Micropunching Lithographie zur Erzeugung von Mikro-und Submikron-Muster auf Polymersubstrate

Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit besteht darin, Mikro- und Submikrometerstrukturen auf den oberen Seitenwänden und unteren Flächen eines Polymerträgers für verschiedene Anwendungen zu erzeugen. Dies wird erreicht, indem zunächst Zwischen- und Zielpolymer-Schichten auf einer starren Oberfläche beschichtet werden. Anschließend werden scharfkantige und gerundete Formstrukturen hergestellt und verwendet, um den Träger oberhalb der Glastemperatur des Zwischenpolymers, die unterhalb der Schmelztemperatur des Zielpolymers liegt, einzuprägen.

Nachdem das Substrat abgekühlt ist, wird die Form entfernt und mikro- sowie submikronale Strukturen werden auf den Oberflächen der Polymer-Substrate sichtbar. Die biomedizinischen Anwendungen der Mikrostanzlithografie stehen an erster Stelle. Die mittels Schneidoperation erzeugten PPY-Mikrobiome werden zur Glukosemessung verwendet.

Zweitens können die mit dem Zeichnen erzeugten HDP-Kanäle als mikrofluidische Kanäle in Lab-auf-Chip-Vorrichtungen verwendet werden, um die Fluidströmungsreibung zu verringern. Bei diesem Verfahren wird ein Silikon-Substrat, das mit einem Zwischenpolymer und einem zu druckenden Material beschichtet ist, über der Glastemperatur des Zwischenpolymers und unterhalb der Schmelz- oder Übergangstemperatur des Zielmaterials erhitzt. Anschließend werden die Form und das Substrat unter hohem Druck in physischen Kontakt gebracht, gefolgt von einer anschließenden Abkühlung.

Zuletzt werden sie getrennt, wenn ihre Temperaturen unter die Übergangstemperatur des Zwischenpolymers fallen, wodurch die Mustenübertragung von der Form auf die ZielSchicht abgeschlossen ist. Für dieses Verfahren müssen hergestellte Siliziumformen der erforderlichen Abmessungen mittels konventioneller UV-Lithographie vorbereitet werden. Bereiten Sie die Zwischenschicht vor, indem Sie eine nichtleitende PMMA-Platte auswählen und sie auf ein starres, flaches Substrat legen.

Ein einzelnes leitfähiges Polymer kann nun üblicherweise als Spinbeschichtung auf dem Zwischenpolymer aufgebracht werden. Zusätzlich zum Spinbeschichten mehrerer leitfähiger Polymere wird der Bereich um die erste leitfähige Polymerschicht mit Klebeband abgedeckt. Durch das Abkleben und Spinbeschichten können mehrere Schichten an den gewünschten Stellen auf dem Substrat aufgebracht werden.

Als Nächstes wird das Substrat mithilfe einer Heißprägemaschine für einige Minuten geprägt und anschließend zwischen 80 und 95 Grad Celsius mit 1,5 Millimetern pro Minute entformt. In diesem Verfahren wird die Deckschicht jeweils durch eine Kombination aus zwei und drei Polymeren oder Metallschichten ersetzt, um mehrschichtige Mikrostrukturen zu erzeugen. Die Herstellung von Heteroübergängen, Dioden und Kondensatoren wird erläutert.

Um einen zweischichtigen PPY-pdot-Heteroübergang herzustellen, beschichten Sie zunächst durch Spin-Coating eine 10 Mikrometer dicke pdot-Schicht auf das PMMA-Blatt. Anschließend wird das Substrat eine Stunde lang bei 80 Grad Celsius ausgeheizt. Danach erfolgt ein weiteres Spin-Coating, um eine ein Mikrometer dicke PPY-Schicht auf der pdot-Schicht abzuscheiden, gefolgt vom Ausheizen des Substrats für fünf Minuten.

Um zweischichtige Aluminium-Pdot-Dioden herzustellen, spin-coaten Sie eine 10 Mikrometer dicke Pdot-Schicht auf das PMMA-Blatt und trocknen das Substrat eine Stunde lang. Anschließend beschichten Sie die Pdot-Schicht mittels thermischer Verdampfung mit einem 200 Nanometer dicken Aluminiumfilm. Das Substrat sollte mit der Oberfläche nach unten platziert werden, und der Kammerdruck im Verdampfer sollte auf fünf Mikrotorr eingestellt werden; eine Hochspannung verdampft die Aluminiumpellets.

Überwachen Sie den Quarz-Dickenmonitor, bis 200 Nanometer erreicht sind. Dann schalten Sie die Spannung auf null und entlüften Sie die Kammer, bevor Sie die Probe entnehmen. Um dreischichtige Pdot-, PMMA-Pdot-Kondensatoren herzustellen.

Spin-Coaten Sie eine 10 Mikrometer dicke Pdot-Schicht auf das PMMA-Blatt und lassen Sie das Substrat eine Stunde lang stehen. Anschließend mehrmals bei 1000 U/min spin-coaten, um eine 15 bis 20 Mikrometer dicke PMMA-Schicht auf der Pdot-Schicht zu erhalten, und das Substrat 30 Minuten lang backen. Nachdem die PMMA-Schicht ausgehärtet ist, spin-coaten Sie eine zwei bis drei Mikrometer dicke Pdot-Schicht auf den PMMA-Film und backen das Substrat fünf Minuten lang. Für alle Mikrostrukturen das Substrat mithilfe der Heißprägeanlage einige Minuten lang prägen, anschließend bei 80 bis 95 Grad Celsius mit 1,5 Millimetern pro Minute entformen.

Der Zeichenprozess ähnelt dem Schneiden, verwendet jedoch eine starre Form mit abgerundeten Kanten und einer A-P-D-M-S-Form. Außerdem ist eine geringere Einfügekraft, eine niedrigere Einfügegeschwindigkeit und eine höhere Drucktemperatur erforderlich. Beginnen Sie mit der Herstellung von PDMS-Mikrosäulen, indem Sie eine mikrometerdünne Schicht von S 1813 mittels Schleuderbeschichtung auf eine SU-eight-Form auftragen.

Die SU-acht-Form wird mittels herkömmlicher UV-Lithografie hergestellt. Anschließend wird PDMS bei 1000 U/min auf die mit S 1813 beschichtete SU-acht-Form aufgespint und die Probe drei Stunden lang auf einer Heizplatte bei 85 Grad Celsius ausgehärtet. Nachdem die PDMS-Schicht ausgehärtet ist, wird die Probe mit Aceton gewaschen, um das S 1813 aufzulösen und den dünnen PDMS-Film von der SU-acht-Form zu lösen.

Damit ist der Mikrosäulen-geformte PDMS-Film vervollständigt. Legen Sie diesen nun auf ein 1,5 Millimeter dickes HDPE-Blatt zum Bedrucken. Platzieren Sie eine Aluminiumform mit abgerundeten Kanten auf dem PDMS-Film und dem HDPE-Blatt und backen Sie die Anordnung unter Druck für eine Stunde. Die Form drückt dann den PDMS-Film auf das weiche HDPE-Blatt herunter.

Nachdem die Probe auf Raumtemperatur abgekühlt ist, entfernen Sie die Form, um den Kanal auf dem HDPE-Blatt fertigzustellen. Während des Prozesses wird ein Teil des aus dem Mikrosäulchen gebildeten PDMS-Films auf den Boden und die beiden Seitenwände des Kanals übertragen. Mithilfe des MPL-Schneidvorgangs wurden einlagige Mikrostrukturen in PPY, PDOT und SPANI hergestellt.

REM wurde verwendet, um ein 300 Mikrometer breites gerades Linienmuster und ein 50 Mikrometer breites gewundenes Mikrodrahtmuster zu analysieren, um die Empfindlichkeit gegenüber Luftfeuchtigkeit zu testen. Ein PPY-MIKRODRAHT und ein ein Quadratzentimeter großes PPY-Film wurden beiden gegenüber relativen Luftfeuchtigkeitswerten, die von 45 % bis 85 % reichten, ausgesetzt. Ihre Empfindlichkeit wurde als Widerstandsänderung gemessen und verglichen. REM wurde verwendet, um mehrere mehrschichtige Mikrostrukturen zu untersuchen, darunter eine 300 Mikrometer breite mikrolinenförmige PPY-pdot-, eine Heteroübergangs-Aluminium-pdot-Diode und einen PDOT-PMMA-pdot-Kondensator, unter Verwendung einer Keithley-Prüfstation.

Bei geerdeter Pdot-Schicht und einer Bias-Spannung von minus 20 Volt bis 20 Volt an der PPY-Schicht betrugen die Durchbruchspannungen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung für den PPY-PDOT-Heteroübergang fünf Volt bzw. minus acht Volt. Ein Aluminium-PDOT-Heteroübergang wurde hergestellt, indem die Aluminiumschicht geerdet und eine Bias-Spannung von minus fünf Volt bis fünf Volt an die Pdot-Schicht angelegt wurde, gemessen bei Raumtemperatur.

Die Durchbruchspannungen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung betrugen drei beziehungsweise minus 2,5 Volt. Ein Pdot-PMMA-PDOT-Kondensator wurde mit der KEITHLEY-Prüfstation hergestellt und die Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie (CV) des Kondensators bei Raumtemperatur gemessen. Die gemessene Kapazität des Kondensators bei niedriger Frequenz und Vorspannung betrug etwa 0,06 Pikofarad.

Während die theoretisch berechnete Größe 1,38 Pikofarad betrug, wurden PDMS-Mikrosäulen in HDPE-Platten gedrückt, um Kanalwände zu bilden. Der durchschnittliche Kontaktwinkel des Wassertröpfchens in HDPE-Kanälen betrug 145,5 Grad. Die PDMS-Mikrosäulen dienen dazu, die Reibungsdrag in HDPE-Kanälen zu verringern.

Ein Tropfen, der über einen mit A-P-D-M-S-Film beschichteten HDPE-Kanal läuft, bewegt sich langsamer als ein Tropfen, der über einen mit A-P-D-M-S-Mikrosäulen strukturierten HDPE-Kanal fließt. Dies liegt an der superhydrophoben Natur des Kanals, die durch die PDM-Mikrosäulen hervorgerufen wird. Beachten Sie bei der Durchführung dieser Verfahren stets, dass die Arbeit mit Fotolack, leitfähigen Polymeren und flüchtigen organischen Verbindungen gefährlich sein kann. Tragen Sie stets Schutzausrüstung und arbeiten Sie in gut belüfteten Bereichen.