e).
- Beräkna känsligheten hos varje sensor genom att använda följande formel:
där: R ^ och R ^ är de slutliga och initial resistanserna hos de film-och microwire sensorer, respektive. Mät Ri vid basen fuktighetsnivån (vid rumstemperatur) och Rf på vardera luftfuktighet nivåer för film och sensorer microwire. - FIG. 2f visar resultaten av känslighet (AR / R) mätningar gjorda i 8 för 48% till 85% relativ fuktighet.Det observerades att känsligheten hos PPy microwire sensorn var högre än den film som sensor för 48% till 58%. Utöver 58% känsligheten hos film-och microwire sensorer var likartade.
- Multi-lager mikrostrukturer på ett substrat: baserat på den procedur som visas i figur. 1 (C1-C3), är det övre skiktet ersätts av en kombination av två och tre polymerer / metallskikt, respektive, för att generera flera skikt mikrostrukturer. Anordningen beläggning visas i fig.. 3 (A1-A2). Tillverkning beskrivs nedan.
- Tillverka ett Si-formen av de erforderliga dimensionerna med användning av konventionell UV-litografi (fig. 3b).
- Använd ett icke-ledande PMMA ark med dimensionerna 500 m x 170 mm x 170 mm som det mellanliggande lagret, och placera den på en styv, plan substrat.
- Att generera två skikt PPy-PEDOT heteroövergång: (i) spinn-beläggning vid 1000 rpm för att erhålla en 10-im tjock PEDOT skikt på PMMA-ark, (ii) baka substrate vid 80 ° C under 1 h, (iii) spinn-beläggning vid 1500 rpm för att erhålla 1-im tjock PPy film på PEDOT skiktet, och (iv) baka substratet vid 80 ° C under 5 minuter.
- Att generera två skikt Al-PEDOT dioder i) spinn-beläggning vid 1000 rpm för att erhålla en 10-im tjock PEDOT skikt på PMMA-ark, (ii) baka substratet vid 80 ° C under 1 h, och ( iii) Täck en 200-nm tjock Al film på PEDOT lagret genom termisk avdunstning.
- Att generera tre skikt PEDOT-PMMA-PEDOT kondensatorer i) spinn-beläggning vid 1000 rpm för att erhålla en 10-im tjock PEDOT skikt på PMMA-ark, (ii) baka substratet vid 80 ° C under 1 h, (iii) spinn-beläggning vid 1000 varv per minut flera gånger för att erhålla en PMMA-film med en tjocklek 15-20 nm på PEDOT skiktet, iv) baka substratet vid 80 ° C under 30 min, (v) spinn-beläggning vid 2500 varv per minut för att erhålla en PEDOT skikt av tjocklek 2-3 fim på PMMA-film, och (vi) baka substratet vid 80 ° C under 5 minuter.
- Relief underlaget med hjälp av hot-prägling machine. Temperaturen, kraft och mögel insättning tid är 140-150 ° C, 1500-2000 N och 150-200 s, respektive. Utföra formurtagning vid 80-95 ° C med en hastighet av 1,5 mm / min. Resultaten visas i Fig.. 3 (jfr) 11.
- Tillämpningar av genererade flera lager mikrostrukturer
- PPy / PEDOT heteroövergång
- Använd en Keithly Probe station för IV mätningarna av heterojunction strukturerna som erhållits efter steg 2,1. Det PEDOT lagret är jordad och en bias potential (-20 V till 20 V) appliceras på PPy lagret.
- FIG. 3 (g1) visar IV egenskaper PPy / PEDOT heteroövergång i [9,11], var de framåtriktade och bakåtriktade genombrottsspänningar av PPy / PEDOT heteroövergång 5 V och -8 V, respektive. Rättelse Förhållandet var 24 vid 10 V. idealitet faktorn var lika med 8,88.
- Fl / PEDOT heteroövergång
- Använd en Keithly Probe Station för IVmätningar av Al / PEDOT heterojunction strukturen erhålls efter steg 2,2. Al skiktet är jordad och en förspänningspotential (-5 V till 5 V) appliceras på PEDOT skiktet.
- FIG. 3 (g2) visar IV egenskaper Al / PEDOT föreningspunkten mätt vid rumstemperatur i 11 var de framåtriktade och bakåtriktade genombrottsspänningar 3 och -2,5 V, respektive. Rektifiering förhållandet av Al / PEDOT heteroövergång var 2 till 1 V. idealitetsstadiet faktorn för denna korsning beräknades vara 19.
- PEDOT / PMMA / PEDOT kondensator
- Använd en Keithly Probe station för CV mätningar av PEDOT / PMMA / PEDOT kondensator som erhållits efter steg 2,3.
- FIG. 3 (G3) visar CV för PEDOT / PMMA / PEDOT kondensator mätt vid rumstemperatur i 11. Den uppmätta kapacitansen hos kondensatorn vid låg frekvens förspänning var ca 0,06 pF, under det att teoretiskt beräknade mängden var 1,38 pF.
C. skäroperation MPL för att generera submikrona Ppatterns av metall och ledande polymer
Baserat på det förfarande som illustreras i fig.. 1 (C1-C3), Si formar med submikrona egenskaper används för att generera önskade mönster av metall och ledande polymerer. Tillverkning beskrivs nedan.
- Tillverka en kisel form med submikrona funktioner med hjälp av fokuserad jonstråle (FIB) litografi. Två olika typer av Si formar, av bredder 100 och 500 nm, djup av 1 - 1,5 ^ m, längd på 20 pm och stigning på 1 | im, genereras.
- Ytpreparering av kiselform före användning: (i) tvättning av formen med Dl-vatten, aceton och Nanostrip lösning grundligt vid rumstemperatur, blåsa torr med kvävgas och torkning vid 150 ° C under 30 min följt av kylning till rumstemperatur, och (ii) om formen inte är ren efter ovanstående rengöring steg utsätta den för syrgasplasma ren. Receptet är såsomföljande: plasma effekt vid 300 watt syreflödeshastighet vid 80 sccm och varaktighet 5 - 7 min.
- Belägga PMMA skiktet: spinn-beläggning PMMA-lösning (molekylvikt 495 K i 9% klorbensen) vid 3000 rpm för att erhålla en tjocklek av ca 1,2 pm, baka skivan vid 150 ° C under 1 h och låta det svalna och exponera PMMA belagda ytan för att syrgasplasma under 3 min vid 300 V med 50 sccm syreflödeshastighet att göra den hydrofil för nästa steg.
- Spin-kappa PPy lösning (utspädd med 1:2 (volym / volym) med avjoniserat vatten) vid 3000 rpm för att erhålla en tjocklek av ca 75 nm och baka substratet vid 60 ° C under 1 h för att härda PPy skiktet.
- Coat en Au film med en tjocklek av 10-25 nm med sputtring nedfall.
- Skapa PPy ledningar med hjälp av följande steg.
- Imprint de 500-nm hela Si-kanaler: Utför prägling vid 160 ° C med en hastighet av 1 mm / min och för in varaktigheten av 600 s med det sätt pålägesstyrning i varm-präglingsmaskin. Den maximala kraften som används är 1085 N i detta fall.
- Imprint de 100-nm hela Si-kanaler: Utför prägling vid 140 ° C med en hastighet av 1mm/min och sätt varaktighet 500 s med det sätt på kraften kontroll i hot-prägling maskin. Fäst prägling kraften vid 2300 N.
- Skapa Au nanotrådar med en Si form med 100-nm-breda kanaler: utföra prägling vid 160 ° C med en hastighet av 1mm/min och sätt varaktighet 700 s med det sätt på kraften kontroll i hot-prägling maskin. Fäst prägling kraften vid 2300 N.
- För steg 4,1-4,2, utföra formurtagning vid 95 ° C med en hastighet av 3 mm / min. Resultaten visas i Fig.. 4.
- Skapa PPy ledningar med hjälp av följande steg.
D. Teckning Drift av MPL för att generera Micropatterns på sidoväggar av Polymer och Si substrat.
Genom att följa förfarandet i Fig.. 1 (D1-D3), är "ritning" operationanvänds för att generera Au och PDMS micropatterns på sidoväggarna hos HDPE mikrokanaler. Motsvarande material på HDPE substratet är Au eller PDMS, som följer ytprofil av det mellanliggande skikt polymeren under prägling. Tillverkning beskrivs nedan.
- Au sidovägg mönster på HDPE-kanaler
- Spin-beläggningen vid 3000 rpm för att erhålla en 1-im tjockt skikt av en positiv fotoresist (S1813) på ett 1,5 mm tjockt HDPE ark (1,5 mm x 40 mm x 40 mm).
- Användning av UV litografi för att överföra maskmönstren i S1813 skiktet (Fig. 5 (ab)). Maskens mönster består av 10 x 10 | im 2 prickar (fig. 7a) och 110-nm-breda linjer.
- Belägga en 100-nm-tjock Au film på S1813 skiktet med användning av en termisk indunstare (fig. 5c).
- Avlägsna S1813 med aceton sköljning lämnande Au mönster på HDPE arket (fig. 5d).
- Värma HDPE arket upp till en temperaure intervallet 131-136 ° C på en het platta, som är något högre än Tg av HDPE (dvs 128 ° C) men under Tm av Au (dvs 1063 ° C) (fig 5e).
- Använd en Si-förstärkt PDMS formen 16 till avtryck Au-mönstrade HDPE ark med tryck utbud av 40-120 kPa, i 1 timme följt av efterföljande kylning (Fig. 5f).
- Separera formen och den HDPE arket när deras temperatur är lägre än Tg för HDPE, slutföra överföringen av mönstret från PDMS formen på substratet. Au mönster, som trycks in i HDPE arket av PDMS formen, stanna kvar på sidoväggarna och bottenytor hos de bildade mikrostrukturerna (fig 5g). Eftersom bindningsstyrkan mellan PDMS formen och Au mönstren är svagare än den mellan HDPE arket och Au mönster, fastnar Au mönster inte till PDMS formen och kvar på HDPE ytan. Resultaten av denna process visas i Fig.. 7 (bc) 12.
- PDMS mikropinnar på HDPE kanal sidoväggar
- Spin-beläggningen vid 3000 rpm för att erhålla en 1-im tjockt skikt av S1813 på en SU-8 formen (fig. 6a). SU-8 form genereras med hjälp av konventionell UV-litografi 17.
- Spin-kappa PDMS (förhållande mellan PDMS och dess härdmedel är 10:1) vid 1000 rpm på S1813-belagda SU-8 mögel, och baka provet vid 85 ° C under 3 h på en varm platta, följt av nedkylning till rumstemperatur (fig 6b).
- Frigöra den tunna filmen PDMS från SU-8 formen genom etsning S1813 med aceton, vilket avslutar alstringen av micropillar-formad PDMS filmen (fig 6c).
- Placera micropillar bildade PDMS film på en 1,5-mm tjock HDPE ark (Fig. 6d).
- Sätt en Al formen (med rundade kanter) till både PDMS film och HDPE plåt vid 140 ° C med ett tryck på 52,5 kPa (Fig. 6e). Tryckerietär 1 timme. Vid 140 ° C är PDMS filmen trycks ned in i den mjuka HDPE arket genom formen.
- Efter att provet har kylts ned till rumstemperatur, följt av avlägsnande av Al formen, är en kanal som genereras på den HDPE arket. En del av detta micropillar-formad PDMS filmen överföres till bottnen och två sidoväggar av kanalen (fig. 6f). Resultaten visas i Fig.. 7 (DF) 15.
- Mäta kontaktvinkeln för en vattendroppe placeras på toppen av de PDMS mikropinnar inuti HDPE-kanalen. Fig.. 7 (GH) visar den genomsnittliga kontaktvinkeln mäts som 145,5 ° 15.
E. Representativa resultat
Sammanfattningsvis är resultatet av MPL listas nedan:
- Enda skikt av ledande polymer och micropatterns metall bildades såsom i fig.. 2 (B1-B3, C2-C3).
- PPy film och microwire fuktkännande resulterar iFIG. 2d.
- Flera lager ledande polymer och micropatterns metall bildades som i figur. 3 (CF).
- Junction karakterisering Resultaten i Fig. 3 (G1-G3).
- 100 - och 500-nm-omfattande trådarna PPy bildades såsom i fig.. 4 (ab).
- 100-nm-omfattande Au nanotrådar bildades såsom i fig.. 4c.
- Au mönster som alstras på 300-nm-breda och 42-um-djup HDPE kanaler som i fig.. 7 (bc).
- PDMS mikropinnar genererades på toppen, botten och sidovägg ytor av 1-mm breda och 1-mm djupa HDPE-kanaler som i figur. 7 (DF).
- Vatten kontaktvinklar uppmätta inuti HDPE-kanalen i Fig. 7 (GH).
Figur 1 "cutting" processen i skapandet av konvexa makromönster i en plåt (tvärsnitt schema). (a1) placera en plåt på toppen av substratet, (a2) in i formen in i substratet, och (a3) separat formen och substratet. Den "ritning" processen vid tillverkning av konkava makromönster: (B1) Placera en plåt på substratet, (B2) in formen i substratet, och (B3) separera formen och substratet. Den "skärning" drift av MPL metod vid tillverkning av konvexa konstruktionerna (tvärsnitt schema): (C1) värme i substratet, (c2) in i formen in i substratet, och (C3) separera formen och substratet. "Bilden" drift av MPL tillvägagångssätt vid tillverkning av konkava strukturer: (d1) värme i substratet, (d2) in i formen in i substratet, och (d3) separera formen och substratet.
Figur 2 Motiv av Si formar (uppifrån): (A1) raka linjer, (a2) kvadratiska punkter, (a3) strukturer stötta och (A4) slingrande linjer..(B) varmpressning maskin. SEM bilder av genererade Al strukturer: (c1) 10-m-breda linjer, (c2) 20 × 20 nm 2 punkter, och (C3) strukturer fackverket. (D1) Schematisk av mikrostrukturer som består av flera strukturer, (D2) 300-m-hela raka, (D3) 50-um hela serpentin mönster microwire av PPy, PEDOT och Spani tillverkas samtidigt med "cutting" drift av MPL . (E) fuktkännande experimentuppställning och (f) fuktkännande resultat med PPy film och microwire sensor 4, 7, 8. Klicka här för att visa en större bild .
. Figur 3 layouter av: (A1) två-och (a2) med tre skikt anordningar, (b) utformning av en Si-form (sett uppifrån) används för att tillverka flerskikts anordningar, (c) SEM-bild av en 300-nm bred, MICROLINE-formad PPY-PEDOT heterojunction, och CLose-up SEM vyer av tvärsnitt av: (d) PPy-PEDOT heterojunction, (e) Al-PEDOT diod, (f) PEDOT-PMMA-PEDOT kondensator, heterojunction karakterisering resultat: (G1) PPy / PEDOT, (G2 ) Al / PEDOT, och (G3) PEDOT / PMMA / PEDOT 9,11.
Figur 4 (a) AFM genomsökning av de präglade 500-nm-nivå PPy trådar,. SEM-bilder av (b) präglade 100-nm-nivå PPy linjer och (c) 100 nm hela Au kablar. Klicka här för att visa en större figur .
Figur 5 Tillverkning av en HDPE substrat med Au mönster. (Ab) med en mask av önskade funktioner, exponera och utveckla S1813 lagret, (cd) deposition Au och ta bort S1813 lagret, (EF) tryckning av substraten med en Si förstärkt PDMS mögel och (g) efter DemolDing, ett substrat med sidoväggar mönster bestående av Au funktioner 12.
Figur 6 Tillverkning av en PDMS film med mikropinnar. (A) tillverka en SU-8 form, (b) spinn-rock och bota PDMS lager, (c) avlägsna PDMS lagret från SU-8 form, (d) tryckning underlaget med hjälp av en Al form, och (EF) efter urtagning ur formen, är ett substrat med sidoväggar mönster bestående av PDMS mikropinnar erhöll 15.
Figur 7 (a) utformning av Au prickar; SEM-bilder av:. (B) 10 x 10 | im 2 prickar, och (c) 110 | im breda linjer. Måtten på de kanaler som genereras i HDPE är 1 cm x 300 m x 42 m (längd x bredd x djup); PDMS mikropinnar genereras på toppen, botten och sidovägg surfaces1-mm-breda kanaler HDPE (d) tvärsnitt avkanal, SEM bilder av (e) övre, (f) nedre hörnet av kanalen, och (GH) kontaktvinkelmätningar mätresultat på PDMS pelare 12,15. De PDMS pelarna har måtten 10 m x 10 xm x 27 nm. Måtten på kanalerna i HDPE är 20 mm x 1 mm x 1 mm (längd x bredd x höjd). - PPy / PEDOT heteroövergång
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Information om felsökning: Kritiska punkter rörande generation av enkel-och multipla lager micropatterns av ledande polymerer och metaller med hjälp av "cutting" operation: (1) Temperatur prägling säkerställer rörligheten på mellanliggande PMMA skikt som ger optimala resultat. Det är lämpligt att börja på den nedre gränsen av intervallet och öka temperaturen successivt om så önskas resultat inte uppnås. Alltför hög temperatur kan orsaka det ledande polymerskiktet för att ändra dess kemiska och / eller elektriska egenskaper. (2) Om prägling kraften är för hög, kan det orsaka Si formen att spricka under prägling, medan låg kraft kan resultera i felaktig form fyllning och polymerskikten får inte vara cut-off. (3) präglingsmaskinen ska programmeras att starta tryckning först när underlaget har uppnått värdet inställda temperaturen. (4) har en profil med ett avtryck beror på funktionen storlek, präglande kraft-, temperatur-och mögel InSert tid, och kan variera mellan en med vassa kanter till en mer rundad ett. Som antalet skikt polymeren ökar, tenderar profilen som ska avrundas vid kanterna. (5) Si formar med skarpa kanter är föredragna för att de ledande polymer / metall skikten avskärning om så önskas. Användning av en Si-form med sluttande sidoväggar rekommenderas inte. (6) Användning av mycket djupa Si Formen kan orsaka klibbning mellan formen och polymeren (-skikten). Om formen är för grunt det kanske inte är i stånd att uppnå "skärning" av det övre skiktet (en). (7) Det rekommenderas att en anti-stiction film (t.ex. teflon) bör beläggas på Si formen för lätt att separera den från underlaget under urformning processen. (8) låg forminlägget tid inte kan resultera i "skärning", och formen profilen kan vara rundad. Om funktionen storleken är liten, har längre infoga tider krävs och vice versa. (9) Tjockare ledande polymer / metall filmer är mer mekaniskt starkare jämfört med tunnare sådana. Dock comkombinerade tjockleken av det övre lagret bör inte vara mer än tjockleken på det mellanliggande PMMA lagret. (10) urtagning ur formen temperatur bör vara under 105 ° C (Tg av PMMA). Ett högt värde kan resultera i att substratet är krökta uppåt efter uttagandet ur formen och ett lågt värde kan orsaka Si formen för att hålla fast vid substratet och bryta isär.
Kritiska punkter när det gäller generering av submikrona PPy och Au trådar: (1) Innan du använder Si formar för första gången, bör inga AFM och SEM skanningar av formen utföras. Detta är nödvändigt för att bibehålla den ursprungliga ytan av kiselform. (2) aggressiva förfaranden såsom användning av NanoStrip lösning eller syreplasma bör undvikas, eftersom det finns en möjlighet att öka ytråheten hos den kiselform. Detta kan få stiction mellan kisel formen och det ledande polymerskiktet. (3) Tjockleken av det översta skiktet (ledande polymer eller metall) bör vara mindre än djupet av formenför kapning av skiktet vid kanterna. Det finns ingen sådan begränsning av tjockleken hos det isolerande polymerskikt. (4) Den ytråhet kiselform bör vara minimal. I fallet ytan av kislet formen är grov beroende på bearbetning eller förorening, kan det inte vara perfekt kontakt mellan formen och substratet, vilket resulterar i felaktig överföring av mönster.
Kritiska punkter rörande generation Au micropatterns på HDPE kanaler: (1) Vid högre relieftryck temperatur (≥ 136 ° C), AU raderna behöver inte kurvan för att följa ytan då HDPE mjuknat. (2) Vid högre mögel djup (≥ 42 m), kan Au linjerna bryts vid kanterna av HDPE kanaler på grund av stress 12.
Kritiska punkter när det gäller produktion av HDPE-kanaler med PDMS mikropinnar: (1) Om höjden av PDMS mikropinnar är stor, kan den falla ned efter frisläppandet från SU-8 form. (2) med högt sidförhållande av PDMS pelare kanskadas under "ritningen" steg 15.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes bland annat genom NSFDMI-0508454, NSF / LEQSF (2006) Pfund-53, NSF-CMMI-0.811.888 och NSF-CMMI-0900595 bidrag.
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).
