Artykuł metodologiczny

Inspirowany origami samomontaż wzorzystych i rekonfigurowalnych cząstek

24.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/50022

⸱

4 lutego 2013

 ,  , 
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The Johns Hopkins University , 2Department of Chemistry, The Johns Hopkins University

W tym artykule

Podsumowanie

Opisujemy eksperymentalne szczegóły syntezy wzorcowych i rekonfigurowalnych cząstek z dwuwymiarowych (2D) prekursorów. Metodologia ta może być stosowana do tworzenia cząstek o różnych kształtach, w tym wielościanów i urządzeń chwytających, w skalach długości od mikro do centymetrów.

Streszczenie

Istnieje wiele technik, takich jak fotolitografia, litografia wiązką elektronów i miękka litografia, które mogą być użyte do precyzyjnego modelowania dwuwymiarowych (2D) struktur. Technologie te są dojrzałe, oferują wysoką precyzję, a wiele z nich można wdrożyć w sposób wysokoprzepustowy. Wykorzystujemy zalety litografii planarnej i łączymy je z metodami samofałdowania1-20, w których siły fizyczne pochodzące z napięcia powierzchniowego lub naprężeń szczątkowych są wykorzystywane do zakrzywiania lub fałdowania struktur płaskich w struktury trójwymiarowe (3D). W ten sposób umożliwiamy masową produkcję precyzyjnie wzorzystych, statycznych i rekonfigurowalnych cząstek, które są trudne do zsyntetyzowania.

W tym artykule szczegółowo opisujemy eksperymentalne protokoły tworzenia wzorzystych cząstek, w szczególności (a) trwale związanych, pustych, wielościanów, które same się organizują i uszczelniają dzięki minimalizacji energii powierzchniowej upłynnionych zawiasów21-23 oraz (b) chwytaków, które składają się samoczynnie z powodu zawiasów napędzanych naprężeniami szczątkowymi24,25. Opisany konkretny protokół może być wykorzystany do tworzenia cząstek o ogólnych rozmiarach od mikrometrów do centymetrów długości. Ponadto na powierzchniach cząstek mających znaczenie w naukach koloidalnych, elektronice, optyce i medycynie można zdefiniować dowolne wzory. Mówiąc bardziej ogólnie, koncepcja samoorganizujących się sztywnych mechanicznie cząstek z samouszczelniającymi się zawiasami ma zastosowanie, z pewnymi modyfikacjami procesu, do tworzenia cząstek w jeszcze mniejszych, 100 nm długościach22, 26 i przy użyciu szeregu materiałów, w tym metali21, półprzewodników9 i polimerów27. Jeśli chodzi o uruchamianie rekonfigurowalnych urządzeń chwytających za pomocą naprężeń szczątkowych, nasz specjalny protokół wykorzystuje zawiasy chromowe, które mają znaczenie dla urządzeń o rozmiarach od 100 μm do 2,5 mm. Jednak, bardziej ogólnie, koncepcja takiego wolnego od uwięzi uruchamiania napędzanego naprężeniami szczątkowymi może być stosowana w przypadku alternatywnych materiałów o wysokim naprężeniu, takich jak heteroepitaksjalnie osadzone warstwy półprzewodnikowe5,7, w celu stworzenia jeszcze mniejszych urządzeń chwytających w nanoskali.

Protokół

W pierwszej kolejności opisujemy ogólny protokół, który może być wykorzystany do wytwarzania wzorowanych, zamkniętych cząsteczek oraz rekonfigurowalnych urządzeń chwytających. Obok ogólnego protokołu przedstawiamy jeden konkretny, zilustrowany przykład dotyczący zarówno wytwarzania zamkniętych cząsteczek dodekaedrycznych, jak i rekonfigurowalnych mikrochwytaków.

1. Przygotowanie maski i zasady projektowania

  1. Zazwyczaj potrzebne są co najmniej dwa zestawy masek: jedna dla obszarów, które się nie zginają ani nie wyginają (panele sztywne) i druga dla obszarów, które zginają się, wyginają lub uszczelniają (zawiasy). Dodatkowe maski mogą być wykorzystane do zdefiniowania wzorów powierzchniowych porów, łatek molekularnych, elementów optycznych lub elektronicznych. Maski można projektować za pomocą różnych programów do dwuwymiarowej grafiki wektorowej, takich jak AutoCAD, Adobe Illustrator, FreeHand MX lub Layout Editor.
  2. Badania empiryczne sugerują następujące optymalne zasady projektowania masek, które mogą być stosowane do składania wielościanu o długości boku L napędzanego napięciem powierzchniowym.
    1. W przypadku konkretnej geometrii wielościanu należy najpierw określić liczbę paneli. Na przykład sześcian ma sześć kwadratowych paneli, podczas gdy dwunastościan ma dwanaście paneli pięciokątnych.
    2. Należy opracować wysokowydajny dwuwymiarowy układ paneli, nazywany również siatką. Siatki o najmniejszym promieniu bezwładności i największej liczbie wtórnych połączeń wierzchołków zazwyczaj składają się z najwyższą wydajnością. Optymalne siatki dla różnych wielościanów, takich jak sześciany, ośmiościany, dwunastościany, ośmiościany ścięte i dwudziestościany, zostały opublikowane 23, 28.
    3. Na masce paneli panele wielościanów powinny być narysowane jako siatki, a sąsiednie panele powinny być oddzielone przerwą o szerokości około 0.1L. Konieczne są znaczniki pasowania do późniejszego wyrównania z maską zawiasów.
    4. Na masce zawiasów należy zdefiniować zarówno zawiasy składające (pomiędzy panelami), jak i zawiasy blokujące lub uszczelniające (na krawędziach paneli). Zawiasy składające powinny mieć długość 0.8L i szerokość 0.2L, natomiast zawiasy uszczelniające na obwodzie paneli powinny mieć długość 0.8L i szerokość 0.1L z nawisem 0.05L (Ryc. 1 a-c). Należy zachować szczególną staranność, aby maski paneli i zawiasów nakładały się zgodnie ze znacznikami. Dzięki tej zasadzie projektowania udało nam się zsyntetyzować cząsteczki o rozmiarach od 15 μm do 2.5 cm.
    5. Objętość zawiasu kontroluje kąty składania; dla danej szerokości zawiasu wymagane jest modelowanie metodą elementów skończonych, aby określić niezbędną grubość zawiasu. Czytelnikowi poleca się zapoznanie z opublikowanymi modelami29-32 w celu oszacowania tej grubości. Atutem naszego podejścia jest jednak zastosowanie zawiasów blokujących lub uszczelniających, które zapewniają znaczną tolerancję błędów podczas samoskładania. Zatem przy użyciu zawiasów uszczelniających proces montażu jest odporny na odchylenia w objętościach zawiasów, co pozwala na ich jedynie przybliżone targetowanie. Dzięki znacznemu efektowi kooperatywności podczas montażu, masowo produkowano nawet dwunastościany z kątami składania 116.57°. Co więcej, ośmiościany ścięte mają dwa różne kąty dwuścienne: 125.27° i 109.47°, ale mogły zostać zmontowane przy użyciu tych samych objętości zawiasów. Inną zaletą zawiasów uszczelniających jest to, że zawiasy sąsiadujące ze sobą zlewają się podczas podgrzewania w procesie składania, tworząc po ochłodzeniu szczelne, bezszwowe i sztywne cząsteczki.
  3. Badania empiryczne sugerują następujące optymalne zasady projektowania masek dla mikrochwytaków, które składają się dzięki zawiasom zasilanym naprężeniem resztkowym. Dla mikrochwytaka o długości od końcówki do końcówki (D) wynoszącej 600-900 μm, przerwa zawiasu (g) wynosi zazwyczaj około 50 μm (Ryc. 1 d-f), natomiast dla mniejszych mikrochwytaków o D wynoszącym 300 μm należy zastosować mniejszą przerwę g o wielkości około 25 μm. Wymiary przerwy zawiasu zależą od naprężeń, grubości i zawartości elastycznej folii bazowych, a do przybliżonego oszacowania stopnia składania można wykorzystać wielowarstwowe rozwiązania analityczne25,33. Do precyzyjnej symulacji składania wymagany jest dokładny pomiar naprężeń i modelowanie metodą elementów skończonych. Badania empiryczne sugerują, że około 100 μm jest dolną granicą dla cząsteczek z naprężonymi zawiasami chromowymi.
  4. Po zaprojektowaniu układu maski powinny zostać wydrukowane na foliach przezroczystych przy użyciu drukarek o wysokiej rozdzielczości, we własnym zakresie lub poprzez różne firmy zewnętrzne (Ryc. 2a). Zazwyczaj folie przezroczyste powinny być stosowane tylko przy minimalnych rozmiarach elementów wynoszących 6 μm, natomiast maski chromowe są niezbędne dla struktur z mniejszymi przerwami zawiasów lub mniejszymi elementami. Typowym formatem plików wymaganym do zamawiania komercyjnych masek jest ".dxf".

2. Przygotowanie podłoża

  1. Należy zastosować podłoża płaskie, takie jak szkiełka przedmiotowe lub wafle krzemowe.
  2. W celu zapewnienia dobrej adhezji ważne jest oczyszczenie i osuszenie podłoży. Zazwyczaj wystarczające jest przemycie podłoży metanolem, acetonem i alkoholem izopropylowym (IPA), osuszenie ich azotem (N2), a następnie podgrzanie na płycie grzejnej lub w piekarniku w temperaturze 150 °C przez 5-10 min.

3. Nakładanie warstwy poświęcalnej

Aby oddzielić matryce od podłoża po wykonaniu wzornictwa, wymagana jest warstwa poświęcalna. Można wykorzystać różnorodne filmy składające się z metali (np. miedzi), dielektryków (np. tlenku glinu) lub polimerów (np. PMMA, PVA, CYTOP itp.). Przy wyborze filmu poświęcalnego istotnymi kwestiami są łatwość nanoszenia i rozpuszczania materiału oraz selektywność trawienia.

4. Wzorowanie paneli

  1. Panele cząsteczek można nanosić na różne sposoby. W przypadku cząsteczek polimerowych filmy nanosi się metodą spin coatingu lub drop castingu. W przypadku cząsteczek metalicznych można wykorzystać elektrodepozycję lub odparowanie termiczne.
  2. Do wytwarzania cząsteczek metalicznych konieczne jest nałożenie warstwy przewodzącej na podłoże pokryte warstwą poświęcalną, aby umożliwić elektrodepozycję paneli i zawiasów.
  3. Panele można formować za pomocą dowolnego procesu litograficznego, takiego jak fotolitografia, odlewanie, litografia nanoodcisku lub litografia wiązką elektronów. Typowy proces fotolitografii obejmuje nałożenie warstwy fotorezystu na podłoże, a następnie wypalanie, naświetlanie i wywoływanie zgodnie z zaleceniami producenta. Można stosować fotorezysty z serii SPR, AZ lub SC; alternatywnie panele można zdefiniować za pomocą polimerów fotousieciowalnych, takich jak SU8, PEGDA lub fotousieciowalny PDMS. W zależności od wybranego fotorezystu należy odpowiednio dostosować grubość, a tym samym prędkość wirowania, czas naświetlania oraz czas wywoływania.
  4. Po fotolitografii, w zależności od rozmiaru cząsteczek metalicznych, grube panele można formować metodą elektrodepozycji, natomiast cienkie panele można zdefiniować poprzez odparowanie lub rozpylanie.
    1. W celu elektrodepozycji paneli należy wykorzystać prawa Faradaya dotyczące elektrodepozycji oraz wydajność kąpieli, aby obliczyć prąd galwaniczny na podstawie całkowitej powierzchni wystawionej paneli. Typowe gęstości prądu dla niklowania (Ni) i lutowania (Pb-Sn) wynoszą odpowiednio od 1-10 mA/cm2 i od 20-50 mA/cm2.

5. Wzorowanie zawiasów

Podobnie jak w przypadku wzorowania paneli, aby wykonać wzorowanie zawiasów, należy przeprowadzić drugą rundę fotolitografii przy użyciu maski zawiasów (Ryc. 2b-c). Znaki pasowania na maskach paneli i zawiasów muszą zostać nałożone na siebie, aby zapewnić prawidłowe wyrównanie.

  1. W przypadku montażu napędzanego napięciem powierzchniowym materiały paneli i zawiasów powinny być dobrane tak, aby materiał zawiasu miał niższą temperaturę topnienia niż panele, dzięki czemu panele pozostają sztywne, podczas gdy zawiasy ulegają stopieniu. Montaż następuje po podgrzaniu szablonów powyżej temperatury topnienia materiału zawiasu. Na przykład w przypadku cząstek metalicznych z panelami z Ni, elektroosadzamy lut Pb-Sn na zawiasach, który topi się w temperaturze ~200 °C i inicjuje składanie. Podobnie w przypadku cząstek polimerowych z panelami z SU8, nanosimy zawiasy z polikaprolaktonu, które montują się w temperaturze ~58 °C.27 Proces przebiega najskuteczniej, gdy materiał zawiasu pozostaje zakotwiczony w obszarze zawiasu podczas reflow; i.e. nie rozprzestrzenia się po całych panelach i nie odwarstwia się całkowicie od panelu. Zakotwiczenie to można osiągnąć poprzez dobór materiałów o odpowiednich charakterystykach zwilżania i lepkości.
  2. W przypadku samoskładania napędzanego naprężeniami cienkich warstw, zawiasy powinny zostać uformowane przed uformowaniem paneli. Zazwyczaj zawias musi składać się z dwuwarstwy o zróżnicowanych naprężeniach, zbudowanej z metalu naprężonego, takiego jak chrom (Cr) lub cyrkon (Zr), oraz metalu stosunkowo nienaprężonego, takiego jak złoto (Au) lub miedź (Cu). Na przykład dla mikrochwytaków z przerwą w zawiasie o szerokości 50 μm stosujemy dwuwarstwę składającą się z 50 nm Cr i 100 nm Au. Oprócz metalicznych dwuwarstw o zróżnicowanych naprężeniach można wykorzystać również polimery o zróżnicowanych naprężeniach34-37, warstwy SiOx38 lub epitaksjalne warstwy półprzewodnikowe5.
  3. W przypadku samoskładania napędzanego naprężeniami cienkich warstw należy zastosować termoczułą polimerową warstwę wyzwalającą w celu ograniczenia ruchów urządzeń, aby struktury nie składały się samoistnie po oddzieleniu od podłoża. Odpowiedni dobór materiału wyzwalającego i jego grubości może nadać urządzeniom różne właściwości responsywne na bodźce. Na przykład uformowanie w obszarze zawiasu warstwy fotorezystu (seria S1800) o grubości 1.5 μm jest wystarczające, aby utrzymać urządzenia w pozycji płaskiej do momentu ich podgrzania do temperatury ~37 °C w celu zainicjowania składania.

6. Uwalnianie matryc z podłoża i fałdowanie

  1. Aby uwolnić uformowane matryce 2D, warstwa poświęcalna musi zostać rozpuszczona za pomocą odpowiednich trawien (Rysunek 2d).
  2. W przypadku montażu napędzanego napięciem powierzchniowym, uwolnione prekursory planarne muszą zostać podgrzane powyżej temperatury topnienia materiału zawiasu. Podczas podgrzewania zawiasy ulegają upłynnieniu, a prekursory formują się w odpowiednio ukształtowane puste cząsteczki (Rysunek 2e-i).
  3. W przypadku składania napędzanego naprężeniami cienkiej warstwy, proces składania może zostać wywołany po uwolnieniu struktur z podłoża i pod wpływem odpowiedniego bodźca, np. podgrzania, tak aby wyzwalacz zmiękł i przestał ograniczać relaksację naprężonych zawiasów dwuwarstwowych. Ponieważ urządzenia chwytające są ferromagnetyczne, można nimi sterować i pozycjonować je w pobliżu odpowiedniego ładunku, a następnie wywołać ich składanie wokół niego (Rysunek 2j-n). Warto zaznaczyć, że za pomocą takiego wyzwalanego składania można przeprowadzić wycięcie tkanki25.

Przykład 1. Protokół wytwarzania pustych dwunastościennych struktur o rozmiarze 300 μm, samorzutnie organizujących się pod wpływem napięcia powierzchniowego i trwale połączonych (schematyczny opis na Rysunku 3):

  1. Przygotować maski zgodnie z opisem w Kroku 1. W przypadku wytwarzania dwunastościanów o długości krawędzi panelu 300 μm, należy narysować maskę paneli w taki sposób, aby pięciokątne panele dwunastościanu były oddalone od siebie o 30 μm. Narysować maskę zawiasów, w której zawiasy do składania i uszczelniania mają odpowiednio wymiary 240 μm x 60 μm oraz 240 μm x 30 μm.
  2. Przygotować podłoże z wafla krzemowego zgodnie z opisem w Kroku 2.
  3. Nanieść metodą spin coatingu warstwę 950 PMMA A11 o grubości ~5,5 μm przy 1 000 rpm na wafle krzemowe. Odczekać 3 min, a następnie wyprać w temperaturze 180 °C przez 60 s.
  4. Za pomocą odparowacza termicznego nanieść 30 nm chromu (Cr) jako promotora adhezji oraz 150 nm miedzi (Cu) jako warstwę przewodzącą.
  5. Nanieść metodą spin coatingu SPR220 o grubości ~10 μm przy 1 700 rpm na wafle. Odczekać 3 min.
  6. Przeprowadzić stopniowe wstępne wypalanie (softbake), umieszczając wafel na płycie grzejnej w temperaturze 60 °C przez 30 s. Następnie przenieść wafel na inną płytę grzejną w temperaturze 115 °C na 90 s, a potem z powrotem na płytę o temperaturze 60 °C na 30 s.
  7. Ostudzić wafle w temperaturze pokojowej i odczekać 3 h.
  8. Naświetlić wafle przez maskę paneli, używając dawki ~460 mJ/cm2 światła UV (365 nm) i maskownicy opartej na lampie rtęciowej.
  9. Wywołać w wywoływaczu MF-26A przez 2 min, wymienić roztwór wywoływacza i wywoływać przez kolejne 2 min.
  10. Obliczyć całkowitą powierzchnię paneli i na tej podstawie wyznaczyć natężenie prądu wymagane do elektroosadzania Ni z komercyjnego roztworu sulfamanianu niklu przy gęstości prądu około 1-10 mA/cm2 do uzyskania grubości 8 μm.
  11. Rozpuścić fotorezyst w acetonie. Przepłukać wafel izopropanolem (IPA) i osuszyć gazem N2.
  12. Nanieść metodą spin coatingu SPR 220 o grubości ~10 μm przy 1 700 rpm na wafle. Odczekać 3 min.
  13. Przeprowadzić stopniowe wstępne wypalanie, umieszczając wafel na płycie grzejnej w temperaturze 60 °C przez 30 s. Następnie przenieść wafel na inną płytę grzejną w temperaturze 115 °C na 90 s, a potem z powrotem na płytę o temperaturze 60 °C na 30 s.
  14. Ostudzić wafle w temperaturze pokojowej i odczekać 3 h.
  15. Naświetlić wafle przez maskę zawiasów, używając dawki ~460 mJ/cm2 światła UV (365 nm) i maskownicy opartej na lampie rtęciowej. Upewnić się, że znaki pasowania są wyrównane tak, aby zawiasy pokrywały się z panelami.
  16. Wywołać w wywoływaczu MF-26A przez 2 min, wymienić roztwór wywoływacza i wywoływać przez kolejne 2 min.
  17. Za pomocą przecinarki diamentowej pociąć wafel na małe kawałki w taki sposób, aby jeden kawałek zawierał ~50-60 sieci. Pokryć krawędzie kawałków lakierem do paznokci.
  18. Obliczyć całkowitą odsłoniętą powierzchnię zawiasów i na tej podstawie wyznaczyć natężenie prądu wymagane do elektroosadzania lutu Pb-Sn z komercyjnego roztworu do galwanizacji lutem przy gęstości prądu około 20-50 mA/cm2 do uzyskania grubości 15 μm.
  19. Rozpuścić fotorezyst w acetonie. Przepłukać kawałki wafli izopropanolem (IPA) i osuszyć gazem N2.
  20. Zanurzyć kawałek wafla w trawieniu APS 100 na 25-40 s, aby rozpuścić otaczającą warstwę Cu. Przepłukać wodą dejonizowaną (DI) i osuszyć gazem N2.
  21. Zanurzyć kawałek wafla w trawieniu CRE-473 na 30-50 s, aby rozpuścić otaczającą warstwę Cr. Przepłukać wodą dejonizowaną (DI) i osuszyć gazem N2.
  22. Zanurzyć kawałek wafla w ~2-3 ml 1-metylo-2-pirolidynonu (NMP) i podgrzewać w temperaturze 100 °C przez 3-5 min, aż szablony oddzielą się od podłoża.
  23. Przenieść ~20-30 szablonów do małej szalki Petriego i rozłożyć je równomiernie.
  24. Dodać ~3-5 ml NMP oraz ~5-7 kropli płynnego topnika Indalloy 5RMA.
  25. Podgrzewać w temperaturze 100 °C przez 5 min. Na tym etapie płynny topnik Indalloy 5RMA oczyszcza i rozpuszcza wszelkie warstwy tlenków powstałe na lutcie, co zapewnia prawidłowy przepływ lutu po podgrzaniu powyżej punktu topnienia.
  26. Zwiększyć temperaturę płyty grzejnej do 150 °C na 5 min, a następnie powoli zwiększać ją do 200 °C, aż dojdzie do złożenia. Przy temperaturze 200 °C składanie rozpoczyna się po 5-8 min. Mieszanina może stać się brązowawa w miarę przypalania.
  27. Po złożeniu się dwunastościanów pozwolić szalce ostygnąć. Dolać do szalki acetonu, odessać ciecz pipetą, a następnie przepłukać dwunastościany w acetonie, a potem w etanolu.
  28. Przechowywać cząstki dwunastościenne w etanolu.

Przykład 2. Protokół wytwarzania rekonfigurowalnych, cienkowarstwowych, termoczułych mikrochwytaków samoskładających się pod wpływem naprężeń (schemat przedstawiony na Rysunku 4):

  1. Przygotować maski zgodnie z opisem w Kroku 1. Zaprojektować maski tak, aby długość chwytaków od końcówki do końcówki wynosiła 980 μm, przy długości boku panelu centralnego 111 μm i szczelinie zawiasu 50 μm. Typowe maski zawiasów i paneli można zaprojektować analogicznie do Rysunku 1 d-e.
  2. Przygotować wafle krzemowe zgodnie z opisem w Kroku 2.
  3. Nanieść 15 nm warstwę adhezyjną z Cr i 50-100 nm warstwę poświęcalną z Cu za pomocą odparowywacza termicznego.
  4. Nanieść metodą spin-coatingu warstwę S1827 o grubości ~3 μm, używając powlekarki wirówkowej przy 3 000 rpm. Odczekać 3 min, a następnie wypiec wafel na płycie grzejnej w temperaturze 115 °C przez 1 min.
  5. Naświetlić światłem UV (365 nm) dawką ~180 mJ/cm2 przy użyciu maski zawiasu i ekspozytora masek.
  6. Wywoływać przez 40-60 s w rozcieńczonym 5:1 wywoływaczu 351. Płukać wodą DI i osuszyć strumieniem gazu N2.
  7. Nanieść 50 nm Cr i 100 nm Au za pomocą odparowywacza termicznego. Warstwa Cr-Au pełni funkcję dwuwarstwowego zawiasu z naprężeniem szczątkowym w filmie Cr, podczas gdy warstwa Au jest bioobojętną warstwą wspierającą.
  8. Usunąć fotorezyst metodą lift-off w acetonie. Użyć sonikatora przez 3-5 min, aby całkowicie usunąć nadmiar metalu. Przemyć wafel acetonem i IPA, a następnie osuszyć gazem N2.
  9. Nanieść metodą spin-coatingu warstwę SPR220 o grubości ~10 μm przy 1 700 rpm na wafle. Odczekać 3 min.
  10. Przeprowadzić stopniowe wstępne wypiekanie (softbake), umieszczając wafel na płycie grzejnej w 60 °C przez 30 s. Następnie przenieść wafel na inną płytę grzejną w 115 °C na 90 s, a potem z powrotem do 60 °C na 30 s. Odczekać 3 h.
  11. Naświetlić fotorezyst światłem UV (365 nm) dawką ~460 mJ/cm2 za pomocą ekspozytora masek przez maskę panelu.
  12. Wywoływać w wywoływaczu MF-26A przez 2 min, następnie wymienić roztwór wywoływacza i wywoływać przez kolejne 2 min.
  13. Obliczyć całkowitą powierzchnię panelu i na tej podstawie wyznaczyć natężenie prądu wymagane do elektrodepozycji Ni z komercyjnego roztworu sulfamanianu niklu przy szybkości około 1-10 mA/cm2 do uzyskania grubości 5 μm. Dokładnie przepłukać wodą DI.
  14. Wykonać elektrodepozycję lub odparowanie 100 nm Au. Warstwa ta pomaga chronić Ni przed trawieniami używanymi do usunięcia warstwy poświęcalnej.
  15. Usunąć fotorezyst acetonem. Przepłukać wafel IPA i osuszyć gazem N2.
  16. Zmieszać fotorezysty S1813 i S1805 w stosunku objętościowym 1:5. Nanieść mieszaninę metodą spin-coatingu przy 1 800 rpm. Odczekać 3 min, a następnie wypiec na płycie grzejnej w 115 °C przez 1 min. Ta warstwa fotorezystu pełni funkcję warstwy wyzwalającej.
  17. Naświetlić światłem UV (365 nm) dawką ~120 mJ/cm2 w ekspozytorze masek, używając maski zawiasu.
  18. Wywoływać przez 30-50 s w rozcieńczonym 5:1 wywoływaczu 351. Płukać wodą DI i osuszyć gazem N2.
  19. Wyciąć fragment wafla za pomocą przecinarki diamentowej.
  20. Zanurzyć fragment wafla w APS 100, aby wytrawić znajdującą się pod spodem poświęcalną warstwę Cu. Czekać, aż mikrochwytaki zostaną całkowicie oddzielone od podłoża.
  21. Przepłukać mikrochwytaki wodą DI i przechowywać w zimnej wodzie.
  22. Wyzwolić składanie, umieszczając mikrochwytaki w wodzie o temperaturze 37 °C.

7. Reprezentatywne wyniki

Reprezentatywne wyniki przedstawione na Rysunku 5 ukazują samoorganizujące się cząstki wielościenne o różnych kształtach, a także składające się mikrochwytaki. Proces wytwarzania i aktywacji jest wysoce równoległy, a struktury 3D mogą być wytwarzane i uruchamiane jednocześnie. Ponadto w trzech wymiarach, a w razie potrzeby również na wybranych ściankach, można zdefiniować precyzyjne wzory, czego przykładem są pory kwadratowe lub trójkątne. Mikrochwytaki mogą być zamykane w warunkach biologicznie łagodnych, co umożliwia ich wykorzystanie do wycinania tkanek lub załadunku ładunku biologicznego. Dodatkowo, ponieważ mikrochwytaki mogą być wykonane z materiału ferromagnetycznego, mogą być one przemieszczane na odległość przy użyciu pól magnetycznych.

Diagramy kafelkowania i geometrii fraktalnej; etykiety rozmieszczenia przestrzennego i pomiarów; zastosowanie edukacyjne.
Rysunek 1. Zasady projektowania dla syntezy cząstek wzorowanych. (a-c) Zasady projektowania masek dla montażu wzorowanych cząstek wielościanowych; (a) schemat maski paneli dla wielościanu o długości krawędzi L, (b) schemat maski zawiasów zawierającej zawiasy składające (0.2 L x 0.8 L) oraz blokujące lub uszczelniające (0.1 L x 0.8 L), oraz (c) schemat nałożonego 2D prekursora lub siatki. (d-f) Zasady projektowania masek dla samoskładającego się mikrochwytaka; (d) schemat maski zawiasów dla mikrochwytaka o długości od końca do końca D, (e) schemat maski paneli z przerwą zawiasową g, oraz (f) schemat nałożonego 2D prekursora. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy rysunek.

Powstawanie nanostruktur heksagonalnych, analiza emisji optycznej, schemat, mechanizmy składania.
Rysunek 2. Obrazy eksperymentalne i animacje koncepcyjne kluczowych etapów procesu wytwarzania i montażu. (a) Zrzut ekranu maski w programie AutoCAD dla prekursorów dodekaedrów. (b-c) Obrazy optyczne prekursorów 2D dla (b) dodekaedrów oraz (c) mikrochwytaków na podłożu krzemowym. (d) Uwolnione siatki dodekaedrów. Paski skali: 200 μm. (e-n) Animacja koncepcyjna (e-i) montażu dodekaedru napędzanego napięciem powierzchniowym oraz (j-n) składania mikrochwytaka wokół kuleczki napędzanego naprężeniami cienkiej warstwy (Animacja: David Filipiak).

Schemat samozłożenia dla procesu mikrofabrykacji: od wafla krzemowego do formowania sześcianu poprzez warstwy wzorowane.
Rycina 3. Schematyczne przedstawienie kluczowych etapów fabrykacji dla procesu montażu cząstki sześciennej napędzanego napięciem powierzchniowym.

Proces wykonania; schemat; przygotowanie wafla krzemowego, odparowanie warstwy miedzi, wzorowanie Cr/Au, składanie 3D.
Rysunek 4. Schematyczny rysunek kluczowych etapów wykonania urządzenia chwytającego z sześcioma palcami, składanego pod wpływem naprężeń szczątkowych.

Złożony schemat mikrostruktur geometrycznych; analiza mikroskopowa kształtów krystalizacji.
Rysunek 5. Obrazy inspirowanych origami samoorganizujących się cząstek wzorowanych i rekonfigurowalnych. (a) Obraz optyczny samoorganizujących się cząstek o różnych kształtach. (b-e) Obrazy SEM (b) samoorganizującego się porowatego sześcianu, (c) piramidy, (d) ośmiościanu ściętego oraz (e) dwunastościanu. Paski skali: 100 μm. (f-h) Optyczne ujęcia samoskładających się mikrochwytaków oraz (i) obraz SEM złożonego mikrochwytaka (obraz autorstwa Timothy Leong). Paski skali: 200 μm.

Dyskusja

Nasz proces montażu inspirowany origami jest wszechstronny i może być używany do syntezy różnych statycznych i rekonfigurowalnych cząstek 3D z szeroką gamą materiałów, kształtów i rozmiarów. Co więcej, możliwość precyzyjnego modelowania czujników i modułów elektronicznych na tych cząstkach jest ważna dla optyki i elektroniki. W przeciwieństwie do niejednolitych cząstek utworzonych alternatywnymi metodami, gdzie wzory są stosunkowo nieprecyzyjne, ta metodologia zapewnia środki do syntezy precyzyjnie wzorzystych cząstek. W montażu opartym na napięciu powierzchniowym zastosowanie upłynniających zawiasów uszczelniających zapewnia, że cząstki są dobrze uszczelnione i sztywne mechanicznie po montażu (po schłodzeniu). Wcześniej zaobserwowaliśmy, że szwy są szczelne nawet dla małych cząsteczek39,40. Elektroosadzanie cienkiej warstwy Au po montażu może zapewnić dodatkową wytrzymałość i zwiększyć szczelność szwów. Składanie cienkowarstwowe oparte na naprężeniach jest przydatne w zastosowaniach, w których wymagane jest składanie reagujące na bodźce, takie jak mikrochwytaki, które były używane do pobierania próbek biologicznych in vitro i in vivo oraz w operacjach podnoszenia i umieszczania w robotyce. Podczas gdy opisana tutaj konkretna metodologia może być wykorzystana do tworzenia rekonfigurowalnych mikrochwytaków, które zamykają się tylko raz, odpowiedni wybór materiałów i metod do manipulowania naprężeniami w dwuwarstwach może być również wykorzystany do stworzenia urządzeń chwytających, które można rekonfigurować w wielu cyklach37, 41. Zaletą wykorzystania naprężeń szczątkowych do zasilania tych urządzeń jest to, że nie wymagają one żadnych uwięzi ani przewodów, a więc mają doskonałą zwrotność, aby umożliwić uruchamianie w trudno dostępnych miejscach. Ponadto, dzięki odpowiedniemu doborowi polimerowych wyzwalaczy, zachowanie reagujące na bodźce może być możliwe za pomocą szeregu bodźców, w tym enzymów42 , aby umożliwić autonomiczne działanie mające znaczenie dla robotyki i chirurgii.

Oświadczenia

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Podziękowania

Potwierdzamy finansowanie z NSF poprzez granty CMMI 0854881 i CBET 1066898. Autorzy dziękują Matthew Mullensowi za pomocne sugestie.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
950 Polimetakrylan metylu A11 Micro ChemM230011Warstwa protektorowa
Chromowane pręty wolframoweR. D. Mathis CompanyCRW-2Źródło parowania dla
ślimaka miedzianegoAlfa Aesar7440-50-8Źródło parowania dla ślimaka Cu
GoldAlfa Aesar7440-57-5Źródło parowania dla Au
SPR 220 7.0Rohm i Haas10016640Fotorezystu dodatni
seria S 1800 FotorezystuRohm i HassFotorezystu dodatni
Megaposit MF-26 A Programista Rohm i Haas10016574Twórca fotorezystu SPR 220 7.0
Programista Microposit 351Rohm i Hass10016653Twórca fotorezystorów serii S 1800
Nickel SulfamateTechnic Inc. 030175Rozwiązanie galwaniczne dla
Ni Techni Solder Mate NF 820 60/40 RTUTechnic Inc.330681Rozwiązanie do powlekania zawiasów Pb-Sn
APS 100 Wytrawiacz miedzi Transene Company Inc.021221Wytrawiacz miedzi
CRE 473 Wytrawiacz chromowy Transene Company Inc.040901Wytrawiacz chromowy
1-metylo-2-pyrollidynon (NMP)Sigma-AldrichM79603Rozpuszczalnik organiczny o wysokiej temperaturze wrzenia do samoskładającego
się topnika Indalloy 5RMAIndium Corporation of AmericaFL28372Substancja chemiczna, która czyści powierzchnię lutu i hamuje utlenianie, zapewniając dobry rozpływ Pb-Sn
Cr na bazie zawiasów Pb-Sn

Bibliografia

  1. Syms, R. R. A., Yeatman, E. M. Self-assembly of 3-dimensional microstructures using rotation by surface-tension forces. Electronics Letters. 29 (8), 662-664 (1993).
  2. Smela, E., Inganas, O., Lundstrom, I. Controlled folding of micrometer-size structures. Science. 268 (5218), 1735-1738 (1995).
  3. Ebefors, T., Kalvesten, E., Stemme, G. New small radius joints based on thermal shrinkage of polyimide in V-grooves for robust self-assembly 3D microstructures. Journal of Micromechanics and Microengineering. 8, 188-194 (1998).
  4. Syms, R. R. A. Rotational self-assembly of complex microstructures by the surface tension of glass. Sensors and Actuators A. 65, 238-243 (1998).
  5. Prinz, V. Y., et al. Free-standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays. Physica E. 6, 828-831 (2000).
  6. Vaccaro, P. O., Kubota, K., Aida, T. Strain-driven self-positioning of micromachined structures. Applied Physics Letters. 78 (19), 2852-2854 (2001).
  7. Schmidt, O. G., Eberl, K. Nanotechnology: Thin solid films roll up into nanotubes. Nature. 410, 168(2001).
  8. Solder self-assembled micro axial flow fan driven by a scratch drive actuator rotary motor. Kladitis, P. E., Linderman, R. J., Bright, V. M. Proceedings of the 14th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 21-25 Jan, Interlaken, Switzerland, , 598-601 (2001).
  9. Gracias, D. H., Kavthekar, V., Love, J. C., Paul, K. E., Whitesides, G. M. Fabrication of micrometer-scale, patterned polyhedra by self-assembly. Advanced Materials. 14 (3), 235-238 (2002).
  10. Dahlmann, G. W., Yeatman, E. M., Young, P., Robertson, I. D., Lucyszyn, S. Fabrication, RF characteristics and mechanical stability of self-assembled 3D microwave inductors. Sensors and Actuators A. 97-98, 215-220 (2002).
  11. A scanning micromirror with angular comb drive actuation. Patterson, P. R., et al. Proceedings of the 15th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Jan 20-24, Las Vegas, Nevada, , 544-547 (2001).
  12. Syms, R. R. A., Yeatman, E. M., Bright, V. M., Whitesides, G. M. Surface Tension-Powered Self-Assembly of Microstructures-The State-of-the-Art. Journal of Microelectromechanical Systems. 12 (4), 387-417 (2003).
  13. Kubota, K., Fleischmann, T., Saravanan, S., Vaccaro, P. O., Aida, T. Self-assembly of microstage using micro-origami technique on GaAs. Japanese Journal of Applied Physics. 42, 4079-4083 (2003).
  14. Boncheva, M., Whitesides, G. M. Templated self-assembly: Formation of folded structures by relaxation of pre-stressed, planar tapes. Advanced Materials. 17 (5), 553-557 (2005).
  15. Hong, Y. K., Syms, R. R. A., Pister, K. S. J., Zhou, L. X. Design, fabrication and test of self-assembled optical corner cube reflectors. Journal of Micromechanics and Microengneering. 15, 663-672 (2005).
  16. Arora, W. J., Nichol, A. J., Smith, H. I., Barbastathis, G. Membrane folding to achieve three-dimensional nanostructures: Nanopatterned silicon nitride folded with stressed chromium hinges. Applied Physics Letters. 88, 053108(2006).
  17. Leong, T. G., Zarafshar, A. M., Gracias, D. H. Three-Dimensional Fabrication at Small Size Scales. Small. 6 (7), 792-806 (2010).
  18. Wang, M. -F., Maleki, T., Ziaie, B. A self-assembled 3D microelectrode array. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20, 035013(2010).
  19. Ionov, L. Soft microorigami: self-folding polymer films. Soft Matter. 7, 6786-6791 (2011).
  20. Randall, C. L., Gultepe, E., Gracias, D. H. Self-folding devices and materials for biomedical applications. Trends in Biotechnology. 30 (3), 138-146 (2012).
  21. Gimi, B., et al. Self-assembled three dimensional radio frequency (RF) shielded containers for cell encapsulation. Biomedical Microdevices. 7 (4), 341-345 (2005).
  22. Cho, J. H., Azam, A., Gracias, D. H. Three dimensional nanofabrication using surface forces. Langmuir. 26 (21), 16534-16539 (2010).
  23. Pandey, S., et al. Algorithmic design of self-folding polyhedra. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (50), 19885-19890 (2011).
  24. Leong, T. G., Benson, B. R., Call, E. K., Gracias, D. H. Thin film stress driven self-folding of microstructured containers. Small. 4 (10), 1605-1609 (2008).
  25. Leong, T. G., et al. Tetherless thermobiochemically actuated microgrippers. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (3), 703-708 (2009).
  26. Cho, J. H., Gracias, D. H. Self-assembly of lithographically patterned nanoparticles. Nano Letters. 9 (12), 4049-4052 (2009).
  27. Azam, A., Laflin, K., Jamal, M., Fernandes, R., Gracias, D. H. Self-folding micropatterned polymeric containers. Biomedical Microdevices. 13 (1), 51-58 (2011).
  28. Azam, A., Leong, T. G., Zarafshar, A. M., Gracias, D. H. Compactness determines the success of cube and octahedron self-assembly. PLoS One. 4 (2), e4451(2009).
  29. Harsh, K., Lee, Y. C. Modeling for solder self-assembled MEMS. Proceedings of SPIE. 3289, 177-184 (1998).
  30. Syms, R. R. A. Equilibrium of hinged and hingeless structures rotated using surface tension forces. Journal of Microelectromechanical Systems. 4 (4), 177-184 (1995).
  31. Leong, T. G., Lester, P. A., Koh, T. L., Call, E. K., Gracias, D. H. Surface tension-driven self-folding polyhedra. Langmuir. 23, 8747-8751 (2007).
  32. Harsh, K. F., Bright, V. M., Lee, Y. C. Solder self-assembly for three-dimensional microelectromechanical systems. Sensors and Actuators A. 77, 237-244 (1999).
  33. Nikishkov, G. P. Curvature estimation for multilayer hinged structures with initial strains. Journal of Applied Physics. 94 (8), 5333-5336 (2003).
  34. He, H. Y., Guan, J. J., Lee, J. L. An oral delivery device based on self-folding hydrogels. Journal of Controlled Release. 110 (2), 339-346 (2006).
  35. Luchnikov, V., Sydorenko, O., Stamm, M. Self-rolled polymer and composite polymer/metal micro- and nanotubes with patterned inner walls. Advanced Materials. 17, 1177-1182 (2005).
  36. Bassik, N., Abebe, B. T., Laflin, K. E., Gracias, D. H. Photolithographically patterned smart hydrogel based bilayer actuators. Polymer. 51 (26), 6093-6098 (2010).
  37. Jamal, M., Zarafshar, A. M., Gracias, D. H. Differentially photo-crosslinked polymers enable self-assembling microfluidics. Nature Communications. 2 (527), 1-6 (2011).
  38. Harazim, S. M., Xi, W., Schmidt, C. K., Sanchez, S., Schmidt, O. G. Fabrication and applications of large arrays of multifunctional rolled-up SiO/SiO2 microtubes. Journal of Materials Chemistry. 22, 2878-2884 (2012).
  39. Randall, C. L., Kalinin, Y. V., Jamal, M., Shah, A., Gracias, D. H. Self-folding immunoprotective cell encapsulation devices. Nanomedicine. 7 (6), 686-689 (2011).
  40. Kalinin, Y. V., Randhawa, J. S., Gracias, D. H. Three dimensional chemical patterns for cellular self-organization. Angewandte Chemie. 50 (11), 2549-2553 (2011).
  41. Randhawa, J. S., Keung, M. D., Tyagi, P., Gracias, D. H. Reversible actuation of microstructures by surface chemical modification of thin film bilayers. Advanced Materials. 22 (3), 407-410 (2010).
  42. Bassik, N., et al. Enzymatically triggered actuation of miniaturized tools. Journal of the American Chemical Society. 132, 16314-16317 (2010).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Samoorganizacja origamicząstki z wzoremfotolitografiametody samoskładanianapięcie powierzchniowenaprężenie resztkowesamoorganizacja wielościanówmikrochwytakinanolitografia
Inspirowany origami samomontaż wzorzystych i rekonfigurowalnych cząstek
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.