Micropunching Lithografie voor het genereren van Micro-en Submicron-patronen op polymeersubstraten

Het algemene doel van dit werk is het genereren van micro- en submicronpatronen op de bovenste zijwand en de bodemoppervlakken van een polymeersubstraat voor diverse toepassingen. Dit wordt bereikt door eerst tussenliggende en doellagen van polymeer op een rigide oppervlak aan te brengen. Vervolgens worden mallen met scherpe en afgeronde randen gefabriceerd en gebruikt om het substraat te embosseren boven de glasovergangstemperatuur van het tussenliggende polymeer, welke lager ligt dan de smelttemperatuur van het doelpolymeer.

Nadat het substraat is afgekoeld, wordt de mal verwijderd en worden micro- en submicronpatronen zichtbaar op de oppervlakken van de polymeersubstraten. De biomedische toepassingen van micropunch-lithografie komen eerst aan bod. De met snijoperaties gegenereerde PPY-microbiomen worden gebruikt voor glucosesensing.

Ten tweede kunnen de HDP-kanalen die via de trektechniek zijn gegenereerd, worden gebruikt als microfluïdische kanalen in lab-on-a-chip-apparaten om de wrijving van de vloeistofstroom te verminderen. Bij deze procedure wordt een siliconensubstraat, dat is gecoat met een tussenliggend polymeer en een te printen materiaal, verhit tot boven de glasovergangstemperatuur van het tussenliggende polymeer en onder de smelt- of overgangstemperatuur van het doelmateriaal. Vervolgens worden de matrijs en het substraat onder hoge druk in fysiek contact gebracht, gevolgd door een daaropvolgende afkoeling.

Ten slotte worden ze gescheiden wanneer hun temperaturen dalen onder de overgangstemperatuur van het intermediaire polymeer, waardoor de patroonoverdracht van de mal naar de doellaag wordt voltooid. Voor deze procedure moeten gefabriceerde siliciummallen met de vereiste afmetingen worden klaargemaakt met behulp van conventionele UV-lithografie. Bereid de intermediaire laag voor door een niet-geleidend PMMA-vel te selecteren en dit op een star, vlak substraat te plaatsen.

Een enkele geleidende polymeer kan nu conventioneel via spincoating op het tussenliggende polymeer worden aangebracht. Om daarnaast meerdere geleidende polymeermaterialen te kunnen spincoaten, wordt het gebied rond de eerste geleidende polymeerlaag afgedekt met plakband. Door het gebruik van plakband en spincoating kunnen meerdere lagen op de gewenste locaties op het substraat worden aangebracht.

Preg het substraat vervolgens gedurende enkele minuten met een hot-embossingmachine en ontvorm het substraat tussen 80 en 95 °C met een snelheid van 1,5 mm per minuut. In deze procedure wordt de bovenlaag vervangen door een combinatie van respectievelijk twee en drie polymeer- of metaallagen om meerlaagse microstructuren te genereren. De fabricage van heterojuncties, diodes en condensatoren wordt besproken.

Om een tweelaagse PPY pdot hetero-junctie te genereren, wordt eerst een 10 µm dikke pdot-laag op het PMMA-vel gespincoat. Bak vervolgens het substraat gedurende één uur bij 80 °C. Volg het bakken met het spincoaten van een 1 µm dikke PPY-film op de pdot-laag en bak het substraat gedurende vijf minuten.

Om tweelaags aluminium pdot-diodes te genereren, wordt een 10 micrometer dikke pdot-laag via spin-coating op het PMMA-vel aangebracht, waarna het substraat een uur wordt gebakken. Gebruik vervolgens thermische evaporatie om een 200 nanometer dikke aluminiumfilm op de pdot-laag aan te brengen. Het substraat moet met de voorkant naar beneden worden geplaatst en de kamerdruk in de evaporator moet worden ingesteld op vijf micro tour, waarbij een hoge spanning aluminiumpellets doet verdampen.

Houd de kwartskristalmonitor in de gaten totdat een dikte van 200 nanometers is bereikt. Zet vervolgens de spanning uit en laat de kamer vacuümbreken voordat het monster wordt verwijderd. Om drielaagse pdot, PMMA pdot condensatoren te vervaardigen.

Spin-coat een pdot-laag van 10 micrometer dik op de PMMA-plaat en laat het substraat een uur lang bakken. Spin-coat vervolgens meerdere keren op 1000 RPM om een PMMA-film van 15 tot 20 micrometer dik op de pdot-laag te verkrijgen en bak het substraat 30 minuten. Nadat de PMMA-laag is gebakken, wordt een pdot-laag van twee tot drie micrometer dik op de PMMA-film gespin-coat en wordt het substraat vijf minuten gebakken. Voor alle microstructuren wordt het substraat gedurende enkele minuten in de hot-embossing machine geperst, waarna de microstructuren bij 80 tot 95 °C met een snelheid van 1,5 millimeter per minuut worden gedemould.

De trekoperatie is vergelijkbaar met snijden, maar maakt gebruik van een starre mal met ronde randen en een A-P-D-M-S-mal. Er is daarnaast een kleinere invoerkracht, een lagere invoersnelheid en een hogere printtemperatuur vereist. Begin met het vervaardigen van PDMS-micropilaars door een micrometer dikke laag S 1813 via spin-coating aan te brengen op een SU-eight-mal.

De SU-8 mal wordt vervaardigd met behulp van conventionele UV-lithografie. Spinkle vervolgens PDMS op de met S 1813 gecoate SU-8 mal bij 1000 RPM en bak het monster drie uur lang op 85 °C op een warmteplaat. Nadat de PDMS-laag is uitgehard, wordt het monster gewassen met aceton om de S 1813 op te lossen en de dunne PDMS-film van de SU-8 mal los te maken.

Nadat de PDMS-film met micropilaren is voltooid, wordt deze op een 1,5 millimeter dik HDPE-vel geplaatst om te printen. Plaats een aluminium mal met afgeronde randen op de PDMS-film en het HDPE-vel en bak dit gedurende een uur onder druk. De mal drukt de PDMS-film vervolgens op het zachte HDPE-vel.

Nadat het monster is afgekoeld tot kamertemperatuur, wordt de mal verwijderd om de vorming van het kanaal op de HDPE-plaat te voltooien. Tijdens dit proces wordt een deel van deze micro-pilaar gevormde PDMS-film overgedragen naar de bodem en de twee zijwanden van het kanaal. Met behulp van de MPL-snijoperatie werden enkelaarige microstructuren in PPY, PDOT en SPANI gemaakt.

SEM werd gebruikt om een 300 micrometer brede rechte lijnstructuur en een 50 micrometer breed serpentine-microdraadpatroon te analyseren om de gevoeligheid voor vochtigheid te testen. Een PPY MICROWIRE en een PPY-film van één vierkante centimeter werden beide blootgesteld aan relatieve vochtigheidsniveaus variërend van 45% tot 85%. Hun gevoeligheid werd gemeten als een verandering in weerstand en vervolgens vergeleken. SEM werd gebruikt om verschillende meerlaagse microstructuren te onderzoeken, waaronder een 300 micrometer brede micro-lijnvormige PPY pdot, een heterojunctie aluminium pdot-diode en een PDOT PMMA pdot-condensator met behulp van een Keithley-probestation.

Met de pdot-laag geaard en een biaspotentiaal van -20 V tot 20 V aangelegd op de PPY-laag. De voorwaartse en omgekeerde doorslagspanningen van de PPY-PDOT-heterojunctie waren respectievelijk 5 V en -8 V. Er werd een aluminium-pdot-heterojunctie gemaakt door de aluminiumlaag te aarden en een biaspotentiaal van -5 V tot 5 V aan te leggen op de pdot-laag, gemeten bij kamertemperatuur.

De doorbraakspanningen in voorwaartse en tegengestelde richting waren respectievelijk 3 en -2,5 volt. Een pdot PMMA PDOT-condensator werd vervaardigd met het KEITHLEY-probestation en de CV van de condensator werd gemeten bij kamertemperatuur. De gemeten capaciteit van de condensator bij een lage frequentie-bias was ongeveer 0,06 picofarad.

Terwijl de theoretisch berekende hoeveelheid 1,38 was, werden picofarad PDMS-micropijlers in A-H-D-P-E-vellen geperst om de zijwanden van de kanalen te vormen. De gemiddelde contacthoek van de waterdruppel in HDPE-kanalen was 145,5 graden. De PDMS-micropijlers worden gebruikt om de wrijvingsweerstand van HDPE-kanalen te verminderen.

Een druppel die over een HDPE-kanaal beweegt dat is gecoat met een APDMS-film, beweegt langzamer dan een druppel die over een HDPE-kanaal beweegt dat is voorzien van APDMS-micropijlers. Dit komt door de superhydrofobe aard van het kanaal, veroorzaakt door de PDM-micropijlers. Houd bij het uitvoeren van deze procedures rekening met het feit dat het werken met fotolak, geleidende polymeren en vluchtige organische verbindingen gevaarlijk kan zijn; neem altijd voorzorgsmaatregelen, zoals het gebruik van persoonlijke beschermingsmiddelen en het werken in een goed geventileerde ruimte.