Mikrokontakt utskrift

Figur 1: PDMS master skapas genom att mönstra kisel, hälla och härda PDMS och skala bort från substratet

Figur 2: Tiol hälls över stämpeln och låt torka. Konform kontakt skapas med underlaget och mönstret lämnas kvar.

Mikrokontaktutskrift (eller μCP ) är en form av mjuk litografi som använder reliefmönstren på en huvudstämpel av polydimetylsiloxan (PDMS) eller mikrostämpel av uretangummi för att bilda mönster av självmonterade monolager (SAM) av bläck på ytan av ett substrat genom konform kontakt som vid nanoöverföringsutskrift (nTP). Dess applikationer är omfattande inklusive mikroelektronik , ytkemi och cellbiologi .

Historia

Både litografi och stämpeltryck har funnits i århundraden. Kombinationen av de två gav emellertid upphov till metoden för mikrokontaktutskrift. Metoden introducerades först av George M. Whitesides och Amit Kumar vid Harvard University . Sedan starten har många metoder för mjuk litografi undersökts.

Procedur

Förbereder mästaren

Skapandet av mastern, eller mallen, görs med traditionella fotolitografitekniker . Mastern skapas vanligtvis på kisel , men kan göras på vilken solid mönstrad yta som helst. Fotoresist appliceras på ytan och mönstras med en fotomask och UV-ljus . Mastern bakas sedan, framkallas och rengörs före användning. I typiska processer hålls fotoresisten vanligtvis på skivan för att användas som en topografisk mall för stämpeln. Emellertid kan de oskyddade kiselområdena etsas och fotoresisten avskalas, vilket skulle lämna kvar en mönstrad wafer för att skapa stämpeln. Denna metod är mer komplex men skapar en mer stabil mall.

Skapar PDMS-stämpeln

Efter tillverkningen placeras mastern i en behållare med väggar, vanligtvis en petriskål , och stämpeln hälls över mastern.

PDMS-stämpeln, i de flesta applikationer, är ett förhållande på 10:1 av silikonelastomer och en silikonelastomerhärdningsmedel . Denna blandning består av ett kort hydrosilantvärbindare som innehåller en katalysator gjord av ett platinakomplex . Efter hällning härdas PDMS vid förhöjda temperaturer för att skapa en fast polymer med elastomera egenskaper. Stämpeln skalas sedan av och skärs till rätt storlek. Stämpeln replikerar motsatsen till mastern. Förhöjda områden på stämpeln motsvarar indragna områden på mastern.

Vissa kommersiella tjänster för att skaffa PDMS-stämplar och mikromönstrade prover finns som Research Micro Stamps.

Infärgning av stämpeln

Färgning av stämpeln sker genom applicering av en tiollösning antingen genom nedsänkning eller beläggning av stämpeln med en Q-tip. Det mycket hydrofoba PDMS-materialet gör att bläcket kan diffundera in i huvuddelen av frimärket, vilket innebär att tiolerna inte bara finns på ytan utan också i huvuddelen av stämpelmaterialet. Denna spridning in i bulken skapar en bläckbehållare för flera utskrifter. Stämpeln låts torka tills ingen vätska syns och en bläckbehållare skapas .

Applicera stämpeln på underlaget

Direktkontakt

Att applicera stämpeln på underlaget är enkelt och okomplicerat vilket är en av de främsta fördelarna med denna process. Stämpeln bringas i fysisk kontakt med substratet och tiollösningen överförs till substratet. Tiolen överförs områdeselektivt till ytan baserat på stämpelns egenskaper. Under överföringen är tiolens kolkedjor i linje med varandra för att skapa ett hydrofobt självmonterande monolager (SAM).

Andra appliceringstekniker

Tryckning av stämpeln på substratet, även om den inte används så ofta, kan också ske med en rullstämpel på ett plant substrat eller ett krökt substrat med en plan stämpel.

Fördelar

Microcontact Printing har flera fördelar, inklusive:

• Enkelheten och lättheten att skapa mönster med mikroskaliga funktioner
• Kan göras i ett traditionellt laboratorium utan ständig användning av ett renrum (renrum behövs bara för att skapa master).
• Flera stämplar kan skapas från en enda master
• Enskilda stämplar kan användas flera gånger med minimal försämring av prestanda
• En billigare teknik för tillverkning som använder mindre energi än konventionella tekniker
• Vissa material har ingen annan mikromönstringsmetod tillgänglig

Nackdelar

Efter att denna teknik blev populär uppstod olika begränsningar och problem, som alla påverkade mönstring och reproducerbarhet.

Stämpeldeformation

Figur 3: takkollaps, vänster och höger knäckning kan inträffa under processen

Vid direktkontakt måste man vara försiktig eftersom stämpeln lätt kan deformeras fysiskt och orsaka tryckta särdrag som skiljer sig från de ursprungliga stämpeldragen. Horisontell sträckning eller komprimering av stämpeln kommer att orsaka deformationer i de upphöjda och försänkta delarna. Att applicera för mycket vertikalt tryck på stämpeln under utskrift kan också göra att de upphöjda reliefdelarna plattas till mot substratet. Dessa deformationer kan ge submikrona egenskaper även om originalstämpeln har en lägre upplösning.

Deformation av stämpeln kan inträffa under borttagning från mastern och under substratkontaktprocessen. När stämpelns bildförhållande är högt kan buckling av stämpeln uppstå. När bildförhållandet är lågt kan takkollaps inträffa.

Substratförorening

Under härdningsprocessen kan vissa fragment eventuellt lämnas ohärdade och förorena processen. När detta inträffar försämras kvaliteten på den utskrivna SAM. När bläckmolekylerna innehåller vissa polära grupper ökar överföringen av dessa föroreningar.

Krympning/svällning av stämpeln

Under härdningsprocessen kan stämpeln potentiellt krympa i storlek och lämna en skillnad i önskade dimensioner av substratmönstringen.

Svullnad av stämpeln kan också förekomma. De flesta organiska lösningsmedel inducerar svullnad av PDMS-stämpeln. Särskilt etanol har en mycket liten svällningseffekt, men många andra lösningsmedel kan inte användas för våtfärgning på grund av hög svällning. På grund av detta är processen begränsad till apolära bläck som är lösliga i etanol.

Bläckrörlighet

Bläckdiffusion från PDMS-bulken till ytan sker under bildandet av den mönstrade SAM-en på substratet. Denna rörlighet hos bläcket kan orsaka spridning i sidled till oönskade områden. Vid överföringen kan denna spridning påverka det önskade mönstret.

Ansökningar

Beroende på vilken typ av bläck som används och det efterföljande substratet har mikrokontakttrycktekniken många olika tillämpningar

Mikrobearbetning

Mikrokontaktutskrift har fantastiska tillämpningar inom mikrobearbetning . För denna tillämpning består färglösningar vanligtvis av en lösning av alkantiol . Denna metod använder metallsubstrat där den vanligaste metallen är guld . Men silver , koppar och palladium har visat sig fungera också.

När bläcket har applicerats på substratet fungerar SAM-skiktet som ett motstånd mot vanliga våtetsningstekniker som möjliggör skapandet av högupplöst mönster. Det mönstrade SAM-skiktet är ett steg i en serie steg för att skapa komplexa mikrostrukturer. Till exempel, applicering av SAM-lagret ovanpå guld och etsning skapar mikrostrukturer av guld. Efter detta steg exponerar etsade områden av guld substratet som ytterligare kan etsas med traditionella anisotropiska etstekniker. På grund av mikrokontakttrycktekniken behövs ingen traditionell fotolitografi för att utföra dessa steg.

Mönstrar proteiner

Mönstringen av proteiner har bidragit till utvecklingen av biosensorer , cellbiologiforskning och vävnadsteknik . Olika proteiner har visat sig vara lämpliga bläck och appliceras på olika substrat med hjälp av mikrokontakttryckteknik. Polylysin , immunoglobulinantikroppar och olika enzymer har framgångsrikt placerats på ytor inklusive glas, polystyren och hydrofobt kisel.

Mönstrade celler

Mikrokontaktutskrift har använts för att främja förståelsen av hur celler interagerar med substrat. Denna teknik har hjälpt till att förbättra studiet av cellmönster som inte var möjligt med traditionella cellodlingstekniker.

Mönster DNA

Framgångsrik mönstring av DNA har också gjorts med denna teknik. Minskningen av tid och DNA-material är de avgörande fördelarna för att använda denna teknik. Frimärkena kunde användas flera gånger som var mer homogena och känsliga än andra tekniker.

Teknikförbättringar

För att hjälpa till att övervinna de begränsningar som den ursprungliga tekniken ställer har flera alternativ utvecklats.

• Höghastighetsutskrift : Framgångsrik kontaktutskrift gjordes på ett guldsubstrat med en kontakttid inom intervallet millisekunder. Denna trycktid är tre storleksordningar kortare än den normala tekniken, men har ändå framgångsrikt förvandlat mönstret. Kontaktprocessen automatiserades för att uppnå dessa hastigheter genom ett piezoelektriskt ställdon . Vid dessa låga kontakttider skedde ingen ytspridning av tiol, vilket avsevärt förbättrade mönsterlikformigheten
• Nedsänkt utskrift : Genom att sänka frimärket i ett flytande medium ökades stabiliteten avsevärt. Genom att trycka hydrofoba långkedjiga tioler under vattnet reduceras det vanliga problemet med ångtransport av bläcket avsevärt. PDMS-bildförhållanden på 15:1 uppnåddes med denna metod, som inte uppnåddes tidigare
• Lift-off Nanocontact-utskrift : Genom att först använda kisel-lift-off-stämplar och senare billiga polymer-lift-off-stämplar och kontakta dessa med en bläckfärgad platt PDMS-stämpel, nanomönster av flera proteiner eller av komplexa digitala nanodotgradienter med punktavstånd från 0 nm till 15 um från varandra uppnåddes för immunanalyser och cellanalyser. Genomförandet av detta tillvägagångssätt ledde till mönstring av en 100 digital nanodot gradient array, sammansatt av mer än 57 miljoner proteinprickar 200 nm i diameter tryckta på 10 minuter i ett 35 mm2 område.
• Kontaktfärgning : i motsats till blötfärgning genomsyrar denna teknik inte PDMS-massan. Bläckmolekylerna kommer endast i kontakt med de utskjutande områdena av stämpeln som ska användas för mönstringen. Frånvaron av bläck på resten av stämpeln minskar mängden bläck som överförs genom ångfasen som potentiellt kan påverka mönstret. Detta görs genom direkt kontakt mellan en funktionsstämpel och ett platt PDMS-substrat som har bläck på sig.
• Nytt stämpelmaterial : För att skapa enhetlig överföring av bläcket måste stämpeln vara både mekaniskt stabil och även kunna skapa konform kontakt väl. Dessa två egenskaper ställs samman eftersom hög stabilitet kräver en hög Youngs modul medan effektiv kontakt kräver en ökning av elasticiteten . En komposit , tunn PDMS-stämpel med ett styvt ryggstöd har använts för mönstring för att hjälpa till att lösa detta problem.
• Magnetfältsassisterad mikrokontaktutskrift : för att applicera ett homogent tryck under tryckningssteget används en magnetisk kraft. För det är stämpeln känslig för ett magnetfält genom att injicera järnpulver i ett andra lager av PDMS. Denna kraft kan justeras för nano- och mikromönster [16] ^{[13] [12] [12] [12]} .

• Multiplexing: makrostämpeln : den största nackdelen med mikrokontaktutskrift för biomedicinsk tillämpning är att det inte är möjligt att skriva ut olika molekyler med en stämpel. För att skriva ut olika (bio)molekyler i ett steg, föreslås ett nytt koncept: makrostämpeln. Det är en stämpel som består av prickar. Avståndet mellan prickarna motsvarar utrymmet mellan brunnarna på en mikroplatta. Sedan är det möjligt att färga, torka och skriva ut olika molekyler i ett steg.

Allmänna referenser

• Wilbur JL; et al. (1996). Mikrokontakttryck av självmonterade monolager: applikationer inom mikrotillverkning . Nanoteknik.
• Ruiz SA; Chen CS (2007). Microcontact Printing: Ett verktyg för att mönstra . Mjuk materia.
• Reinhoudt, Huskens (2009). Mikrokontaktutskrift: begränsningar och prestationer . Avancerade material.
• www.microcontactprinting.net : en webbplats som handlar om mikrokontakttryck (artiklar, patent, avhandlingar, tips, utbildning, ...)
• www.researchmicrostamps.com : en tjänst som tillhandahåller mikrofrimärken via enkel onlineförsäljning.