折り紙インスパイアパターン化され、再構成可能な粒子の自己組織化

我々は最初のパターン化された、封印された粒子と再構成可能な把持デバイスを製造するために使用できる一般的なプロトコルを記述します。一般的なプロトコルと一緒に、我々は、密封された正十二面体の粒子の製造および再構成可能なmicrogrippers両方に1つの特定、可視化の例を提供します。 1。マスクの準備と設計ルール典型的には、少なくとも2つのマスクセットは、曲げたり、カーブ（硬質パネル）ない地域のためのものと曲がり、カーブまたはシール（ヒンジ）その地域のためにお互いを必要とされている。追加のマスクは毛穴、分子パッチ、光学的または電子素子の表面にパターンを定義するために利用することができる。マスクは、AutoCADなどは、Adobe Illustrator、FreeHand MXのか、レイアウトエディタとして二次元ベクトルグラフィックソフトウェアのさまざまなプログラムを用いて設計することができる。 実証研究では、POLの折り畳み駆動表面張力のために使用できるマスクを生成するため、次の最適な設計ルールを提案辺の長さLのyhedron 特定の多面体の幾何学では、最初のパネルの数を決定する必要がある。正十二面体は、12五角形のパネルがありながら、例えば、立方体は6つの正方形のパネルがあります。 パネルの高収量2次元配列は、またネットを考え出しする必要があると呼ばれる。旋回の最小半径と二頂点の接続の最大数を持っているネットは、通常、最も高い収率で組み立てるようになる。キューブ、八面体、正十二面体、八面体切り捨て、二十面体などの多面体の様に最適なネットは23日、28日公開されています。 パネルのマスクでは、多面体のパネルはネットとして描かれるべきであると、隣接するパネルは約0.1Lである幅のギャップを隔てすべきである。レジストリマークはヒンジマスクを使用して後続の位置合わせのために必要とされる。 ヒンジマスクでは、両方の折りたたみのヒンジ（パネルの間で）とロックまたは密封ヒンジ（パネルの縁で）定義する必要があります。 0.05L（図1 AC）のオーバーハングと0.1Lの0.8Lと幅の長さを持つ必要があり、パネルの周縁部のヒンジをシールしながら折りたたみヒンジは0.8Lと0.2Lの幅の長さを持っている必要があります。特別な注意がレジストリと、パネルとヒンジマスクオーバーレイを保証するために注意しなければなりません。このデザインルールでは、我々は15μmから2.5cmまでの大きさの粒子を合成することができました。 ヒンジのボリュームは、折り畳みの角度を制御して、与えられたヒンジ幅に対して、有限要素モデリングとは、ヒンジの必要な厚さを決定するために必要です。読者は、この厚さを推定するために29から32まで発行されたモデルと呼ばれています。しかし、我々のアプローチの魅力的な特徴は、自己フォールディング中にかなりの誤差が許容範囲を提供するヒンジをロックしたり、シーリングの使用です。したがって、シールヒンジが使用されるとき、組立工程では、それらがTAのみ約できるようにし、ヒンジボリュームの偏差に耐性があるrgeted。 116.57°大量生産されているの折り目角度で正十二面体であっても、組立時の重要な共同性に起因する。また、八面体切り捨て125.27°、109.47°の二つの異なる二面角を持っていますが、同じヒンジボリュームを使用して組み立てることができる。シーリングヒンジのもう一つの利点は、折り畳み過程中の加熱で一緒にお互いのヒューズに隣接するヒンジは、冷却時に堅く、密封された継ぎ目のないと剛体粒子を作成することです。 実証研究では、残留応力に起因するパワーヒンジ折りmicrogrippersのマスクについては、次の最適な設計ルールを示唆している。 600から900μmの先端間の長さ（D）のマイクログリッパは、ヒンジギャップ（g）は 、典型的には50μm程度（図1 df）がある300μmのDと小さいmicrogrippers、小さいgのに対し、周りに25μmのは利用されるべきです。ヒンジの隙間寸法は、ストレス、厚さと弾性コンテに依存下地膜と多層分析ソリューションのNTSはほぼ折りたたみ25,33の程度を推定するために使用することができます。ストレスや有限要素モデリングの精密測定は、正確な折り畳みをシミュレートする必要があります。実証研究では、約100μmでストレスクロムのヒンジを持つ粒子の下限値であることを示唆している。 レイアウトを設計した後、マスクは、社内または商業店舗の様々な（図2a）のいずれかを介して高解像度のプリンタを使用して透明フィルムに印刷する必要があります。クロムマスクが小さいヒンジ隙間や機能を備えた構造のために必要とされるが、通常、透明フィルムは、6μmの最小特徴サイズでのみ使用する必要があります。商業マスクを発注するために必要な典型的なファイル形式は "。DXF"です。 2。基板の準備このようなスライドガラスやシリコンウェハなどの平坦な基板を使用する必要が。 良好な接着のために、それはインプです基板をきれいにし、乾燥することがortant。それは一般的には、メタノール、アセトン、イソプロピルアルコール（IPA）で基板をきれいにするのに十分である、窒素（N 2）とそれらを乾燥した後、ホットプレート上で、または150℃で5〜10分間オーブンで加熱する。 3。犠牲層の堆積パターニングした後、基板からテンプレートを解放するためには、犠牲層が必要となります。金属（ 例えば 、銅）、誘電体（ 例えば 、アルミナ）またはポリマー（ 例えば 、PMMA、PVA、サイトップ等）のいずれかで構成される種々の映画を利用することができる。犠牲膜を選択する際には、重要な考慮事項は、蒸着および材料とのエッチング選択性の溶解のしやすさです。 4。パターニングパネルを粒子のパネルは、様々な手段によって堆積させることができる。ポリマー粒子の場合、フィルムをスピンコーティングまたはドロップキャスティングによって堆積される。のために金属粒子、電着または熱蒸発を利用することができる。 金属粒子の製造のために、それはパネルとヒンジの電着を容易にするために、犠牲層コーティングされた基板上に導電層を追加する必要があります。 パネルは、フォトリソグラフィー、成形、ナノインプリントリソグラフィや電子ビームリソグラフィのような任意のリソグラフィプロセスを用いてパターニングすることができる。典型的なフォトリソグラフィ工程は、製造業者の推奨されているように、露光、現像、焼き付けた後、基材上に被膜フォトレジスト層を伴う。そのような障害、AZやSCシリーズのようなフォトレジストを使用することができ、これに代えて、パネルは、SU8、PEGDA、または光架橋PDMSなどの光架橋ポリマーを使用して定義できます。フォトレジスト、厚さ、したがって、スピン速度、露光時間と開発時間の選択に応じて、それに応じて調整する必要があります。 フォトリソグラフィー後、金属製のパーティションのサイズに応じて薄いパネルは蒸着やスパッタリングによって定義することができながら、クレスは、厚いパネルは、電着して形成することができる。 パネルの電着については、電着とバスの効率のファラデーの法則は、パネルの総露出表面積に基づいて電気めっき電流を計算するのに使用されるべきです。ニッケル（Ni）、はんだ（鉛Sn）のメッキ用の典型的な電流密度はそれぞれ1〜10ミリアンペア/ cm 2を 20〜50 mA / cm 2の間です。 5。パターニング蝶番パネルのパターニングと同様に、パターンのヒンジするために、フォトリソグラフィの第2ラウンドはヒンジマスク（図2b-c）を用いて行われる必要があります。パネルとヒンジマスク上のレジストリのマークは、適切な配置を確保するためにオーバーレイする必要があります。 表面張力駆動アセンブリの場合は、パネルとヒンジの材料はヒンジ材料は低い​​があるように選択されるべきであるヒンジが溶融している間パネルは、硬質のままパネルおよびそれ故によりERの融点。テンプレートはヒンジ材料の融点以上に加熱されたときにアセンブリが​​発生します。例えば、Niパネルと金属粒子の場合には、我々〜200℃で融解ヒンジに電着物のPb-Snはんだ°Cおよび折りたたみを求めるプロンプトが表示されます。同様に、SU8パネル付きのポリマー粒子の場合には、我々 〜58で組み立てる預金カプロラクトンヒンジ27℃プロセスはヒンジ材料がリフロー時のヒンジ領域内に確保したときに、最適に動作し、 すなわちそれは、すべてに広がっていませんパネルと完全にパネルからdewetません。このピニングは適切な湿潤特性及び粘度の材料の選択によって達成することができる。 自己折り畳み駆動薄い膜応力の場合には、ヒンジをパネルパターニングする前にパターン化されるべきである。一般的に、ヒンジは、差動強調重層で構成される必要があるクロム（Cr）又はジルコニウム（Zr）と、金（Au）や銅（Cu）などの比較的強調されていない金属などのストレスを受けた金属からなる。例えば、50μmのヒンジギャップmicrogrippersのために、我々は50nmのCrと100nmのAuから成る二重層を使用しています。差動差動ポリマー34から37を強調した 、金属製の重層性を強調したことに加えて、たSiOx層38またはエピタキシャル半導体層5を利用することもできる。 自己折り畳み駆動薄膜ストレスについては、感熱高分子トリガ層構造は、基板からのリリース時に自発的にフォールドしないようにデバイスを制限するために利用されるべきである。トリガの材料及び厚さを適切に選択することは、様々な刺激応答特性を持つデバイスを授けることができます。例えば、ヒンジ領域におけるパターニング1.5μmの厚さのフォトレジスト（S1800シリーズ）℃折りたたみをトリガするために彼らは〜37に加熱されるまで、デバイスは平らに保つのに十分です。 <p class= "jove_title"> 6。基板からテンプレートを離すと折りパターン化された2Dテンプレートを解放するには、犠牲層は、適切なエッチャント（図2d）で溶解する必要があります。 アセンブリ駆動表面張力については、リリースされた平面の前駆体は、ヒンジ材料の融点以上に加熱する必要があります。加熱すると、ヒンジは液化し、前駆体は、適切な形状の中空粒子（図2E-i）に組み立てましょう。 構造は基板から、右の刺激への曝露に解放された後に薄い膜応力駆動フォールディングの場合、折りたたみは、トリガーが軟化し、もはやストレス重層ヒンジの緩和を抑制しないように、加熱すると、 例えば 、トリガすることができます。把持装置が強磁性体であるため、彼らは導かれると位置付け、適切な貨物の近くにして、それを（図2J-n）の周りに折り畳むようにトリガすることができます。それは、その組織EXCI注目すべきであるシオンは、トリガ折りたたみ25を用いて達成することができる。 例1。自己集合し、恒久的に結合して、300μmのサイズの中空正十二面体（図3の概略図）を駆動表面張力の製作のためのプロトコル： ステップ1で説明したマスクを準備します。300μmのパネルエッジの長さが正十二面体の製作については、正十二面体の五角形のパネルは30μmで離隔されるようにパネルマスクを描画します。折り畳みおよびシーリングヒンジ×60μmおよび240μmの×30μmのそれぞれ240μmの寸法を有するヒンジマスクを描画します。 手順2で説明したシリコンウエハ基板を準備します。 シリコンウェハー上にスピンコートは〜5.5μmで1,000 rpmで950 PMMA A11の厚い層を、。 3分間待ってから、60秒間180℃で焼く。 トンのような熱接着促進剤として蒸発器、預金30nmのクロム（Cr）と150 nmの銅（Cu）を用いた彼は伝導層。 ウェーハ上に1700 rpmで〜10μmの厚いコートSPR220を紡ぐ。 3分間待ってください。 30秒間60℃ホットプレート上にウエハを配置することにより、ランプアップソフトベークを行う。その後℃30秒の場合は60に戻った後、90秒間115℃でホットプレートの上に別のウエハを搬送します。 室温でウェーハを冷却し、3時間待つ。 UV光の〜460 mJ / cm 2以下 （365 nm）および水銀ベースのマスク·アライナを使用してパネルマスクにウェハを公開します。 2分のMF-26Aの開発者で開発し、別の2分間現像液を変更し、開発しています。 総パネル面積を計算し、最大8μmの厚さの約1〜10 mA / cm 2の速度で商用スルファミン酸ニッケル溶液からニッケルを電着させるのに必要な電流を計算するためにそれを使用します。 アセトンでフォトレジストを溶解する。 IPAでウェーハをリンスした後、N 2ガ ​​スで乾燥させます。 スピンコート〜10μm厚SPRウェハ上に1700 rpmで220。 3分間待ってください。 30秒間60℃ホットプレート上にウエハを配置することにより、ランプアップソフトベークを行う。その後℃30秒の場合は60に戻った後、90秒間115℃で別のホットプレートにウエハを搬送します。 室温でウェーハを冷却し、3時間待つ。 UV光の〜460 mJ / cm 2以下 （365 nm）および水銀ベースのマスク·アライナを使用してヒンジマスクにウェハを公開します。レジストリマークがヒンジはパネルと整列するように整列していることを確認します。 2分のMF-26Aの開発者で開発し、別の2分間現像液を変更し、開発しています。 ウェハの1ピースは〜50から60ネットが含まれるようにダイヤモンドカッターを使用して、小さな断片にウェハをカット。マニキュアで作品のコートはエッジ。 合計さらさヒンジ領域を計算し、適切の割合で商業はんだめっき液からのPb-Snはんだを電着させるのに必要な電流を計算するためにそれを使用する最大15μmの厚さにximately 20〜50ミリアンペア/ cm 2である 。 アセトンでフォトレジストを溶解する。 IPAでウエハ片をすすぎ、およびN 2ガ ​​スを用いたドライ。 周囲のCu層を溶解するために25から40秒のエッチング液のAPS 100でウエハ片を浸し。 DI水ですすぎ、N 2ガ ​​スで乾燥させます。 周囲のCr層を溶解するために30から50秒のエッチング液、CRE-473におけるウエハ片を浸し。 DI水ですすぎ、N 2ガ ​​スで乾燥させます。 1 – メチル-2 – ピロリジノン（NMP）および耐熱100℃テンプレートを基板から解放されるまで3〜5分間。の〜2-3 mlのウエハ片を浸し小さなシャーレに移す〜20から30までのテンプレートと均一に配布します。 〜3月5日のNMPミリリットルと〜Indalloy 5RMA液体フラックスの5-7滴を追加します。 100℃耐熱℃で5分間。このステップでは、Indalloy 5RMA液体フラックスはきれいにし、はんだ上に形成された任意の酸化物層を溶解することにより、良好なはんだリフローを保証融点以上に加熱するとOW。 150ホットプレートの温度を上昇さ℃で5分間、その後徐々に折りたたみが発生°Cまで、200に増やします。温度を200に増加させると°Cの折りたたみが5から8分後に開始します。それを燃やすために開始すると混合物が黒ずむことがあります。 正十二面体は、折り畳まれたとき、皿が冷めるのを待って下さい。皿にアセトンを加え、液体をピペット、アセトン、次いでエタノールで正十二面体をすすいでください。 エタノール中面体粒子を保管してください。 例2。再構成可能な、自己フォールディング感熱microgrippers（図4の略図）駆動薄い膜応力の製作のためのプロトコル： ステップ1で説明したマスクを準備します。グリッパーの先端間の長さが111μmの中央パネルの辺の長さ50μmのヒンジギャップで、980μmであるようにします。マスクを設計する典型的なヒンジとパネルマスクを設計することができるsimilarは1ドを示します。 ステップ2で説明したように、シリコンウェハを準備します。 熱蒸発器を使用して預金は15nmのCr付着および50〜100nmのCuの犠牲層。 3,000 rpmで、スピンコーターを用いてS1827厚いスピンコート〜3μmである。 3分間待ってから、ホットプレート上で1分間115℃でウェハを焼く。 マスクアライナとヒンジマスクを使用して〜180 mJ / cm 2の UV光（365 nm）で公開しています。 5時01希釈351 Developerで40から60秒のために開発。 DI水ですすぎ、N 2ガ ​​スで乾燥させます。 デポジットは50nmのCrと100nmのAuは、熱蒸発器を使用しています。 Cr膜の残留応力を有するヒンジ二層としてCr-Auの機能、Au膜が生体不活性支持層である間。 アセトンでフォトレジストをリフトオフ。完全に余分な金属をリフトオフするまでに3-5分間超音波破砕機を使用しています。 N 2ガ ​​スを用いたドライ、アセトン、IPAでウェーハを洗浄する。 スピンコート〜10μm厚SPR220でウェハ上に1700回転。 3分間待ってください。 30秒間60℃ホットプレート上にウエハを配置することにより、ランプアップソフトベークを行う。その後℃30秒の場合は60に戻った後、90秒間115℃で別のホットプレートにウエハを搬送します。 3時間待ってください。 パネルマスクを介してマスクアライナを使用して〜460 mJ / cm 2の UV光（365 nm）でフォトレジストを露光する。 2分のMF-26Aの開発者で開発し、別の2分間現像液を変更し、開発しています。 総パネル面積を計算して、約1〜10 mA / cm 2の最大5μmの厚さとの割合で商業スルファミン酸ニッケル溶液からニッケルを電着させるのに必要な電流を計算するためにそれを使用します。徹底的に脱イオン水ですすいでください。 100nmのAuを電​​着または蒸発。この層は、犠牲層を除去するために使用されるエッチング液からNiを保護するのに役立ちます。 アセトンでフォトレジストを剥離。 IPAでウェーハをリンスした後、N 2ガ ​​スで乾燥させます。 </LI> 1:5の体積比でS1813とS1805 photoresitsを混ぜる。 1800 rpmでコートの混合物を回転させます。 3分間待ってから、1分間115℃のホットプレート上で焼く。このフォトレジスト層は、トリガ·レイヤとして機能します。 ヒンジマスクを用いてマスクアライナで〜120 mJ / cm 2の UV光（365 nm）で公開しています。 5時01希釈351開発者に30から50秒のために開発。 DI水ですすぎ、N 2ガ ​​スで乾燥させます。 ダイヤモンドカッターを用いて、ウエハの一部を切り取ります。 エッチ下層のCuの犠牲層へのAPS 100でウエハ片を浸し。 microgrippersが完全に基板から解放されるまで待ちます。 DI水と冷水の店舗でmicrogrippersをすすぐ。 37℃の水にmicrogrippersを置くことによって折り畳みをトリガします。 7。代表的な結果 図中の代表的な結果shの様々なショー5自己組織化多面体粒子類人猿と同様に折りたたみmicrogrippers。製造および作動プロセスは高度に並列化され、3次元構造を作製することができ、同時にトリガされます。必要に応じてさら​​に、正方形または三角形の細孔によって例示として正確なパターンはすべて三次元であり、選択された面上に定義できます。彼らは消費税組織に使用されるか、または生物学的な貨物を積み込むことができるようにmicrogrippersは、生物学的に良性の条件の下で閉鎖することができる。 microgrippersが強磁性材料で作ることができるので、さらに、それらは磁場を使って遠くから移動することができます。 図1。パターン化された粒子の合成のためのデザインルール （ac）のパターン化された多面体粒子のアセンブリのためのマスクのデザインルール;辺の長さLの多面体のパネルマスクの（a）の回路図、（b）はヒンジマスクの概略は折り畳み特色（0.2L×0.8 L）とロックやシール（0.1L×0.8 L）のヒンジ、およびオーバーレイ2D前駆体または正味の（c）の模式図。 （DF）自己フォールディングマイクログリッパのマスクのデザインルール;の先端長さDに先端を持つグリッパ用ヒンジマスクの（d）の模式図は、ヒンジギャップgを持つパネルマスクの（e）の模式図、および（f）の概略図オーバーレイされた2D前駆体。 拡大図を表示するには、ここをクリックしてください 。 図2。製造および組立工程における重要なステップの実験画像や概念的なアニメーション。面体前駆体のためのAutoCADのパネルマスク（A）のスクリーンショット。 （BC）のための2D前駆体の光学像、（b）は正十二面体、シリコン基板上の（c）にmicrogrippers。 （d）の正十二面体のネットをリリース。スケールバー：200μmである。 （en）の概念のnimation、（EI）面体の表​​面張力駆動のアセンブリ、およびビーズ（デビッドFilipiakによってアニメーション）の周りにマイクログリッパの折り畳み駆動（JN）薄膜の応力。 図3立方粒子の表面張力駆動のアセンブリのための重要な製造工程の模式図。 図4 6桁の把持装置の折り畳み駆動残留応力のための重要な製造工程の模式図。 図5。折り紙の画像は自己集合したパターン化され、再構成可能な粒子に影響を与えた。 </様々な形状での自己組織化粒子の強い>（）光画像。 （be）は（b）の自己組織化多孔キューブのSEM画像、（c）のピラミッドは、（d）は切頂8面体および（e）十二面体。スケールバー：100μmである。 （FH）光自己フォールディングmicrogrippersのスナップショット、および（i）が折り畳まれたマイクログリッパのSEM像（ティモシー·レオンによる画像）。スケールバー：200μmである。