ポリマー基板上へのマイクロ·サブミクロンのパターンを生成するためのリソグラフィMicropunching

本研究の全体的な目的は、さまざまな用途に向けて、ポリマー基板の上面、側壁面、および底面にマイクロおよびサブミクロンパターンの形成を行うことです。これは、まず剛性のある表面に中間ポリマー層とターゲットポリマー層をコーティングすることで達成されます。次に、鋭角および円弧状のエッジを持つモールド構造を作製し、ターゲットポリマーの融点以下であり、かつ中間ポリマーのガラス転移温度以上の温度で、基板にエンボス加工を施します。

基板が冷却した後、モールドを取り除くと、ポリマー基板の表面にマイクロおよびサブミクロンパターンが現れます。マイクロパンチングリソグラフィの生物医学的応用として、まず、切削操作で生成されたPPYマイクロバイオームがグルコースセンシングに使用されます。

第二に、ドローイングによって作製されたHDPチャネルは、流体流動の摩擦を低減するためのラボオンチップデバイス内部のマイクロ流体チャネルとして利用可能です。この手順では、中間ポリマーおよびプリント対象物質がコーティングされたシリコン基板を、中間ポリマーのガラス転移温度以上、かつ対象物質の融点または転移温度以下まで加熱します。次に、高圧下で金型と基板を物理的に接触させ、続いて冷却を行います。

最後に、温度が中間ポリマーの転移温度以下に下がったときにこれらを分離させ、これによりモールドから目的の層へのパターン転写を完了させます。この手順では、従来のUVリソグラフィーを用いて、必要な寸法のシリコンモールドを作製しておく必要があります。非導電性のPMMAシートを選択して中間層を準備し、それを剛性の高い平坦な基板上に配置します。

単一の導電性ポリマーを、中間ポリマーの上に従来の方法でスピンコートすることができます。また、複数の導電性ポリマー材料をスピンコートする場合、最初の導電性ポリマー層の周囲の領域を粘着テープで覆います。テープでマスキングしてスピンコートすることで、基板上の希望する位置に多層コーティングを行うことが可能です。

次に、ホットエンボス機を用いて基板を数分間エンボス加工し、80から95 °Cの間で1.5 mm/minの速度で基板を脱型します。この手順では、最上層をそれぞれ2種類または3種類のポリマーまたは金属層の組み合わせに置き換えることで、多層マイクロ構造を形成します。ヘテロ接合、ダイオード、およびキャパシタの作製について検討します。

2層のPPY pdotヘテロ接合を生成するため、まずPMMAシート上に厚さ10 µmのpdot層をスピンコートします。次に、基板を80 °Cで1時間焼成します。焼成後、pdot層上に厚さ1 µmのPPY膜をスピンコートし、基板を5分間焼成します。

2層構造のアルミニウムpdotダイオードを作製するには、PMMAシート上に厚さ10 µmのpdot層をスピンコートし、基板を1時間焼成します。次に、熱蒸着法を用いてpdot層上に厚さ200 nmのアルミニウム薄膜を形成します。基板は裏向きに配置し、蒸着機内のチャンバー圧力を5 µTorrに設定し、高電圧でアルミニウムペレットを蒸着させます。

水晶振動子膜厚計をモニターし、200 nanometersに達するまで待機します。その後、電圧をゼロにして遮断し、チャンバーをベンティングしてからサンプルを取り出します。これにより、3層のpdot、PMMA pdotキャパシタを作製します。

PMMAシート上に厚さ10 µmのpdot層をスピンコートし、基板を1時間焼成します。次に、1000 RPMで数回スピンコートを行い、pdot層の上に厚さ15～20 µmのPMMAフィルムを形成し、基板を30分間焼成します。PMMA層の焼成後、PMMAフィルム上に厚さ2～3 µmのpdot層をスピンコートし、基板を5分間焼成します。すべての微細構造について、ホットエンボス機を用いて基板を数分間エンボスし、その後、80～95 °C、1.5 mm/minで微細構造を脱型します。

転写（ドローイング）操作は切断に似ていますが、角が丸い剛性のある金型とA-P-D-M-S金型を使用します。また、より小さい挿入力、より遅い挿入速度、およびより高い印刷温度が必要です。SU-8金型上にS 1813をマイクロメートル厚の層でスピンコートし、PDMSマイクロピラーの作製を開始します。

SU-8モールドは、従来のUVリソグラフィーを用いて作製します。次に、S 1813をコートしたSU-8モールド上にPDMSを1000 RPMでスピンコートし、ホットプレートを用いてサンプルを85 °Cで3時間焼き付けます。PDMS層の硬化後、アセトンでサンプルを洗浄してS 1813を溶解させ、SU-8モールドから薄いPDMSフィルムを剥離させます。

マイクロピラーを形成したPDMSフィルムが完成したら、これをプリント用の厚さ1.5 mmのHDPEシート上に配置します。角が丸いアルミニウム製金型をPDMSフィルムとHDPEシートの上に重ね、加圧状態で1時間加熱します。これにより、金型がPDMSフィルムを柔らかいHDPEシートへと押し付けます。

サンプルが室温まで冷却された後、型を取り除き、HDPEシート上のチャンネル作製を完了させます。この工程において、このマイクロピラー形成PDMSフィルムの一部が、チャンネルの底面と2つの側壁に転写されます。MPL切断操作を用いて、PPY、PDOT、およびSPANIにおける単層マイクロ構造を作製しました。

湿度に対する感度をテストするため、SEMを用いて、幅300 µmの直線パターンおよび幅50 µmの蛇行マイクロワイヤパターンを分析しました。PPYマイクロワイヤと1 cm²のPPY薄膜の両方を、45%から85%の範囲の相対湿度にさらし、抵抗値の変化として感度を測定し、比較しました。また、Keithleyプローブステーションを用いて、幅300 µmのマイクロライン形状のPPY pdot、ヘテロ接合アルミニウムpdotダイオード、およびPDOT PMMA pdotキャパシタを含む、いくつかの多層マイクロ構造をSEMで検査しました。

pdot層を接地させ、PPY層に-20 Vから20 Vのバイアス電位を印加した。PPY PDOTヘテロ接合の順方向および逆方向の絶縁破壊電圧は、それぞれ5 Vおよび-8 Vであった。アルミニウムpdotヘテロ接合は、アルミニウム層を接地させ、pdot層に-5 Vから5 Vのバイアス電位を印加し、室温で測定することで作製した。

順方向および逆方向の降伏電圧は、それぞれ 3 V および -2.5 V でした。KEITHLEYプローブステーションを用いてpdot PMMA PDOTキャパシタを作製し、室温でキャパシタのCVを測定しました。低周波バイアスにおけるキャパシタの測定容量は約 0.06 pF でした。

理論計算値は1.38であったが、picofarad PDMSマイクロピラーをA-H-D-P-Eシートに押し込み、チャネルの側壁を形成した。HDPEチャネルにおける水滴の平均接触角は145.5度であった。PDMSマイクロピラーは、HDPEチャネルの抗力摩擦を低減するために使用される。

A-P-D-M-SフィルムでコーティングされたHDPEチャネル上を移動する液滴は、A-P-D-M-SマイクロピラーでコーティングされたHDPEチャネル上を移動する液滴よりも速度が遅くなります。これは、PDMSマイクロピラーによってチャネルに付与された超撥水性に起因します。これらの手順を行う際は、フォトレジスト、導電性高分子、および揮発性有機化合物の取り扱いに危険が伴うことがあるため、個人用保護具の使用や換気の良い場所での作業など、常に十分な予防措置を講じてください。