热压印构筑聚甲基丙烯酸甲酯微纳米线条

吴坤 蔡晨光(淮北师范大学化学与材料科学学院，安徽 淮北 235000)

0 引言

如摘要中所提到的，伴随着越来越多的科研工作者认识到对聚合物进行图案化加工会影响聚合物材料各方向上的性能，比如结晶性能、导电性能、散热性等。因此不少的工作者将精力投入到聚合物微纳米加工技术，此项技术在医学材料、微电子、光学器件等领域运用日渐广泛，对聚合物材料发展的发展也具有重要意义。已经开发出来的聚合物图案化方法丰富，诸如溶剂辅助压印法、光刻技术、印刷法、化学合成法、热压印技术等。而其中热压印技术具有成本低、操作简单、可批量生产等优点，但是现有的热压印技术还存在一些技术上的不足，比如模板制作困难、压印温度高以及有效构筑规整线条技术不完善等。因此，在未来很长一段时间内对聚合物薄膜的微纳米加工技术的发展研究都将是高分子领域研究的热点和难点[1-6]。本文主要运用热压印的方法采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜构筑微纳米线条并利用了原子力显微镜(AFM)对PDMS模板和压印后的PMMA微纳米线条表面形貌进行扫描得到高度、周期、线宽的数据以此来证实热压印方法构筑微纳米线条结构PMMA薄膜的可行性。

1 仪器与试剂

仪器：原子力显微镜(AFM，Vecco Nanoscope Multimode 8.0)，德国布鲁克公司；自动恒温电热台(ZHE)，北京科仪电光仪器公司；台式匀胶机(KW-4A)鑫有研电子科技公司；超声波清洗器(合肥金尼克机械制造有限公司)；台式高速离心机(RJTGL-16G)，无锡市瑞江分析仪器有限公司；台式分析电子天平(FA2004)，常州市幸运电子设备有限公司；真空干燥箱(DZKK30B)，合肥华德利科学器材有限公司；

试剂：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，无水乙醇，异丙醇。

2 实验步骤

2.1 样品制备

(1)PMMA溶液制备：准确称取一定量(45mg)PMMA固体加入一定量(1.5ml)三氯甲烷液体中，置于自动恒温热台上加热至60℃溶解，得到一定浓度(30mg/ml)的PMMA溶液，取配置好溶液置于离心机离心，调节参数8000r/min离心10min纯化取上层清液待用。

(2)PMMA薄膜的制备：用去离子水、无水乙醇、异丙醇等试剂将玻璃片按照一定的清洗步骤在超声波清洗器中清洗一定时间(15min)，并把玻璃片放在无水乙醇擦拭的自动恒温台上烘干待用。因为玻璃基底的清洁程度会很大程度上影响后续的压印结果以及原子力的扫描表征，因此该步骤很重要。然后用超声清洗过的镊子夹取将玻璃片放在无水乙醇擦拭过的匀胶机转盘中心，调节匀胶机转速(5000rpm)，用移液枪移取30μl上述纯化过的PMMA溶液滴在玻璃片中心，旋涂3min后取出，在真空干燥箱干燥一定时间(24h)后得到干燥完整的玻璃基底PMMA原始薄膜。

2.2 PDMS模板清洗

将实验中所需要的模板浸泡在三氯甲烷，置于超声波清洗器中清洗15min。清洗过后在自动恒温热台上加热干燥待用，温度设置在70℃。

2.3 PMMA薄膜图案化构筑

首先将实验中所需要铜块放置在热台上加热至165℃，然后将上步中清洗干燥后的PDMS模板倒扣在以玻璃片为基底的原始PMMA薄膜表面，在上面加上PDMS平膜，用镊子轻轻挤出间隙中空气后放置在165℃热台上，保持平整稳定。迅速将已经加热过的铜块放置在玻璃片上，同样需要保持体系的平整稳定。将其保持放在自动恒温电热台上以一定温度(165℃)熔融一定时间(15min)，时间到达后迅速关掉热台，在室温条件下稳定压力一定时间(17h)。最后在热压印结束后释放压力移走PDMS模板得到图案化的PMMA薄膜。

2.4 PDMS模板及图案化PMMA薄膜原子力显微镜扫描

PDMS模板清洗干燥后可直接用于扫描；压印后的PMMA薄膜表面呈现彩色部分即图案化部分，用玻璃刀将其裁剪成合适大小用于原子力显微镜扫描表征。扫描图案将在后续结果与讨论部分进行展示与讨论。

3 结果讨论

图1是聚合物PMMA薄膜图案化过程操作流程示意图。第一步以玻璃片为基底在上面旋涂聚合物PMMA溶液制备原始薄膜，详细过程已经展示在步骤2.1样品的制备中。然后将PDMS模板倒扣在薄膜上，升温使材料处于熔融状态。在这一步中最重要的是熔融温度的选择，只有通过选择合适的熔融温度才能达到使聚合物在熔融状态下完全填充进入模板的线条中，这样才能在撤去温度后PMMA重新恢复固态时可以构筑规整性较好的纳米线条图案。完成这一步后等待压印结束释放压力揭去模板就可以用原子力显微镜对压印过后的PMMA图案化表面形貌进行扫描。

图1 热压印法构筑图案化PMMA薄膜工艺流程

图2(a)是聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板未压印前的原子力显微镜扫描高度图，图2(b)是聚合物PMMA压印后的微纳米线条结构薄膜的原子力扫描高度图。从图2(a)中可以看出来PDMS模板的高度、周期和线宽分别是129nm，470nm，850nm，而从图2(b)中热压印图案化过后的聚合物PMMA薄膜的线条高度、周期和线宽分别为119nm，467nm，850nm。从图2(b)中还可以很清晰的看到热压印图案化过后的聚合物PMMA薄膜表面具有明显的线条图案，并且分布均匀，图案规整，无塌陷或压印失败线条。并且在周期和线宽上和PDMS模板尺寸基本一致，具有很高的吻合性，但是在高度上和PDMS模板具有一定的出入，这主要是受到热压印技术条件不完善的限制，比如模板本身线条分布不均匀带来的缺陷、实验中压印体系及其轻微的晃动都可以导致纳米级数上线条形貌的巨大差异等，当然这也是后续工作中需要改进和完善的地方。但总体上说，该实验的结果表明本文中使用的热压印技术可以成功构筑聚合物PMMA微纳米线条结构薄膜，这对于聚合物材料薄膜的图案化是具有一定指导意义。

图2 原子力高度图

4 结语

聚合物聚甲基丙烯酸(PMMA)薄膜在热压印前后的表面形貌发生了明显变化，热压印过后的PMMA薄膜表面微纳米线条清晰明显，分布均匀，无塌陷损坏，具有明显的规整度和周期性，高度、周期和线宽三种特征尺寸参数与PDMS模板基本吻合，这一结果说明通过本文中提及的热压印方法已经成功构筑了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微纳米线条薄膜。