基于界面間粘附能理論，結(jié)合有限元模擬研究聚二甲基硅氧烷(PDMS) 微結(jié)構(gòu)模板實(shí)現(xiàn)聚合物SU- 8光刻膠的圖形轉(zhuǎn)移復(fù)制的轉(zhuǎn)印機(jī)理，分析了微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印過(guò)程中基底表面能、壓力和SU- 8 膠溶劑對(duì)圖形轉(zhuǎn)印的影響。結(jié)果表明，氧等離子體轟擊基底表面可以有效提高基底表面能，保證大面積圖形轉(zhuǎn)印成功率； 通過(guò)有限元方法分析PDMS 模板上微結(jié)構(gòu)在壓強(qiáng)載荷下的變形情況，確定了保證轉(zhuǎn)印精確度的最大壓強(qiáng)載荷為60 kPa； SU- 8 膠溶液中環(huán)戊酮的揮發(fā)會(huì)造成轉(zhuǎn)印結(jié)構(gòu)的收縮變形,足夠大的SU-8 膠濃度是保證轉(zhuǎn)印精確度的前提，SU- 8 2025 光刻膠與環(huán)戊酮的體積比大于2 時(shí)基本可以保證圖形轉(zhuǎn)印精度。

　　微納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印(transfer patterning) 技術(shù)是近些年新興發(fā)展的微納加工技術(shù)，其基本原理是利用模板和基底與轉(zhuǎn)印圖形層之間粘附能的不同實(shí)現(xiàn)圖形從模板到基底間的轉(zhuǎn)移。與傳統(tǒng)的光刻技術(shù)和納米壓印(NIL) 相比，微納米轉(zhuǎn)印技術(shù)具有無(wú)溶液參與和無(wú)殘膠處理過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于微納米轉(zhuǎn)印技術(shù)采用柔韌性較好的聚二甲基硅氧烷( PDMS) 和PUA 等材料作為模板材料，可以很好地與卷對(duì)卷印刷技術(shù)進(jìn)行整合從而實(shí)現(xiàn)大面積連續(xù)加工微納圖形。微納米轉(zhuǎn)印技術(shù)并已經(jīng)廣泛地用于制備微光電器件: 太陽(yáng)能電池電極，柔性金屬網(wǎng)柵電極，有機(jī)發(fā)電二極管(OLED) 的金屬陰極以及發(fā)電二極管、光伏轉(zhuǎn)換單元和場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的聚合物結(jié)構(gòu) ,同時(shí)，利用轉(zhuǎn)印技術(shù)制備多層聚合物結(jié)構(gòu)突破了溶液沉積法的限制，并有望運(yùn)用在便攜式彩色顯示屏像素點(diǎn)的制備上。PDMS 由于具有較低的彈性模量和表面能，較好的柔韌性以及簡(jiǎn)易的操作流程和可多次重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，作為模板材料廣泛地運(yùn)用于微納米轉(zhuǎn)印技術(shù)的研究當(dāng)中，SU-8 光刻膠具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，較好的生物兼容性和耐化學(xué)腐蝕性,在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 、生物芯片、微流控系統(tǒng)等微尺寸器件中有廣泛的運(yùn)用，所以采用PDMS 模板轉(zhuǎn)印SU-8 光刻膠結(jié)構(gòu)的研究具有較好的理論基礎(chǔ)和較高的實(shí)用價(jià)值。

　　基底表面能、外加壓力和光刻膠溶劑是影響微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印精度和成功率的重要因素，本文利用具有微結(jié)構(gòu)的PDMS 模板作為研究對(duì)象，研究PDMS 模板轉(zhuǎn)印聚合物SU-8 光刻膠過(guò)程中基底表面的表面改性，壓力載荷和SU-8 膠溶液濃度對(duì)轉(zhuǎn)印結(jié)果的影響，為完善PDMS 模板轉(zhuǎn)印聚合物結(jié)構(gòu)的理論機(jī)制,優(yōu)化轉(zhuǎn)印的加工工藝提供理論依據(jù)。

1、基于粘附能的轉(zhuǎn)印機(jī)理

　　微納米轉(zhuǎn)印技術(shù)的機(jī)理就是利用各個(gè)材料間粘附能的不同從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)印結(jié)構(gòu)在模板和基底間的轉(zhuǎn)移。針對(duì)具有微結(jié)構(gòu)的PDMS 模板，將填充好的聚合物轉(zhuǎn)印到基底上是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)印的關(guān)鍵，其機(jī)理模型可由圖1 表示。

圖1 PDMS 微孔結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)印機(jī)理示意圖

結(jié)論

　　本文以界面間粘附能理論為基礎(chǔ)，利用有限元方法對(duì)PDMS 微結(jié)構(gòu)模板轉(zhuǎn)印SU-8 膠圖形的工藝過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，對(duì)基底表面能、轉(zhuǎn)印壓力和SU-8 膠溶劑等工藝參數(shù)對(duì)圖形轉(zhuǎn)印精度的影響進(jìn)行了探討，得出了如下結(jié)論: 氧等離子體表面處理技術(shù)可增大基底與轉(zhuǎn)印圖形的粘附能，擴(kuò)寬微納米轉(zhuǎn)印的工藝寬容度，實(shí)現(xiàn)大面積微結(jié)構(gòu)圖形的轉(zhuǎn)��； 轉(zhuǎn)印壓強(qiáng)小于60 kPa 時(shí)，實(shí)驗(yàn)中PDMS 模板上微結(jié)構(gòu)的形變量則不大于20%，避免了壓力過(guò)大造成的轉(zhuǎn)印結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失真； 聚合物溶液中的溶劑在加壓加熱轉(zhuǎn)印過(guò)程會(huì)透過(guò)PDMS 模板揮發(fā)到外界致使轉(zhuǎn)印的聚合物結(jié)構(gòu)收縮嚴(yán)重，降低了轉(zhuǎn)印的精確度，當(dāng)轉(zhuǎn)印圖形材料為SU-8 2025 光刻膠時(shí)，SU-8 2025 與環(huán)戊酮的體積比大于2 時(shí)基本可以保證轉(zhuǎn)印結(jié)構(gòu)的精確度。