Uma abordagem litografia micropunching é desenvolvido para gerar micro e submicron-padrões na parte superior, lateral e superfícies inferiores de polímero substratos. Ela supera os obstáculos da padronização polímeros condutores e gerar padrões de paredes laterais. Este método permite a fabricação rápida de várias características e é livre de química agressiva.
Os polímeros condutores têm atraído grande atenção desde a descoberta da alta condutividade em poliacetileno dopado em 1977 1. Eles oferecem as vantagens de baixo peso, costura fácil de propriedades e um amplo espectro de aplicações de 2,3. Devido à sensibilidade dos polímeros condutores às condições ambientais (por exemplo, ar, as soluções de oxigénio, humidade, temperatura elevada e química), técnicas litográficas apresentar desafios significativos técnicas quando se trabalha com estes 4 materiais. Por exemplo, os actuais métodos de fotolitografia, tais como ultra-violeta (UV), são inadequados para padronização dos polímeros condutores, devido ao envolvimento dos molhado e / ou seca processos de corrosão nesses métodos. Além disso, os actuais micro / nanosistemas principalmente têm uma forma plana 5,6. Uma camada de estruturas é construído sobre as superfícies de topo de uma outra camada de características fabricadas. As camadas múltiplas de estas estruturas são empilhados em conjunto para formar numerosos dispositivos emum substrato comum. As superfícies de parede lateral do microestruturas não têm sido usados em dispositivos de construção. Por outro lado, os padrões de parede lateral pode ser usado, por exemplo, para construir 3-D circuitos, modificar canais fluídicos e crescimento directo horizontal de nanofios e nanotubos.
Um método macropunching tem sido aplicado na indústria de fabrico para criar macropatterns em uma chapa de metal por mais de cem anos. Motivado por esta abordagem, temos desenvolvido um método de litografia micropunching (MPL) para superar os obstáculos da padronização polímeros condutores e gerar padrões de paredes laterais. Como o método macropunching, o MPL também inclui duas operações (Fig. 1): (i) de corte, e (ii) de desenho. A operação de "corte" foi aplicada ao padrão de três polímeros condutores 4, de polipirrol (PPy), poli (3,4-ethylenedioxythiophen)-poli (4-styrenesulphonate) (PEDOT) e polianilina (PANI). Ele também foi usado para criar microestruturas al 7. As microestruturas fabricadas de polímeros condutores têm sido utilizados como humidade 8, 8 química, e glucose sensores 9. Microestruturas combinados de Al e polímeros condutores têm sido empregadas para fabricar capacitores e heterojunções vários 9,10,11. A operação de "corte", também foi aplicado para gerar submicrométricas-padrões, como o 100 – e 500-nm de largura linhas PPy, bem como fios 100-nm de largura Au. O "desenho" operação foi empregue para duas aplicações: (i) produzir padrões Au de parede lateral em polietileno de alta densidade (HDPE) canais que podem ser utilizados para a construção de 3D microssistemas 12,13,14, e (ii) fabricar polidimetilsiloxano (PDMS) micropillars em substratos de HDPE para aumentar o ângulo de contacto do canal 15.
A. Esquema do MPL
O método inclui macropunching "corte" e "desenhar" as operações. A operação de "corte" adota moldes de estruturas afiadas convexas e inclui três passos básicos (Fig. 1 (A1-A3)). Em primeiro lugar, coloca uma folha de metal sobre um substrato rígido (Fig. 1 (a1)). Em segundo lugar, trazer um molde de Si eo substrato em contacto físico por uma força elevada. Durante esta segunda etapa, a parte do metal directamente por baixo do molde estruturas convexas é primeiro cortada a partir do metal vizinho pelas estruturas do molde convexo, e então empurrado para baixo para a parte inferior dos padrões côncavas no substrato (Fig. 1 (a2) ). Finalmente, separar o molde eo substrato, completando a padronização da folha de metal (Fig. 1 (a3)). O "desenho" operação utiliza um processo de fabricação similar. No entanto, adota moldes de estruturas rodada gumes convexos (Fig. 1 (b1)). Além disso, oaplicada força de inserção e velocidade são muito menores e menor do que suas contrapartes na operação de "corte". Estas diferenças diminuir as tensões presente na parte da folha de metal sob estruturas convexas. Consequentemente, esta parte da chapa é só empurrou para baixo, mas não cortar no "desenho" A operação (Fig. 1 (b2-b3)).
Na operação de "corte" do MPL (Fig. 1 (C1-C3)), (i) um substrato de Si revestido com uma camada de um polímero intermediário e uma camada de um material a ser impresso são aquecidos acima da temperatura de transição vítrea ( T g: temperatura de amolecimento) do polímero intermediário e abaixo de T m (temperatura de fusão) ou T g do material alvo (Fig. 1 (C1)), (ii) o molde eo substrato são postos em contacto físico por alta pressão , seguido por arrefecimento subsequente (Fig. 1 (c2)), e (iii) que são separados quando a sua temperatura é inferiorT g do polímero intermediário, de completar a transferência padrão a partir do molde para a camada de alvo (Fig. 1 (c3)). O "desenho" da operação MPL (Fig. 1 (d1-d3)) tem etapas de fabricação semelhante ao "corte". No entanto, o "desenho" usa moldes de PDMS macios. Envolve também uma menor força de inserção, uma menor velocidade de inserção, e uma temperatura superior a impressão (o que reduz a viscosidade do polímero intermediário e, assim, aumenta a sua mobilidade). Por conseguinte, as características da superfície superior da curva de substrato para cima devido à tensão superficial e alta mobilidade do intermediário de polímero. O molde Si pode ser limpa e reutilizada para as etapas sucessivas de estampagem. O molde pode ser limpa com acetona e água DI; e secou-se cuidadosamente com N 2 antes de cada utilização. No caso de resíduos permanecem nas microestruturas do molde, pode ser limpo com solução Nanostrip e água DI; e secou-se com N2.
B. CuObtenção de Operação em MPL de Geração de metal e polímero condutor micropadrões
C. operação de corte do MPL para gerar micro-Sub Ppatterns de metal e polímero condutor
Com base no procedimento ilustrado na fig. 1 (C1-C3), Si moldes com sub-micron características são utilizados para gerar padrões desejados de metal e polímeros condutores. A fabricação é detalhado abaixo.
D. Desenho Operação do MPL para gerar micropadrões em paredes laterais de Polímeros e Substratos Si.
Seguindo o procedimento na fig. 1 (d1-d3), o "desenho" A operação éusado para gerar e Au PDMS micropadrões sobre as paredes laterais de microcanais HDPE. O material correspondente sobre o substrato HDPE é Au ou PDMS, que segue o perfil da superfície do polímero intermediário camada durante imprinting. A fabricação é detalhado abaixo.
Resultados E. Representante
Em resumo, os resultados de MPL estão listados abaixo:
Figura 1 O processo de "corte" na criação de macropatterns convexos em uma chapa metálica (cross-section esquemas):. (a1) colocar uma folha de metal na parte superior do substrato, (a2) inserir o molde para o substrato, e (a3) o molde separada e do substrato. O "desenho" processo na fabricação de macropatterns côncavas: (b1) lugar uma folha de metal sobre o substrato, (b2) inserir o molde para o substrato, e (b3) separar o molde e do substrato. A operação de "corte" do método MPL na fabricação de estruturas convexas (cross-secção esquemas): (c1) calor do substrato, (c2) inserir o molde para o substrato, e (c3) separar o molde e do substrato. O "desenho" operação da abordagem MPL na fabricação de estruturas côncavas: (d1) calor do substrato, (d2) inserir o molde para o substrato, e (d3) separar o molde e do substrato.
Figura 2 Projetos de moldes de silício (vista superior): (A1) de linhas retas, (a2) pontos quadrados, estruturas (A3) de armação, e (A4) de linhas sinuosas..(B) A máquina de estampagem a quente. MEV das estruturas Al gerados: (c1) 10-m de largura linhas, (c2) 20 × 20 mM 2 pontos, e estruturas (C3) treliça. (D1) Esquema das microestruturas que consistem de múltiplas estruturas, (d2) de 300 m de largura em linha reta; (D3) de 50 m de largura padrões de microfios serpentina de PPy, PEDOT e Spani fabricado simultaneamente com a operação de "corte" do MPL . (E) A umidade sensoriamento configuração experimental, e (f) umidade sentindo os resultados com filme de PPy e sensor microfio 4, 7, 8. Clique aqui para ver maior figura .
Figura 3. Layouts de: (a1) duas e (A2) três camadas de dispositivos, (b) esquema de um molde de Si (vista de topo) utilizados para fabricar multi-camada dispositivos, (c) da imagem SEM de um 300-iM de largura, em forma de microline PPY-PEDOT heterojunção; e close-up SEM vistas de seções transversais de: (d) PPy-PEDOT heterojunção; (e) diodo Al-PEDOT; (f) capacitor PEDOT-PMMA-PEDOT; resultados da caracterização de heterojunção: (g1) PPy / PEDOT; (g2 ) Al / PEDOT e (g3) PEDOT / PMMA / PEDOT 9,11.
Figura 4 (a) AFM varredura dos fios em relevo de 500 nm de largura PPy,. MEV de (b) em relevo as linhas 100-nm de largura PPy e (c) fios 100-nm de largura Au. Clique aqui para ver ampliado descobrir .
A Figura 5 Fabricação de um substrato de HDPE com padrões de Au:. (Ab) usando uma máscara de características desejadas, expor e desenvolver a camada de S1813; (cd) depósito de Au e remover a camada de S1813; (EF) imprimindo os substratos usando um reforçado Si PDMS molde, e (g) após demolDing, um substrato com padrões de paredes laterais que consistem de características Au 12.
A Figura 6 Fabricação de um filme PDMS com micropillars:. (A) fabricar uma SU-8 molde, (b) de spin-revestimento e curar uma camada de PDMS, (c) remover a camada de PDMS do SU-8 molde; (d) imprimindo o substrato utilizando um molde de Al, e (EF), após a desmoldagem, um substrato com padrões de paredes laterais que consistem em micropillars PDMS, são obtidos 15.
A Figura 7 (a) disposição dos pontos Au; imagens SEM de:. (B) 10 x 10 uM 2 pontos, e (c) 110 mícrons de largura de linhas. As dimensões dos canais gerados em HDPE são de 1 cm x 300 mm x 42 uM (comprimento x largura x profundidade); micropillars PDMS gerados sobre a parte superior, inferior e canais laterais surfaces1 mm de largura de HDPE: (d) vista em corte transversal docanal; MEV de (e) superior; (f) de canto inferior do canal, e (gh) de contacto resultados da medição do ângulo em pilares de PDMS 12,15. Os pilares de PDMS tem as dimensões de 10 x 10 uM uM x 27 uM. As dimensões dos canais em HDPE são 20 mm x 1 mm x 1 mm (comprimento x largura x altura).
Solução de problemas: Os pontos críticos em relação a geração de micropadrões simples e múltiplas camadas de polímeros condutores e metais usando a operação de "corte": (1) Temperatura de relevo garante a fluidez da camada de PMMA intermediário que gera os melhores resultados. É aconselhável para iniciar no limite inferior do intervalo e aumentar a temperatura gradualmente se os resultados desejados não são alcançados. Demasiado alta temperatura pode causar a camada de polímero condutor para alterar a sua química e / ou propriedades eléctricas. (2) Se a força de impressão é demasiado alto, pode fazer com que o molde de Si para quebrar durante a gravação a; que força baixa pode resultar em enchimento do molde imprópria e as camadas de polímero podem não ser cortado. (3) A máquina de estampagem deve ser programado para começar a imprimir apenas depois de o substrato tenha atingido o valor da temperatura conjunto. (4) O perfil da marca depende de características de tamanho, imprimindo insegurança temperatura, força e moldetempo rt; e pode variar entre um com arestas vivas para uma posição mais arredondada. Como o número de polímero aumento camadas, o perfil tende a ser arredondados nas arestas. (5) moldes de Si com arestas vivas são preferidos para assegurar que os condutores de polímero / metal camadas são de corte, como desejado. A utilização de um molde de Si com paredes laterais inclinadas não é recomendada. (6) utilização do molde de Si muito profunda pode causar stiction entre o molde ea camada de polímero (s). Se o molde é muito raso, pode não ser capaz de alcançar "corte" da camada superior (s). (7) Recomenda-se que uma película anti-atrito estático (por exemplo, de teflon) deve ser revestida sobre o molde de Si para facilmente separando-o do substrato durante o processo de desmoldagem. (8) tempo de inserção baixa molde não pode resultar em "corte" eo perfil de molde pode ser arredondada. Se o tamanho característica é pequena, vezes mais de inserção são necessários e vice-versa. (9) mais espessas condutoras de polímero / metal filmes são mecanicamente mais forte em comparação com mais finas. No entanto, com oespessura combinada de a camada superior não deve ser mais do que a espessura da camada de PMMA intermédia. (10) temperatura de desmoldagem deve ser inferior a 105 ° C (T g de PMMA). Um valor elevado pode resultar no substrato sendo curvo-se após a desmoldagem e um valor baixo pode causar o molde Si para manter o substrato e se quebram.
Os pontos críticos em relação a geração do PPy sub-micron e fios Au: (1) Antes de usar os moldes de Si, pela primeira vez, não há scans AFM e SEM do molde deverá ser executado. Isto é necessário para manter a superfície pura do molde de silicone. (2) Procedimentos de limpeza agressivos, tais como utilizando uma solução de NanoStrip ou plasma de oxigénio deve ser evitada, pois existe uma possibilidade de aumentar a rugosidade da superfície do molde de silicone. Isto pode induzir stiction entre o molde de silicone ea camada de polímero condutor. (3) A espessura da camada superior (polímero condutor ou de metal) deve ser menor do que a profundidade do moldepara o corte de fora da camada nas bordas. Não há qualquer limitação, tais sobre a espessura da camada de polímero isolante. (4) A rugosidade da superfície do molde de silicone deve ser mínimo. No caso de a superfície do molde de silicone é áspera devido ao processamento ou de contaminação, pode não haver contacto perfeito entre o molde eo substrato, resultando na transferência de padrão indevida.
Os pontos críticos em relação geração de micropadrões Au em canais de HDPE: (1) A temperaturas mais elevadas de estampagem (≥ 136 ° C), as linhas de Au não se curvam-se a seguir a superfície como o HDPE é amolecida. (2) Em profundidades superiores do molde (igual ou superior a 42 mm), as linhas de Au pode quebrar nas bordas dos canais de HDPE devido ao stress 12.
Os pontos críticos em relação a geração de canais de HDPE com micropillars PDMS: (1) Se a altura das micropillars PDMS é grande, pode cair para baixo após a libertação da SU-8 molde. (2) alta relação de aspecto de pilares de PDMS podemser danificado durante o "desenho" passo 15.
The authors have nothing to disclose.
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 |