使用无掩模紫外光刻技术直接制备微图案化的PDMS纳米薄膜

《Micro and Nanostructures》：Direct fabrication of micropatterned PDMS nanofilms using maskless UV lithography

制备微图案化超薄PDMS薄膜的新方法，采用无掩模紫外光刻技术，通过调节紫外曝光剂量控制薄膜厚度（0.008-100 nm），无需lift-off或蚀刻，适用于刚性硅基板和柔性玻璃基底，并成功集成荧光分子，拓展至柔性电子、生物传感器等应用。

　　这项研究介绍了一种创新的方法，用于在基底上直接制造微图案化的超薄聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜。PDMS作为一种高性能的弹性体材料，因其化学稳定性、电绝缘性、光学透明性、气体渗透性和生物相容性等特性，被广泛应用于柔性电子、生物传感器、微流体设备、执行器、微泵、微阀以及光学透镜等多个领域。然而，传统技术在制造和图案化PDMS纳米薄膜方面仍存在诸多挑战。由于PDMS液体的高粘度特性，常规的微加工方法如蚀刻或软光刻技术在处理超薄薄膜时难以保持均匀的厚度和精确的图案控制。因此，开发一种适用于纳米尺度的简便且可靠的制造方法显得尤为重要。

本研究提出的方法基于无掩模紫外（UV）光刻技术，能够在不依赖光刻胶剥离或蚀刻工艺的情况下，实现PDMS纳米薄膜的直接制造与微图案化。其核心原理是利用光固化PDMS在旋涂后形成厚度约为几微米的液态薄膜，随后通过具有浅焦深的无掩模UV曝光系统进行选择性曝光。曝光过程中，UV光主要作用于基底附近的PDMS区域，使其发生交联固化，而远离基底的未固化PDMS则在后续的溶剂处理（如使用甲苯）中被去除。这种方法不仅简化了制造流程，还避免了传统技术中复杂的工艺步骤，从而提高了制造的效率和可控性。

该方法的关键在于如何通过调节UV曝光剂量来实现对薄膜厚度的精确控制。研究发现，PDMS的固化过程需要达到一定的曝光阈值，因此在接近该阈值的范围内调整曝光剂量，可以有效地调控最终形成的薄膜厚度。通过实验验证，研究团队展示了不同曝光剂量下PDMS纳米薄膜的厚度变化情况，表明该方法能够在纳米尺度上实现高度可控的图案化。此外，实验还表明，该技术在制造纳米级线-空间（L/S）图案时表现出良好的分辨率和表面质量，其表面粗糙度极低，平均值约为0.5纳米，这为微光学和微流体应用提供了理想的材料特性。

为了进一步验证该方法的适用性，研究团队还成功制造了含有荧光分子（如尼罗红）的PDMS纳米薄膜。尼罗红是一种脂溶性的荧光染料，其在紫外波长（365纳米）下的吸收特性非常微弱，因此在曝光过程中不会对PDMS的固化产生显著影响。通过无掩模UV光刻技术，研究团队能够在Si基底和柔性玻璃片（如G-Leaf）上制造出具有荧光特性的纳米薄膜，并通过荧光显微镜观察其图案化效果。实验结果表明，即使在弯曲的玻璃片上，这些纳米薄膜仍然能够保持良好的附着力和图案保真度，显示出该方法在柔性基底上的广泛适用性。

研究还探讨了PDMS材料的类型及其对制造方法的兼容性。目前，UV固化PDMS主要分为两种类型：自由基聚合型（快速固化）和UV加成型（慢速固化）。自由基聚合型PDMS在固化过程中容易受到氧气抑制的影响，且通常需要高强金属卤化物灯作为光源，这限制了其在无掩模UV光刻技术中的应用。相比之下，UV加成型PDMS，如KER-4690-A/B，因其良好的光响应性和与LED光源的兼容性，更适合本研究提出的方法。这使得UV加成型PDMS成为一种在常温常压条件下易于制造的材料选择。

本研究提出的无掩模UV光刻方法不仅简化了PDMS纳米薄膜的制造流程，还显著提升了图案化过程的可控性和重复性。通过该方法，可以在各种基底上直接形成具有特定功能的超薄PDMS薄膜，而无需额外的剥离或蚀刻步骤。这种方法的简便性和高可控性，使其在柔性电子、生物传感器和微机电系统等领域的应用前景广阔。此外，该技术还为未来在纳米尺度上集成多种功能材料提供了新的可能性，进一步拓展了PDMS材料的多功能性与应用范围。

研究团队通过一系列实验验证了该方法的可行性，包括对PDMS薄膜厚度的测量、表面粗糙度的分析以及荧光图案的观察。实验结果显示，通过调整曝光剂量，可以在不同的图案尺寸下实现薄膜厚度的精确调控，同时保持表面的光滑度和图案的清晰度。此外，对于柔性基底的适应性也得到了证实，表明该方法不仅适用于刚性基底，还能够在弯曲的玻璃片上实现稳定的图案化效果。这些结果表明，无掩模UV光刻技术为PDMS纳米薄膜的制造提供了一种高效、低成本且易于操作的新途径。

本研究的创新之处在于其无需传统光刻胶剥离或蚀刻步骤的制造方法，极大地简化了工艺流程。同时，通过控制UV曝光剂量，可以实现对薄膜厚度的精确调控，使得微图案化成为可能。这种方法不仅适用于常规的PDMS材料，还能够与其他功能性材料结合，用于制造具有特定功能的纳米薄膜。此外，由于该方法能够在多种基底上实现图案化，包括刚性和柔性材料，因此具有广泛的应用潜力。未来，该技术有望被进一步优化，以实现更高分辨率的图案化效果，并应用于更复杂的微纳结构制造。

综上所述，这项研究为PDMS纳米薄膜的制造和图案化提供了一种新的解决方案。通过无掩模UV光刻技术，可以在不依赖复杂工艺的情况下，直接在基底上形成具有特定厚度和图案的超薄PDMS薄膜。该方法不仅提高了制造的效率和精度，还拓展了PDMS材料的应用边界，使其在柔性电子、生物传感器、微流体设备等新兴领域中展现出更大的潜力。随着对纳米尺度材料加工需求的不断增长，这种简便且可靠的制造方法有望成为未来相关研究和应用的重要工具。