无掩模SU-8光刻技术的优化，用于制备高密度、高纵横比的热解碳微柱阵列

《Mental Health & Prevention》：Optimization of maskless SU-8 photolithography for fabrication of dense high-aspect-ratio pyrolytic carbon micropillar arrays

本研究优化了无掩模紫外光刻技术在SU-8制备三维碳微支柱电极中的应用，通过调整光刻剂量和偏焦值，实现了25-100μm高、5-40μm直径的碳支柱阵列，间隙与支柱直径匹配。电化学测试表明，高密度支柱电极的峰值电流较二维电极提升达2倍，且电极表面活性区面积与电化学性能呈正相关。热解过程中碳支柱收缩约50%，结构稳定性与光刻参数密切相关。

　　这项研究聚焦于利用无掩模紫外光刻技术（maskless UV lithography）结合SU-8光刻胶，实现高密度的三维电极结构，尤其是具有石墨化碳微柱阵列的电极。其目标是通过优化工艺参数，提升电极的电活性表面积，从而改善其在电化学应用中的性能表现。通过系统性地研究曝光剂量与焦距值对SU-8微柱形貌和尺寸的影响，研究人员成功地制备出高度从25至100微米、直径从5至40微米的微柱结构，其中最高可达10的长宽比。研究结果表明，无掩模光刻在设计灵活性和快速迭代方面具有显著优势，但其在处理厚层光刻胶时存在一些技术挑战，如光束的非准直性导致的图案模糊和结构融合问题。

在无掩模光刻系统中，采用空间光调制器（SLM）进行图像投影，相较于传统的点对点激光直写技术（DWL），投影型无掩模光刻（MLA）能够实现更高的写入速度，同时也能在微米尺度上实现高精度的结构定义。然而，由于投影光束的非理想特性，特别是在厚层SU-8中，如何精确控制焦距以确保微柱之间保持最小间距而不发生结构合并，成为研究的重点之一。通过调整曝光剂量和焦距值，研究人员成功地优化了微柱的密度和尺寸，从而实现了更精细的结构控制。实验结果显示，当使用正焦距（即焦点移至光刻胶内部）时，微柱的稳定性得到了显著提升，而负焦距则容易导致微柱底部或顶部的融合，从而影响最终结构的完整性。

在光刻胶转化为石墨化碳微柱的过程中，研究人员采用了1050摄氏度的高温裂解工艺，使得SU-8结构在转变为碳结构时经历了约50%的体积收缩。这种收缩不仅影响了微柱的高度，也对直径产生了明显的影响，进一步验证了无掩模光刻在设计时需要考虑的尺寸缩放效应。尽管如此，经过优化的工艺仍然能够保证微柱的结构稳定性，并且其在电化学性能上的表现令人满意。研究还发现，不同尺寸和密度的微柱结构对电化学行为产生了不同的影响，特别是当微柱直径较大且密度较低时，其在循环伏安法（CV）中表现出更高的峰值电流，表明电活性表面积的增加显著提升了电化学反应的效率。

为了进一步验证这些结构的电化学性能，研究人员使用了循环伏安法和电化学阻抗谱（EIS）对不同设计的三维碳电极进行了测试。结果表明，电极的电化学响应与其电活性表面积之间存在合理的相关性。具体来说，具有更高密度和更小直径的微柱结构在CV中表现出较低的峰值电流，这可能是由于小尺寸微柱的内部电阻较高或在微柱间隙中出现扩散限制效应。相反，较大的微柱结构在保持合理密度的同时，能够提供更大的电活性表面积，从而显著提升电化学性能。例如，使用75微米高度、10微米直径、10微米间距的微柱结构，其峰值电流比同样高度但直径更小的结构提高了约2倍，与2D电极相比具有明显优势。

此外，研究还探讨了不同微柱阵列设计对电化学性能的影响。通过比较不同尺寸和密度的微柱结构，研究人员发现，当微柱密度较高且直径较小时，虽然电活性表面积增加，但由于扩散限制和内部电阻的问题，其电化学响应并未达到预期效果。因此，在实际应用中，微柱的设计需要综合考虑电活性表面积和扩散限制之间的平衡。例如，在用于细胞培养监测时，较小的微柱可能更适合，因为它们能够提供更精细的细胞附着点；而在微超级电容器等能量存储设备中，较大的微柱可能更有利于维持结构的机械稳定性，便于电解质的集成和封装。

总体而言，这项研究为无掩模光刻技术在三维碳电极制造中的应用提供了重要的指导。通过优化曝光剂量和焦距值，研究人员成功实现了高密度、高长宽比的微柱结构，并验证了其在电化学性能上的优势。研究结果表明，无掩模光刻技术在制造具有复杂结构的微电极方面具有较大的潜力，尤其是在需要快速原型设计和灵活调整的科研环境中。然而，对于生产阶段，由于无掩模光刻技术在处理厚层光刻胶时存在一定的局限性，如光束准直性不足和结构融合风险，因此在选择工艺方法时仍需结合具体应用场景和设备条件进行权衡。

此外，研究还指出，无掩模光刻在某些方面相较于传统掩模光刻存在一定的挑战。例如，对于厚层SU-8结构，由于光束的非准直性，可能会导致微柱之间的间隙缩小甚至融合，从而影响最终结构的性能。因此，在实际应用中，可能需要对光刻参数进行更精细的调整，以确保微柱的独立性和稳定性。同时，研究还提到，某些情况下，使用传统的掩模光刻可能更加可靠，特别是在需要高精度和大规模生产时。因此，未来的研究方向可能包括开发更先进的无掩模光刻技术，以提高其在厚层光刻胶中的适用性，或者结合计算机模拟和实验数据，进一步优化微柱的尺寸和密度设计，以满足不同电化学应用的需求。

这项研究的意义不仅在于技术上的突破，还在于为未来在生物传感器、能量存储、细胞电化学监测等领域的应用提供了重要的参考。通过精确控制微柱的尺寸和密度，研究人员能够设计出具有特定电化学性能的三维电极，从而推动相关技术的发展。同时，研究还强调了在实际应用中，需要结合不同的工艺条件和材料特性，对微柱结构进行优化，以实现最佳的电化学性能和结构稳定性。未来，随着无掩模光刻技术的不断进步，以及对电化学性能的深入研究，三维碳电极的制造将更加高效和精确，为更多实际应用提供支持。