Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Litografia mikropunczowania w celu generowania wzorów mikro- i submikronowych na podłożach polimerowych

14.7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/3725

⸱

2 lipca 2012

 ,  , 
1Mechanical and Aerospace Engineering, University of Texas at Arlington

W tym artykule

Podsumowanie

Opracowano metodę litografii mikroperforacyjnej w celu wytwarzania wzorów mikro- i submikronowych na powierzchniach górnych, bocznych i dolnych podłoży polimerowych. Pozwala ona pokonać trudności związane z nanoszeniem wzorów na polimery przewodzące oraz tworzeniem wzorów na ściankach bocznych. Metoda ta umożliwia szybkie wytwarzanie wielu elementów i nie wymaga zastosowania agresywnych odczynników chemicznych.

Streszczenie

Polimery przewodzące wzbudziły duże zainteresowanie od czasu odkrycia wysokiej przewodności domieszkowanego poliacetylenu w 1977 roku1. Oferują one takie zalety jak niska waga, łatwość dostosowywania właściwości oraz szerokie spektrum zastosowań2,3. Ze względu na wrażliwość polimerów przewodzących na warunki środowiskowe (np. powietrze, tlen, wilgoć, wysoką temperaturę i roztwory chemiczne), techniki litograficzne stwarzają znaczne wyzwania techniczne podczas pracy z tymi materiałami4. Przykładowo, obecne metody fotolitograficzne, takie jak ultrafiolet (UV), nie nadają się do nadawania wzorów polimerom przewodzącym ze względu na zastosowanie w tych metodach procesów trawienia mokrego i/lub suchego. Ponadto obecne mikro/nanosystemy mają głównie formę planarną5,6. Jedna warstwa struktur jest budowana na górnych powierzchniach innej warstwy wykonanych elementów. Wiele warstw tych struktur jest nakładanych jedna na drugą w celu utworzenia licznych urządzeń na wspólnym podłożu. Powierzchnie boczne mikrostruktur nie były wykorzystywane do konstrukcji urządzeń. Z drugiej strony, wzory na ściankach bocznych mogłyby być wykorzystane na przykład do budowy obwodów 3D, modyfikowania kanałów płynowych oraz kierowania poziomym wzrostem nanodrutów i nanorurek.

Metoda makroperforacji jest stosowana w przemyśle produkcyjnym od ponad stu lat w celu tworzenia makrowzorów w blachach. Zainspirowani tym podejściem opracowaliśmy metodę litografii mikroperforacyjnej (MPL), aby pokonać trudności związane z wzorcowaniem polimerów przewodzących i generowaniem wzorów na ściankach bocznych. Podobnie jak metoda makroperforacji, MPL obejmuje dwie operacje (Rys. 1): (i) wycinanie oraz (ii) wyciąganie. Operację „wycinania” zastosowano do wzorcowania trzech polimerów przewodzących4: polypyrolu (PPy), poli(3,4-etylenodioksytiofen)-poli(4-styrenosulfonianu) (PEDOT) i polianiliny (PANI). Wykorzystano ją również do tworzenia mikrostruktur z Al7. Wytworzone mikrostruktury z polimerów przewodzących posłużyły jako czujniki wilgotności8, chemiczne8 oraz sensory glukozy9. Połączone mikrostruktury Al i polimerów przewodzących zostały wykorzystane do produkcji kondensatorów i różnych heterozłączy9,10,11. Operację „wycinania” zastosowano także do generowania wzorów submikronowych, takich jak linie PPy o szerokości 100 i 500 nm, a także druty Au o szerokości 100 nm. Operację „wyciągania” wykorzystano w dwóch zastosowaniach: (i) do wytworzenia wzorów ścianek bocznych z Au na kanałach z polietylenu o wysokiej gęstości (HDPE), które mogą być użyte do budowy mikrosystemów 3D12,13,14, oraz (ii) do wytworzenia mikrosłupków z polidimetylosiloksanu (PDMS) na podłożach z HDPE w celu zwiększenia kąta zwilżania kanału15.

Protokół

A. Schematy MPL

Metoda makroperforacji obejmuje operacje „wycinania” oraz „wyciągania”. Operacja „wycinania” wykorzystuje formy o ostrych krawędziach struktur wypukłych i składa się z trzech podstawowych kroków (Rys. 1(a1-a3)). Po pierwsze, należy umieścić blachę na sztywnym podłożu (Rys. 1(a1)). Po drugie, należy doprowadzić do fizycznego kontaktu formy krzemowej (Si) z podłożem za pomocą dużej siły. Podczas tego drugiego kroku część metalu znajdująca się bezpośrednio pod wypukłymi strukturami formy zostaje najpierw odcięta od sąsiedniego metalu przez wypukłe struktury formy, a następnie wciśnięta na dno wklęsłych wzorów w podłożu (Rys. 1(a2)). Na koniec należy oddzielić formę od podłoża, kończąc proces wzorowania blachy (Rys. 1(a3)). Operacja „wyciągania” wykorzystuje podobny proces wytwarzania. Jednak w tym przypadku stosuje się formy o strukturach wypukłych z zaokrąglonymi krawędziami (Rys. 1(b1)). Ponadto zastosowana siła i prędkość wprowadzania są znacznie mniejsze i niższe niż w przypadku operacji „wycinania”. Różnice te zmniejszają naprężenia występujące w części blachy pod strukturami wypukłymi. W rezultacie część ta w operacji „wyciągania” zostaje jedynie wciśnięta, a nie odcięta (Rys. 1(b2-b3)).

W operacji „cięcia” (cutting) w procesie MPL (Rys. 1(c1-c3)), (i) podłoże krzemowe (Si) pokryte warstwą polimeru pośredniego i warstwą materiału do druku jest podgrzewane powyżej temperatury przejścia szklistego (Tg: temperatura mięknienia) polimeru pośredniego i poniżej Tm (temperatury topnienia) lub Tg materiału docelowego (Rys. 1(c1)), (ii) forma i podłoże są doprowadzane do kontaktu fizycznego pod wysokim ciśnieniem, a następnie schładzane (Rys. 1(c2)), i (iii) są rozdzielane, gdy ich temperatura spadnie poniżej Tg polimeru pośredniego, co kończy proces przeniesienia wzoru z formy na warstwę docelową (Rys. 1(c3)). Operacja „rysowania” (drawing) w MPL (Rys. 1(d1-d3)) obejmuje etapy wykonania podobne do „cięcia”. Niemniej jednak w operacji „rysowania” stosuje się miękkie formy z PDMS. Wymaga ona również mniejszej siły wprowadzenia, niższej prędkości wprowadzania oraz wyższej temperatury drukowania (co obniża lepkość polimeru pośredniego, a tym samym zwiększa jego mobilność). W rezultacie elementy na górnej powierzchni podłoża wyginają się ku górze wskutek napięcia powierzchniowego i wysokiej mobilności polimeru pośredniego. Forma z Si może być czyszczona i ponownie wykorzystywana w kolejnych etapach tłoczenia. Przed każdym użyciem formę można przemyć acetonem i wodą DI, a następnie dokładnie wysuszyć azotem (N2). W przypadku pozostania resztek w mikrostrukturach formy, można ją wyczyścić roztworem Nanostrip i wodą DI, a następnie wysuszyć azotem (N2).

B. Operacja cięcia w MPL w celu generowania mikrostruktur z metalu i polimeru przewodzącego

  1. Jednowarstwowe mikrostruktury na podłożu: korzystając z procedury przedstawionej na Rys. 1(c1-c3), na podłożu generowana jest warstwa mikrostruktur. Podczas procesu wytwarzania podłoże jest pokrywane warstwą polimeru pośredniego, a następnie nanoszona jest warstwa jednego materiału (polimeru przewodzącego lub metalu) lub warstwa wielu materiałów. W rezultacie, po tłoczeniu na gorąco, na podłożu powstaje warstwa mikrostruktur z jednego lub wielu materiałów. Szczegóły procesu wytwarzania opisano poniżej.
    1. Wytworzyć formy krzemowe (Si) o wymaganych wymiarach za pomocą konwencjonalnej litografii UV (Rys. 2a). Szczegóły wytwarzania formy Si opisano w 4. Rys. 2(a1-a4) przedstawia układy form Si wykorzystanych w procesach.
    2. Użyć nieprzewodzącej arkusza PMMA o wymiarach 500 μm x 170 mm x 170 mm jako warstwy pośredniej i umieścić go na sztywnym, płaskim podłożu.
      1. Aby wygenerować mikrostruktury z jednego materiału: nanieść metodą spin-coatingu polimer przewodzący (PPy, PEDOT lub SPANI) na arkusz PMMA lub osadzić Al metodą odparowania termicznego do grubości 100-500 nm.
      2. Aby wytworzyć mikrostruktury z wielu przewodzących polimerów: nanieść metodą spin-coatingu PPy (przy 2000 rpm), PEDOT (przy 2500 rpm) oraz SPANI (przy 1500 rpm) na różne części arkusza PMMA. Przed nałożeniem pierwszej warstwy polimeru przewodzącego w danym miejscu na arkuszu PMMA, należy zakryć pozostałe obszary taśmami klejącymi. Przy nakładaniu kolejnych warstw polimerów przewodzących, poprzednie powłoki i puste obszary powinny zostać zakryte taśmą klejącą. Procedurę tę należy powtarzać, aby nanieść wiele warstw w pożądanych miejscach na podłożu. Grubość naniesionego PPy, PEDOT i SPANI wynosi odpowiednio 500 nm, 5 μm i 200 nm.
    4. Wytłoczyć podłoże za pomocą maszyny do tłoczenia na gorąco (model: Hex 01/LT, firma Jenoptik Mikrotechnik) (Rys. 2b). Temperatura, siła i czas wprowadzenia formy wynoszą odpowiednio 130-160 °C, 1500-1800 N i 120-200 s. Wykonać rozformowanie w temperaturze 80-95 °C z prędkością 1,5 mm/min. Wyniki dla jednowarstwowych mikrostruktur z jednego materiału przedstawiono na Rys. 2(c1-c3). Wyniki dla jednowarstwowych mikrostruktur z wielu materiałów podano na Rys. 2(d2-d3).
  2. Zastosowanie mikrowłókien PPy jako czujnika wilgotności
    1. Nanieść PPy metodą spin-coatingu przy 1500 rpm, aby uzyskać film o grubości 1 μm i powierzchni 1 x 1 cm2, a następnie podłączyć dwa zewnętrzne przewody na przeciwległych końcach filmu za pomocą epoksydu Ag w celu przeprowadzenia pomiarów przewodnictwa.
    2. Nanieść metodą spin-coatingu przy 1500 rpm, aby uzyskać film PPy o grubości 1 μm. Wykonać tłoczenie z parametrami opisanymi w kroku 4, aby wygenerować mikrowłókna PPy o długości 5000 μm i szerokości 300 μm, a następnie przytwierdzić zewnętrzne przewody kontaktowe do dwóch końców pojedynczego mikrowłókna za pomocą epoksydu Ag.
    3. Umieścić czujniki w postaci filmu i mikrowłókien PPy w szczelnym glove boxie z higrometrem i nawilżaczem. Nawilżacz umożliwi kontrolowany wzrost poziomu wilgotności wewnątrz glove boxa. Podłączyć przewody kontaktowe do stacji pomiarowej Keithley w celu wykonania pomiarów I-V dla każdego czujnika (Rys. 2e).
    4. Obliczyć czułość każdego czujnika, korzystając z następującego wzoru:
      Wzór na zmianę rezystancji, ΔR/R<sub>i</sub>=(R<sub>f</sub>-R<sub>i</sub>)/R<sub>i</sub>, diagram równania.
      gdzie Rf i Ri to odpowiednio końcowa i początkowa rezystancja czujników w postaci filmu i mikrowłókien. Zmierzyć Ri przy bazowym poziomie wilgotności (w temperaturze pokojowej) oraz Rf przy każdym poziomie wilgotności dla czujników z filmu i mikrowłókien.
    5. Rys. 2f przedstawia wyniki pomiarów czułości (ΔR/R) przeprowadzonych w 8 dla wilgotności względnej od 48% do 85%. Zaobserwowano, że czułość czujnika z mikrowłókien PPy była wyższa niż czujnika z filmu w zakresie od 48% do 58%. Powyżej 58% czułości czujników z filmu i mikrowłókien była podobna.
  3. Wielowarstwowe mikrostruktury na podłożu: na podstawie procedury przedstawionej na Rys. 1(c1-c3), warstwę wierzchnią zastępuje się kombinacją odpowiednio dwóch i trzech warstw polimerów/metalu, aby wygenerować mikrostruktury wielowarstwowe. Układ urządzenia pokazano na Rys. 3(a1-a2). Szczegóły procesu wytwarzania opisano poniżej.
    1. Wytworzyć formę Si o wymaganych wymiarach za pomocą konwencjonalnej litografii UV (Rys. 3b).
    2. Użyć nieprzewodzącego arkusza PMMA o wymiarach 500 μm x 170 mm x 170 mm jako warstwy pośredniej i umieścić go na sztywnym, płaskim podłożu.
      1. Aby wygenerować dwuwarstwowe heterozłącze PPy-PEDOT: (i) nanieść metodą spin-coatingu przy 1000 rpm, aby uzyskać warstwę PEDOT o grubości 10 μm na arkuszu PMMA, (ii) wypiec podłoże w temperaturze 80 °C przez 1 h, (iii) nanieść metodą spin-coatingu przy 1500 rpm film PPy o grubości 1 μm na warstwę PEDOT, (iv) wypiec podłoże w temperaturze 80 °C przez 5 min.
      2. Aby wytworzyć dwuwarstwowe diody Al-PEDOT: (i) nanieść metodą spin-coatingu przy 1000 rpm, aby uzyskać warstwę PEDOT o grubości 10 μm na arkuszu PMMA, (ii) wypiec podłoże w temperaturze 80 °C przez 1 h, (iii) nanieść film Al o grubości 200 nm na warstwę PEDOT metodą odparowania termicznego.
      3. Aby wygenerować trójwarstwowe kondensatory PEDOT-PMMA-PEDOT: (i) nanieść metodą spin-coatingu przy 1000 rpm, aby uzyskać warstwę PEDOT o grubości 10 μm na arkuszu PMMA, (ii) wypiec podłoże w temperaturze 80 °C przez 1 h, (iii) nanieść metodą spin-coatingu przy 1000 rpm wielokrotnie, aby uzyskać film PMMA o grubości 15-20 μm na warstwie PEDOT, (iv) wypiec podłoże w temperaturze 80 °C przez 30 min, (v) nanieść metodą spin-coatingu przy 2500 rpm warstwę PEDOT o grubości 2-3 μm na film PMMA, (vi) wypiec podłoże w temperaturze 80 °C przez 5 min.
    3. Wytłoczyć podłoże za pomocą maszyny do tłoczenia na gorąco. Temperatura, siła i czas wprowadzenia formy wynoszą odpowiednio 140-150 °C, 1500-2000 N i 150-200 s. Wykonać rozformowanie w temperaturze 80-95 °C z prędkością 1,5 mm/min. Wyniki przedstawiono na Rys. 3(c-f) 11.
  4. Zastosowania wygenerowanych wielowarstwowych mikrostruktur
    1. Heterozłącze PPy/PEDOT
      1. Użyć stacji pomiarowej Keithley do pomiarów I-V struktur heterozłączy uzyskanych po kroku 2.1. Warstwa PEDOT jest uziemiona, a do warstwy PPy przyłożone jest napięcie polaryzujące (-20 V do 20 V).
      2. Rys. 3(g1) przedstawia charakterystyki I-V heterozłącza PPy/PEDOT w [9,11]; napięcia przebicia w kierunku prostym i odwrotnym dla heterozłącza PPy/PEDOT wynosiły odpowiednio 5 V i -8 V. Współczynnik prostowania wynosił 24 przy 10 V. Współczynnik idealności był równy 8,88.
    2. Heterozłącze Al/PEDOT
      1. Użyć stacji pomiarowej Keithley do pomiarów I-V struktury heterozłącza Al/PEDOT uzyskanej po kroku 2.2. Warstwa Al jest uziemiona, a do warstwy PEDOT przyłożone jest napięcie polaryzujące (-5 V do 5 V).
      2. Rys. 3(g2) przedstawia charakterystyki I-V złącza Al/PEDOT mierzone w temperaturze pokojowej w 11; napięcia przebicia w kierunku prostym i odwrotnym wynosiły odpowiednio 3 i -2,5 V. Współczynnik prostowania heterozłącza Al/PEDOT wynosił 2 przy 1 V. Współczynnik idealności dla tego złącza obliczono na 19.
    3. Kondensator PEDOT/PMMA/PEDOT
      1. Użyć stacji pomiarowej Keithley do pomiarów C-V kondensatora PEDOT/PMMA/PEDOT uzyskanego po kroku 2.3.
      2. Rys. 3(g3) przedstawia charakterystykę C-V kondensatora PEDOT/PMMA/PEDOT mierzoną w temperaturze pokojowej w 11. Zmierzona pojemność kondensatora przy niskiej częstotliwości polaryzacji wynosiła około 0,06 pF, podczas gdy wartość obliczona teoretycznie wynosiła 1,38 pF.

C. Operacja cięcia MPL w celu generowania submikronowych wzorów z metalu i polimeru przewodzącego

Zgodnie z procedurą przedstawioną na Rys. 1(c1-c3), formy krzemowe (Si) z elementami submikronowymi są wykorzystywane do wytwarzania pożądanych wzorów z metali i polimerów przewodzących. Szczegóły procesu wykonania opisano poniżej.

  1. Wykonać formę krzemową z elementami submikronowymi za pomocą litografii wiązką skupionego jonu (FIB). Tworzone są dwa różne typy form Si o szerokościach 100 i 500 nm, głębokości 1 - 1,5 μm, długości 20 μm i skoku 1 μm.
  2. Przygotowanie powierzchni formy krzemowej przed użyciem: (i) dokładnie wypłukać formę wodą DI, acetonem i roztworem Nanostrip w temperaturze pokojowej, osuszyć strumieniem azotu i wygrzać w temperaturze 150 °C przez 30 min, a następnie schłodzić do temperatury pokojowej oraz (ii) jeśli forma nie jest czysta po powyższych etapach czyszczenia, poddać ją czyszczeniu w plazmie tlenowej. Parametry procesu są następujące: moc plazmy 300 W, przepływ tlenu 80 sccm i czas trwania 5 - 7 min.
    1. Nałożyć warstwę PMMA: nanieść roztwór PMMA (masa cząsteczkowa 495 K w 9% chlorobenzenie) metodą spin-coatingu przy 3000 rpm, aby uzyskać grubość około 1,2 μm, wygrzać podłoże w temperaturze 150 °C przez 1 h, pozwolić mu ostygnąć, a następnie poddać powierzchnię pokrytą PMMA działaniu plazmy tlenowej przez 3 min przy 300 W i przepływie tlenu 50 sccm, aby uczynić ją hydrofilową przed kolejnym etapem.
      1. Nanieść roztwór PPy (rozcieńczony w stosunku 1:2 (V/V) wodą DI) metodą spin-coatingu przy 3000 rpm, aby uzyskać grubość około 75 nm, a następnie wygrzać podłoże w temperaturze 60 °C przez 1 h w celu utwardzenia warstwy PPy.
      2. Nałożyć warstwę Au o grubości 10-25 nm metodą napylania.
    1. Wytworzyć druty PPy zgodnie z poniższymi krokami:
      1. Odtłoczyć kanały Si o szerokości 500 nm: przeprowadzić tłoczenie w temperaturze 160 °C z prędkością 1 mm/min i czasem wprowadzenia 600 s, korzystając z trybu kontroli położenia w urządzeniu do tłoczenia na gorąco. Maksymalna użyta siła w tym przypadku wynosi 1085 N.
      2. Odtłoczyć kanały Si o szerokości 100 nm: przeprowadzić tłoczenie w temperaturze 140 °C z prędkością 1 mm/min i czasem wprowadzenia 500 s, korzystając z trybu kontroli siły w urządzeniu do tłoczenia na gorąco. Ustawić siłę tłoczenia na 2300 N.
    2. Wytworzyć nanodruty Au, używając formy Si z kanałami o szerokości 100 nm: przeprowadzić tłoczenie w temperaturze 160 °C z prędkością 1 mm/min i czasem wprowadzenia 700 s, korzystając z trybu kontroli siły w urządzeniu do tłoczenia na gorąco. Ustawić siłę tłoczenia na 2300 N.
    3. Dla kroków 4.1-4.2 przeprowadzić rozformowanie w temperaturze 95 °C z prędkością 3 mm/min. Wyniki przedstawiono na Rys. 4.

D. Operacja rysowania MPL w celu generowania mikrowzorów na ściankach bocznych podłoży polimerowych i krzemowych (Si).

Zgodnie z procedurą przedstawioną na Rys. 1(d1-d3), operacja „rysowania” jest wykorzystywana do generowania mikowzorów z Au i PDMS na ściankach bocznych mikrokanałów z HDPE. Odpowiadającym im materiałem na podłożu z HDPE jest Au lub PDMS, który podczas imprintingu podąża za profilem powierzchni polimeru warstwy pośredniej. Szczegóły procesu wytwarzania opisano poniżej.

  1. Wzory Au na ściankach kanałów z HDPE
    1. Naniesienie warstwy pozytywnego fotorezystu (S1813) o grubości 1-μm metodą spin-coatingu przy 3000 rpm na arkusz HDPE o grubości 1,5-mm (1,5 mm x 40 mm x 40 mm).
    2. Przeniesienie wzorów z maski do warstwy S1813 za pomocą litografii UV (Rys. 5(a-b)). Wzory na masce składają się z kropek o wymiarach 10 x 10 μm2 (Rys. 7a) oraz linii o szerokości 110-μm.
    3. Naniesienie 100-nm filmu Au na warstwę S1813 przy użyciu parownika termicznego (Rys. 5c).
    4. Usunięcie S1813 poprzez płukanie acetonem, co pozostawia wzory Au na arkuszu HDPE (Rys. 5d).
    5. Podgrzanie arkusza HDPE na płycie grzejnej do zakresu temperatur 131-136 °C, co jest wartością nieco wyższą niż Tg dla HDPE (tj. 128 °C), ale poniżej Tm dla Au (tj. 1063 °C) (Rys. 5e).
    6. Użycie formy z PDMS wzmocnionej Si16 do wytłoczenia wzorów Au na arkuszu HDPE pod ciśnieniem w zakresie 40-120 KPa przez 1 h, a następnie schłodzenie (Rys. 5f).
    7. Oddzielenie formy od arkusza HDPE, gdy ich temperatury spadną poniżej Tg dla HDPE, co kończy proces przenoszenia wzoru z formy PDMS na podłoże. Wzory Au, które zostały wciśnięte w arkusz HDPE przez formę PDMS, pozostają na ściankach bocznych i powierzchniach dna utworzonych mikrostruktur (Rys. 5g). Ponieważ siła wiązania między formą PDMS a wzorami Au jest słabsza niż między arkuszem HDPE a wzorami Au, wzory Au nie przylegają do formy PDMS i pozostają na powierzchni HDPE. Wyniki tego procesu przedstawiono na Rys. 7(b-c) 12.
  2. Mikrofilary z PDMS na ściankach kanałów z HDPE
    1. Naniesienie warstwy S1813 o grubości 1-μm metodą spin-coatingu przy 3000 rpm na formę z SU-8 (Rys. 6a). Forma z SU-8 została wykonana za pomocą konwencjonalnej litografii UV17.
    2. Naniesienie PDMS (stosunek PDMS do czynnika sieciującego wynosi 10:1) metodą spin-coatingu przy 1000 rpm na pokrytą S1813 formę z SU-8, a następnie wygrzewanie próbki przy 85 °C przez 3 h na płycie grzejnej i schłodzenie do temperatury pokojowej (Rys. 6b).
    3. Oddzielenie cienkiego filmu PDMS od formy SU-8 poprzez trawienie S1813 acetonem, co kończy proces tworzenia filmu PDMS z mikrofilarami (Rys. 6c).
    4. Umieszczenie filmu PDMS z mikrofilarami na arkuszu HDPE o grubości 1,5-mm (Rys. 6d).
    5. Wciśnięcie formy z Al (z zaokrąglonymi krawędziami) w film PDMS oraz arkusz HDPE w temperaturze 140 °C przy ciśnieniu 52,5 kPa (Rys. 6e). Czas tłoczenia wynosi 1 h. W temperaturze 140 °C film PDMS zostaje wciśnięty przez formę w miękki arkusz HDPE.
    6. Po schłodzeniu próbki do temperatury pokojowej i usunięciu formy z Al, na arkuszu HDPE powstaje kanał. Część filmu PDMS z mikrofilarami zostaje przeniesiona na dno i dwie ścianki boczne kanału (Rys. 6f). Wyniki przedstawiono na Rys. 7(d-f)15.
    7. Pomiar kąta zwilżania kropli wody umieszczonej na szczycie mikrofilarów z PDMS wewnątrz kanału HDPE. Rys. 7(g-h) przedstawia średni zmierzony kąt zwilżania wynoszący 145,5°15.

E. Reprezentatywne wyniki

Podsumowując, wyniki MPL przedstawiono poniżej:

  1. Jednowarstwowe mikrostruktury z polimeru przewodzącego i metalu zostały utworzone zgodnie z Rys. 2(b1-b3, c2-c3).
  2. Wyniki pomiarów czułości na wilgotność błony PPy i mikrowłókna przedstawiono na Rys. 2d.
  3. Wielowarstwowe mikrostruktury z polimeru przewodzącego i metalu zostały utworzone zgodnie z Rys. 3(c-f).
  4. Wyniki charakterystyki złącza przedstawiono na Rys. 3(g1-g3).
  5. Przewody PPy o szerokości 100 nm i 500 nm zostały utworzone zgodnie z Rys. 4(a-b).
  6. Nanodruty Au o szerokości 100 nm zostały utworzone zgodnie z Rys. 4c.
  7. Struktury Au zostały wytworzone w kanałach z HDPE o szerokości 300 μm i głębokości 42 μm, zgodnie z Rys. 7(b-c).
  8. Mikrofilary z PDMS zostały wytworzone na powierzchniach górnej, dolnej i bocznych kanałów z HDPE o szerokości 1 mm i głębokości 1 mm, zgodnie z Rys. 7(d-f).
  9. Kąty zwilżania wodą zmierzone wewnątrz kanału HDPE przedstawiono na Rys. 7(g-h).

Schemat procesu mikrofabrykacji, wypukłe i wklęsłe struktury formy, rozwój wzoru na podłożu.
Rycina 1. Proces „wycinania” podczas tworzenia wypukłych makrowzorów w blasze metalowej (schematy przekroju poprzecznego): (a1) umieszczenie blachy metalowej na górnej powierzchni podłoża, (a2) wprowadzenie formy do podłoża oraz (a3) oddzielenie formy od podłoża. Proces „wyciągania” podczas wytwarzania wklęsłych makrowzorów: (b1) umieszczenie blachy metalowej na podłożu, (b2) wprowadzenie formy do podłoża oraz (b3) oddzielenie formy od podłoża. Operacja „wycinania” w metodzie MPL podczas wytwarzania struktur wypukłych (schematy przekroju poprzecznego): (c1) podgrzanie podłoża, (c2) wprowadzenie formy do podłoża oraz (c3) oddzielenie formy od podłoża. Operacja „wyciągania” w podejściu MPL podczas wytwarzania struktur wklęsłych: (d1) podgrzanie podłoża, (d2) wprowadzenie formy do podłoża oraz (d3) oddzielenie formy od podłoża.

Schemat procesu mikrofabrykacji z obrazami SEM; konfiguracja komory do tłoczenia; eksperyment kontroli wilgotności.
Rysunek 2. Projekty form krzemowych (widok z góry): (a1) linie proste; (a2) kwadratowe kropki; (a3) struktury kratownicowe; oraz (a4) linie serpentynowe. (b) Maszyna do tłoczenia na gorąco. Obrazy SEM wygenerowanych struktur Al: (c1) linie o szerokości 10-μm; (c2) kropki 20×20 μm2; oraz (c3) struktury kratownicowe. (d1) Schemat mikrostruktur składających się z wielu elementów; (d2) proste wzory o szerokości 300-μm; (d3) serpentynowe wzory mikrodrutów o szerokości 50-μm z PPy, PEDOT i SPANI, wykonane jednocześnie przy użyciu operacji „cięcia” MPL. (e) Eksperymentalna konfiguracja pomiaru wilgotności; oraz (f) wyniki pomiaru wilgotności z zastosowaniem filmu PPy i czujnika z mikrodrutu 4, 7, 8. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony rysunek.

Schemat równowagi statycznej z warstwami materiałów, pogłębionym kanałem; wykresy: krzywe IV, pojemność-napięcie.
Rycina 3. Układy: (a1) urządzeń dwuwarstwowych i (a2) trójwarstwowych; (b) układ formy z Si (widok z góry) użytej do wytwarzania urządzeń wielowarstwowych; (c) obraz SEM heterozłącza PPy-PEDOT w kształcie mikrolinii o szerokości 300-μm; oraz powiększone obrazy SEM przekrojów: (d) heterozłącza PPy-PEDOT; (e) diody Al-PEDOT; (f) kondensatora PEDOT-PMMA-PEDOT; wyniki charakterystyki heterozłączy: (g1) PPy/PEDOT; (g2) Al/PEDOT; oraz (g3) PEDOT/PMMA/PEDOT 9,11.

Analiza AFM i SEM nanostruktur; topografia, odstępy linii, morfologia powierzchni.
Rycina 4. (a) Skan AFM wytłoczonych przewodów PPy o szerokości 500 nm; obrazy SEM (b) wytłoczonych linii PPy o szerokości 100 nm oraz (c) przewodów Au o szerokości 100 nm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną rycinę.

Schemat procesu mikrowytwarzania z formą PDMS, HDPE, warstwami Au i etapami wzorowania ścianek bocznych.
Rycina 5. Wytwarzanie podłoża HDPE z wzorami Au: (a-b) naświetlanie i wywoływanie warstwy S1813 przy użyciu maski z pożądanymi cechami; (c-d) osadzanie Au i usuwanie warstwy S1813; (e-f) odciskowe formowanie podłoży przy użyciu wzmocnionej krzemem formy PDMS; oraz (g) po rozformowaniu, podłoże z wzorami na ściankach bocznych składającymi się z elementów Au 12.

Schemat procesu mikrowytłaczania: powlekanie SU-8, wzorowanie PDMS, zastosowanie formy Al na HDPE.
Rysunek 6. Wytwarzanie filmu PDMS z mikrosłupkami: (a) wykonanie formy z SU-8; (b) nanoszenie metodą spin-coatingu i sieciowanie warstwy PDMS; (c) oddzielenie warstwy PDMS od formy SU-8; (d) wytłaczanie podłoża przy użyciu formy Al; oraz (e-f) po wyjęciu z formy uzyskano podłoże z wzorami na ściankach bocznych składającymi się z mikrosłupków PDMS 15.

Schematy komponentów fotonicznych z kropkami i liniami z Au, mikropilary PDMS, pomiary kąta zwilżania.
Rysunek 7. (a) układ kropek z Au; obrazy SEM: (b) kropek o rozmiarach 10 x 10 μm2; oraz (c) linii o szerokości 110 μm. Wymiary kanałów wytworzonych w HDPE to 1 cm x 300 μm x 42 μm (długość x szerokość x głębokość); mikropilary PDMS wytworzone na powierzchniach górnej, dolnej i bocznych kanałów HDPE o szerokości 1 mm: (d) widok przekroju poprzecznego kanału; obrazy SEM: (e) górnej; (f) dolnego narożnika kanału; oraz (g-h) wyniki pomiarów kąta zwilżania na filarach PDMS12,15. Filary PDMS mają wymiary 10 μm x 10 μm x 27 μm. Wymiary kanałów w HDPE to 20 mm x 1 mm x 1 mm (długość x szerokość x wysokość).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Informacje dotyczące rozwiązywania problemów: Kluczowe uwagi dotyczące tworzenia jedno- i wielowarstwowych mikrowzorów z polimerów przewodzących i metali przy użyciu operacji „wycinania”: (1) Temperatura tłoczenia zapewnia płynność pośredniej warstwy PMMA, co pozwala na uzyskanie optymalnych wyników. Zaleca się rozpoczęcie od dolnej granicy zakresu i stopniowe zwiększanie temperatury, jeśli nie osiągnięto pożądanych rezultatów. Zbyt wysoka temperatura może spowodować zmianę właściwości chemicznych i/lub ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

Podziękowania

Praca ta była częściowo finansowana z grantów NSFDMI-0508454, NSF/LEQSF(2006)-Pfund-53, NSF-CMMI-0811888 oraz NSF-CMMI-0900595.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
PMMA Sigma-Aldrich495C9Rozpuszczalnikiem jest chlorobenzen. Roztworem PMMA należy posługiwać się pod wyciągiem z odpowiednią wentylacją. Nie wdychać oparów. Instrukcje dotyczące bezpiecznego obchodzenia się z substancją znajdują się w MSDS.
PPy Sigma-Aldrich--5% wag. w wodzie. Stosowano bez dalszego przygotowania.
PEDOT-PSSH. C. Starck Co.Baytron P HC V4Autorski rozpuszczalnik. Stosowano bez dalszego przygotowania.
SPANISigma-Aldrich--Forma rozpuszczalna w wodzie. Stosowano bez dalszego przygotowania.
Maszyna do tłoczenia na gorąco JenoptikMikrotechnik Co.HEX 01/LT
Urządzenie do napylaniaCressington Co.208HR
Urządzenie FIB Carl Zeiss, Inc.FIB Crossbeam 1540 XB
Powlekarka rotacyjnaHeadway Research Inc.PWM32-PS-R790 Spinner System
Urządzenie RIETechnics MicroRIE Co.--
Fotorezist Shipley Co.S1813
PDMSDow CorningZestaw do elastomeru silikonowego Sylgard 184
Arkusz HDPE US Plastic Corp.--
Arkusz PMMACyro Co.--
Dwustronna taśma klejąca Scotch Co.--
Taśma jednostronnaDelphon Co.Ultratape # 1310
Szklane mikropipetyFHC, Inc.30-30-1
ZaciskOffice DepotZacisk typu Bulldog
NawilżaczVicks Co.Nawilżacz bezfiltrowy

Bibliografia

  1. Menon, R. Conducting polymers: Nobel Prize in Chemistry, 2000. Current Science. 79, 1632(2000).
  2. Inzelt, G., Pineri, M., Schultze, J. W., Vorotyntsev, M. A. Electron and proton conducting polymers: recent developments and prospects. Electrochimica Acta. 45, 2403(2000).
  3. Adhikari, B., Majumdar, S. Polymers in sensor applications. Progress in Polymer Science. 29, 699(2004).
  4. 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).
  5. Madou, M. Fundamentals of Microfabrication. , CRC Press. (1995).
  6. Bustillo, J. M., Howe, R. T., Muller, R. S. Surface micromachining for microelectromechanical systems. Proceedings of the IEEE. 86, 1552(1998).
  7. Liu, X., Luo, C. Intermediate-layer lithography for producing metal micropatterns. Journal of Vacuum Science and Technology B. 25, 677(2007).
  8. Chakraborty, A., Luo, C. Multiple conducting polymer microwire sensors. Microsystem Technologies. 15, 1737(2009).
  9. 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).
  10. Poddar, R., Luo, C. A novel approach to fabricate a PPy/p-type Si heterojunction. Solid-State Electronics. 50, 1687(2006).
  11. 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).
  12. Liu, X., Luo, C. Fabrication of Au sidewall micropatterns using a Si-reinforced PDMS mold. Sensors and Actuators A. 152, 96(2009).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Liu, X., Luo, C. Fabrication of supe-hydrophobic channels. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20, 25029(2010).
  16. Luo, C., Meng, F., Liu, X., Guo, Y. Reinforcement of PDMS master using an oxide-coated silicon plate. Microelectronics Journal. 37, 5(2006).
  17. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Polimery przewodzącehot embossingwytwarzanie mikrostrukturwzorowanie ścianek bocznychpowlekanie polimeremtłoczenie w formiewzorowanie polimerów
Litografia mikropunczowania w celu generowania wzorów mikro- i submikronowych na podłożach polimerowych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.