基于PDMS的自组装及转移印刷制备微结构的研究

摘要

随着科学技术的发展，器件微型化成为目前诸多领域的关注重点。作为传统微结构加工技术的光刻技术，能够加工微纳米级特征尺寸的大规模集成电路，在工业生产和科学研究中得到广泛应用。然而光刻技术需要昂贵的光学曝光设备、苛刻的加工环境、复杂的工艺流程和仪器维护，并且仅能在少数光刻胶、半导体和金属等材料上制备微结构。而微流控芯片、生物芯片、有机电子器件、微全分析系统等新兴领域和分析化学、生命科学、物理等传统领域都需要基于非半导体材料的微结构，同时要求加工技术简单而快捷，具有高效费比。因此研究基于非半导体材料的微结构加工技术对上述领域具有重要的理论和实用价值。
　　聚合物材料以其微纳尺度的分子链结构、稳定而可控的合成反应、简易而低价的操作工艺、功能多样化等性能使其在很多领域都有广泛应用,尤其是制备微纳米尺度的图形结构。目前已出现了很多基于聚合物材料的非传统的微结构加工技术，如纳米压印技术、软印刷技术、自组装技术等。而目前最为有效的途径是将现有的光刻技术和这些基于聚合物材料的微结构加工技术的优点结合起来，制备出具有特定功能的图形结构。本文研究了聚二甲基硅氧烷(PDMS)的性能，提出了基于PDMS的自组装和转移印刷制备微结构的方法，为实现微纳图形结构的制备提供了一种经济可靠的手段。
　　本文对 PDMS的化学结构、合成反应和应用领域进行了分析。并用纳米压痕法对 PDMS的机械性能进行了表征。实验结果表明，从10:1至1:1的范围内，配比为6:1的PDMS具有最大的弹性模量和硬度。用 PDMS复制模铸纳米压痕阵列和AFM机械刻划图案，研究了该材料复制复杂二维和三维图形结构的精度和质量，为其作为模具材料提供了保证。
　　利用 PDMS与金属薄膜之间的热膨胀系数和弹性模量的巨大差异，在PDMS表面热沉积 Au膜，而后冷却收缩自发形成复杂的褶皱图案。对其平面上热沉积 Au膜形成的褶皱图案进行了理论分析和实验研究，提出了预防、减弱或消除褶皱图案的方法。针对复杂而有序的褶皱图案，建立了基于傅立叶变换和灰度共生矩阵的自组装褶皱图案的评价方法，从而实现了褶皱图案的排列方向、周期有序性等方面的定量分析。
　　利用光刻技术和超精密切削技术制备了硬质模板，经复制模铸转至PDMS表面，进而调控出规则有序的褶皱图案。由于PDMS基体表面形貌和褶皱图案之间的相互关系，得到了两种不同的复合微结构。利用光刻图案和超精密切削图案中的光栅结构调控出锯齿状褶皱图案，并分析了锯齿状褶皱图案形成的主要原因。
　　建立了基于PDMS粘附作用的转移印刷技术，制备了 Au/Ti/PDMS复合图形结构。利用纳米划痕技术对电子束蒸发和离子溅射沉积 Au膜的膜基结合强度进行了定量表征，得到了利用AFM力曲线对不同配比PDMS的粘附力进行了定性表征，为建立基于PDMS粘附作用的转移印刷提供了实验和理论指导。选择电子束蒸发在 Si表面光刻图形上沉积纳米厚度的Ti/Au双层膜，以及超精密切削图形复制而来的PDMS图形化表面，利用 PDMS的粘附作用和Ti粘结层，实现了 Ti/Au双层膜图形结构转移至图形化PDMS表面。

目录

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 基于聚合物的微结构加工技术的研究现状

1.2.1 光刻技术

1.2.2 纳米压印技术

1.2.3 软印刷技术

1.2.4 自组装技术

1.2.5 基于SPM的加工技术

1.2.6 其他的聚合物制备技术

1.3 自组装褶皱图案的研究现状

1.3.1 褶皱现象

1.3.2 硬质薄膜/弹性体聚合物的自组装褶皱图案

1.3.3 自组装褶皱图案的调控

1.3.4 自组装褶皱图案的应用

1.4 有待解决的问题

1.5 课题的主要研究内容

第2章 PDMS的性能研究

2.1 PDMS的化学结构和特性

2.1.1 化学构成

2.1.2 主要特性

2.2 纳米压痕法测量PDMS机械性能

2.2.1 纳米压痕法的理论基础

2.2.2 Hysitron纳米原位测力仪

纳米压痕实验

2.3 PDMS的复制模铸性能

2.3.1 纳米压痕图案

2.3.2 基于AFM的机械刻划

2.4 本章小结

第3章 Au/PDMS自组装褶皱图案的分析和评价

3.1 金属薄膜/弹性体聚合物自组装褶皱图案的机理分析

3.1.1 薄膜应力

3.1.2 褶皱图案形成机理

3.1.3 实验研究

3.1.4 褶皱图案的预防和消除

3.2 褶皱图案的纹理评价

3.2.1 快速傅立叶变换

3.2.2 灰度共生矩阵

Abstract

3.3 本章小结

第4章 调控Au/PDMS自组装褶皱图案的实验研究

4.1 调控方式的选择

4.2 制备硬质模板

4.2.1 光刻技术

4.2.2 超精密车削技术

4.3 PDMS基体形貌对褶皱图案的调控

4.3.1 实验部分

4.3.2 非耦合作用的调控褶皱图案

4.3.3 耦合作用的调控褶皱图案

4.4 调控锯齿状褶皱图案的实验研究

4.4.1 光刻图案

4.4.2 车削图案

4.5 本章小结

第5章 基于PDMS的转移印刷制备复合微结构的实验研究

5.1 转移印刷

5.2 实验材料及转移方式

5.3 纳米划痕技术

5.4 薄膜沉积技术

5.4.1 未沉积薄膜的Si片

5.4.2 离子溅射

5.4.3 电子束蒸发

5.5 粘附作用

5.5.1 配比对PDMS粘附性能的影响

5.5.2 Ti粘附层

5.6 基于PDMS粘附作用的转移印刷

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历