ES2571177B1 - Resina negativa fotosensible para escritura directa de estructuras - Google Patents
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Abstract
Resina negativa fotosensible para escritura directa de estructuras.#La presente invención se refiere a una resina negativa fotosensible de óxidos de metales de transición que comprende un contenido orgánico menor o igual a 20% en peso respecto al peso total de la resina, un contenido inorgánico auxiliar al nominal menor o igual a 0,01% en peso respecto al peso total de la resina y que presenta un índice de refracción desde aproximadamente 1,8 hasta aproximadamente 2,4. La invención además se refiere a estructuras de óxidos de metales de transición obtenidas mediante escritura directa sobe la resina de la invención, así como al método de preparación de la resina de la invención, al método de escritura directa de las estructuras de la invención y a los usos tanto de la resina como de las estructuras.
Description
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DESCRIPCION
Resina negativa fotosensible para escritura directa de estructuras.
Campo de la invencion
La presente invencion esta relacionada con el area de resinas fotosensibles para escritura directa de estructuras. Mas espedficamente la presente invencion esta relacionada con metodos de preparation de resinas fotosensibles y con metodos de escritura directa de estructuras.
Antecedentes de la invencion
Un elevado numero de aplicaciones de materiales avanzados se encuentran en sistemas electricos y electronicos, sistemas opticos tales como gtias de onda (Que et al. Appl. Phys. A 73 (2001) 171-173) y optoelectronicos tales como sistemas fotovoltaicos (O’Regan et al. Nature 353 (1991) 737-740) y fotocatalrticos (US 2003/0162132, JP 2005/0166869) y pantallas electrocromicas (Ohzuku et al. Electrochim. Acta 27 (1982) 1263-1266), y de modo emergente en sistemas que impliquen una interaction de alguna senal (electrica, electronica u optica) con gases (Arakawa et al. J. Am. Ceram. Soc. 82 (1999) 225-228) o biomoleculas en biosensores y microarrays (Statza et al. Soft Matter 2008, 4(1), 131-139) o con celulas en estimuladores, gtias o multielectrodos. Dichos sistemas se caracterizan por incluir oxidos de metales de transition, tales como el oxido de titanio, en forma de laminas delgadas microestructuradas.
El metodo tradicional de fabrication de estas estructuras consiste en la realization de un proceso de litografia y, posteriormente, un proceso de deposition del oxido en cuestion (por ejemplo, oxido de titanio) mediante metodos fisicos o quimicos. Diversos autores han avanzado en la lmea de obtencion de un proceso simplificado que permita tratar una pelicula (resina) directamente sin necesidad de la litografia inicial. En este caso los procesos se restringen a sistemas quimicos en los que diversos aditivos dan una reactividad a la pelicula base de oxido una vez que son expuestos a algun tipo de radiation. Como resinas funcionan por tanto de modo negativo, pero al ser un proceso de “micropatteming” directo, la escritura es positiva.
En sucesivas propuestas, se han incorporado aditivos tanto organicos como inorganicos a precursores de oxidos metalicos, principalmente del oxido de titanio, para la escritura directa de estructuras. Sin embargo, los resultados hasta el momento consisten en materiales hibridos y
materiales compuestos. Los materiales hibridos, como resultado de la incorporacion de aditivos
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organicos (como por ejemplo compuestos epoxi) contienen una cantidad no despreciable de contenido organico. Por otra parte, los materiales compuestos, como resultado de la incorporation de aditivos inorganicos, introducen principalmente silicio en la red. El resultado en ambos casos es, una limitation de las propiedades potenciales de las estructuras de oxido de titanio. Esto se debe por una parte a que la incorporacion de aditivos organicos que permite un incremento de la reactividad de la resina del oxido metalico, pero no se ha demostrado que el oxido formado de esta manera, se pueda transformar eficientemente en un material cristalino (Saifullah et al. Nanoletters 3 (2003) 1587-1591). Ademas, en este caso citado, la escritura no es fotolitografica, sino mediante haz de electrones o haces de protones (Saifullah et al. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 260 (2007) 460-463), lo que limita considerablemente el campo de aplicacion al requerirse equipamientos mas complejos. Por otra parte, los materiales compuestos, que se utilizan para escribir estructuras mediante moldeado o reproduction de replicas (Wu et al. J. Phys. Chem. C 114 (2010) 2179-2183), pretenden reducir el contenido organico mediante incorporacion adicional de elementos inorganicos de silicio (Zanchetta et al. Microelec. Eng. 98 (2012) 176-179), pero impone en cualquier modo un limite a las propiedades finales de las estructuras escritas.
A pesar de las numerosas publicaciones en el estado de la tecnica sobre procedimientos para preparar resinas fotosensibles para escritura directa, como por ejemplo TW201002787 y TW20090120452, todavia existe la necesidad de un metodo de preparation que supere las limitaciones arriba expuestas, es decir, un metodo que permita preparar resinas con contenido organico menor, con contenido inorganico auxiliar al nominal tambien menor y con un alto mdice de refraction. Estas resinas permitiran obtener estructuras de oxidos de metales de transition mediante escritura directa donde las propiedades finales de las estructuras escritas no se veran deterioradas por contenidos auxiliares.
Breve description de la invention
Los autores de la presente invencion han encontrado que empleando un metodo basado en la tecnica sol-gel consiguen formar directamente resinas negativas fotosensibles de oxidos de metales de transicion con un contenido organico mmimo y con ausencia (<0,01% en peso) de contenido inorganico auxiliar al nominal del correspondiente oxido de metal de transicion.
Dichos niveles de contenido organico y contenido inorganico auxiliar permiten obtener resinas con alto mdice de refraccion (desde aproximadamente 1,8 hasta aproximadamente 2,4) utilizando radiation UV. El empleo de esta radiation, al ser menos energetica que las empleadas en algunos
de los trabajos citados en el estado de la tecnica (radiacion de protones o de rayos-X), supone un ahorro de energia en el metodo de escritura de dichas resinas.
Ademas, las resinas de la invention, al incorporar un contenido organico mmimo y presentar 5 ausencia de contenido inorganico auxiliar al nominal, se pueden transformar eficientemente en estructuras cristalinas cuyas cualidades opticas y fisicas son las adecuadas para sus potenciales aplicaciones. En los metodos del estado de la tecnica, impurezas en forma de contenido organico (aditivos organicos) o de contenido inorganico auxiliar, dan lugar a estructuras amorfas cuyas propiedades opticas y fisicas suponen una limitation de las potenciales aplicaciones como 10 componente en sistemas donde tiene lugar una interaction de una senal electrica, electronica u optica con gases, moleculas o celulas.
Por lo tanto, un primer aspecto de la invencion es la provision de una resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transition que comprende un contenido organico menor o igual a 20% en 15 peso respecto al total de la resina, un contenido inorganico auxiliar al nominal menor o igual a 0,01% en peso respecto al total de la resina y que presenta un mdice de refraction desde aproximadamente 1,8 hasta aproximadamente 2,4.
Un segundo aspecto de la presente invencion proporciona un metodo de preparation de la resina 20 negativa fotosensible de oxidos de metales de transicion de la invencion que comprende las etapas de:
a) preparar una disolucion que comprende:
- un precursor del oxido de metal de transicion,
- peroxido de hidrogeno,
25 - un aditivo organico que comprende un grupo carboxilo y que presenta un peso
molecular menor o igual a 500 g/mol, preferiblemente menor o igual a 150 g/mol, y
- un disolvente; y
b) dispersar la disolucion obtenida en la etapa (a) sobre un substrato.
30 Un tercer aspecto de la presente invencion proporciona una resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transicion obtenible segun el metodo de preparacion de la invencion.
Un cuarto aspecto de la presente invencion proporciona un metodo de escritura directa de estructuras de oxidos de metales de transicion que comprende las etapas de:
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a) aplicar una radiacion ultravioleta sobre una resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transition obtenida segun el metodo de preparation de la invention;
b) revelar la resina irradiada obtenida en la etapa (a); y
c) secar el material obtenido en la etapa (b).
El metodo de escritura directa de la invencion permite por lo tanto grabar opticamente motivos de oxidos de metales de transicion de modo directo sin necesidad de litografia inicial. Los procesos de litografia convencionales (no directos) implican una litografia inicial sobre resinas intermedias previa al proceso de deposition del oxido en cuestion. Sin embargo, el presente metodo de escritura directa permite ahorrar pasos ya que tras la irradiation y revelado de la resina de la invencion se obtiene directamente la estructura deseada de oxido sin necesidad de eliminar capas litograficas. Ademas, otros metodos de escritura directa del estado de la tecnica no son intrinsecamente de oxido metalico (sino de materiales hibridos o compuestos) y/o no son gravables directamente mediante radiacion como la ultravioleta requiriendo radiaciones electronicas mas energeticas como de protones o de rayos-X.
Por lo tanto, el metodo de escritura directa de la presente invencion supone un ahorro de tiempo y energia para la production y escritura directa de estructuras de oxido de metales de transicion. Por otro lado, siendo los consumibles generalmente empleados disolventes organicos o disoluciones ionicas fuertes, el metodo de escritura directa de la invencion implica ademas un menor impacto ambiental que los procesos actuales.
Un quinto aspecto de la presente invencion proporciona estructuras de oxidos de metales de transicion obtenibles segun el metodo de escritura directa de la invencion.
Un aspecto adicional de la presente invencion se refiere al uso de las resinas negativas fotosensibles de oxidos de metales de transicion de la invencion para escritura directa de estructuras de oxidos de metales de transicion.
Otro aspecto adicional de la presente invencion se refiere al uso de las estructuras de oxidos de metales de transicion de la invencion como componentes en sistemas que comprenden la interaction de una senal electrica, electronica u optica con gases, moleculas o celulas.
Otro aspecto de la presente invencion se refiere al uso de las estructuras de oxidos de metales de transicion de la invencion en la fabrication de guias y trampas celulares.
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Otro aspecto de la presente invention proporciona biosensores que comprenden las resinas negativas fotosensibles de oxidos de metales de transition de la invencion como componentes antiadherentes.
Otro aspecto de la presente invencion proporciona sistemas de analisis y/o estimulacion celular que comprende la estructura de oxidos de metales de transicion de la invencion.
Figuras
Figura 1: Proceso completo de escritura directa de estructuras de oxidos de metales de transicion a partir de la preparation de la resina negativa fotosensible de la presente invencion, donde a) es un substrato, b) es la deposition de la disolucion precursora de la resina de la invencion sobre dicho substrato, c) es la irradiation de la resina obtenida en forma de lamina o recubrimiento sobre el substrato, d) es el revelado de la resina y e) es el secado de la resina.
Figura 2: Transformaciones fisico-quimicas sufridas por el precursor tetraisopropilo ortotitanato (TIPT) donde a) es el resultado de la hidrolisis en presencia de peroxido de hidrogeno, y b) es la modification de la disolucion coloidal obtenida en a) mediante acido poliacrilico de bajo peso molecular.
Figura 3: Resultados de la realization utilizando mascaras con cuadrados de 50 ^.m (arriba) y composition de estructuras a partir de cuadros de la misma dimension (abajo).
Figura 4: Diagrama de difraccion de rayos X de una muestra de oxido de titanio policristalino con fase anatasa obtenida mediante recocido termico de la resina descrita.
Figura 5: Imagen de campo claro de aperturas en una lamina de oxido de titanio sobre una superficie de oro utilizando la resina de la invencion (izquierda). Respuesta normalizada en la longitud de onda del plasmon superficial a la adsorcion de albumina de suero humano (0.1 mg/ml) (derecha).
Figura 6: Evolution en imagenes de un protocolo de adsorcion FLAG anti-FLAG sobre una superficie de cavidades plasmonicas de oro. (1) Inicio a respuesta cero con FLAG inmovilizado, (2) inyeccion de anti-FLAG, (3) pico en quasi saturation y (4) remanente tras el lavado.
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Figura 7: Imagen de microscop^a de fluorescencia de celulas mesenquimaticas humanas en adhesion sobre microestructuras cuadradas de TiO2 realizadas mediante la presente invention.
Description detallada de la invencion
El objeto principal de la presente invencion es proporcionar una resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transition que comprende un contenido organico menor o igual a 20% en peso respecto al peso total de la resina, un contenido inorganico auxiliar al nominal menor o igual a 0,01% en peso respecto al peso total de la resina y que presenta un mdice de refraction desde aproximadamente 1,8 hasta aproximadamente 2,4.
En el contexto de la presente invencion, el termino "resina negativa fotosensible” se refiere a un recubrimiento o lamina depositada sobre un substrato que durante un proceso de escritura de estructuras reacciona con radiacion de tal manera que la porcion de la misma expuesta se endurece y no se retira durante la posterior etapa de revelado.
En el contexto de la presente invencion, la expresion "contenido organico” (de la resina) se refiere al contenido en peso de la resina proveniente de los aditivos organicos anadidos durante la preparacion de la resina.
En el contexto de la presente invencion, la expresion "contenido inorganico auxiliar al nominal” (de la resina) se refiere al contenido inorganico de la resina diferente al oxido u oxidos del /de los metales de transicion de partida. Por "contenido inorganico” se entiende el formado por compuestos inorganicos, esto es, aquellos que no estan basados en la qtimica del carbono. En el estado del arte de la presente invencion, los compuestos inorganicos que habitualmente forman el contenido inorganico auxiliar al nominal son mayoritariamente oxido de silicio, fosfatos, sulfatos u oxido de germanio.
En el contexto de la presente invencion, el termino "mdice de refraccion” de un material se refiere al cociente entre la velocidad de la luz en el vado como medio de referencia y la velocidad de la luz a traves de dicho material.
De una manera preferida, los oxidos de metales de transicion de la resina de la invencion se seleccionan de oxidos donde el metal de transicion es titanio, zinc, tungsteno, hierro, vanadio, niobio, tantalo, molibdeno, zirconio o mezclas de los mismos.
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Ejemplos de oxidos de metales de transition incluyen oxido de titanio (TiO2), oxido de zinc (ZnO), oxido de tungsteno (WO3), oxido de hierro (FeO), oxido de vanadio (V2O5), oxido de niobio (Nb2O5), oxido de tantalo (Ta2O5), oxido de zirconio (ZrO) y mezclas de los mismos. Asi mismo, los oxidos de metales de transicion tambien incluyen, en el contexto de la presente invention, oxidos binarios (como, por ejemplo ZnTiO3, ZrTiO4, TaVO5), ternarios (Zn2TiZrO4) y otros oxidos mixtos de orden sucesivo. Los oxidos de metales de transicion, en el contexto de la presente invencion, tambien incluyen mezcla entre oxidos de cualquier orden.
Por lo tanto, el objetivo de la presente invencion se cumple por medio de un metodo de preparation de resinas negativas fotosensibles de oxidos de metales de transicion, que comprende las etapas de:
a) preparar una disolucion que comprende:
- un precursor del oxido de metal de transicion,
- peroxido de hidrogeno,
- un aditivo organico que comprende un grupo carboxilo y que presenta un peso molecular menor o igual a 500 g/mol, preferiblemente menor o igual a 150 g/mol, y
- un disolvente; y
b) dispersar la disolucion obtenida en la etapa (a) sobre un substrato.
La primera etapa del metodo de preparacion de resinas negativas fotosensibles de oxidos de metales de transicion de la invencion (etapa (a)) comprende preparar una disolucion que a su vez comprende:
- un precursor de oxido de metal de transicion,
- peroxido de hidrogeno,
- un aditivo organico que comprende un grupo carboxilo y que presenta un peso molecular menor o igual a 500 g/mol, preferiblemente menor o igual a 150 g/mol, y
- un disolvente.
La disolucion preparada en la etapa (a) del metodo de preparacion de la invencion es una disolucion coloidal que comprende coloides formados por un nucleo inorganico (metal de transicion del precursor) rodeado por una coraza organica (parte organica del precursor) en una fase dispersora que es el disolvente.
En el contexto de la presente invencion se entiende por precursor de oxido de metal de transicion
de la etapa (a) del metodo de preparacion de la invencion cualquier producto que pueda resultar
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en un oxido de un metal de transition en las condiciones del metodo de la invention. En una realization preferida, el precursor de oxido de metal de transicion de la etapa (a) del metodo de preparation de la invencion se selecciona de aquellos precursores donde el metal de transicion presenta una carga parcial de entre aproximadamente +0,40 hasta aproximadamente +0,70. En el contexto de la presente invencion, el termino "cargas parciales” se refiere a las cargas debidas a la diferente electronegatividad de los atomos que forman parte de un enlace, y que pueden ser positivas o negativas. Ejemplos de dichos metales de transicion son titanio, zirconio, vanadio y tantalo.
Preferiblemente el precursor de oxido de metal de transicion de la etapa (a) del metodo de preparacion de la invencion se selecciona entre un alcoxido, un oxoalcoxido y un metal de transicion halogenado.
Por alcoxido se entiende, en el contexto de la presente invencion, compuestos con la estructura MeOR, donde "Me” es un metal de transicion como se refiere mas arriba, "O” es oxigeno, y "R” es un radical alquilo, preferentemente de 1 a 6 atomos de carbono, que puede estar o no sustituido por diferentes radicales como halogenos, grupos nitro, ciano, eter, amino, etc. Ejemplos de alcoxidos incluyen metoxidos, etoxidos, propoxidos, butoxidos y sus derivados con alteration de la simetria del enlace (isopropoxidos, tert-butoxido).
Por oxoalcoxido se entiende, en el contexto de la presente invencion, compuestos con la estructura MeO(O-R)x, donde "Me” es un metal de transicion como se refiere mas arriba, en particular un metal de transicion con valencia elevada; "O” es oxigeno, "R” es un radical alquilo, preferentemente de 1 a 6 atomos de carbono, que puede estar o no sustituido por diferentes radicales como halogenos, grupos nitro, ciano, eter, amino, etc., y "x” es un numero entero de 1 a 5
Ejemplos de precursores de oxido de metal de tipo alcoxido son: isopropoxido de titanio, butoxido de titanio, isopropoxido de zirconio. Ejemplo de precursor de oxido de metal de tipo oxoalcoxido es: oxoisopropoxido de vanadio.
Alternativamente, el precursor de oxido de metal de transicion de la etapa (a) del metodo de preparacion de la invencion puede ser un metal de transicion halogenado. Por metal de transicion halogenado se entiende, en el contexto de la presente invencion, compuestos con la estructura MeX, donde "Me” es un metal de transicion como se define anteriormente y "X” es un elemento halogeno (F, Cl, Br, I, At).
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Ejemplos de precursores de oxido de metal de tipo metal de transition halogenado son: TiCl4, ZnCl2, TaCl5y ZrCl4.
Preferiblemente el precursor de oxido de metal de transicion se encuentra en la solution preparada en la etapa a) en una concentration de entre 0.01 % en volumen hasta 25 % en volumen
Sin estar ligado a ninguna teoria en particular, los autores de la presente invention creen que la adicion de peroxido de hidrogeno permite aumentar el tamano de los coloides de la disolucion de la etapa (a), respecto al tamano de los coloides en una disolucion tradicional (sin peroxido de hidrogeno) sin llegar a tamanos de coloides que tiendan a la sedimentation (lo que arruina la dispersion posterior de la disolucion sobre un substrato (etapa (b)).
En una realization preferida, el peroxido de hidrogeno empleado en el metodo de preparation de la invencion se encuentra en una concentracion en la solucion preparada en la etapa a) desde aproximadamente 0,1% en volumen a alrededor 5% en volumen con respecto al volumen total de disolucion.
Ademas, sin estar ligado a ninguna teoria en particular, los autores de la presente invencion creen que la adicion de un aditivo organico que comprende un grupo carboxilo que presenta un peso molecular menor o igual a 500 g/mol, preferiblemente menor o igual a 150 g/mol, estabiliza los coloides de la disolucion de la etapa (a) debido a la afinidad de los metales de transicion por los grupos carboxilo. Ademas, el uso de dicho aditivo organico de bajo peso molecular permite reducir el contenido organico final (menor o igual a 20% en peso) de la resina negativa fotosensible de la presente invencion.
En otra realizacion preferida, el aditivo organico empleado en el metodo de preparacion de la invencion se encuentra en una concentracion en la solucion preparada en la etapa a) desde aproximadamente 0,1% en volumen a alrededor de 5% en volumen con respecto al volumen total de disolucion.
En una realizacion preferida, el aditivo organico del metodo de preparacion de la invencion contiene grupos carboxilo, y preferiblemente dicho aditivo es acido poliacrilico de bajo peso molecular (menor de 500 g/mol), como acido mono-acrilico, biacrilico, triacrilico, tetraacrilico o
mezclas de los anteriores. Otros aditivos organicos son acidos organicos como, por ejemplo, el acido dtrico y el acido butrnco.
El disolvente de la etapa (a) del metodo de preparation de la invention se selecciona, 5 preferiblemente de entre al menos un alcohol que comprende de 1 a 10 atomos de carbono, mas preferiblemente de un alcohol que comprende de 1 a 5 atomos de oxigeno. Ejemplos de disolventes alcoholes son metanol, etanol, isopropanol, butanol y mezclas de los mismos.
Los autores de la presente invencion han observado que una temperatura moderada permite 10 controlar mejor la formation de los coloides de la etapa (a). Por ello, en una realization preferida, el metodo de preparacion de la invencion se lleva acabo a una temperatura de entre aproximadamente 5 hasta aproximadamente 23°C, preferiblemente a una temperatura de aproximadamente 12°C.
15 Una segunda etapa del metodo de preparacion de resinas negativas fotosensibles de oxidos de metales de transition de la invencion (etapa (b)) comprende dispersar la disolucion obtenida en la etapa (a) sobre un substrato.
Durante la etapa (b) del metodo de preparacion de la invencion tiene lugar una condensation de los coloides produciendose la formacion reversible de laminas delgadas con espesores de entre 20 10 a 100 nm de oxido de metal de transicion o, como se conoce en el campo de la tecnica sol-gel,
xerogel. La formacion del xerogel o gel solido se debe a que de manera inherente a la etapa de dispersion tiene lugar la evaporacion del disolvente de la disolucion de la etapa (a), dando lugar a la resina de la invencion.
25 Por tanto, en una realizacion particular, el metodo de preparacion de las resinas de la invencion comprende las etapas de:
a) preparar una disolucion que comprende:
- un precursor del oxido de metal de transicion,
- peroxido de hidrogeno,
30 - un aditivo organico que comprende un grupo carboxilo y que presenta un peso
molecular menor o igual a 500 g/mol, y
- un disolvente;
b) dispersar la disolucion obtenida en la etapa (a) sobre un substrato, y
c) evaporacion del disolvente.
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La aplicacion de calor para la realization de la etapa de evaporation en el metodo de preparation de la invention no es esencial. De hecho, preferiblemente, la evaporacion tiene lugar sin aplicacion de calor y, ocurre, inherentemente y de manera inmediata a la dispersion de la solution sobre el sustrato a temperatura ambiente, preferiblemente en el rango de temperaturas de 5 a 23°C, y a presion atmosferica.
En una realizacion preferida, la dispersion de la disolucion de la etapa (b) se lleva a cabo mediante recubrimiento por rotation, recubrimiento por inmersion o recubrimiento como aerosol.
Ademas, los autores de la presente invencion han observado que la condensation de los coloides de la etapa (b) del metodo de preparacion de la presente invencion puede controlarse mejor mediante ajuste de la temperatura de dispersion.
Por ello, en una realizacion preferida, la dispersion de la disolucion de la etapa (b) del metodo de preparacion de la invencion se lleva a cabo a una temperatura de entre aproximadamente 12 hasta aproximadamente 23°C, preferiblemente a una temperatura de aproximadamente 18°C.
El substrato de la etapa (b) del metodo de preparacion de la invencion se selecciona preferentemente de substratos vrtreos, ceramicos, semiconductores, metalicos y mezclas de los mismos. Ejemplos de substratos vrtreos incluyen vidrio, carbono vitrificado y mezclas de los mismos. Ejemplos de substratos ceramicos incluyen cuarzo, niobato de litio, zircona, porcelana y mezclas de los mismos. Ejemplos de substratos semiconductores incluyen silicio, germanio, arseniuro de galio y mezclas de los mismos. Ejemplos de substratos metalicos incluyen titanio, aluminio, tantalo, cobre, oro, plata, platino, acero inoxidable y mezclas de los mismos.
Otro aspecto de la invencion proporciona una resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transition obtenible segun el metodo de preparacion de la invencion.
En una realizacion particular, la resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transicion obtenible segun el metodo de preparacion de la invencion esta caracterizada por un contenido organico menor o igual a 20% en peso, un contenido inorganico auxiliar al nominal menor o igual a 0,01% en peso y un mdice de refraction desde aproximadamente 1,8 hasta aproximadamente 2,4.
El objetivo de la presente invencion se cumple ademas por medio de un metodo de escritura directa de estructuras de oxidos de metales de transicion que comprende las etapas de:
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a) aplicar una radiacion ultravioleta sobre una resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transition obtenida segun el metodo de preparation de la invention;
b) revelar la resina irradiada obtenida en la etapa (a); y
c) secar el material obtenido en la etapa (b).
La figura 1 muestra un esquema completo de las etapas del metodo de escritura directa de estructuras de la invencion a partir de la preparacion de la resina negativa fotosensible de la invencion.
Una primera etapa del metodo de escritura directa de la invencion (etapa (a)) comprende aplicar una radiacion ultravioleta sobre una resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transicion obtenida segun el metodo de preparacion de la invencion.
La radiacion ultravioleta aplicada en la etapa (a) del metodo de escritura directa de la invencion permite aportar en la superficie de la resina la energia necesaria para la desorcion de las moleculas de aditivo organico de la resina, provocando un endurecimiento de la misma.
En una realization preferida, la radiacion ultra-violeta aplicada en la etapa (a) del metodo de escritura directa de la invencion es monocromatica con un maximo desde aproximadamente 10 nm hasta aproximadamente 400 nm, mas preferiblemente desde aproximadamente 200 nm hasta aproximadamente 400 nm, aun mas preferiblemente aproximadamente 365 nm.
En otra realizacion preferida, la radiacion ultravioleta aplicada en la etapa (a) del metodo de escritura directa de la invencion es monocromatica con una potencia de aproximadamente 500 mW/cm2.
En otra realizacion preferida, la radiacion ultravioleta aplicada en la etapa (a) del metodo de escritura directa de la invencion se aplica selectivamente a traves de una mascara micrometrica.
Una segunda etapa del metodo de escritura directa de la invencion (etapa (b)) comprende revelar la resina irradiada obtenida en la etapa (a).
Durante la etapa de revelado, la resina irradiada se sumerge en un disolvente, de tal manera que las regiones de la resina expuestas a la radiacion ultravioleta permanecen adheridas al substrato mientras que las regiones de la resina no expuestas se disuelven en el disolvente de revelado.
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Como resina, este es un comportamiento negativo, pero al ser una resina del material final objetivo, el proceso integral es un proceso positivo (la zona irradiada es la que define el dibujo final del oxido).
Ejemplos de disolventes de revelado son los conocidos por el experto en la materia como convencionales en el campo de la tecnica, que incluyen acetona, etanol, metanol, isopropanol y mezclas de los mismos.
Una tercera etapa del metodo de escritura directa de la invencion (etapa (c)) comprende secar el material obtenido en la etapa (b).
En una realization particular, el secado de la etapa (c) del metodo de escritura directa de la invencion se realiza mediante flujo de nitrogeno.
Los autores de la presente invencion han observado que mediante posterior tratamiento termico del material secado en la etapa (c) del metodo de escritura directa de estructuras de la invencion se puede inducir una transformacion estructural dando lugar a un material policristalino (por ejemplo, estructura anatasa en el caso de oxido de titanio).
Por tanto, en una realizacion particular, el metodo de escritura directa de la invencion incluye adicionalmente una etapa (d) que comprende recocer el material secado en la etapa (c).
En una realizacion preferida, el recocido de la etapa (d) del metodo de escritura directa de la invencion se realiza a una temperatura mayor o igual a 500°C.
Los autores de la presente invencion han observado que mediante posterior tratamiento fisico del material recocido obtenido en la etapa (d) del metodo de escritura directa de estructuras de la invencion se puede reducir aun mas el contenido organico de la estructura obtenida.
Por tanto, en otra realizacion particular, el metodo de escritura directa de la invencion comprende ademas una etapa (e) que comprende efectuar un tratamiento de plasma de radiofrecuencia o micro-ondas, o un tratamiento de bombardeo ionico o electronico sobre el material obtenido en la etapa (d).
Otro aspecto de la invencion proporciona una estructura de oxidos de metales de transition obtenible segun el metodo de escritura directa de la invencion.
Otro aspecto de la invention se refiere al uso de la resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transition de la invencion para la escritura directa de estructuras de oxidos de metales de transicion.
Los autores de la presente invencion han observado que las estructuras de oxidos de metales de transicion de la invencion aplicadas a procesos de reconocimiento anticuerpo/antigeno, retienen trazas del reconocimiento FLAG/anti-FLAG sobre su superficie tras un lavado con agua. Esto supone una importante contribution de la estructura obtenida como complemento antiadherente 10 en sistemas biosensores, con una aproximacion novedosa con respecto a patentes precedentes en este entorno (por ejemplo, US 2012/0115748 A1).
Por otra parte, los autores de la presente invencion han observado que respuestas de adhesion de celulas mesenquimaticas humanas se ven afectadas por la presencia de las estructuras de oxidos 15 de metales de transicion de la invencion. Estos resultados muestran a nivel celular un potencial de la invencion para el crecimiento de guias y trampas celulares utiles en sistemas de analisis/estimulacion unicelular.
Por ello, otro aspecto de la invencion se refiere al uso de la estructura de oxidos de metales de 20 transicion de la invencion como componente en sistemas que comprenden la interaction de una senal electrica, electronica u optica con gases, moleculas o celulas.
Ademas, otro aspecto de la invencion se refiere al uso de la estructura de oxidos de metales de transicion de la invencion en la fabrication de guias y trampas celulares.
25
Otro aspecto adicional de la invencion proporciona un biosensor que comprende la estructura de oxidos de metales de transicion de la invencion como componente antiadherente.
Un aspecto final de la invencion proporciona un sistema de analisis y/o estimulacion celular que 30 comprende la estructura de oxidos de metales de transicion de la invencion.
Ejemplos
La presente invention se describira ahora por medio de ejemplos que sirven para ilustrar la construction y la prueba de realizaciones ilustrativas. Sin embargo, se entendera que la presente invencion no se limita en modo alguno a los ejemplos expuestos a continuation.
5 Ejemplo 1. Preparation de una resina negativa fotosensible de oxido de titanio
Se preparo una disolucion de 12%vol de tetraisopropilo ortotitanato (TIPT), 2,5%vol de acido poliacrilico de peso molecular medio de 150 gr/mol y 0,25%vol de peroxido de hidrogeno en etanol en un volumen total de 50 cm3. La disolucion obtenida se conservo a una temperatura de 12°C hasta que se llevo a cabo su dispersion sobre un substrato de silicio mediante recubrimiento por 10 rotation ("spin coating”) a 3000 rpm, en atmosfera inerte de N2 y a una temperatura de 18°C.
Como consecuencia del proceso de "spin coating”, el disolvente etanol se evaporo y se obtuvo una resina (xerogel) en forma de lamina delgada de oxido de titanio sobre silicio.
La figura 2 muestra las transformaciones fisico-quimicas sufridas por el precursor TIPT donde: a) 15 es el resultado de la hidrolisis en presencia de H2O2, y b) es la modification de la dispersion coloidal obtenida en (a) mediante acido poliacrilico de bajo peso molecular.
Ejemplo 2. Escritura directa de estructuras de oxido de titanio
La resina obtenida en el ejemplo 1 como recubrimiento fotosensible sobre silicio se sometio 20 durante 60 s a una radiation ultravioleta (UV) monocromatica de 500 mW/cm2 con maximo de emision a 365 nm mediante una lampara led y a traves de una mascara micrometrica.
La resina reacciono a la radiacion UV de forma que la portion expuesta de la resina se endurecio mediante la radiacion. El area no afectada por la radicacion se retiro posteriormente por revelado 25 mediante inmersion en acetona y posterior secado con flujo de nitrogeno.
La figura 3 muestra diversos resultados de estructuras microlitografiadas utilizando mascaras con cuadrados de 50 ^.m.
30 Posteriormente, mediante recocido termico a 500°C se indujo una transition cristalina del oxido de titanio dando lugar a una estructura policristalina de TiO2 con fase anatasa en forma de recubrimiento sobre silicio como se deriva del diagrama de difraccion de rayos X de la figura 4 mejorando su mdice de refraction.
5
10
15
20
25
30
35
Ejemplo 3. Caracterizacion de las estructuras de oxido de titanio obtenidas en el ejemplo 1 mediante elipsometria y adsorcion comparativa de protemas por fluorescencia. Aplicacion como componente antiadherente.
Se confirmo la aplicabilidad para el desarrollo de plataformas biosensoras con resolution micrometrica de imagen mediante la caracterizacion de las propiedades opticas (elipsometria) y de superficie (adsorcion comparativa de proteinas por fluorescencia) de las estructuras obtenidas en el ejemplo 2.
La demostracion se realizo incorporando dichas estructuras a una superficie de oro de un espesor de 50 nm depositada sobre un prisma de vidrio para inducir una excitation plasmonica (resonancia plasmonica de superficie, RPS). La imagen microscopica obtenida permitio ver el efecto del crecimiento de las regiones microestructuradas con un fondo de TiO2 utilizando la resina obtenida en el ejemplo 1 (figura 5, izq). El registro tras normalization de la intensidad de la RPS (Figura 5, dcha) permitio identificar que los cuadrados no recubiertos por TiO2 (algunos numerados en la figura 5, izq) presentaban una mayor capacidad de adsorcion de proteinas con respecto al fondo de TiO2 (seleccionado con puntos en la esquina inferior derecha de la figura 5, izq).
Alternativamente la resina obtenida en el ejemplo 1 se aplico a cavidades plasmonicas de oro en vez de a la lamina continua sobre el prisma de vidrio. Posteriormente, se analizo la adsorcion localizada mediante la aplicacion de un protocolo con FLAG/anti-FLAG a una superficie con cavidades plasmonicas de oro. La evolution del proceso de adsorcion se muestra en la figura 6. Puede observarse como el proceso de reconocimiento anticuerpo/antigeno tiene lugar en cavidades circulares disenadas en un fondo de TiO2 desde su inicio, pasando por la inyeccion, hasta la saturation en un pico de maximo contraste. Tras un lavado se observo que el proceso no es totalmente reversible y quedan trazas del reconocimiento FLAG/anti-FLAG sobre la superficie de cavidades plasmonicas.
Ejemplo 4. Aplicacion a un sistema celular de las estructuras de oxido de titanio obtenidas en el ejemplo 2 con microestructuras de TiO2 de distintas formas
Se crecieron microestructuras de TiO2 de manera similar a como se describe en el ejemplo 2 usando diferentes mascaras micrometricas para obtener distintas formas. Se pudo comprobar que la respuesta de adhesion de celulas mesenquimaticas humanas se ve afectada por la presencia de dichas microestructuras (figura 7). Las celulas tienden a formar curvas en su adhesion que coinciden con las microestructuras de TiO2.
Claims (20)
- 5101520253035REIVINDICACIONES1. Resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transition que comprende un contenido organico menor o igual a 20% en peso respecto al peso total de la resina, un contenido inorganico auxiliar al nominal menor o igual a 0,01% en peso respecto al peso total de la resina y que presenta un mdice de refraction desde aproximadamente 1,8 hasta aproximadamente 2,4.
- 2. Resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transicion segun la reivindicacion 1, en la que el metal de transicion es titanio, zinc, tungsteno, hierro, vanadio, niobio, tantalo, molibdeno, zirconio o mezclas de los mismos.
- 3. Metodo de preparation de una resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transicion segun cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2 que comprende las etapas de:a) preparar una disolucion que comprende:- un precursor de oxido de metal de transicion,- peroxido de hidrogeno,- un aditivo organico que comprende un grupo carboxilo y que presenta un peso molecular menor o igual a 500 g/mol, y- un disolvente; yb) dispersar la disolucion obtenida en la etapa (a) sobre un substrato.
- 4. Metodo de preparacion de una resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transicion segun la reivindicacion 3, donde el precursor de oxido de metales de transicion de la etapa (a) se selecciona de aquellos precursores en los que el metal de transicion presenta una carga parcial de entre aproximadamente +0,40 hasta aproximadamente +0,70.
- 5. Metodo de preparacion de una resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transicion segun cualquiera de las reivindicaciones 3-4, donde el precursor de oxido de metales de transicion de la etapa (a) se selecciona entre un alcoxido, un oxoalcoxido y un metal de transicion halogenado.
- 6. Metodo de preparacion de una resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transicion segun cualquiera de las reivindicaciones 3-5, donde el aditivo organico presenta un peso molecular menor o igual a 150 g/mol.5101520253035
- 7. Metodo de preparation de una resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transition segun cualquiera de las reivindicaciones 3-6, donde el disolvente de la etapa (a) se selecciona de al menos un alcohol que comprende entre 1 y 10 atomos de carbono.
- 8. Metodo de preparacion de una resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transicion segun cualquiera de las reivindicaciones 3-7, donde la dispersion de la disolucion de la etapa (b) se lleva a cabo mediante recubrimiento por rotation, recubrimiento por inmersion o recubrimiento como aerosol.
- 9. Metodo de preparacion de una resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transicion segun cualquiera de las reivindicaciones 3-8, donde el substrato de la etapa (b) se selecciona de substratos vrtreos, ceramicos, semiconductores, metalicos y mezclas de los mismos.
- 10. Resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transicion obtenible segun el metodo de cualquiera de las reivindicaciones 3-9.
- 11. Metodo de escritura directa de estructuras de oxidos de metales de transicion que comprende las etapas de:a) aplicar una radiation ultravioleta sobre una resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transicion obtenida segun el metodo de preparacion de cualquiera de las reivindicaciones 3-9;b) revelar la resina irradiada obtenida en la etapa (a); yc) secar el material obtenido en la etapa (b).
- 12. Metodo de escritura directa de estructuras de oxidos de metales de transicion segun la reivindicacion 11, donde la radiacion ultravioleta aplicada en la etapa (a) es radiacion ultravioleta monocromatica con un maximo desde aproximadamente 10 nm hasta aproximadamente 400 nm.
- 13. Metodo de escritura directa de estructuras de oxidos de metales de transicion segun cualquiera de las reivindicaciones 11 y 12, que incluye adicionalmente la etapa (d) que comprende recocer el material secado en la etapa (c).
- 14. Metodo de escritura directa de estructuras de oxidos de metales de transicion segun la reivindicacion 13, donde el recocido de la etapa (d) se realiza a una temperatura mayor o igual a 500°C.
- 15. Metodo de escritura directa de estructuras de oxidos de metales de transition segun cualquiera de las reivindicacion 14, que incluye adicionalmente la etapa (e) que comprende efectuar un tratamiento de plasma de radiofrecuencia o micro-ondas, o un tratamiento de5 bombardeo ionico o electronico sobre el material obtenido en la etapa (d).
- 16. Estructura de oxidos de metales de transicion obtenible segun el metodo de cualquiera de las reivindicaciones 11-15.10 17. Uso de la resina negativa fotosensible de oxidos de metales de transicion segun cualquiera delas reivindicaciones 1, 2 y 10 para escritura directa de estructuras de oxidos de metales de transicion.
- 18. Uso de la estructura de oxidos de metales de transicion segun la reivindicacion 16 como 15 componente en sistemas que comprenden la interaction de una senal electrica, electronica uoptica con gases, moleculas o celulas.
- 19. Uso de la estructura de oxidos de metales de transicion segun la reivindicacion 16 en la fabrication de guias y trampas celulares.20
- 20. Biosensor que comprende la estructura de oxidos de metales de transicion segun la reivindicacion 16 como componente antiadherente.
- 21. Sistema de analisis y/o estimulacion celular que comprende la estructura de oxidos de metales 25 de transicion segun la reivindicacion 16.
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