Микроконтактная печать
Микроконтактная печать (или µCP ) — это форма мягкой литографии , в которой используются рельефные узоры на мастер- штампе из полидиметилсилоксана (ПДМС) или микроштампе из уретанового каучука. [1] для формирования рисунков самоорганизующихся монослоев (SAM) чернил на поверхности подложки посредством конформного контакта, как в случае нанотрансферной печати (nTP). [2] Его применение широкомасштабно, включая микроэлектронику , химию поверхности и клеточную биологию .
История [ править ]
И литография , и печать штампов существуют уже много веков. Однако сочетание этих двух технологий привело к появлению метода микроконтактной печати. Этот метод был впервые представлен Джорджем М. Уайтсайдсом и Амитом Кумаром в Гарвардском университете . [ нужна ссылка ] С момента своего создания было исследовано множество методов мягкой литографии.
Процедура [ править ]
Подготовка мастера [ править ]
Создание мастера или шаблона осуществляется с использованием традиционных фотолитографии методов . Мастер обычно создается на силиконе , но его можно сделать и на любой поверхности с твердым рисунком. фоторезист На поверхность наносится и формируется рисунок с помощью фотомаски и УФ-излучения . Затем мастер запекают, проявляют и очищают перед использованием. В типичных процессах фоторезист обычно сохраняется на пластине и используется в качестве топографического шаблона для штампа. Однако незащищенные области кремния можно вытравить и снять фоторезист, в результате чего останется пластина с рисунком для создания штампа. Этот метод более сложен, но создает более стабильный шаблон.
Создание штампа PDMS [ править ]
После изготовления мастер помещается в контейнер со стенками, обычно в чашку Петри , и на мастер выливается штамп.
Штамп PDMS в большинстве случаев представляет собой соотношение силиконового эластомера силиконового эластомера и отвердителя в соотношении 10:1 . Эта смесь состоит из короткого гидросиланового сшивающего агента, который содержит катализатор, изготовленный из комплекса платины . После заливки ПДМС отверждается при повышенных температурах с образованием твердого полимера с эластомерными свойствами. Затем штамп снимается и обрезается до нужного размера. Штамп воспроизводит противоположность мастера. Повышенные области штампа соответствуют углубленным областям мастера.
Существуют некоторые коммерческие услуги по приобретению марок PDMS и образцов с микроузорами, например Research Micro Stamps. [3]
Нанесение чернил на печать [ править ]
Нанесение краски на штамп происходит путем нанесения тиолового раствора путем погружения или покрытия штампа ватной палочкой. Высокогидрофобный . материал ПДМС позволяет чернилам диффундировать в объем штампа, а это означает, что тиолы находятся не только на поверхности, но и в объеме материала штампа Эта диффузия в объем создает резервуар для чернил для нескольких отпечатков. Штампу дают высохнуть до тех пор, пока не перестанет быть видно жидкость и резервуар не образуется для чернил.
Нанесение штампа на основу [ править ]
Прямой контакт [ править ]
Наносить штамп на основу легко и просто, что является одним из главных преимуществ этого процесса. Штамп приводится в физический контакт с подложкой, и раствор тиола переносится на подложку. Тиол избирательно переносится на поверхность в зависимости от особенностей штампа. Во время переноса углеродные цепи тиола выравниваются друг с другом, образуя гидрофобный самоорганизующийся монослой (SAM).
Другие техники нанесения [ править ]
Печать штампа на подложке, хотя и не используется так часто, также может осуществляться с помощью прокатного штампа на плоской подложке или изогнутой подложки с помощью плоского штампа.
Преимущества [ править ]
Микроконтактная печать имеет ряд преимуществ, в том числе:
- Простота и легкость создания узоров с микромасштабными функциями.
- Может быть выполнено в традиционной лаборатории без постоянного использования чистого помещения (чистое помещение необходимо только для создания мастера).
- Из одного мастера можно создать несколько штампов.
- Отдельные штампы можно использовать несколько раз с минимальным ухудшением характеристик.
- Более дешевый метод изготовления, требующий меньше энергии, чем традиционные методы.
- Для некоторых материалов не существует другого метода микрорисунка. [4]
Недостатки [ править ]
После того, как этот метод стал популярным, возникли различные ограничения и проблемы, каждая из которых повлияла на формирование рисунка и воспроизводимость.
Деформация штампа [ править ]
При прямом контакте необходимо соблюдать осторожность, так как штамп может легко физически деформироваться, что приведет к появлению напечатанных элементов, отличных от оригинальных свойств штампа. Горизонтальное растяжение или сжатие штампа приведет к деформации выступов и углублений. Кроме того, слишком сильное вертикальное давление на штамп во время печати может привести к сплющиванию рельефных элементов относительно подложки. Эти деформации могут привести к появлению субмикронных деталей, даже если исходный штамп имеет более низкое разрешение.
Деформация штампа может произойти при снятии с мастера и в процессе контакта с подложкой. При большом соотношении сторон штампа может произойти коробление штампа. При низком соотношении сторон может произойти обрушение крыши.
Загрязнение субстрата [ править ]
В процессе отверждения некоторые фрагменты потенциально могут остаться неотвержденными и загрязнить процесс. Когда это происходит, качество напечатанного SAM снижается. Когда молекулы чернил содержат определенные полярные группы, перенос этих примесей увеличивается.
Усадка/разбухание штампа [ править ]
В процессе отверждения штамп может потенциально уменьшиться в размерах, что приведет к изменению желаемых размеров рисунка подложки.
Также может возникнуть отек штампа. Большинство органических растворителей вызывают набухание штампа ПДМС. Этанол, в частности, обладает очень небольшим эффектом набухания, но многие другие растворители нельзя использовать для нанесения красок по-мокрому из-за сильного набухания. Из-за этого процесс ограничен аполярными чернилами, растворимыми в этаноле.
Мобильность чернил [ править ]
Диффузия чернил из объема ПДМС к поверхности происходит во время формирования узорчатого SAM на подложке. Такая подвижность чернил может вызвать боковое распространение в нежелательные области. При переносе это распространение может повлиять на желаемый рисунок.
Приложения [ править ]
В зависимости от типа используемых чернил и последующей подложки техника микроконтактной печати имеет множество различных применений.
Микромеханика [ править ]
Микроконтактная печать имеет широкое применение в микрообработке . Для этого применения растворы для красок обычно состоят из раствора алканетиола . [5] В этом методе используются металлические подложки, наиболее распространенным из которых является золото . Однако серебро , медь и палладий доказано, что также работают.
После нанесения чернил на подложку слой SAM действует как сопротивление обычным методам мокрого травления , позволяя создавать рисунки с высоким разрешением. Слой SAM с узором — это шаг из серии шагов по созданию сложных микроструктур. Например, нанесение слоя SAM поверх золота и травление создают микроструктуры золота. После этого этапа протравленные участки золота обнажают подложку, которую можно далее травить с использованием традиционных методов анизотропного травления. Благодаря технологии микроконтактной печати для выполнения этих этапов не требуется традиционная фотолитография.
белков Паттернирование
Формирование белков помогло развитию биосенсоров . [6] исследования клеточной биологии, [7] и тканевая инженерия . [8] Было доказано, что различные белки являются подходящими чернилами и наносятся на различные подложки с использованием техники микроконтактной печати. Полилизин , иммуноглобулиновые антитела и различные ферменты были успешно размещены на поверхностях, включая стекло, полистирол и гидрофобный кремний.
Узорные ячейки [ править ]
Микроконтактная печать использовалась для улучшения понимания того, как клетки взаимодействуют с субстратами. Этот метод помог улучшить изучение структуры клеток, что было невозможно с помощью традиционных методов культивирования клеток.
ДНК паттерна Создание
успешное формирование паттерна ДНК . С помощью этой техники также было получено [9] [10] Сокращение времени и материала ДНК являются решающими преимуществами использования этого метода. Марки можно было использовать несколько раз, и они были более однородными. [ нужны разъяснения ] и чувствительнее, чем другие методы. [ нужна ссылка ]
Изготовление микрокамер [ править ]
Чтобы узнать о микроорганизмах, ученым нужны адаптируемые способы захвата и записи поведения подвижных одноклеточных организмов самых разных видов. Штампы PDMS могут формовать материал для выращивания в микрокамеры, которые затем захватывают одноклеточные организмы для визуализации. [11]
Улучшения техники [ править ]
Чтобы помочь преодолеть ограничения, налагаемые оригинальной методикой, было разработано несколько альтернатив.
- Высокоскоростная печать : Успешная контактная печать была выполнена на золотой подложке со временем контакта в диапазоне миллисекунд. Время печати на три порядка короче, чем при обычной технике, но при этом рисунок успешно трансформируется. Процесс контакта был автоматизирован для достижения этих скоростей с помощью пьезоэлектрического привода . При таком малом времени контакта не происходило растекания тиола по поверхности, что значительно улучшало однородность рисунка. [7]
- Погруженная печать : Погружение штампа в жидкую среду значительно повышает стабильность. При печати гидрофобных длинноцепочечных тиолов под водой значительно снижается распространенная проблема переноса паров чернил. С помощью этого метода было достигнуто соотношение сторон PDMS 15: 1, чего раньше не было. [12]
- Наноконтактная печать с отрывом : сначала с помощью штампов с отрывом из кремния. [13] и более поздние недорогие полимерные штампы с отрывом [14] и при контактировании их с плоской печатью PDMS с чернилами для иммуноанализов и клеточных анализов были получены наноструктуры из нескольких белков или сложные цифровые градиенты наноточек с расстоянием между точками от 0 нм до 15 мкм. Реализация этого подхода привела к созданию рисунка градиентного массива из 100 цифровых наноточек, состоящего из более чем 57 миллионов белковых точек диаметром 200 нм, напечатанных за 10 минут на площади 35 мм2. [15]
- Контактное нанесение : в отличие от влажного нанесения, этот метод не проникает в объем ПДМС. Молекулы чернил контактируют только с выступающими участками штампа, которые будут использоваться для нанесения рисунка. Отсутствие чернил на остальной части штампа уменьшает количество чернил, переносимых через паровую фазу, что потенциально может повлиять на рисунок. Это делается путем прямого контакта штампа с плоской подложкой из PDMS, на которой есть чернила. [16]
- Новые материалы для штампов . Для обеспечения равномерного переноса чернил штамп должен быть механически стабильным и обеспечивать хороший конформный контакт. Эти две характеристики сочетаются друг с другом, поскольку высокая стабильность требует высокого модуля Юнга , тогда как эффективный контакт требует увеличения эластичности . Композитный . тонкий штамп из ПДМС с жесткой задней опорой был использован для нанесения рисунка, чтобы помочь решить эту проблему
- Микроконтактная печать с использованием магнитного поля : для приложения однородного давления на этапе печати используется магнитная сила. Для этого штамп чувствителен к магнитному полю за счет введения железного порошка во второй слой ПДМС. Эту силу можно регулировать для нано- и микро-узоров [1] [17] [13] [12] [12] [12] .
- Мультиплексирование: макроштамп : основной недостаток микроконтактной печати для биомедицинских применений заключается в том, что невозможно напечатать разные молекулы с помощью одного штампа. Для печати различных (био)молекул за один этап предлагается новая концепция: макроштамп. Это штамп, состоящий из точек. Расстояние между точками соответствует пространству между лунками микропланшета. Затем можно за один этап нанести краску, высушить и напечатать разные молекулы. [18]
Общие ссылки [ править ]
- Уилбур Дж.Л.; и др. (1996). Микроконтактная печать самоорганизующихся монослоев: применение в микропроизводстве . Нанотехнологии.
- Руис С.А.; Чен CS (2007). Микроконтактная печать: инструмент для создания рисунков . Мягкая материя.
- Рейнхудт, Хаскенс (2009). Микроконтактная печать: ограничения и достижения . Передовые материалы.
- www.microcontactprinting.net: веб-сайт, посвященный микроконтактной печати (статьи, патенты, диссертации, советы, обучение, ...)
- www.researchmicrostamps.com : сервис, предоставляющий микроштампы посредством простой онлайн-продажи.
Сноски [ править ]
- ^ «Исследовательские микромарки» . РМС . Проверено 21 августа 2021 г.
- ^ Смит, Рэйчел К.; Льюис, Пенелопа А.; Вайс, Пол С. (1 июня 2004 г.). «Выкройка самособранных монослоев» . Прогресс в науке о поверхности . 75 (1–2): 34. Бибкод : 2004ПрСС...75....1С . дои : 10.1016/j.progsurf.2003.12.001 . ISSN 0079-6816 .
- ^ «Исследовательские микромарки» .
- ^ Риго, Серена (октябрь 2018 г.). «Поверхности с двойной функциональностью за счет специфической соиммобилизации самоорганизующихся полимерных наноструктур» (PDF) . Ленгмюр . 35 (13): 4557–4565. doi : 10.1021/acs.langmuir.8b02812 . ПМИД 30296105 . S2CID 52939177 .
- ^ Уилбур, Дж. Л. (1996). Микроконтактная печать самоорганизующихся монослоев: применение в микропроизводстве . Нанотехнологии.
- ^ Гросс, ГВ; и др. (1995).
{{cite book}}: Отсутствует или пусто|title=( помощь ) - ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Чен; Мркшич; Хуан; Уайтсайдс; Ингбер (1997). Наука.
{{cite book}}: Отсутствует или пусто|title=( помощь ) - ^ Бхатия; Балис; Ярмуш; Тонер (1999). ФАСЕБ Дж.
{{cite book}}: Отсутствует или пусто|title=( помощь ) - ^ Длинный; Бенеш; Основной; Хорбер; Бернард (2004). Анальный. хим.
{{cite book}}: Отсутствует или пусто|title=( помощь ) - ^ Тибо; Ле Берр; Казимирий; Тревизиол; Франсуа; Старый (2005). Нанобиотехнологии.
{{cite book}}: Отсутствует или пусто|title=( помощь ) - ^ Авасти, Прачи; Эссок-Бернс, Тара; III, Гало Гарсия; Геринг, Джейс; Матус, Дэвид К.; Метс, Дэвид Г.; Йорк, Райан (3 мая 2023 г.). «Надо поймать их всех: микрокамеры с агаром для высокопроизводительной визуализации живых клеток» . Аркадия Наука . doi : 10.57844/arcadia-v1bg-6b60 .
- ^ Бессюэль, Франсуа; Матеу Пла-Рока; Кристофер А. Миллс; Елена Мартинес; Хосеп Самитьер; Абдельхамид Эррашид (23 ноября 2005 г.). «Погруженная микроконтактная печать (SμCP): нетрадиционная техника печати тиолами с использованием эластомерных штампов с высоким соотношением сторон» (PDF) . Ленгмюр . 21 (26): 12060–12063. дои : 10.1021/la0513095 . ПМИД 16342970 .
- ^ Койер, Шон; Андрес Х. Гарсия; Эммануэль Деламарш (10 сентября 2007 г.). «Простое приготовление сложных белковых архитектур с разрешением менее 100 нм на поверхностях». Ангеванде Хеми . 46 (36): 6837–6840. дои : 10.1002/anie.200700989 . ПМИД 17577910 .
- ^ Рику, Себастьен; Матеу Пла-Рока; Рузбе Сафави; Г. Монсеррат Лопес-Айон; Питер Грюттер; Тимоти Э. Кеннеди; Дэвид Юнкер (11 октября 2013 г.). «Цифровые наноточечные градиенты биомолекул с большим динамическим диапазоном, полученные с помощью недорогой наноконтактной печати, для гаптотаксиса клеток». Маленький . 9 (19): 3308–3313. дои : 10.1002/smll.201202915 . ПМИД 23606620 .
- ^ Онго, Грант; Себастьен Дж. Рику; Тимоти Э. Кеннеди; Дэвид Юнкер (13 декабря 2013 г.). «Упорядоченные, случайные, монотонные и немонотонные цифровые градиенты наноточек». биоRxiv 10.1101/001305 .
- ^ Либиуль; Битч; Кузнец; Майкл; Деламарш; Ленгмюр (1999).
{{cite book}}: Отсутствует или пусто|title=( помощь ) - ^ Либиуль; Битч; Кузнец; Майкл; Деламарш; Ленгмюр (1999).
{{cite book}}: Отсутствует или пусто|title=( помощь ) [ нужна проверка ] - ^ «Микромасштабная печать нескольких биомолекул за один этап с использованием макроштампа PDMS», Элен ЛАЛО, Жан-Кристоф Кау, Кристоф Тибо, Натали Марсо, Хильдерик Северак, Кристоф Вье, Микроэлектронная инженерия, Том 86, выпуски 4–6, апрель – июнь 2009 г. , страницы 1428–1430