Name: a simple and scalable fabrication method for organic electronic devices on textiles
Uploaded: 2017-03-13T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 21 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Simple and Scalable Fabrication Method for Organic Electronic Devices on Textiles at JoVE.com

The authors would like to acknowledge the BPI PIAVE AUTONOTEX grant for the financial support.

1. padronização polímeros condutores sobre Textile <ol><li> Corrigir um 10 cm x folha têxtil 10 cm sobre uma superfície plana para fácil manuseio durante o processo. Para o têxtil, utilizar um tecido de poliéster tricotado de bloqueio 100% com uma espessura de 300 um e uma capacidade de malha direcção do estiramento até 50%. </li><li> Para fazer uma máscara contendo o projeto de padronização, usar um filme de poliamida 125 um de espessura; um exemplo do padrão é ilustrada na Figura 1. <ol><li> Use um cortador de laser (por exemplo, ProtoLaser S, LPKF) com o padrão da máscara de poliimida 10; o desenho de um eléctrodo padrão é ilustrada na Figura 1. </li><li> Revestir a formulação de PDMS (10: 1 de base para a cura da proporção do agente) por cima da máscara (filme de poliamida) usando uma ferramenta automatizada de fitas de fundição (K controlo de impressão-revestidor, doctor blade) com uma espessura de película húmida de 200 um e com um 6 m / min de velocidade de revestimento. Use cerca de 0,5 mL de uma máscara de 3 cm x 5 cm. execute thé um processo sob a coifa. </li></ol></li><li> Suavemente transferir o tecido para a máscara de PDMS-revestidos. Deixe por 10 min, após o que os PDMS deve ser totalmente absorvida na estrutura têxtil. </li><li> Curar a amostra num aparelho de ar no forno a 100 ° C durante 10 min. </li><li> Prepara-se o polímero condutor: PEDOT: PSS dispersão (80 mL), etileno glicol (20 ml), ácido 4-dodecilbenzenossulfónico (40 mL), e 3-metacriloxipropiltrimetoxisilano (1 mL), na hotte. </li><li> Escova-revestir o PEDOT: PSS solução sobre a área do têxtil PDMS-livres até que uma penetração da solução homogénea é obtida. Repita este passo para conseguir uma cor padrão uniforme. Aplicar cerca de 1 ml / cm2. </li><li> Curar o tecido a 110 ° C durante 1 h para secar o PEDOT: PSS solução. Reduzir a temperatura a 60 ° C para os têxteis que são sensíveis a um tratamento de alta temperatura, como o nylon. </li></ol> 2. fabricação de dispositivos orgânicos NOTA: O protocolo na Seção 1 describes a deposição seletiva de materiais condutores sobre os têxteis. As secções seguintes descrevem os passos adicionais necessários para fabricar dispositivos orgânicos, como sensores de estiramento, transistores OECT, eletrodos cutâneos, e sensores capacitivos. <ol><li> Para fabricar sensores de estiramento, mostrado na Figura 3a, padrão das linhas de eléctrodos no têxtil, conforme descrito na Seção 1, os passos 1,1-1,5. NOTA: Um exemplo de concepção padrão é mostrada na Figura 3a. O fabrico de tais sensores não exige quaisquer medidas adicionais. </li><li> Para fabricar o design do transistor mostrado na Figura 3b, as matrizes padrão transistor sobre uma fita de tecido de nylon seguindo as etapas descritas na Secção 1. Ligeiramente modificar o recozimento PDMS e PEDOT: PSS cura passos para evitar a degradação térmica de nylon de cura a 60 ° C durante um tempo mais longo. </li><li> Para a fabricação de eléctrodos cutâneos, mostrado na Figura 3c, uma depositargel iónico na PEDOT modelado: têxteis PSS. <ol><li> Prepara-se uma mistura de gel líquido iónico contendo o líquido iónico, 1-etil-3-metilimidazólio etil-sulfato; o agente de ligação cruzada, poli (etileno-glicol) diacrilato; e o fotoiniciador, 2-hidroxi-2-metilpropiofenona a uma razão (v / v) de 0,6 / 0,35 / 0,05, respectivamente. </li><li> Cubra o PEDOT: PSS eletrodo com líquido iônico (20 mL / cm 2) e adicione a mistura de gel líquido iónico do passo 2.3.1 (25 mL / cm 2) por vazamento gota. </li><li> Expor à luz UV (365 nm) para se iniciar uma reacção de reticulação durante 10-15 minutos, até que o gel solidifique. Execute esta etapa na coifa. Use uma gaiola UV-protetora durante a exposição UV. </li></ol></li><li> Para a fabricação do sensor capacitivo, usar PEDOT: PSS têxteis eléctrodos isolados com um material isolante (Figura 3D). <ol><li> Isolar o PEDOT teclado-like: eletrodos PSS usando os PDMS; o design de teclado pode ser visto na Figura 2b &lt;/ Strong&gt;. Dispensar a formulação PDMS no topo do tecido e remover o excesso com um rodo. </li><li> Colocar o tecido num forno a 100 ° C durante 10 min. Execute esta etapa na coifa. </li></ol></li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

O padrão de materiais condutores é um dos primeiros passos no fabrico de dispositivos electrónicos funcionais. Isto pode tornar-se um desafio, como o processo de fabricação tem de ter em conta as propriedades químicas e físicas de tais materiais, e o fluxo do processo deve considerar a compatibilidade cruzada material entre as etapas de fabricação. No microfabricação de dispositivos eletrônicos orgânicos, estes dois aspectos são ainda mais significativa devido à natureza altamente reativo de orgânicos. Hoje, porém, os materiais orgânicos são altamente atraente para eletrônicos portáteis e flexíveis para as suas propriedades eletro-elástica 14, 15. A transferência dessas tecnologias aos têxteis para obter wearables eletrônicos totalmente integrados é limitado por suas estruturas tridimensionais. As técnicas convencionais usadas em microfabricação são restritas a jato de tinta ou serigrafia de tintas condutoras apenas em substr finaates e têxteis 16, 17, 18. técnica de bordado tradicional, em que uma única fibra é costurado no têxtil, ainda carece industrial escalabilidade produção. O aspecto mais crítico na padronização de materiais orgânicos é a deposição sem perturbar as propriedades eléctricas. A técnica de padronização descrito na figura 1 baseia-se na deposição directa de produtos orgânicos, sem qualquer necessidade de atender às especificações da técnica de deposição ou a ferramenta. Os materiais orgânicos são formulados com o melhor dos seus desempenhos e pode, em seguida, ser directamente depositado sobre a estrutura de tecido escolhido. O utilitário de PDMS é a chave para materiais padrão de solução sobre têxteis. A aplicação de materiais condutores a partir da solução de baixa viscosidade, em vez de utilizar tintas em pasta, permite um revestimento isolante e profunda na estrutura têxtil. No entanto, ela limita o Selective deposição e leva à perda de resolução padronização. Temos superar essa limitação, criando um padrão negativo de PDMS para conter a penetração não-controlada solução condutora para o têxtil. A escolha estratégica do PDMS é baseado em suas propriedades visco-elásticas, que mantêm a capacidade de estiramento têxtil e flexibilidade. O PDMS também é hidrofóbico e permite o controle da propagação da PEDOT: solução à base de água PSS durante a padronização. Observou-se que os padrões condutoras fabricadas usando este protocolo demonstrou boa condutividade elétrica e estabilidade durante a deformações mecânicas. Este método permite que o futuro personalização de vestuário existentes com componentes inteligentes que têm capacidades electrónicas. No entanto, um dos crítica e, em alguns casos, limitando pontos da abordagem proposta é ainda durabilidade do material orgânico em condições usáveis. Alguns aspectos, como a resistência ao estresse mecânico e comportamento após a lavagem umand secagem de tecidos que conduzem orgânicos, ainda são desconhecidos. A grande maioria dos produtos eletrônicos vestíveis confiar em dispositivos elásticos, onde as estruturas de primavera-like são criados para manter a conexão elétrica durante a deformação do dispositivo. Dependendo do tipo têxtil, as fibras em tecidos de malha são montados em um design ferradura, proporcionando estiramento mecânico da estrutura. Revestimento esses têxteis com materiais condutores permite fibras individuais para actuar como sensores de tensão e de movimento na roupa inteligente, como mostrado na Figura 3a. Além disso, geometrias mais complexas do dispositivo pode ser facilmente modelado, não só na malha, mas também em tecidos. Na Figura 3b, apresentamos uma série de OECTs com geometrias variáveis. Em fotolitografia convencional, a fabricação simultânea de grandes e pequenas características é quase impossível de alcançar sem a necessidade de múltiplos passos. Nós demonstramos que a nossa técnica de padronização é capaz de produce padrões com uma resolução que varia de 0,5 mm a cerca de cem vezes maior. Tais transistores pode ser usado diretamente na detecção do suor wearable com um tempo de resposta ajustável e resolução de detecção 19. Nós demonstramos que o PDMS também permite a deposição consecutivo de camadas funcionais adicionais de uma forma selectiva, como se mostra na Figura 2. Os dispositivos podem ser integrados no sector dos têxteis e tornar-se totalmente integrado em sistemas vestíveis. O processo na Figura 2a mostra a fabricação de um eléctrodo de têxtil cutânea, onde o contacto entre o eléctrodo e a pele é reforçada com um gel líquido iónico. eletrodos Wearable em eletrofisiologia cutâneo sofrem de artefatos de movimento causados ​​pela degradação contato elétrico entre o utente e eletrodos durante gravações. A possibilidade de integrar géis iônicos em eléctrodos têxteis abre um canal de comunicação eficiente com ocorpo humano, o que é desejado em dispositivos portáteis de saúde. Um exemplo de um tal dispositivo pode ser visto na Figura 3c. A deposição consecutivo de outros materiais activos podem resultar em dispositivos utilizando uma geometria de pilha, tais como baterias, condensadores orgânicos, células solares, transistores, ou sensores. A Figura 2b mostra o percurso de deposição de materiais isolantes ou dieléctricas. Um teclado orgânica usável (Figura 3d) pode ser fabricada usando este processo, em que o PDMS é utilizado para criar uma camada dieléctrica no topo do eléctrodo. Tal dispositivo é capaz de variação capacitiva de detecção entre o eletrodo e um dedo, o que pode ter aplicações potencialmente interessantes em computação vestível e interface homem-máquina.

O campo da eletrônica wearable é um mercado em rápido crescimento deverá valer 50 bilhões de euros em 2025, mais de três vezes o mercado atual. O principal desafio para dispositivos portáteis atuais é que os anexos eletrônicos sólidos intrusivas limitar o uso de dispositivos estabelecidos em sistemas vestíveis. Usando têxteis que já estão presentes na vida cotidiana é uma abordagem muito atraente e simples para evitar esta limitação. Devido à sua capacidade elástica, algumas partes da roupa que usam são naturalmente em contacto apertado com a pele. Muitos exemplos de roupas inteligentes disponíveis no mercado hoje são baseados em, displays finas de plástico, teclados e dispositivos de fonte de luz embutidos em produtos têxteis, ligando eletrônica com os seres humanos de uma forma elegante 1. Na prática do esporte, vigilância da saúde depende de eléctrodos têxteis, que oferecem alternativas confortáveis ​​para comumente usados ​​eletrodos adesivos e pulseiras de metal. Aqui, as fibras condutoras sãodiretamente integrado com tecidos elásticos para evitar irritação da pele e outros desconfortos durante uso prolongado. Além disso, têxteis oferecem uma série de oportunidades para integrar sensores de curvatura para captura de movimento 2, para integrar sensores de cisalhamento para o desenvolvimento de atuadores robóticos funcionais 3 e, certamente, para integrar biossensores através da detecção de uma substância a analisar no suor 4. tecnologia wearable moderna se baseia em materiais semicondutores à base de carbono que proporcionam dispositivos eletrônicos com propriedades únicas. A natureza &quot;soft&quot; dos orgânicos oferece melhores propriedades mecânicas para fazer a interface com o corpo humano em comparação com a eletrônica de estado sólido tradicionais. Esta compatibilidade mecânica, emparelhado com substratos mecanicamente flexíveis, permite o uso de fatores de forma não-planares em dispositivos como os têxteis. O uso de produtos orgânicos também é relevante em ciências da vida, devido ao seu ELE mistactronic iônica e condutividade 5. Além disso, semicondutor orgânico e materiais optoeletrônicos capacitar uma grande variedade de dispositivos funcionais com display, transistor, lógica e capacidades de energia 6, 7, 8, 9. A principal dificuldade na fabricação de tais dispositivos orgânicos é a deposição controlada de materiais funcionais sobre as superfícies não planares de têxteis. técnicas de microfabricação convencionais são limitadas principalmente pela incompatibilidade do processo de deposição com a dimensionalidade estrutural de substratos têxteis. Aqui, descrevemos um protocolo de fabricação simples e escalável que permite a deposição selectiva de polímeros condutores sobre os têxteis estruturados. O processo apresentado permite a fabricação de dispositivos eletrônicos portáteis e isolantes. A abordagem baseia-se na modelação da commercially disponíveis poli polímero condutor (3,4-etilenodioxitiofeno): poli (estireno sulfonato) (PEDOT: PSS) e um polidimetilsiloxano material de estêncil elastomérica (PDMS) na matéria têxtil. Esta combinação permite o confinamento eficiente do PEDOT aquosa: PSS solução, assim como para a retenção das propriedades macios e elásticos de têxteis. Este método de fabricação simples e confiável abre o caminho para a fabricação de uma variedade de dispositivos eletrônicos diretamente sobre os têxteis de uma forma economicamente eficiente e industrialmente escalável.

<table><tbody><tr><td>SYLGARD 184, Silicone elastomer kit (Base and Curing agent)</td><td>Dow Corning</td><td></td><td>PDMS elastomer</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;The conducting polymer formulation&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>CleviosTM PH 1000 PEDOT:PSS</td><td>Heraeus</td><td></td><td>Conductive polymer</td></tr><tr><td>Ethylene glycol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>03750-250ML</td><td>Solvent (EG), CAS: 107-21-1</td></tr><tr><td>3-methacryloxypropyltrimethoxysilane</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M6514</td><td>Cros linker (GOPs), CAS: 2530-85-0</td></tr><tr><td>4-dodecylbenzenesulfonic acid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>44198</td><td>DBSA; CAS: 121-65-3</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;The ionic liquid gel&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>UV lamp DFE 2340</td><td>C.I.F/ ATHELEC</td><td>DP134</td><td>UV-365 nm</td></tr><tr><td>1-Ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulfate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>51682-100G-F</td><td>Ionic Liquid (IL), CAS: 342573-75-5</td></tr><tr><td>Poly(ethylene glycol) diacrylate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>455008-100ML</td><td>Mn 700, CAS: 26570-48-9</td></tr><tr><td>2-Hydroxy-2-methylpropiophenon</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>405655-50ML</td><td>Phot Initiator (PI), CAS: 7473-98-5</td></tr><tr><td>The textile fabric</td><td>VWR</td><td>Spec-Wipe 7 Wipers</td><td>100% interlock knit polyester fabric</td></tr><tr><td>The polyimide film</td><td>DuPont</td><td>HN100</td><td>Polyimide film with 125 &amp;micro;m thickness</td></tr></tbody></table>

a simple and scalable fabrication method for organic electronic devices on textiles

Today, wearable electronics devices combine a large variety of functional, stretchable, and flexible technologies. However, in many cases, these devices cannot be worn under everyday conditions. Therefore, textiles are commonly considered the best substrate to accommodate electronic devices in wearable use. In this paper, we describe how to selectively pattern organic electroactive materials on textiles from a solution in an easy and scalable manner. This versatile deposition technique enables the fabrication of wearable organic electronic devices on clothes.

Os métodos tradicionais para aplicar cores ou padrões aos têxteis contar com camadas de máscara removível para permitir a deposição selectiva de corantes. Na Figura 1, mostramos a adaptação de uma tal abordagem à padronização de PEDOT: PSS eletrodos sobre têxteis. Como uma camada de máscara, foi utilizado polidimetilsiloxano hidrofóbico, que pode conter a difusão não controlável da PEDOT aquosa: solução PSS. Além disso, a maciez e capacidade de estiramento dos tecidos de malha e tecido pode ser preservada graças às propriedades elásticas e mecânicas dos PDMS. Na Figura 1, o processo começa com a preparação do mestre de modelação a partir de película de poliimida (passo 1). O desenho do contorno padrão é esculpido sobre o filme por um laser. Utilizando uma ferramenta de moldação por fita, o PDMS é aplicado sobre este mestre (passo 2), e o têxtil é colocado no topo do mesmo (passo 3). T<html> ele PDMS é, depois, progressivamente difundido no têxtil (passo 4). Para parar esta transferência, um processo de tratamento térmico curto é necessário para curar o PDMS. A viscosidade e a espessura dos PDMS pode ser modificada usando quantidades diferentes dos parâmetros de agente de cura e revestimento, respectivamente, para controlar a difusão e para assegurar a replicação correcta da estrutura global. Finalmente, a solução é condutora sobre o têxtil desprotegido e cozido para secar (passo 5) pintados à escova. O mestre de poliimida é então delaminated da superfície têxtil. Os resultados do fluxo de fabricação está ilustrado na Figura 1, à direita. Neste caso, padronização bem sucedida foi colocado em malha de poliéster. A resolução padronização em um tal têxtil é superior a 1 mm. No entanto, uma resolução menor também pode ser obtido em têxteis coesa ou tecidos. Usando esta técnica de deposição, a resistência de folha estimado do têxtil realização está perto de 230 Ω / sq. _content &quot;fo: manter-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; Exemplos de dispositivos eletrônicos funcionais em tecidos de malha e tecido são mostrados na Figura 3a e b, incluindo PEDOT fabricado com sucesso:. eletrodos PSS sobre têxteis de malha O arranjo ferradura natural de as fibras têxteis de malha proporciona extensibilidade ajustável para tecidos. Esta capacidade das estruturas de malha tipo mola pode resultar em sensores de tensão altamente sensíveis 11. uma deformação simples na estrutura têxtil é reflectido por uma mudança na resistividade eléctrica, devido à torção das condutora fibras nas roscas. para além disso, tirando partido da capacidade higroscópica dos têxteis, a matriz de eléctrodos na Figura 3B foi modelado em têxteis para fazer transistores planares com canais rectangulares e diferentes larguras de porta, que podem ser utilizados na detecção de suor usável. uma tal configuração geométrica é usado em transisto electroquímica orgânicars (OECT) para detectar qual o canal e porta estão ligados por uma amostra de uma substância 12. A técnica de padronização apresentada pode ser estendida para fabricar dispositivos eletrônicos orgânicos complexos sobre os têxteis. Como o stencil PDMS permanece na indústria têxtil após o processo de padronização, as camadas adicionais podem ser modelados em PEDOT: PSS-revestido realização de têxteis. Na Figura 2, apresenta-se o processo em que uma solução de gel líquido iónico (Figura 2a) e a formulação de PDMS (Figura 2b) foram aplicados para funcionalizar ou isolar a superfície de um PEDOT: PSS eléctrodo, respectivamente. géis iônicos são largamente usados ​​em eletrodos cutâneos. A incorporação de um gel iónico na condução têxteis foi utilizado para o fabrico de eléctrodos de têxteis portáteis para o controlo electrofisiológico 10 e é ilustrada na Figura 3C. Sensores capacitivos foram feitas by isolante superfície do eletrodo têxtil com PDMS. Uma mudança na capacitância foi detectado quando o eléctrodo foi tocado. Um tal dispositivo sensível ao toque, foi usada para fabricar um têxtil orgânica teclado electrónico 13, como mostrado na Figura 3d. <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/55439/55439fig1.jpg" /> Figura 1. Processo de fluxo ilustrando o padrão de polímeros condutores sobre os têxteis. Processo de fluxo que ilustra o padrão de polímeros condutores sobre os têxteis. Passo 1: preparação de máscara; Passo 2: deposição de PDMS na máscara de padronização de poliimida que define a estrutura do modelo desejado; Passo 3: Transferir a camada de máscara de por a colocação do têxtil sobre a máscara PDMS-revestidos; Passo 4: transferência do PDMS para a maior parte da matéria têxtil, passo 5: deposição da solução de polímero para a realização de produtos têxteis não protegido. As imagens à direita mostram o results das etapas fundamentais do fluxo do processo. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55439/55439fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/55439/55439fig2.jpg" /> Figura 2. Dois exemplos de dispositivos de fabricação orgânicos. Dois exemplos de dispositivos orgânicos fabricação. a) revestimento de Ionic líquido gel sobre a PEDOT: eletrodo têxtil PSS para detecção cutânea. b) deposição de camadas de isolamento na PEDOT: eletrodo têxtil PSS para sensores de toque. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55439/55439fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/55439/55439fig3.jpg" /> Figura 3. Fotografias do texto eletrônico orgânicadispositivos ile. a) PEDOT: PSS eléctrodos para detecção estiramento. b) Disposição de transistores OECT para biosensing wearable. c) PEDOT Circular: eletrodo PSS revestido com um gel líquido iônico para eletrofisiologia cutânea. d) sensores de toque orgânicos para um teclado wearable. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55439/55439fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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A Simple and Scalable Fabrication Method for Organic Electronic Devices on Textiles

Neste artigo, apresentamos um protocolo para depositar selectivamente materiais orgânicos em têxteis, que permite a integração direta de dispositivos eletrônicos orgânicos com wearables. Os dispositivos fabricados podem ser totalmente integrados nos têxteis, respeitando sua aparência mecânica e permitindo capacidades de detecção.

Um método de fabricação simples e escalável para dispositivos eletrônicos orgânicos sobre os têxteis

Today, wearable electronics devices combine a large variety of functional, stretchable, and flexible technologies. However, in many cases, these devices ...

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

10.4K visualizações.  Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne, CMP-EMSE, MOC.  Neste artigo, apresentamos um protocolo para depositar selectivamente materiais orgânicos em têxteis, que permite a integração direta de dispositivos eletrônicos orgânicos com wearables. Os dispositivos fabricados podem ser totalmente integrados nos têxteis, respeitando sua aparência mecânica e permitindo capacidades de detecção. 

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Soft Lithographic Functionalization and Patterning Oxide-free Silicon and Germanium

The development of hybrid electronic devices relies in large part on the integration of (bio)organic materials and inorganic semiconductors through a stable interface that permits efficient electron transport and protects underlying substrates from oxidative degradation. Group IV semiconductors can be effectively protected with highly-ordered self-assembled monolayers (SAMs) composed of simple alkyl chains that act as impervious barriers to both organic and aqueous solutions. Simple alkyl SAMs, however, are inert and not amenable to traditional patterning techniques. The motivation for immobilizing organic molecular systems on semiconductors is to impart new functionality to the surface that can provide optical, electronic, and mechanical function, as well as chemical and biological activity. 
Microcontact printing (&mu;CP) is a soft-lithographic technique for patterning SAMs on myriad surfaces.1-9 Despite its simplicity and versatility, the approach has been largely limited to noble metal surfaces and has not been well developed for pattern transfer to technologically important substrates such as oxide-free silicon and germanium. Furthermore, because this technique relies on the ink diffusion to transfer pattern from the elastomer to substrate, the resolution of such traditional printing is essentially limited to near 1 &mu;m.10-16
In contrast to traditional printing, inkless &mu;CP patterning relies on a specific reaction between a surface-immobilized substrate and a stamp-bound catalyst. Because the technique does not rely on diffusive SAM formation, it significantly expands the diversity of patternable surfaces. In addition, the inkless technique obviates the feature size limitations imposed by molecular diffusion, facilitating replication of very small (&lt;200 nm) features.17-23 However, up till now, inkless &mu;CP has been mainly used for patterning relatively disordered molecular systems, which do not protect underlying surfaces from degradation.
Here, we report a simple, reliable high-throughput method for patterning passivated silicon and germanium with reactive organic monolayers and demonstrate selective functionalization of the patterned substrates with both small molecules and proteins. The technique utilizes a preformed NHS-reactive bilayered system on oxide-free silicon and germanium. The NHS moiety is hydrolyzed in a pattern-specific manner with a sulfonic acid-modified acrylate stamp to produce chemically distinct patterns of NHS-activated and free carboxylic acids. A significant limitation to the resolution of many &mu;CP techniques is the use of PDMS material which lacks the mechanical rigidity necessary for high fidelity transfer. To alleviate this limitation we utilized a polyurethane acrylate polymer, a relatively rigid material that can be easily functionalized with different organic moieties. Our patterning approach completely protects both silicon and germanium from chemical oxidation, provides precise control over the shape and size of the patterned features, and gives ready access to chemically discriminated patterns that can be further functionalized with both organic and biological molecules. The approach is general and applicable to other technologically-relevant surfaces.

Here we describe a simple method for patterning oxide-free silicon and germanium with reactive organic monolayers and demonstrate functionalization of the patterned substrates with small molecules and proteins. The approach completely protects surfaces from chemical oxidation, provides precise control over feature morphology, and provides ready access to chemically discriminated patterns.

Funcionalização litografia macia e livre de óxido Patterning silício e germânio

The development of hybrid electronic devices relies in large part on the integration of (bio)organic materials and inorganic semiconductors through a ...

Bioengenharia

Fabrication of Large-area Free-standing Ultrathin Polymer Films

This procedure describes a method for the fabrication of large-area and ultrathin free-standing polymer films. Typically, ultrathin films are prepared using either sacrificial layers, which may damage the film or affect its mechanical properties, or they are made on freshly cleaved mica, a substrate that is difficult to scale. Further, the size of ultrathin film is typically limited to a few square millimeters. In this method, we modify a surface with a polyelectrolyte that alters the strength of adhesion between polymer and deposition substrate. The polyelectrolyte can be shown to remain on the wafer using spectroscopy, and a treated wafer can be used to produce multiple films, indicating that at best minimal amounts of the polyelectrolyte are added to the film. The process has thus far been shown to be limited in scalability only by the size of the coating equipment, and is expected to be readily scalable to industrial processes. In this study, the protocol for making the solutions, preparing the deposition surface, and producing the films is described.

We describe a method for the fabrication of large-area (up to 13 cm diameter) and ultrathin (as thin as 8 nm) polymer films. Instead of using a sacrificial interlayer to delaminate the film from its substrate, we use a self-limiting surface treatment suitable for arbitrarily large areas.

Fabricação de grande-área royalty-pé ultrafinos Polymer Films

This procedure describes a method for the fabrication of large-area and ultrathin free-standing polymer films.  Typically, ultrathin films are prepared ...

Química

Microfabrication of Chip-sized Scaffolds for Three-dimensional Cell cultivation

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell cultivation. These technologies offer a wide spectrum of advantages not only for manufacturing but also for different applications. The size and shape of formed cell clusters can be influenced by the exact and reproducible architecture of the microfabricated scaffold and, therefore, the diffusion path length of nutrients and gases can be controlled.1 This is unquestionably a useful tool to prevent apoptosis and necrosis of cells due to an insufficient nutrient and gas supply or removal of cellular metabolites.
Our polymer chip, called CellChip, has the outer dimensions of 2 x 2 cm with a central microstructured area. This area is subdivided into an array of up to 1156 microcontainers with a typical dimension of 300 m edge length for the cubic design (cp- or cf-chip) or of 300 m diameter and depth for the round design (r-chip).2
So far, hot embossing or micro injection moulding (in combination with subsequent laborious machining of the parts) was used for the fabrication of the microstructured chips. Basically, micro injection moulding is one of the only polymer based replication techniques that, up to now, is capable for mass production of polymer microstructures.3 However, both techniques have certain unwanted limitations due to the processing of a viscous polymer melt with the generation of very thin walls or integrated through holes. In case of the CellChip, thin bottom layers are necessary to perforate the polymer and provide small pores of defined size to supply cells with culture medium e.g. by microfluidic perfusion of the containers.
In order to overcome these limitations and to reduce the manufacturing costs we have developed a new microtechnical approach on the basis of a down-scaled thermoforming process. For the manufacturing of highly porous and thin walled polymer chips, we use a combination of heavy ion irradiation, microthermoforming and track etching. In this so called "SMART" process (Substrate Modification And Replication by Thermoforming) thin polymer films are irradiated with energetic heavy projectiles of several hundred MeV introducing so-called "latent tracks" Subsequently, the film in a rubber elastic state is formed into three dimensional parts without modifying or annealing the tracks. After the forming process, selective chemical etching finally converts the tracks into cylindrical pores of adjustable diameter.

We present two processes for the microfabrication of porous polymer chips for three-dimensional cell cultivation. The first one is hot embossing combined with a solvent vapour welding process. The second one uses a recently developed microthermoforming process combined with ion track technology leading to a significant simplification of manufacture.

Microfabricação de Chip porte Andaimes para tridimensional de cultivo celular

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell ...

Biologia

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices have used devices prepared by spin coating, a process that is not amenable to large-scale fabrication. This mismatch in device fabrication makes it difficult to translate quantitative results obtained in the laboratory to the commercial level, making optimization difficult. Using a mini-slot die coater, this mismatch can be resolved by translating the commercial process to the laboratory and characterizing the structure formation in the active layer of the device in real time and in situ as films are coated onto a substrate. The evolution of the morphology was characterized under different conditions, allowing us to propose a mechanism by which the structures form and grow. This mini-slot die coater offers a simple, convenient, material efficient route by which the morphology in the active layer can be optimized under industrially relevant conditions. The goal of this protocol is to show experimental details of how a solar cell device is fabricated using a mini-slot die coater and technical details of running in situ structure characterization using the mini-slot die coater.

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Here, we present a protocol to fabricate organic thin film solar cells using a mini-slot die coater and related in-line structure characterizations using synchrotron scattering techniques.

Impressão Fabricação de massa Heterojunction células solares e<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologia Caracterização

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Engenharia

Fabrication of Fully Solution Processed Inorganic Nanocrystal Photovoltaic Devices

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal inks. For the photoactive absorber layer, colloidal CdTe and CdSe nanocrystals (3-5 nm) are synthesized using an inert hot injection technique and cleaned with precipitations to remove excess starting reagents. Similarly, gold nanocrystals (3-5 nm) are synthesized under ambient conditions and dissolved in organic solvents. In addition, precursor solutions for transparent conductive indium tin oxide (ITO) films are prepared from solutions of indium and tin salts paired with a reactive oxidizer. Layer-by-layer, these solutions are deposited onto a glass substrate following annealing (200-400 &#176;C) to build the nanocrystal solar cell (glass/ITO/CdSe/CdTe/Au). Pre-annealing ligand exchange is required for CdSe and CdTe nanocrystals where films are dipped in NH4Cl:methanol to replace long-chain native ligands with small inorganic Cl- anions. NH4Cl(s) was found to act as a catalyst for the sintering reaction (as a non-toxic alternative to the conventional CdCl2(s) treatment) leading to grain growth (136&#177;39 nm) during heating. The thickness and roughness of the prepared films are characterized with SEM and optical profilometry. FTIR is used to determine the degree of ligand exchange prior to sintering, and XRD is used to verify the crystallinity and phase of each material. UV/Vis spectra show high visible light transmission through the ITO layer and a red shift in the absorbance of the cadmium chalcogenide nanocrystals after thermal annealing. Current-voltage curves of completed devices are measured under simulated one sun illumination. Small differences in deposition techniques and reagents employed during ligand exchange have been shown to have a profound influence on the device properties. Here, we examine the effects of chemical (sintering and ligand exchange agents) and physical treatments (solution concentration, spray-pressure, annealing time and annealing temperature) on photovoltaic device performance.

This protocol describes the synthesis and solution deposition of inorganic nanocrystals layer by layer to produce thin film electronics on non-conductive surfaces. Solvent-stabilized inks can produce complete photovoltaic devices on glass substrates via spin and spray coating following post-deposition ligand exchange and sintering.

Fabricação de Solução totalmente processado inorgânicos nanocristais fotovoltaicos Devices

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal ...

Scalable Solution-processed Fabrication Strategy for High-performance, Flexible, Transparent Electrodes with Embedded Metal Mesh

Here, the authors report the embedded metal-mesh transparent electrode (EMTE), a new transparent electrode (TE) with a metal mesh completely embedded in a polymer film. This paper also presents a low-cost, vacuum-free fabrication method for this novel TE; the approach combines lithography, electroplating, and imprint transfer (LEIT) processing. The embedded nature of the EMTEs offers many advantages, such as high surface smoothness, which is essential for organic electronic device production; superior mechanical stability during bending; favorable resistance to chemicals and moisture; and strong adhesion with plastic film. LEIT fabrication features an electroplating process for vacuum-free metal deposition and is favorable for industrial mass production. Furthermore, LEIT allows for the fabrication of metal mesh with a high aspect ratio (i.e., thickness to linewidth), significantly enhancing its electrical conductance without adversely losing optical transmittance. We demonstrate several prototypes of flexible EMTEs, with sheet resistances lower than 1 &#937;/sq and transmittances greater than 90%, resulting in very high figures of merit (FoM) &#8211; up to 1.5 x 104 &#8211; which are amongst the best values in the published literature.

This protocol describes a solution-based fabrication strategy for high-performance, flexible, transparent electrodes with fully-embedded, thick metal mesh. Flexible transparent electrodes fabricated by this process demonstrate among the highest reported performances, including ultra-low sheet resistance, high optical transmittance, mechanical stability under bending, strong substrate adhesion, surface smoothness, and environmental stability.

Estratégia de fabricação processada e escalável para eletrodos flexíveis e transparentes de alto desempenho com malha metálica embutida

Here, the authors report the embedded metal-mesh transparent electrode (EMTE), a new transparent electrode (TE) with a metal mesh completely embedded in a ...

Reactive Vapor Deposition of Conjugated Polymer Films on Arbitrary Substrates

We demonstrate a method of conformally coating conjugated polymers on arbitrary substrates using a custom-designed, low-pressure reaction chamber. Conductive polymers, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT), and a semiconducting polymer, poly(thieno[3,2-b]thiophene) (PTT), were deposited on unconventional highly-disordered and textured substrates with high surface areas, such as paper, towels and fabrics. This reported deposition chamber is an improvement of previous vapor reactors because our system can accommodate both volatile and nonvolatile monomers, such as 3,4-propylenedioxythiophene and thieno[3,2-b]thiophene. Utilization of both solid and liquid oxidants are also demonstrated. One limitation of this method is that it lacks sophisticated in situ thickness monitors. Polymer coatings made by the commonly used solution-based coating methods, such as spin-coating and surface grafting, are often not uniform or susceptible to mechanical degradation. This reported vapor phase deposition method overcomes those drawbacks and is a strong alternative to common solution-based coating methods. Notably, polymer films coated by the reported method are uniform and conformal on rough surfaces, even at a micrometer scale. This feature allows for future application of vapor deposited polymers in electronics devices on flexible and highly textured substrates.

This paper presents a protocol for reactive vapor deposition of poly(3,4-ethylenedioxythiophene), poly(3,4-propylenedioxythiophene), and poly(thieno[3,2-b]thiophene) films on glass slides and rough substrates, such as textiles and paper.

Depósito de Vapor reativa dos filmes de polímeros conjugados em substratos arbitrários

We demonstrate a method of conformally coating conjugated polymers on arbitrary substrates using a custom-designed, low-pressure reaction chamber. ...

Fabrication of Flexible Image Sensor Based on Lateral NIPIN Phototransistors

Flexible photodetectors have been intensely studied for the use of curved image sensors, which are a crucial component in bio-inspired imaging systems, but several challenging points remain, such as a low absorption efficiency due to a thin active layer and low flexibility. We present an advanced method to fabricate a flexible phototransistor array with an improved electrical performance. The outstanding electrical performance is driven by a low dark current owing to deep impurity doping. Stretchable and flexible metal interconnectors simultaneously offer electrical and mechanical stabilities in a highly deformed state. The protocol explicitly describes the fabrication process of the phototransistor using a thin silicon membrane. By measuring I-V characteristics of the completed device in deformed states, we demonstrate that this approach improves the mechanical and electrical stabilities of the phototransistor array. We expect that this approach to a flexible phototransistor can be widely used for the applications of not only next-generation imaging systems/optoelectronics but also wearable devices such as tactile/pressure/temperature sensors and health monitors.

We present a detailed method to fabricate a deformable lateral NIPIN phototransistor array for curved image sensors. The phototransistor array with an open mesh form, which is composed of thin silicon islands and stretchable metal interconnectors, provides flexibility and stretchability. The parameter analyzer characterizes the electrical property of the fabricated phototransistor.

Fabricação de imagem flexível Sensor baseado no NIPIN Lateral Phototransistors

Flexible photodetectors have been intensely studied for the use of curved image sensors, which are a crucial component in bio-inspired imaging systems, ...

Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, three substrates (acrylate, ceramics, and copper) are prepared. To determine the resulting material properties of these substrates, profilometer, contact angle, scanning electron microscope (SEM), and focused ion beam (FIB) measurements are done. The achievable printing resolution and suitable drop volume for each substrate are, then, found through the drop size tests. Then, layers of insulating and conductive ink are inkjet printed alternately to fabricate the target sensor structures. After each printing step, the respective layers are individually treated by photonic curing. The parameters used for the curing of each layer are adapted depending on the printed ink, as well as on the surface properties of the respective substrate. To confirm the resulting conductivity and to determine the quality of the printed surface, four-point probe and profilometer measurements are done. Finally, a measurement set-up and results achieved by such an all-printed sensor system are shown to demonstrate the achievable quality.

Here we present a protocol for the fabrication of inkjet-printed multilayer sensor structures on additively manufactured substrates and foil.

Híbrido de impressão para a fabricação de sensores inteligentes

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, ...

Scalable Fabrication of Stretchable, Dual Channel, Microfluidic Organ Chips

A significant number of lead compounds fail in the pharmaceutical pipeline because animal studies often fail to predict clinical responses in human patients. Human Organ-on-a-Chip (Organ Chip) microfluidic cell culture devices, which provide an experimental in vitro platform to assess efficacy, toxicity, and pharmacokinetic (PK) profiles in humans, may be better predictors of therapeutic efficacy and safety in the clinic compared to animal studies. These devices may be used to model the function of virtually any organ type and can be fluidically linked through common endothelium-lined microchannels to perform in vitro studies on human organ-level and whole body-level physiology without having to conduct experiments on people. These Organ Chips consist of two perfused microfluidic channels separated by a permeable elastomeric membrane with organ-specific parenchymal cells on one side and microvascular endothelium on the other, which can be cyclically stretched to provide organ-specific mechanical cues (e.g., breathing motions in lung). This protocol details the fabrication of flexible, dual channel, Organ Chips through casting of parts using 3D printed molds, enabling combination of multiple casting and post-processing steps. Porous poly (dimethyl siloxane) (PDMS) membranes are cast with micrometer sized through-holes using silicon pillar arrays under compression. Fabrication and assembly of Organ Chips involves equipment and steps that can be implemented outside of a traditional cleanroom. This protocol provides researchers with access to Organ Chip technology for in vitro organ- and body-level studies in drug discovery, safety and efficacy testing, as well as mechanistic studies of fundamental biological processes.

Here, we present a protocol that describes the fabrication of stretchable, dual channel, organ chip microfluidic cell culture devices for recapitulating organ-level functionality in vitro.

Fabricação escalável de Stretchable, Dual Channel, órgão Microfluidic Chips

A significant number of lead compounds fail in the pharmaceutical pipeline because animal studies often fail to predict clinical responses in human ...