Litografia mikropunczowania w celu generowania wzorów mikro- i submikronowych na podłożach polimerowych

Ogólnym celem niniejszej pracy jest wytworzenie wzorów mikro- i submikronowych na górnej ściance bocznej oraz dolnej powierzchni podłoża polimerowego do różnorodnych zastosowań. Jest to realizowane poprzez najpierw nałożenie pośrednich i docelowych warstw polimerowych na sztywną powierzchnię. Następnie wytwarzane są struktury form o krawędziach ostrych i zaokrąglonych, które służą do tłoczenia podłoża w temperaturze powyżej temperatury zeszklenia polimeru pośredniego, która jednocześnie znajduje się poniżej temperatury topnienia polimeru docelowego.

Po ochłodzeniu podłoża usuwa się formę, odsłaniając wzory mikro- i submikronowe na powierzchniach podłoży polimerowych. Pierwszymi zastosowaniami biomedycznymi litografii z mikroperforacją są mikrobiomy z PPY wytworzone w procesie wycinania, które są wykorzystywane do detekcji glukozy.

Po drugie, kanały HDP wytworzone metodą wyciągania mogą być wykorzystywane jako kanały mikroprzepływowe w urządzeniach typu lab-on-a-chip w celu zmniejszenia tarcia przepływu cieczy. W tej procedurze podłoże silikonowe, pokryte polimerem pośrednim i materiałem do druku, jest podgrzewane powyżej temperatury przejścia szklistego polimeru pośredniego i poniżej temperatury topnienia lub przejścia materiału docelowego. Następnie formę i podłoże doprowadza się do fizycznego kontaktu pod wysokim ciśnieniem, a następnie przeprowadza chłodzenie.

Na koniec zostają one rozdzielone, gdy ich temperatura spadnie poniżej temperatury przejścia polimeru pośredniego, co kończy proces przenoszenia wzoru z formy na warstwę docelową. Do tej procedury należy przygotować wykonane z krzemu formy o wymaganych wymiarach, korzystając z konwencjonalnej litografii UV. Przygotuj warstwę pośrednią, wybierając nieprzewodzącą arkusz PMMA i umieszczając go na sztywnym, płaskim podłożu.

Pojedynczy polimer przewodzący można teraz nanieść konwencjonalną metodą spin coatingu na polimer pośredni. Dodatkowo, aby nanieść wiele materiałów polimerowych przewodzących, należy zakleić obszar wokół pierwszej warstwy polimeru przewodzącego taśmą klejącą. Dzięki zastosowaniu taśmy i metody spin coatingu można nanieść wiele warstw w wybranych miejscach na podłożu.

Następnie poddaj podłoże tłoczeniu za pomocą maszyny do tłoczenia na gorąco przez kilka minut, a następnie wyjmij podłoże z formy w temperaturze od 80 do 95 °C z prędkością 1,5 mm/min. W tej procedurze górna warstwa zostaje zastąpiona kombinacją odpowiednio dwóch i trzech polimerów lub warstw metalu, aby wytworzyć wielowarstwowe mikrostruktury. Omówiono wytwarzanie heterozłączy, diod i kondensatorów.

Aby wytworzyć dwuwarstwowe złącze heterogeniczne PPY pdot, należy najpierw nanieść metodą spin-coatingu warstwę pdot o grubości 10 µm na arkusz PMMA. Następnie podłoże należy wygrzać w temperaturze 80 °C przez jedną godzinę. Po wygrzewaniu należy nanieść metodą spin-coatingu warstwę PPY o grubości 1 µm na warstwę pdot, a następnie wygrzać podłoże przez pięć minut.

Aby wytworzyć dwuwarstwowe diody pdot aluminiowe, nanieś metodą spin-coatingu warstwę pdot o grubości 10 µm na arkusz PMMA, a następnie wypal podłoże przez godzinę. Następnie zastosuj naparowanie termiczne, aby nałożyć na warstwę pdot aluminiową powłokę o grubości 200 nm. Podłoże należy umieścić stroną roboczą do dołu, a ciśnienie w komorze parownika ustawić na 5 µTorr; wysokie napięcie powoduje odparowanie granulek aluminium.

Monitoruj monitor grubości kwarcu, aż zostanie osiągnięta wartość 200 nanometrów. Następnie zredukuj napięcie do zera i odpowietrz komorę przed wyjęciem próbki. Aby wytworzyć trójwarstwowe kondensatory pdot z PMMA pdot.

Naniesiono metodą spin-coatingu warstwę pdot o grubości 10 µm na arkusz PMMA, a następnie podłoże wygrzano przez godzinę. Następnie, poprzez wielokrotne wirowanie z prędkością 1000 RPM, uzyskano warstwę PMMA o grubości od 15 do 20 µm na warstwie pdot i wygrzano podłoże przez 30 minut. Po wygrzaniu warstwy PMMA naniesiono metodą spin-coatingu warstwę pdot o grubości od dwóch do trzech µm na film PMMA i wygrzano podłoże przez pięć minut. Dla wszystkich mikrostruktur wykonano tłoczenie podłoża za pomocą maszyny do tłoczenia na gorąco przez kilka minut, po czym przeprowadzono rozformowanie mikrostruktur w temperaturze od 80 do 95 °C z prędkością 1,5 mm/min.

Operacja wyciągania jest podobna do wycinania, jednak wykorzystuje ona sztywną formę o zaokrąglonych krawędziach oraz formę z A-P-D-M-S. Wymaga ona również mniejszej siły wkładania, niższej prędkości wkładania oraz wyższej temperatury drukowania. Rozpocznij tworzenie mikrosłupków z PDMS poprzez nanoszenie metodą spin coatingu warstwy S 1813 o grubości mikrometra na formę z SU eight.

Formę SU-8 wytwarza się przy użyciu konwencjonalnej litografii UV. Następnie nanosi się PDMS metodą spin-coatingu na pokrytą S 1813 formę SU-8 przy prędkości 1000 RPM, a próbkę wypieka w temperaturze 85 °C przez trzy godziny na płycie grzejnej. Po utwardzeniu warstwy PDMS próbkę przemywa się acetonem, aby rozpuścić S 1813 i oddzielić cienką warstwę PDMS od formy SU-8.

Po zakończeniu formowania filmu z PDMS z mikrosłupkami, należy umieścić go na arkuszu HDPE o grubości 1,5 mm w celu wykonania nadruku. Na film z PDMS oraz arkusz HDPE należy nałożyć aluminiową formę z zaokrąglonymi krawędziami i wypiekać pod ciśnieniem przez godzinę. Forma dociśnie wówczas film z PDMS do miękkiego arkusza HDPE.

Po ochłodzeniu próbki do temperatury pokojowej należy usunąć formę, aby zakończyć proces tworzenia kanału na arkuszu HDPE. W trakcie tego procesu część utworzonej z mikrosłupków błony PDMS zostaje przeniesiona na dno oraz obie ściany boczne kanału. Wykorzystując operację cięcia MPL, wykonano jednowarstwowe mikrostruktury w PPY, PDOT i SPANI.

Do analizy wzoru w postaci linii prostej o szerokości 300 µm oraz wzoru mikrodruciska serpentynowego o szerokości 50 µm, w celu przetestowania czułości na wilgotność, wykorzystano SEM. Zarówno PPY MICROWIRE, jak i film z PPY o powierzchni jednego centymetra kwadratowego zostały poddane działaniu wilgotności względnej w zakresie od 45% do 85%. Ich czułość mierzono jako zmianę rezystancji, a następnie porównano wyniki. SEM wykorzystano do zbadania kilku wielowarstwowych mikrostruktur, w tym pdot z PPY w kształcie mikrolinii o szerokości 300 µm, diody z aluminium pdot o złączu heterogenicznym oraz kondensatora PDOT PMMA pdot przy użyciu stacji sond Keithley.

Przy uziemionej warstwie pdot i przyłożonym do warstwy PPY potencjale polaryzacyjnym od -20 V do 20 V, napięcia przebicia w kierunku przewodzenia i wstecznym dla heterozłącza PPY PDOT wynosiły odpowiednio 5 V i -8 V. Heterozłącze aluminiowe pdot wykonano poprzez uziemienie warstwy aluminium i przyłożenie potencjału polaryzacyjnego od -5 V do 5 V do warstwy pdot; pomiary przeprowadzono w temperaturze pokojowej.

Napięcia przebicia w kierunku prostym i odwrotnym wynosiły odpowiednio 3 V i -2,5 V. Kondensator pdot PMMA PDOT został wykonany przy użyciu stacji sond KEITHLEY, a jego charakterystyka CV została zmierzona w temperaturze pokojowej. Zmierzona pojemność kondensatora przy niskiej częstotliwości polaryzacji wynosiła około 0,06 pF.

Podczas gdy teoretycznie obliczona wartość wynosiła 1,38, mikrofilariki PDMS o pojemności w pikofaradach zostały wciśnięte w arkusze A-H-D-P-E, aby utworzyć ścianki boczne kanału. Średni kąt zwilżania kropli wody w kanałach HDPE wynosił 145,5 stopnia. Mikrofilariki PDMS są wykorzystywane w celu zmniejszenia tarcia oporu w kanałach HDPE.

Kropla przesuwająca się po kanale z HDPE powleczonym warstwą A-P-D-M-S porusza się wolniej niż kropla przesuwająca się po kanale z HDPE z mikrofilarami z A-P-D-M-S. Wynika to z superhydrofobowego charakteru kanału nadanego przez mikofilary PDM. Podczas wykonywania tych procedur należy pamiętać, że praca z fotorezystem, polimerami przewodzącymi i lotnymi związkami organicznymi może być niebezpieczna; należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak stosowanie środków ochrony osobistej i praca w dobrze wentylowanym pomieszczeniu.