Πολυμερικά υλικά κατάλληλα για λιθογραφία μέσω φωτοκαθοδηγούμενων διεργασιών (top-down) και μέσω αυτο-οργάνωσης (bottom-up)

Abstract

In this thesis, the microsystems were developed, combining top-down and bottom-up lithography. The combination of these lithographic techniques created nanostructures (< 15 nm) with high resolution. Consequently, the amphiphilic poly(2-dimethylamino)ethyl methacrylate-b-poly(tetrahydropyranyl) methacrylate copolymers, denoted (PDMAEMA-b-PTHPMA) were synthesized by group transfer polymerization and the tertiary amine groups of PDMAEMA were quaternized using 1-(chloromethyl) naphthalene. Thin films of qPDMAEMA-b-PTHPMA copolymers in the presence of photoacid generator were developed via spin coating of copolymers solution on neutralized silicon substrates. A few regions of the films were exposed to 254 nm through a mask, causing the acidic hydrolysis of PTHPMA block. The smallest created structures had 500 nm line width. The unexposed regions of the samples were self-assembled through solvent annealing method in non-selective solvent, creating nanostructures. Moreover, at self-assembled areas the PTHPMA block was selectively removed by oxygen plasma etching, while the qPDMAEMA block has high etch resistance. The morphological results were evaluated by optical and atomic force microscopy. Also, drop casting of qPDMAEMA-b-PTHPMA copolymers, qPDMAEMA and PBuMA homopolymers solutions on chemocapacitive sensor array were used to detect volatile organic compounds. The sensing layers of qPDMAEMA-b-PTHPMA copolymer and qPDMAEMA homopolymers were selective to polar and non-polar analytes and discriminated methanol and ethanol vapors. In conclusion, it was attempted the development of polymeric materials and the process definition to combine two cutting-edge lithographic techniques in one system. Alternatively, these polymeric materials can be applicable in chemocapacitors, detecting volatile organic compounds.

Στην παρούσα διατριβή κατασκευάστηκαν μικροσυστήματα, συνδυάζοντας τη λιθογραφία μέσω φωτοκαθοδηγούμενων διεργασιών (top-down) και μέσω αυτο-οργάνωσης (bottom-up). Ο συνδυασμός των δύο τεχνικών λιθογραφίας δημιούργησε νανοδομές (< 15 nm) υψηλής ανάλυσης. Συνεπώς, συντέθηκαν με πολυμερισμό μεταφοράς ομάδας αμφίφιλα κατά συστάδες συμπολυμερή του πολυ[μεθακρυλικού (2-διμεθυλαμινο) αιθυλεστέρα]-b-πολυ(μεθακρυλικού 2-τετραϋδροπυρανυλεστέρα) (PDMAEMA-b-PTHPMA), όπου οι τριτοταγείς αμινομάδες του PDMAEMA τεταρτοταγοποιήθηκαν με το 1-(χλωρομεθυλο) ναφθαλένιο. Λεπτά υμένια των qPDMAEMA-b-PTHPMA με προσθήκη φωτοπαραγωγού οξέος δημιουργήθηκαν με περιστροφική εναπόθεση των διαλυμάτων των συμπολυμερών σε ουδετεροποιημένα πυριτικά υποστρώματα. Περιοχές των υμενίων εκτέθηκαν σε ακτινοβολία μήκους κύματος 254 nm επιλεκτικά μέσω μάσκας, υδρολύοντας όξινα την εστερομάδα της συστάδας του PTHPMA. Η μικρότερη διάσταση αυτών των περιοχών ήταν στα 500 nm (όριο του οργάνου). Στις ανέκθετες περιοχές των δειγμάτων επήλθε μικροφασικός διαχωρισμός των συστάδων του qPDMAEMA-b-PTHPMA μέσω ανόπτησης σε μη εκλεκτικό διαλύτη, δημιουργώντας νανοδομές. Επίσης, στις αυτο-οργανωμένες περιοχές απομακρύνθηκε επιλεκτικά η συστάδα του PTHPMA με πλάσμα οξυγόνου, ενώ παρέμεινε η συστάδα του qPDMAEMA λόγω αυξημένης αντοχής στην εγχάραξη. Τα αποτελέσματα της μορφολογίας αξιολογήθηκαν με οπτικό μικροσκόπιο και μικροσκόπιο ατομικών δυνάμεων. Επιπλέον, έγινε εναπόθεση σταγόνας με επίσταξη των διαλυμάτων qPDMAEMA-b-PTHPMA, ομοπολυμερών qPDMAEMA και PBuMA σε συστοιχία αισθητήρων για ανίχνευση οργανικών πτητικών ενώσεων. Τα αισθητήρια υμένια των qPDMAEMA-b-PTHPMA και ομοπολυμερών qPDMAEMA ήταν ιδιαίτερα εκλεκτικά σε πολικούς και μη-πολικούς αναλύτες και διαχώρισαν ατμούς μεθανόλης και αιθανόλης. Συμπερασματικά, επιχειρήθηκε ανάπτυξη πολυμερικών υλικών και καθορισμός των διεργασιών για το συνδυασμό δύο τεχνικών λιθογραφίας αιχμής σε ένα μόνο σύστημα. Εναλλακτικά, τα συγκεκριμένα πολυμερικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε χημειοπυκνωτές, ανιχνεύοντας πτητικές οργανικές ενώσεις.