Microplasma Stamps – An Atmospheric-Pressure Plasma Source for the Area-Selective Modification of Surfaces

Lucas, Nina

The patterned treatment of surfaces is of growing interest for a large range of applications in the fields of life sciences and polymer electronics. Microplasma stamps are based on the principle of dielectric barrier discharges and represent a powerful tool for the area-selective modification of various surfaces by the use of atmospheric pressure microplasmas, the so called plasma printing. This process integrates the surface modification and lateral microstructuring within one process step. In the present work two different microplasma stamp concepts and their processing are described. In contrast to previous attempts microplasma stamps use a patterned dielectric barrier made of polydimethylsiloxane, which enables a good adjustment to wavy, corrugated and rough surfaces. The microplasma is generated in cavities which are formed temporarily by compressing the substrate to be treated area-selectively and a so-called plasma stamp. Thus, a well controlled spatial extension of the plasma is assured. For the generation of the structured PDMS dielectric barrier an improved method for the double-sided moulding of PDMS has been developed as well as a method for the fabrication of flexible master structures made of the negative working SU-8 photoresist. The microplasma stamp designs are compared to each other and characterized in detail in an experimental series and by simulations using an SIPDP and FEM model. The characterization covers the influence of variations concerning the design of the microplasma stamp, the electrode and the cavity as well as the required compression force on the ignition voltage and the deformation of the cavities. To achieve additional information about the effect of the plasma, generated in the cavities of the microplasma stamps, on the surface treatment an additional SEM and EDX analysis of the mark left by the plasma in the treated areas as well as the distribution of the generated functional groups has been conducted. Based on the results a scaling-up has been carried out which presents the applicability of microplasma stamps for the treatment of surfaces in various sizes and forms. As applications, microplasma stamps have been successfully applied to the areaselective treatment of polypropylene prior to the electroless deposition of nickel and the peptide synthesis. This offers good prospects for a future application of microplasma stamps as a suitable process tool for the area-selective plasma modification of various surfaces at atmospheric pressure.

Die strukturierte Behandlung von Oberflächen gewinnt vor allem in den Bereichen Life Sciences und Polymerelektronik zunehmend an Interesse. Die vorliegende Arbeit zeigt zwei verschiedene Mikroplasma-Stempel-Konzepte sowie deren Herstellungsverfahren. Mikroplasma-Stempel basieren auf dem Prinzip der dielektrischen Barrierenentladung und stellen ein leistungsstarkes Werkzeug für die selektive Plasmabehandlung von verschiedenen Materialoberflächen bei Atmosphärendruck dar. Dabei integrieren sie die Modifikation und laterale Strukturierung der Oberflächen in einem Prozessschritt. Im Gegensatz zu vorherigen Ansätzen verwenden Mikroplasma-Stempel eine strukturierte, dielektrische Barriere aus Polydimethylsiloxan (PDMS) und ermöglichen somit eine sehr gute Anpassung der Stempel sogar an raue oder wellige Oberflächen. Die Erzeugung der Mikroplasmen erfolgt in zylindrischen Hohlräumen, die für den Behandlungszeitraum durch das Zusammenpressen des Mikroplasma-Stempels und des zu behandelnden Substrates geformt werden. Auf diese Weise wird eine kontrollierte, räumliche Plasmaausbreitung und damit selektive Behandlung der Oberflächen gewährleistet. Für die Fertigung der strukturierten PDMS Barriere wurde im Rahmen dieser Arbeit eine verbesserte Methode zur doppelseitigen Abformung von PDMS entwickelt und damit verbunden ein Verfahren zur Herstellung von flexiblen Masterstrukturen aus einem SU-8 Negativ-Photoresist. Der Vergleich und die Charakterisierung der beiden Mikroplasma-Stempel-Konzepte erfolgten in Versuchsreihen und mittels FEM und SIPDP Simulationen. Dabei wurden sowohl der Einfluss von Designänderungen der Mikroplasma-Stempel, der Elektrode und der Kavitäten sowie der Einfluss der benötigten Zusammenpresskraft auf die Zündspannung und die Verformung der Kavitäten untersucht. Durch eine zusätzlich REM und EDX Analyse der behandelten Oberflächen konnten weitergehende Informationen über den Einfluss der Plasmabehandlung auf die Oberfläche erhalten werden. Basierend auf den Ergebnissen fand eine erfolgreiche Vergrößerung der Mikroplasma-Stempel statt, die deren Anwendbarkeit für die Behandlung von Oberflächen mit verschiedensten Größen und Formen zeigt. Als Anwendungsbeispiel wurde die erfolgreiche Anwendung von Mikroplasma- Stempeln als Plasmaquelle zur strukturierten Vorbehandlung von Polypropylen für die stromlose Abscheidung von Nickel und die Peptid-Synthese demonstriert. Mikroplasma-Stempel bieten somit sehr gute Aussichten für eine zukünftige Verwendung als Werkzeug für die selektive Plasmabehandlung von Materialoberflächen bei Atmosphärendruck.

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Lucas, Nina: Microplasma Stamps – An Atmospheric-Pressure Plasma Source for the Area-Selective Modification of Surfaces. Aachen 2009. Shaker.

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