Summary
Een micropunching lithografie wordt aangepakt micro-en submicron-patronen op, zijwand en onderkant van polymeersubstraten genereren. Het overwint de obstakels van patronen geleidende polymeren en het genereren van zijwand patronen. Deze methode maakt een snelle fabricage van meerdere functies en is vrij van agressieve chemie.
Abstract
Geleidende polymeren hebben aangetrokken veel aandacht sinds de ontdekking van een hoge geleidbaarheid in gedoteerde polyacetyleen in 1977 1. Zij bieden het voordeel van een laag gewicht, gemakkelijk afstemming van eigenschappen en een breed spectrum van toepassingen 2,3. Vanwege de gevoeligheid van geleidende polymeren aan milieu-omstandigheden (bv lucht, zuurstof, vocht, hoge temperaturen en chemische oplossingen), lithografische technieken bieden grote technische uitdagingen bij het werken met deze materialen 4. Bijvoorbeeld huidige fotolithografische methoden, zoals ultra-violet (UV), zijn ongeschikt voor de patronen geleidende polymeren door de betrokkenheid van water en / of droog etsprocessen in deze methoden. Bovendien is de huidige micro / nanosystemen vooral een vlakke vorm 5,6. Een laag van structuren is gebaseerd op de bovenvlakken van de andere laag van gefabriceerde elementen. Meerdere lagen van deze structuren worden samen gestapeld tot tal van apparaten te vormen opeen gemeenschappelijk substraat. De zijwand oppervlakken van de microstructuren niet zijn gebruikt in de bouw van apparaten. Anderzijds kan zijwand patronen worden gebruikt, bijvoorbeeld 3-D circuits bouwen passen vloeibare kanalen rechtstreeks horizontaal groeit nanodraden en nanobuisjes.
Een macropunching methode is toegepast in de industrie naar de macropatterns in een plaat te maken voor meer dan honderd jaar. Gemotiveerd door deze aanpak hebben we een micropunching lithografie methode (MPL) om de obstakels van patronen geleidende polymeren en het genereren van zijwand patronen te overwinnen. Net als de macropunching methode, MPL ook twee bewerkingen (Fig. 1): (i) snijden en (ii) tekening. De "snijden" werd toegepast patroon drie geleidende polymeren 4 polypyrrool (PPY), poly (3,4-ethylenedioxythiophen)-poly (4-styrenesulphonate) (PEDOT) en polyaniline (PANI). Ook werd gebruikt om maken Al microstructuren 7. De gemaakt microstructuur van geleidende polymeren zijn gebruikt als vochtigheid 8 chemische 8 en glucose sensoren 9. Gecombineerd microstructuren van Al en geleidende polymeren zijn gebruikt om condensatoren en diverse heterojuncties 9,10,11 fabriceren. De "snijden" operatie werd ook toegepast op submicron-patronen, zoals 100 te genereren - en 500-nm-brede PPY lijnen en 100-nm-brede Au draden. De "tekening" werd gebruikt voor twee toepassingen: (i) Au zijwand patronen produceren van hoge dichtheid polyetheen (HDPE) kanalen die kunnen worden gebruikt voor het bouwen 3D microsystemen 12,13,14, en (ii) fabriceren polydimethylsiloxaan (PDMS) micropillars op HDPE substraten de contacthoek van het kanaal 15 te verhogen.
Protocol
A. Schema van de MPL
De macropunching methode omvat "snijden" en "tekenen"-operaties. De "snijden" operatie neemt mallen van scherpe convexe structuren en omvat drie basisstappen (afb. 1 (A1-A3)). Plaats eerst een plaat metaal op een stijve ondergrond (afb. 1 (A1)). Tweede brengt een Si matrijs en het substraat in aanraking met een grote kracht. In deze tweede stap wordt het deel van de metalen direct onder convex matrijs structuren eerste afgesneden van de naburige metaal door de convexe vorm structuren en geduwd naar de bodem van de holle patronen in het substraat (Fig. 1 (a2) ). Tenslotte scheiden de mal en het substraat, de voltooiing van de patronen van de plaat (Fig. 1 (a3)). De "tekening" operatie maakt gebruik van een soortgelijke fabricageproces. Echter neemt vormen ronde randen convex structuren (Fig. 1 (b1)). Bovendien is detoegepaste inbrengen kracht en snelheid zijn veel kleiner en lager dan hun tegenhangers in de "snijden" operatie. Deze verschillen verlagen spanningen in het gedeelte van de plaat onder convex structuren. Daarom wordt dit deel van het plaatwerk gewoon naar beneden gedrukt, maar niet afgesneden in de "tekening" (Fig. 1 (B2-B3)).
In de "snijden" de werking van de MPL (Fig. 1 (C1-C3)), (i) een Si substraat bekleed met een laag van een tussenproduct polymeer en een laag van een te bedrukken materiaal wordt verwarmd tot boven glasovergangstemperatuur ( Tg: verwekingspunt) van het tussengedeelte polymeer en onder Tm (smelttemperatuur) of Tg van de beoogde materiaal (Fig. 1 (c1)), (ii) de mal en het substraat worden gebracht in fysiek contact onder hoge druk gevolgd door verdere afkoeling (Fig. 1 (c2)) en (iii) worden gescheiden wanneer de temperatuur onderTg van het tussenproduct polymeer voltooiing van de patroon overdracht van de mal de doellaag (Fig. 1 (c3)). De "tekening" de werking van de MPL (afb. 1 (D1-D3)) heeft fabricage stappen vergelijkbaar met de "snijden." Toch is de "tekening" maakt gebruik van zachte PDMS schimmels. Het betekent ook een kleinere insteekkracht een lagere snelheid inbrengen, en een hogere druk temperatuur (die verlaagt de viscositeit van de intermediaire polymeer en dus verhoogt de mobiliteit). Dienovereenkomstig, de kenmerken op het bovenvlak van het substraat curve tot door de oppervlaktespanning en de hoge mobiliteit van tussenproduct polymeer. De Si matrijs kan worden gereinigd en opnieuw worden gebruikt voor opeenvolgende stappen reliëf. De matrijs kan worden gereinigd met aceton en DI water en gedroogd grondig met N2 voor elk gebruik. In geval achterblijven in de microfeatures van de matrijs kan worden gereinigd met Nanostrip oplossing en DI water en gedroogd met N2.
B. Cutting Bediening in MPL voor het genereren van Metal en uitvoeren van Polymer Micropatterns
- Enkellaags microstructuren op een substraat: volgens de procedure in Fig. 1 (C1-C3) wordt een laag van microstructuren gegenereerd op een substraat. Tijdens de fabricage is het substraat bedekt met een laag van tussenproduct polymeer, gevolgd door coating een laag van een materiaal (geleidend polymeer of metaal) of een laag van verschillende materialen. Bijgevolg na warm reliëf wordt een laag van microstructuren van een of meer materialen die op het substraat. De fabricage wordt hieronder beschreven.
- Fabriceren Si vormen van de gewenste afmetingen met behulp van conventionele UV lithografie (Fig. 2a). De details van de vervaardiging van de matrijs Si bij 4. Fig. 2 (A1-A4) tonen de lay-outs van de Si matrijzen gebruikt voor de processen.
- Een niet-geleidende PMMA vel afmetingen 500 pm x 170 mm x 170 mm als de tussenlaag, en plaats deze op een stijf, vlak substraat.
- Om microstructuur van een te genereren: spin-laag geleidend polymeer (PpY, PEDOT of Spaanse overheersing gedragen) op de PMMA vel of gestort Al met thermische verdamping tot een dikte van 100-500 nm.
- Om microstructuur van meerdere geleidende polymeren vervaardigen: spin-laag PPY (bij 2000 rpm), PEDOT (2500 rpm) en Spaanse overheersing gedragen (1500 rpm) op verschillende delen van de plaat PMMA. Voorafgaand aan de spin-coating de eerste geleidende polymeerlaag op een plek op de PMMA-plaat, betrekking hebben op de andere gebieden met behulp van plakband. Voor het coaten van andere geleidend polymeer lagen, moeten de oude lagen en lege gebieden die worden gedekt door plakband. Deze procedure moet worden herhaald om laag meerdere lagen op de gewenste plaatsen op het substraat. De gecoate PpY, PEDOT en Spaanse overheersing gedragen zijn 500 nm, 5 micrometer en 200 nm dik, respectievelijk.
- Emboss de ondergrond met behulp van een hot-embossing machine (model: Hex 01/LT, Jenoptik Mikrotechnik Company) (afb. 2b). De temperatuur, kracht en schimmels inbrengen tijd zijn 130 tot 160 ° C, 1500-1800 N en 120-200 s, respectievelijk. Voer Lostijd bij 80-95 ° C met een snelheid van 1,5 mm / min. De resultaten van enkellaags microstructuur van een materiaal worden weergegeven in Fig. 2 (C1-C3). De resultaten van enkellaags microstructuur van verschillende materialen zijn in Fig. 2 (D2-D3).
- Toepassing van PPY microdraden als een vochtsensor
- Spin laag PPY 1500 rpm een 1 urn dik film van zone 1 x 1 cm 2 genereren twee externe draden aan weerszijden van de film met Ag epoxylijm geleidbaarheidsmetingen.
- Spin jas bij 1500 toeren per minuut om een PPY film met een dikte van 1 um te genereren. Voer embossing met parameters in stap 4 tot en met PPY microdraden van lengte 5000 um en breedte 300 urn te genereren en extern contact draden hechten aan de twee eind-s van een enkele Microwire met Ag epoxy.
- Plaats de PPY film en Microwire sensoren in een luchtdichte dashboardkastje met een hygrometer en luchtbevochtiger. De luchtbevochtiger zou gecontroleerde stijging van de vochtigheidsgraad in het handschoenenkastje. Sluit de stroomdraden een Keithley Probe station IV metingen voor elke sensor (Fig. 2e).
- Bereken de gevoeligheid van elke sensor volgens de volgende formule:
waar R en R f i de laatste en de eerste weerstand van de film en Microwire sensoren, respectievelijk. Meet R i aan de basis luchtvochtigheid (bij kamertemperatuur) en Rf in elk vochtgehalte van de film en Microwire sensoren. - Fig. 2f toont de resultaten van de gevoeligheid (AR / R) metingen in 8 48% tot 85% relatieve vochtigheid.Er werd waargenomen dat de gevoeligheid van de sensor PPY Microwire hoger dan de film sensor 48% tot 58%. Naast 58% van de gevoeligheden van de film en Microwire sensoren waren vergelijkbaar.
- Meerlaagse microstructuren op een substraat: gebaseerd op de procedure in Fig. 1 (C1-C3), wordt de toplaag vervangen door een combinatie van twee of drie polymeren / metaallagen, respectievelijk meerlaagse microstructuren genereren. De inrichting inrichting is weergegeven in Fig. 3 (A1-A2). De fabricage wordt hieronder beschreven.
- Fabriceren een Si mal van de gewenste afmetingen met behulp van conventionele UV lithografie (Fig. 3b).
- Een niet-geleidende PMMA vel afmetingen 500 pm x 170 mm x 170 mm de tussenlaag en het op een stijve, vlakke ondergrond te plaatsen.
- Om twee lagen PPY-PEDOT heterojunctie genereren: (i) spin-laag bij 1000 rpm in een 10 urn dikke laag te verkrijgen PEDOT de PMMA vel, (ii) bakken de subsconcentreren bij 80 ° C gedurende 1 uur, (iii) spin-laag bij 1500 rpm 1 urn dik PPY film te verkrijgen op PEDOT laag en (iv) het substraat bak bij 80 ° C gedurende 5 minuten.
- Om twee lagen Al-PEDOT diodes genereren: (i) spin-laag bij 1000 rpm in een 10 urn dikke laag te verkrijgen PEDOT de PMMA vel, (ii) bakken het substraat bij 80 ° C gedurende 1 uur, en ( iii) laag een 200 nm dikke film Al de PEDOT laag door thermische verdamping.
- Aan drie lagen PEDOT-PMMA-PEDOT condensatoren genereren: (i) spin-laag bij 1000 rpm in een 10 urn dikke PEDOT laag op de PMMA blad te verkrijgen, (ii) het substraat bakken bij 80 ° C gedurende 1 uur (iii) spin-laag bij 1000 rpm meerdere malen een PMMA film dikte 15-20 pm op PEDOT laag (iv) het substraat bak 80 verkrijgen ° C gedurende 30 min, (v) spin-laag bij 2500 rpm een PEDOT laagdikte 2-3 urn op de PMMA film te verkrijgen, en (vi) bak het substraat bij 80 ° C gedurende 5 minuten.
- Emboss de ondergrond met behulp van de hot-embossing machine. De temperatuur, kracht en schimmels inbrengen tijd zijn 140-150 ° C, 1500-2000 N en 150-200 s, respectievelijk. Voer Lostijd bij 80-95 ° C met een snelheid van 1,5 mm / min. De resultaten worden getoond in Fig. 3 (zie) 11.
- Toepassingen van gegenereerde meerlaagse microstructuren
- PPY / PEDOT heterojunctie
- Gebruik een Keithly Probe Station, waar de IV metingen van de heterojunctie structuren verkregen na stap 2.1. De PEDOT laag is geaard en een voorspanning potentiële (-20 V 20 V) wordt op de PPY laag.
- Fig. 3 (g1) toont IV kenmerken van de PPY / PEDOT heterojunctie in [9,11], de voorwaartse en achterwaartse doorslagspanningen de PPY / PEDOT heterojunctie waren 5 V en -8 V respectievelijk. De rectificatie verhouding was 24 bij 10 V. De idealiteit factor was gelijk aan 8,88.
- Al / PEDOT heterojunctie
- Gebruik een Keithly Probe Station, waar de IVafmetingen van de Al / PEDOT heterojunctie structuur verkregen na stap 2.2. De Al-laag is geaard en een voorspanning potentieel (5V tot 5 V) wordt op de PEDOT laag.
- Fig. 3 (g2) toont IV eigenschappen van de Al / PEDOT knooppunt gemeten bij kamertemperatuur in 11 de voorwaartse en achterwaartse doorslagspanningen waren 3 en -2,5 V, respectievelijk. Rectificatie verhouding van de Al / PEDOT heterojunctie was 2 op 1 V ideaal factor deze kruising werd berekend op 19.
- PEDOT / PMMA / PEDOT condensator
- Gebruik een Keithly Probe Station voor de CV metingen van de PEDOT / PMMA / PEDOT condensator verkregen na stap 2.3.
- Fig. 3 (g3) toont de CV van de PEDOT / PMMA / PEDOT condensator gemeten bij kamertemperatuur in 11. De gemeten capaciteit van de condensator lage frequentie voorkeur ongeveer 0,06 pF, terwijl de theoretisch berekende hoeveelheid was 1,38 pF.
C. Snij Werking van de MPL voor het genereren van sub-micron Ppatterns van Metaal en uitvoeren van Polymer
Op basis van de procedure in Fig. 1 (C1-C3), Si vormen met sub-micron functies worden gebruikt om de gewenste patronen van metaal en geleidende polymeren te genereren. De fabricage wordt hieronder beschreven.
- Vervaardig een siliconen mal met sub-micron functies met behulp van Focused Ion Beam (FIB) lithografie. Twee soorten Si vormen, breedtes 100 en 500 nm, diepte van 1 - 1,5 urn, lengte van 20 pm en hoogte van 1 pm, worden gegenereerd.
- Voorbehandeling van het silicium voor gebruik vorm: (i) spoelen van de mal met gedeïoniseerd water, aceton en Nanostrip oplossing goed bij kamertemperatuur, drogen onder stikstof en bak bij 150 ° C gedurende 30 min gevolgd door afkoeling tot kamertemperatuur en (ii) als de mal niet schoon is na de bovenstaande stappen reiniging, bloot aan zuurstof plasma schoon. Het recept luidt alsvolgt: plasma vermogen bij 300 Watt, zuurstof debiet bij 80 SCCM en de duur van 5 - 7 minuten.
- Bedek de PMMA laag: spin-laag PMMA oplossing (molecuulgewicht 495 K 9% chloorbenzeen) bij 3000 rpm met een dikte van ongeveer 1,2 pm te verkrijgen, de wafer bij 150 ° C gebakken gedurende 1 uur en laten afkoelen en bloot de PMMA beklede oppervlak zuurstof plasma gedurende 3 minuten bij 300 W met 50 sccm zuurstoftoevoer te hydrofiele maken voor de volgende stap.
- Spin-coat PPY oplossing (verdund met 1:2 (V / V) met DI-water) bij 3000 rpm met een dikte van ongeveer 75 nm verkrijgen en het substraat bak bij 60 ° C gedurende 1 uur aan de PPY uitharden.
- Coat een Au film met een dikte van 10-25 nm sputtermethode.
- Genereer PPY draden met behulp van de volgende stappen.
- Afdruk van 500 nm brede Si kanalen: uitvoeren bedrukken bij 160 ° C met een snelheid van 1 mm / min en plaats duur van 600 s met de wijze vanpositieregeling in de hot-embossing machine. De gebruikte maximum kracht 1085 N in dit geval.
- Afdruk van 100 nm brede Si kanalen: uitvoeren bedrukken bij 140 ° C met een snelheid van 1mm/min en plaats duur van 500 s met de wijze van kracht controle in de hete embossing machine. Bevestig de embossing kracht bij 2300 N.
- Genereren Au nanodraden met een Si matrijs 100 nm brede kanalen: uitvoeren bedrukken bij 160 ° C met een snelheid van 1mm/min en plaats duur van 700 s met de wijze van kracht controle in de hete embossing machine. Bevestig de embossing kracht bij 2300 N.
- Voor stappen 4.1-4.2, uit te voeren Lostijd op 95 ° C met een snelheid van 3 mm / min. De resultaten worden getoond in Fig. 4.
- Genereer PPY draden met behulp van de volgende stappen.
D. tekenen Werking van de MPL voor het genereren van Micropatterns op de zijwanden van Polymer en Si Substrates.
Volgens de procedure in Fig. 1 (D1-D3), de "tekening" operatie isgebruikt Au en PDMS micropatterns de zijwanden van HDPE microkanalen genereren. De corresponderende de HDPE substraat Au of PDMS, die het oppervlak profiel van de intermediaire laag polymeer gedurende bedrukking volgt. De fabricage wordt hieronder beschreven.
- Au zijwand patronen op HDPE kanalen
- Spin-laag bij 3000 rpm een 1 urn dikke laag van een positieve fotoresist (S1813) te verkrijgen op 1,5 mm dik HDPE plaat (1,5 mm x 40 mm x 40 mm).
- Met behulp van UV-lithografie te maskerpatronen te zetten in de S1813 laag (Fig. 5 (ab)). De maskerpatronen uit 10 x 10 urn 2 punten (Fig. 7a) en 110 um brede lijnen.
- Coat 100 nm dikke Au film op S1813 laag met een thermische verdamper (Fig. 5c).
- Verwijder de S1813 met aceton spoelen, waardoor Au patronen op de HDPE (fig. 5d).
- Verhit de HDPE plaat tot een temperature bereik van 131-136 ° C op een hete plaat, die iets hoger is dan T g van HDPE (dat wil zeggen 128 ° C), maar onder T m van Au (dat wil zeggen, 1063 ° C) (fig. 5e).
- Gebruik een Si-versterkte PDMS schimmel 16 tot en met opdruk van de Au-patroon HDPE-plaat met druk bereik van 40-120 kPa, gedurende 1 uur, gevolgd door latere koeling (afb. 5f).
- Scheid de matrijs en de HDPE opgenomen wanneer de temperatuur beneden Tg van het HDPE, de voltooiing van de patroon overgang van de PDMS vorm op het substraat. De Au patronen, die zij in de HDPE plaat geduwd door de PDMS schimmel, blijf op de zijwanden en onderkant van de gevormde microstructuren (afb. 5g). Aangezien de bindingssterkte tussen de matrijs en de PDMS Au patronen zwakker zijn dan die tussen de plaat en HDPE Au patronen niet Au patronen niet aan de PDMS matrijs en blijven de HDPE oppervlak. De resultaten van dit proces worden getoond in Fig. 7 (bc) 12.
- PDMS micropillars op HDPE kanaal zijwanden
- Spin-laag bij 3000 rpm een 1-um dikke laag S1813 een SU-8 matrijs (fig. 6a) te verkrijgen. De SU-8 mal wordt gegenereerd met behulp van conventionele UV lithografie 17.
- Spin-coat PDMS (verhouding tussen PDMS en verhardingsmiddel 10:01) bij 1000 rpm de S1813 beklede SU-8 matrijs en bak het monster bij 85 ° C gedurende 3 uur op een hete plaat gevolgd door afkoelen tot kamertemperatuur (Fig. 6b).
- Laat de dunne film PDMS van SU-8 matrijs door etsen S1813 met aceton, voltooiing van de generatie van de micropillar gevormde film PDMS (Fig. 6c).
- Plaats micropillar gevormde PDMS film op een 1,5 mm dikke HDPE (fig. 6d).
- Plaats een Al mal (met afgeronde randen) in de beide PDMS film HDPE plaat bij 140 ° C met een druk van 52,5 kPa (Fig. 6e). Het afdrukkenis 1 uur. Bij 140 ° C, wordt de film PDMS ingedrukt in de zachte HDPE blad door de schimmel.
- Nadat het monster afgekoeld tot kamertemperatuur gevolgd door verwijdering van de Al mal wordt een kanaal gegenereerd op de HDPE vel. Een deel van deze micropillar gevormd PDMS film wordt overgebracht naar de bodem en twee zijwanden van het kanaal (Fig. 6f). De resultaten worden getoond in Fig. 7 (df) 15.
- Meet de contacthoek van een druppel water bovenop het PDMS micropillars in de HDPE kanaal. Fig. 7 (gh) geeft de gemiddelde contacthoek gemeten 145,5 ° 15.
E. representatieve resultaten
Samenvattend zijn de resultaten van MPL hieronder:
- Een laag geleidend polymeer en metalen micropatterns gevormd als in Fig. 2 (B1-B3, C2-C3).
- PPY film Microwire vochtigheidsele resultatenFig. 2d.
- Meerdere lagen geleidend polymeer en metalen micropatterns gevormd als in Fig. 3 (CF).
- Junction resultaten van de karakterisering in Fig. 3 (G1-G3).
- 100 - en 500 nm brede PPY draden gevormd als in Fig. 4 (ab).
- 100-nm-brede Au nanodraden werden gevormd als in Fig. 4c.
- Au patronen werden gegenereerd op 300-um-breed en 42-um-diep HDPE kanalen als in Fig. 7 (bc).
- PDMS micropillars werden gegenereerd op de bovenkant, onderkant en de zijwand oppervlakken van 1-mm-breed en 1 mm diep HDPE kanalen als in Fig. 7 (df).
- Water contact hoeken gemeten in de HDPE-kanaal in Fig. 7 (gh).
Figuur 1 "snijden" proces ontstaan convexe macropatterns een plaatmetaal (doorsnede schema). (a1) een plaat plaatsen op de top van het substraat (a2) moet de matrijs in het substraat en (a3) gescheiden de matrijs en het substraat. De "tekenen" proces vervaardigen van holle macropatterns (b1) een plaat plaats op het substraat, (b2) moet de matrijs in het substraat en (B3) scheiden van de mal en het substraat. De "snijden" de werking van de MPL werkwijze bij de vervaardiging van convexe structuren (doorsnede schema): (c1) warmte het substraat, (c2) moet de matrijs in het substraat en (c3) scheiden van de mal en het substraat. De "tekenen" werking van het MPL benadering bij het vervaardigen van holle structuren (d1) warmte het substraat (d2) moet de matrijs in het substraat en (d3) scheiden van de mal en het substraat.
Figuur 2 Ontwerpen van Si mallen (bovenaanzicht): (a1) rechte lijnen, (a2) vierkante stippen; (A3) truss structuren en (A4) serpentine lijnen..(B) De hete reliëf machine. SEM beelden van de gegenereerde Al structuren: (c1) 10-um-brede lijnen, (c2) 20 × 20 micrometer 2 punten, en (c3) truss structuren. (D1) Schematische voorstelling van microstructuren bestaande uit meerdere structuren; (d2) 300-um-brede rechte; (D3) 50-um-brede serpentine Microwire patronen van PpY, PEDOT, en de Spaanse overheersing gedragen gelijktijdig vervaardigd met behulp van het "snijden" de werking van de MPL . (E) De luchtvochtigheid sensor experimentele opstelling, en (f) vochtigheid sensing resultaten met PPY film en Microwire sensor 4, 7, 8. Klik hier voor een grotere afbeelding te bekijken .
. Figuur 3 weergaven van: (a1) twee-en (a2) drie lagen inrichtingen, (b) opmaak van een Si matrijs (bovenaanzicht) gebruikt meerlaagse apparaten te fabriceren, (c) SEM foto van een 300 um -breed, Microline-vormige PPY-PEDOT heterojunctie, en close-up SEM uitzicht op de doorsneden van: (d) PPY-PEDOT heterojunctie; (e) Al-PEDOT diode, (f) PEDOT-PMMA-PEDOT condensator; heterojunctie karakterisering resultaten: (g1) PPY / PEDOT; (g2 ) Al / PEDOT, en (g3) PEDOT / PMMA / PEDOT 9,11.
Figuur 4 (a) AFM scan van het reliëf 500 nm gehele PPY draden;. SEM afbeeldingen van (b) reliëf 100 nm gehele PPY lijnen en (c) 100 nm gehele Au draden. Klik hier vergroting figuur .
Figuur 5 Fabricage van een HDPE-substraat met Au patronen:. (Ab) met behulp van een masker van de gewenste functies, bloot te leggen en de ontwikkeling van de S1813 laag; (cd) borg Au en verwijder de S1813 laag; (EF) imprinting de substraten met een Si versterkte PDMS schimmel en (g) na demolding, een substraat met zijwand patronen bestaan uit Au eigenschappen 12.
Figuur 6 Vervaardiging van een PDMS film micropillars. (A) een fabriceren SU-8 vorm, (b) spin-laag en het genezen van een PDMS laag, (c) het PDMS laag van de SU-8 vorm, (d) bedrukken het substraat met een Al matrijs en (EF) na Lostijd een substraat met zijwand patronen bestaan uit PDMS micropillars, verkregen 15.
Figuur 7 (a) indeling van de Au stippen, SEM afbeeldingen van:. (B) 10 x 10 micrometer 2 punten en (c) 110 um brede lijnen. De afmetingen van de kanalen gegenereerd in HDPE zijn 1 cm x 300 micrometer x 42 micrometer (lengte x breedte x diepte); PDMS micropillars gegenereerd op de bovenkant, onderkant en de zijwand surfaces1-mm brede HDPE kanalen: (d) dwarsdoorsnede van dekanaal; SEM beelden van (e) top; (f) onder in de hoek van het kanaal, en (gh) contacthoek meetresultaten op PDMS pijlers 12,15. De PDMS pilaren de afmetingen 10 urn x 10 urn x 27 urn. De afmetingen van de kanalen in HDPE is 20 mm x 1 mm x 1 mm (lengte x breedte x hoogte). - PPY / PEDOT heterojunctie
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Problemen oplossen informatie: Kritische punten met betrekking tot generatie van enkel-en meerlaags micropatterns van geleidende polymeren en metalen met behulp van de "cutting" bedrijf: (1) Temperatuur van reliëf zorgt voor doorstroming van de tussenliggende PMMA laag die optimale resultaten genereert. Het is raadzaam om te beginnen op de ondergrens van het assortiment en geleidelijk te verhogen temperatuur als gewenste resultaten niet worden gehaald. Te hoge temperatuur kan de geleidende polymeerlaag zijn chemische en / of elektrische eigenschappen veranderen. (2) Als imprinting kracht te hoog is, kan dit ertoe leiden dat de Si mal om te kraken tijdens het reliëf, en dat lage kracht kan leiden tot onjuiste vulling van de matrijs en het polymeer lagen kunnen niet worden afgesneden. (3) reliëf machine moet worden geprogrammeerd starten bedrukken nadat het substraat is de ingestelde temperatuur waarde bereikt. (4) Het profiel van de afdruk hangt af van feature size, imprinting kracht, temperatuur en schimmels insert tijd, en kan variëren tussen een met scherpe randen tot een meer ronde. Het aantal lagen polymeer verhoging van het profiel vaak wordt afgeronde hoeken. (5) Si vormen met scherpe randen voorkeur dat de geleidende polymeer / metaal lagen zoals afgesneden gewenst. Het gebruik van een Si vorm met schuine zijwanden wordt niet aanbevolen. (6) gebruik van zeer diepe Si matrijs kan stiction tussen de matrijs en polymeerlaag (s). Indien de mal te ondiep kan niet kunnen "snijden" van de bovenste laag (en) te bereiken. (7) wordt aanbevolen om een anti-stiction film (bijv. Teflon) moet worden aangebracht op de Si matrijs voor gemakkelijk af te scheiden van het substraat tijdens het Lostijd proces. (8) Lage mal-inzetstuk tijd mag niet leiden tot "snijden" en de mal profiel kan worden afgerond. Wanneer de functie klein is, langer insert keren dat nodig en vice versa. (9) dikker geleidend polymeer / metaal films zijn mechanisch sterker dan dunnere. Echter, de comgecombineerde dikte van de toplaag niet meer dan de dikte van de tussenlaag PMMA laag. (10) Lostijd temperatuur dient beneden 105 ° C (T g PMMA). Een hoge waarde kan in het substraat gebogen na Lostijd en een lage waarde kan de Si vorm te houden om het substraat en uit elkaar vallen.
Kritieke over de generatie van de sub-micron PPY en Au draden (1) alvorens het Si matrijzen voor het eerst mag geen AFM en SEM scans van de matrijs worden uitgevoerd. Dit is nodig om het oorspronkelijke oppervlak van het siliciumlichaam matrijs te handhaven. (2) agressieve reiniging procedures zoals gebruikt NanoStrip oplossing of zuurstof plasma moet worden vermeden, aangezien er een mogelijkheid om de oppervlakteruwheid van het silicium matrijs. Dit kan leiden tot stiction tussen het silicium mal en de geleidende polymeerlaag. (3) De dikte van de toplaag (geleidend polymeer of metaal) lager moeten zijn dan de diepte van de matrijsvoor het afsnijden van de laag aan de randen. Er is geen beperking van de dikte van de isolerende polymère laag. (4) de oppervlakteruwheid van het silicium matrijs dient minimaal. Bij het oppervlak van het siliciumlichaam matrijs ruw is door verwerking of vervuiling kan er niet perfect contact tussen de matrijs en het substraat, waardoor onjuiste patroon overdracht.
Kritische punten met betrekking tot generatie van Au micropatterns op HDPE kanalen: (1) Bij hogere temperaturen embossing (≥ 136 ° C), de Au lijnen niet curve naar de oppervlakte te volgen als de HDPE wordt verzacht. (2) groter matrijs diepte (≥ 42 urn), kan de Au lijnen breken op de randen van de HDPE kanalen door stress 12.
Kritische punten met betrekking tot de generatie van HDPE kanalen met PDMS micropillars: (1) Als de hoogte van het PDMS micropillars groot is, kan het naar beneden vallen na vrijlating uit de SU-8 mal. (2) High aspect ratio van PDMS pijlers kanbeschadigd worden tijdens de "tekening" stap 15.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
Dit werk werd mede ondersteund door middel van NSFDMI-0508454, NSF / LEQSF (2006)-Pfund-53, NSF-CMMI-0811888, en NSF-CMMI-0900595 subsidies.
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. Polymers in sensor applications. Progress in Polymer Science. 29, 699 (2004).
- 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. Fabrication of supe-hydrophobic channels. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20, 25029 (2010).
- 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).
