Micropunching الطباعة الحجرية لتوليد الصغرى، وأنماط Submicron، على ركائز بوليمر

الهدف العام من هذا العمل هو إنشاء أنماط ميكرونية ودون ميكرونية على الجدار الجانبي العلوي والأسطح السفلية لركيزة بوليمرية لمختلف التطبيقات. ويتم تحقيق ذلك أولاً عن طريق طلاء طبقات بوليمرية وسيطة ومستهدفة على سطح صلب. بعد ذلك، يتم تصنيع هياكل قوالب ذات حواف حادة ومستديرة، وتُستخدم لضغط الركيزة عند درجة حرارة أعلى من درجة الانتقال الزجاجي للبوليمر الوسيط، والتي تكون أقل من درجة انصهار البوليمر المستهدف.

بعد أن تبرد الركيزة، يتم إزالة القالب لتظهر الأنماط الميكرونية ودون الميكرونية على أسطح الركائز البوليمرية. وتأتي التطبيقات الطبية الحيوية لطباعة الليثوغرافية بالثقب الميكروني في المقدمة؛ حيث تُستخدم المجموعات الميكروبية من PPY الناتجة عن عملية القطع لاستشعار الغلوكوز.

ثانياً، يمكن استخدام قنوات HDP التي تم إنشاؤها عن طريق الرسم كقنوات مائعات دقيقة داخل أجهزة المختبر على رقاقة لتقليل احتكاك تدفق السوائل. في هذا الإجراء، يتم تسخين ركيزة سيليكون، مطلية ببوليمر وسيط ومادة مراد طباعتها، إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة الانتقال الزجاجي للبوليمر الوسيط وأقل من درجة حرارة الانصهار أو الانتقال للمادة المستهدفة. بعد ذلك، يتم وضع القالب والركيزة في تماس مادي تحت ضغط عالٍ، يليه التبريد.

وأخيرًا، يتم فصلهما عندما تنخفض درجات حرارتهما إلى ما دون درجة حرارة الانتقال للبوليمر الوسيط، وبذلك تكتمل عملية نقل النمط من القالب إلى الطبقة المستهدفة. ولإجراء هذه العملية، يجب تحضير قوالب سيليكون مصنعة بالأبعاد المطلوبة باستخدام تقنية الليثوغرافيا بالأشعة فوق البنفسجية التقليدية. قم بتحضير الطبقة الوسيطة عن طريق اختيار ورقة PMMA غير موصلة ووضعها على ركيزة مسطحة صلبة.

يمكن الآن طلاء بوليمر موصل واحد تقليدياً بطريقة الطلاء الدوراني فوق البوليمر الوسيط. وبالإضافة إلى الطلاء الدوراني، يتم تغطية المنطقة المحيطة بطبقة البوليمر الموصل الأولى باستخدام شريط لاصق عند استخدام مواد بوليمرية موصلة متعددة. ومن خلال استخدام الشريط اللاصق والطلاء الدوراني، يمكن طلاء طبقات متعددة في المواضع المطلوبة على الركيزة.

بعد ذلك، يتم نقش الركيزة باستخدام آلة نقش حراري لعدة دقائق، ثم يتم إخراج الركيزة من القالب في درجة حرارة تتراوح بين 80 و 95 درجة Celsius وبسرعة 1.5 millimeters per minute. في هذا الإجراء، تُستبدل الطبقة العلوية بمزيج من طبقتين أو ثلاث طبقات من البوليمرات أو المعادن على التوالي، وذلك لإنشاء هياكل مجهرية متعددة الطبقات. كما يتم استعراض تصنيع الوصلات غير المتجانسة، والديودات، والمكثفات.

من أجل إنشاء وصلة تباينية (hetero junction) من طبقتين من PPY وpdot، قم أولاً بطلاء طبقة pdot بسمك 10 µm باستخدام الطلاء الدوراني على رقاقة PMMA. بعد ذلك، قم بتسخين الركيزة عند 80 °C لمدة ساعة واحدة. اتبع عملية التسخين بطلاء فيلم PPY بسمك 1 µm باستخدام الطلاء الدوراني فوق طبقة pdot، ثم قم بتسخين الركيزة لمدة خمس دقائق.

لإنتاج صمامات ثنائية (diodes) من نقاط الكم pdot من طبقتين من الألمنيوم، يتم طلاء طبقة pdot بسماكة 10 ميكرومتر باستخدام طريقة الطلاء الدوراني على شريحة PMMA ثم تُخبز الركيزة لمدة ساعة. بعد ذلك، يُستخدم التبخير الحراري لطلاء غشاء ألمنيوم بسماكة 200 نانومتر فوق طبقة pdot. يجب وضع الركيزة بحيث يكون الوجه لأسفل، ويجب ضبط ضغط الغرفة على خمسة ميكرو تور في جهاز التبخير، حيث يقوم جهد كهربائي عالٍ بتبخير حبيبات الألمنيوم.

راقب جهاز مراقبة سمك الكوارتز حتى الوصول إلى 200 nanometers. بعد ذلك، اقطع الجهد الكهربائي إلى الصفر وقم بتفريغ الغرفة قبل إزالة العينة. لإنتاج مكثفات pdot من PMMA ذات ثلاث طبقات.

قم بطلاء طبقة pdot بسمك 10 ميكرومتر باستخدام الطلاء الدوراني على شريحة PMMA واترك الركيزة لمدة ساعة. بعد ذلك، قم بالطلاء الدوراني بسرعة 1000 RPM لعدة مرات للحصول على فيلم PMMA بسمك يتراوح من 15 إلى 20 ميكرومتر فوق طبقة pdot، ثم اخبز الركيزة لمدة 30 دقيقة. بعد خبز طبقة PMMA، قم بطلاء طبقة pdot بسمك يتراوح من اثنين إلى ثلاثة ميكرومتر فوق فيلم PMMA واخبز الركيزة لمدة خمس دقائق. بالنسبة لجميع البنى المجهرية، قم بنقش الركيزة باستخدام آلة النقش الحراري لبضع دقائق، ثم قم بإزالة قوالب البنى المجهرية عند درجة حرارة من 80 إلى 95 °C وبسرعة 1.5 مم/دقيقة.

تتشابه عملية السحب مع عملية القطع، ومع ذلك، فهي تستخدم قالباً صلباً بحواف مستديرة وقالب A-P-D-M-S. كما أنها تتطلب قوة إدخال أقل، وسرعة إدخال منخفضة، ودرجة حرارة طباعة أعلى. ابدأ بصناعة الركائز الدقيقة من PDMS عن طريق طلاء دوراني لطبقة بسمك ميكرومتر من S 1813 على قالب SU eight.

يتم إنشاء قالب SU eight باستخدام تقنية الليثوغرافيا فوق البنفسجية التقليدية. بعد ذلك، يتم طلاء PDMS بطريقة التدوير فوق قالب SU eight المغطى بـ S 1813 بسرعة 1000 RPM، ثم تُخبز العينة عند 85 °C لمدة ثلاث ساعات على لوح ساخن. وبعد معالجة طبقة PDMS، تُغسل العينة باستخدام الأسيتون لإذابة S 1813 وتحرير غشاء PDMS الرقيق من قالب SU eight.

وبذلك يكتمل تكوين غشاء PDMS المكون من الأعمدة الدقيقة؛ الآن ضع غشاء PDMS المكون من الأعمدة الدقيقة على ورقة HDPE بسمك 1.5 مليمتر للطباعة. ضع قالبًا من الألومنيوم بحواف مستديرة فوق غشاء PDMS وورقة HDPE، ثم قم بخبزه تحت الضغط لمدة ساعة. سيقوم القالب بعد ذلك بدفع غشاء PDMS للأسفل فوق ورقة HDPE اللينة.

بعد تبريد العينة إلى درجة حرارة الغرفة، قم بإزالة القالب لإتمام عملية تشكيل القناة على شريحة HDPE. خلال هذه العملية، ينتقل جزء من غشاء PDMS المتكون بواسطة هذه الأعمدة الدقيقة إلى القاع والجدارين الجانبيين للقناة. وباستخدام عملية قطع MPL، تم تصنيع هياكل دقيقة أحادية الطبقة في PPY وPDOT وSPANI.

استُخدم المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتحليل نمط خط مستقيم بعرض 300 ميكرومتر ونمط سلك دقيق متعرج بعرض 50 ميكرومتر لاختبار الحساسية للرطوبة. تَمَّ تعريض سلك دقيق من PPY وغشاء PPY بمساحة سنتيمتر مربع واحد لمستويات رطوبة نسبية تتراوح من 45% إلى 85%، وقِيست حساسيتهما من خلال التغير في المقاومة ثم تمت مقارنتهما. استُخدم المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لفحص العديد من البنى المجهرية متعددة الطبقات، بما في ذلك نقطة PPY دقيقة على شكل خط مجهري بعرض 300 ميكرومتر، وصمام ثنائي من نقاط ألومنيوم دقيقة ذو وصلة متباينة، ومكثف من نقاط PDOT PMMA دقيقة باستخدام محطة مسبار Keithley.

مع تأريض طبقة pdot وتطبيق جهد انحياز يتراوح من -20 volts إلى 20 volts على طبقة PPY. كانت جهود الانهيار الأمامي والعكسي لوصلة PPY PDOT غير المتجانسة 5 volts و -8 volts على التوالي. كما تم تصنيع وصلة ألومنيوم pdot غير متجانسة عن طريق تأريض طبقة الألومنيوم وتطبيق جهد انحياز يتراوح من -5 volts إلى 5 volts على طبقة pdot، وتم القياس في درجة حرارة الغرفة.

كانت جهود الانهيار الأمامي والعكسي 3 فولت و-2.5 فولت على التوالي. تم تصنيع مكثف pdot PMMA PDOT باستخدام محطة مسبار KEITHLEY، وقيست سعة المكثف (CV) في درجة حرارة الغرفة. بلغت السعة المقاسة للمكثف عند انحياز منخفض التردد حوالي 0.06 picofarad.

بينما كانت الكمية المحسوبة نظرياً 1.38، تم ضغط ركائز PDMS الدقيقة ببيكو فاراد في شرائح A-H-D-P-E لتشكيل الجدران الجانبية للقنوات. وبلغ متوسط زاوية تلامس قطرة الماء في قنوات HDPE 145.5 درجة. وتُستخدم ركائز PDMS الدقيقة لتقليل احتكاك السحب في قنوات HDPE.

تتحرك القطرة التي تسري فوق قناة HDPE مغطاة بفيلم A-P-D-M-S بشكل أبطأ من القطرة التي تسري عبر قناة HDPE مغطاة بأعمدة A-P-D-M-S الدقيقة. ويرجع ذلك إلى الطبيعة فائقة الكراهية للماء للقناة التي تمنحها أعمدة PDM الدقيقة. عند تنفيذ هذه الإجراءات، تذكر أن العمل مع المقاوم الضوئي، والبوليمرات الموصلة، والمركبات العضوية المتطايرة قد يكون خطيراً، لذا يجب دائماً اتخاذ الاحتياطات اللازمة، مثل استخدام معدات الوقاية الشخصية والعمل في منطقة جيدة التهوية.