Summary
We rapporteren op een werkwijze in situ verandering van HF behandelde Si (001) oppervlak in een hydrofiel of hydrofoob toestand door bestralen monsters microfluïdische kamers gevuld met H 2 O 2 / H2O-oplossing (0,01% -0,5%) en methanol oplossingen met behulp van UV-gepulste laser van een relatief lage hartslag Fluence.
Abstract
De bevochtigbaarheid van silicium (Si) is één van de belangrijkste parameters in de technologie van oppervlakte functionalisering van dit materiaal en de fabricage van biosensoren. We rapporteren over een protocol van het gebruik van KrF en ArF lasers bestralen Si (001) monsters ondergedompeld in een vloeistof omgeving met lage aantal pulsen en werkend bij matig lage puls invloeden naar Si bevochtigbaarheid wijziging induceren. Wafers ondergedompeld gedurende maximaal 4 uur in een 0,01% H 2 O 2 / H 2 O oplossing heeft meetbare verandering in de initiële contacthoek (CA) ~ 75 ° vertonen. De 500-puls KrF en ArF lasers bestraling van dergelijke wafers in een microkamer gevuld met 0,01% H 2 O 2 / H 2 O oplossing bij 250 en 65 mJ / cm 2, respectievelijk, is de CA near 15 ° af, hetgeen de vorming van een superhydrofiel oppervlak. De vorming van eindstandige OH-Si (001), zonder meetbare verandering van de wafer oppervlaktemorfologie heeftbevestigd door röntgen foto-elektron spectroscopie en atomaire kracht microscopie metingen. De selectieve gebied bestraalde monsters werden vervolgens ondergedompeld in een biotine-geconjugeerd fluoresceïne gekleurd nanosferen oplossing 2 uur, wat resulteert in een succesvolle immobilisatie van de nanobolletjes in de niet-bestraalde gebied. Dit illustreert het potentieel van de werkwijze voor selectieve stippellijn biofunctionalization en fabricage van geavanceerde Si-gebaseerde biosensoren architecturen. We een vergelijkbaar protocol van bestraling van wafers ondergedompeld in methanol (CH 3 OH) met ArF laser beschrijven ook werkt bij puls Fluence van 65 mJ / cm2 en in situ vorming van een sterk hydrofoob oppervlak van de Si (001) met de CA van 103 °. De XPS resultaten geven ArF laser geïnduceerde vorming van Si (OCH3) x verbindingen die het waargenomen hydrofobiciteit. Echter, dergelijke verbindingen werden gevonden door XPS op de Si oppervlak bestraald door KrF laser in methanol, demonstrerenhet onvermogen van de KrF laser methanol photodissociate creëren -OCH3 resten.
Introduction
De opmerkelijke elektronische en chemische eigenschappen en de hoge mechanische sterkte hebben silicium (Si) een ideale keuze voor micro-elektronische inrichtingen en biomedische chips 1 gemaakt. Selectieve gebied controle van de Si oppervlak heeft veel aandacht gekregen voor toepassingen waarbij microfluïdische en lab-on-chip apparaten 2,3 .Dit is vaak ofwel verkregen door nano-schaal modificatie van de oppervlakteruwheid of door een chemische behandeling van het oppervlak 4. Het oppervlak opruwen of modelleren om wanordelijke of besteld oppervlaktestructuren te produceren op de Si oppervlak omvatten fotolithografie 5, ionenbundel lithografie 6 en lasertechnieken 7. Vergeleken met deze werkwijzen wordt laser oppervlak textuurproces gerapporteerd minder gecompliceerd met de potentie om microstructuren te produceren met een hoge ruimtelijke resolutie 8 zijn. Aangezien Si heeft een verhoogde textuur drempelwaarde, waarbij bestraling met pulse Fluence naarinduceren oppervlaktetexturen die boven de ablatie drempel (~ 500 mJ / cm2) 9, heeft texturen van Si oppervlak vaak bijgestaan door het gebruik van reactief gas atmosferen, zoals die van een hoge druk SF 6 milieu 4,7,8. Bijgevolg, om bevochtigbaarheid van de Si oppervlak wijzigen, hebben talrijke werken gericht op de chemische behandeling door het storten van 10 organische en anorganische films 2, of met behulp van plasma of elektronenstraal oppervlaktebehandeling 11,12. Erkend wordt dat de hydrofiliciteit van Si afkomstig uit het bestaan van enkelvoud en aanverwante OH-groepen op zijn oppervlak kan worden bereikt door te koken in een H 2 O 2 oplossing bij 100 ° C gedurende enkele minuten 13. De hydrofobe Si oppervlaktetoestanden, waarvan de meeste door de aanwezigheid van Si-H en Si-O-CH3 groepen kan worden bereikt door natchemische behandeling met etsen met HF zure oplossing of bekleding met fotoresist 13-15. Selectieve gebied controle van bevochtigbaarheid van Si te bereiken, zijn complexe patronen treden meestal nodig, met inbegrip van de behandeling in chemische oplossingen 16. De hoge chemische reactiviteit van UV laserstraling is ook gebruikt om selectief specifieke werkwijze organische bekledingslaag beklede substraten en hun bevochtigbaarheid 17 passen. Echter, een beperkte hoeveelheid gegevens op laser-assisted modificatie van Si bevochtigbaarheid door bestraling van monsters ondergedompeld in verschillende chemische oplossingen.
In onze eerdere onderzoek werd UV laserbestraling van III-V halfgeleiders lucht 18-20 en NH 3 21 met succes gebruikt om het oppervlak chemische samenstelling van GaAs, InGaAs en InP veranderen. We vastgesteld dat UV laserbestraling van III-V halfgeleiders in gedeïoniseerd (DI) water af oppervlak oxiden en carbiden, terwijl het water geadsorbeerd aan halfgeleideroppervlak 22 toeneemt. Een sterk hydrofoob Si oppervlak (CA ~ 103 °) werd verkregen door ArF laserbestraling van Si monsters in methanol in onze recente werk 23. Zoals aangegeven door X-ray foto-elektron spectroscopie (XPS), dit is vooral te danken aan het vermogen van de ArF laser photodissociate CH3OH. We hebben ook KrF en ArF lasers Si (001) te bestralen in een 0,01% H 2 O 2 in DI water. Dit liet ons toe om selectieve gebied vorming van superhydrofiel oppervlak van Si (001) gekenmerkt door de CA in de buurt van 15 ° te bereiken. De XPS resultaten suggereren dat dit komt door vorming van Si-OH bindingen op het bestraalde oppervlak 24.
Een gedetailleerde beschrijving van deze nieuwe techniek met behulp KrF en ArF lasers voor selectieve gebied situ modificatie van het hydrofiele / hydrofobe oppervlak Si oppervlak lage concentratie van H 2 O 2 / H 2 O en methanol oplossingen wordt gedemonstreerd in dit artikel. De gegevens die hier zou voldoende moeten zijnom soortgelijke experimenten worden uitgevoerd door de betrokken onderzoekers.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Monstervoorbereiding
- Gebruik een diamode schrijver met een n-type splitsen (P-gedoteerde) één zijde gepolijst Si wafer (resistiviteit 3,1 ~ 4,8 Ω.m) dat 3 inch in diameter, 380 urn dik, in monsters van 12 mm x 6 mm; Reinig de monsters in OptiClear, aceton en isopropyl alcohol (5 minuten voor elke stap).
- Etch monsters in een ~ 0,9% HF oplossing gedurende 1 minuut om weg te etsen initiële oxide; spoelen in DI water en droog in een hoge zuiverheidsgraad (99,999%), stikstof (N2).
- Store voorbereid monsters in N 2 zak om hun oxidatie in de lucht te beteugelen.
2. bestralen samples op ArF (λ = 193 nm) en KrF (λ = 248 nm) Lasers.
- Leg monsters in een 0,74 mm hoog kamer en dan sluit de kamer met een kwartsglas venster dat hoge transmissie van UV (≥90%) heeft. Vul de kamer met H 2 O 2 / H2O-oplossing in het gebied van 0,01-0,2% of ontgast Methanol met een microfluïdische kanaal.
- Bestralen met monsters gehomogeniseerd ArF of KrF lasers bij verkleining van 2,6 en 1,8 respectievelijk. Bestralen slechts 2 plaatsen op elk monster door het verhogen laserpulsen 100-600 in stap 100 pulsen via een cirkelvormig masker (4 mm diameter). Bestralen van de monsters op dezelfde wijze met een "maple leaf" (9 mm x 7,2 mm) masker.
- Spoelen monsters in DI water, droog met N2 flush; Plaats de monsters in een afgesloten houder, dan snel verpakking met N2 vullen, om blootstelling aan lucht te voorkomen vóór verdere experimenten.
3. Immobilisatie van Bio-geconjugeerde Nanospheres
- Verdun met biotine geconjugeerd en fluoresceïne gekleurd 40-nm diameter nanobolletjes in een pH 7,4 fosfaat gebufferde zoutoplossing (PBS 1X) oplossing tot 10 12 deeltjes / ml bij kamertemperatuur (~ 25 ° C). Dompel ArF of KrF laser bestraalde monsters 2 en# 160; uur in deze oplossing bij kamertemperatuur.
- Was monsters met PBS om fysisch gebonden fluoresceïne gekleurd nanosferen op het oppervlak te elimineren.
4. Oppervlakte karakterisering
- Contact hoek (CA) meting
- Uit te voeren statische CA metingen met een goniometer in een omgeving van RT en luchtvochtigheid.
- Employ hoge zuiverheid DI water (weerstand 17,95 MQ · cm) in een micro-injectiespuit; vergelijkbaar volume genereren (~ 5 ul) druppels op het monsteroppervlak door het verlagen van de micro-injectiespuit aan een soortgelijke hoogte voor elke meting.
- Vastleggen en opslaan van het water daalt profiel beelden door CCD-camera met software. Meet onafhankelijk 4 verschillende plaatsen met dezelfde bestraling voorwaarden.
- Schatting en het gemiddelde van de CA waarden in het drop-analyse module van ImageJ software; laadt het beeld en verandert het in grijswaarden; start de plugin Dropsnake; Plaats ruwweg enkele knopen op de druppel contour (~ 10 knopen) van links naarrecht om slang initialiseren; aanvaarden de curve het aansluiten van deze knopen en evolueren de bocht door te drukken op de knop slang. Opmerking: contact hoeken worden weergegeven in het beeld en de tafel.
- XPS meting
- Onderzoeken oppervlak chemische modificatie met een XPS-spectrometer (1x10 -9 Torr basisdruk) uitgerust met een Al Ka bron werkt op 150 W:
- Laden van de monsters in de vacuümkamer.
- Verwerven van het oppervlak enquêtegegevens constant energie vormen van 50 eV pas energie uit een gebied van 220 micrometer x 220 micrometer.
- Verwerven hoge resolutie scans gegevens uit dezelfde geanalyseerd gebied op 20 eV passeren energie.
- Werkwijze XPS-spectra gegevens XPS-spectra kwantificering software, zoals genoemd 25,26.
- Onderzoeken oppervlak chemische modificatie met een XPS-spectrometer (1x10 -9 Torr basisdruk) uitgerust met een Al Ka bron werkt op 150 W:
- Fluorescentiemicroscoop imaging
- Excite monsters, die werden bestraald door middel van "esdoornblad" masker en blootgesteld aan lood nanobolletjes fluoresceïne, met behulpeen blauwe lichtbron (λ = 450 ~ 490 nm).
- Let fluorescentiebeelden, die uitzendt bij 515 nm, met een fluorescentie omgekeerde microscoop bij een vergroting van 4X.
- Karakteriseren de oppervlaktemorfologie van deze monsters met AFM, zoals genoemd 27.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Deze representatieve resultaten zijn voorgesteld in onze eerdere gepubliceerde werk 23,24. Figuur 1 toont de CA vs. N (aantal pulsen) op sites bestraald met KrF laser bij 250 mJ / cm 2 in DI H2O voor verschillende concentraties H 2 O 2 / H 2 O oplossingen (bijv., 0,01, 0,02, 0,05 en 0,2%). De CA af met toenemende impulsgetal van alle H 2 O 2 oplossingen. De minimale CA (~ 15 °) van de 0,02 en 0,01% H 2 O 2 oplossingen verkregen bij 500 pulsen. Een wat grotere CA werd waargenomen voor 0,05 en 0,2% H 2 O 2 oplossingen bij grotere aantallen puls (N≥500). Tegelijkertijd blijkt dat de CA het monster zonder bestraling (N = 0) met 32 ° van 75 ° als H 2 O 2 concentratie verhoogd 0,02-0,2%. Deze resultaten, na gemiddeld 10 minuten blootstelling verworven H 2 2 oplossingen, waarschijnlijk vertegenwoordigen de CA verzadigingswaarden verkrijgbaar bij respectieve H 2 O 2 concentraties. Het is echter belangrijk op te merken dat de blootstelling van monsters 0,01% H 2 O 2 oplossing tot 4 uur niet heeft geleid tot een meetbare verandering van de CA karakteriseren van de oorspronkelijke oppervlak.
Figuur 2 illustreert CA vs. impulsgetal de locaties na KrF (Figuur 2A) en ArF (figuur 2B) laserbestraling in een 0,01% H 2 O 2 / H2O-oplossing. Figuur 2a toont dat de CA continu afneemt met het aantal impulsen maximaal 600 pulsen van de KrF bij 183 mJ / cm2. Vergelijkbare resultaten werden gevonden op monsters bestraald met ArF laser op 44 mJ / cm 2, zoals getoond in figuur 2B. Toen de plaatsen werden bestraald door KrF laser met 300 pulsen bij 320 mJ / cm2 en 500 pulsen bij 250 mJ / cm
Figuur 3 toont O 1s XPS-spectra van Si oppervlak vers geëtst met HF (figuur 3A), blootgesteld aan 0,01% H 2 O 2 / H2O-oplossing gedurende ongeveer 10 min zonder laserbestraling ((figuur 3B), en blootgesteld aan 0,01% H 2 O 2 / H2O-oplossing en 500-pulse KrF laserbestraling bij 250 mJ / cm 2 (Figuur 3C). De pieken bij 531,8 ± 0,1, 532,6 ± 0,1 en 533,7 ± 0,1 eV werden toegewezen aan SiO x, SiO 2 en SiOH respectievelijk 28,29. Figuur 3B toont aan dat de blootstelling aan een HF-oplossing meeste SiO 2 en SiO x is verwijderd van het oppervlak. De hoeveelheden van SiO 2 & #160 en SiOH op het terrein bestraald door KrF laser groter (figuur 3C) dan bij de niet-bestraalde (Figuur 3B). De Si oppervlakken bekleed met SiO 2 werden steeds gemeld CA minimale waarden van 45 ° -55 ° heeft, zoals genoemd 11, afhankelijk van de O / Si-verhouding. Echter, een superhydrofiel SiOH monolaag bedekt Si oppervlak werd gerapporteerd met een minimum CA van 13 °, zoals genoemd 30. Dus de CA = 14 ° verkregen met 500 pulsen voornamelijk als gevolg van verhoogde oppervlakteconcentratie van SiOH. We hebben ook vastgesteld dat de SiOH / SiO 2 verhouding toe van 0,10 (100-puls bestraling, gegevens niet getoond) naar 0,17 voor 500 pulsen bestraald ter. De onderbroken lijnen in de spectra van de koolstof (C) adsorbaten op het oppervlak. De hoeveelheden van deze adsorbaten worden bepaald afhankelijk vaste verhoudingen van O / C CO, C = O en OC = O bindingen in de C 1s spectra 31. Wij hebben gevonden dat er meerC op de niet-bestraalde oppervlak blootgesteld aan de H 2 O 2 / H 2 O oplossing dan op het monster vers geëtst met HF zuur. Figuur 3C toont aan dat de hoeveelheden C absorbates verminderd met aantal impulsen vanwege de excimeerlaser reinigingseffect 9. Aangezien de C absorbates op het oppervlak werd gemeld hydrofobiciteit van Si 15 te verhogen, het laser-geïnduceerde verwijdering van C adsorbaten verbetert ook de hydrofiele aard van het oppervlak.
Figuur 4A toont een fluorescentie microscopische beeld van de Si oppervlak selectief bekleed met fluoresceïne gekleurd nanobolletjes. Het monster werd eerst bestraald in een H 2 O 2 / H2O-oplossing (0,01%) door het projecteren van een "maple leaf" masker met de KrF laser levert 400 pulsen bij 250 mJ / cm2. Hoge oppervlakteconcentratie van nano- bolletjes wordt gevonden op de niet-bestraalde deel van het monster. Het resultaat illustreert formation een laser geïnduceerde zone van een sterk hydrofiel materiaal dat voorkomt binding van de nanosferen. De aanwezigheid van enkele nanobolletjes waargenomen in deze zone kan worden gerelateerd aan het oppervlak defect veroorzaakte oxidatie van Si en daarmee samenhangende vermindering van de hydrofiliciteit. Een AFM afbeelding van een fragment van de niet-bestraalde oppervlak dicht bedekt met geïmmobiliseerde nanobolletjes Figuur 4B toont.
Figuur 5 toont de CA gemeten waarden voor Si monsters die waren ondergedompeld in methanol en bestraald met ArF laser op 30, 65 en 80 mJ / cm2. Te zien is dat de CA het bestraald met 800 pulsen bij 65 mJ sample / cm 2 steeg van de beginwaarde van 75 ° tot 103 °, en het is vergelijkbaar met de CA voor de 1000-puls bestraalde monster. Dit suggereert dat de laser gebaseerde chemische verandering van het oppervlak Si verzadigt deze laser invloeden. Meer intense dynamiek van de CA increase werd waargenomen voor 80 mJ / cm2 en lage aantal laserpulsen (N <200), zoals aangegeven door de cirkel symbolen. De vorming van bellen op monsters bestraald met N> 200 pulsen, en een verwante ongecontroleerde modificatie van het monster oppervlaktemorfologie ons verhinderd verzamelen van betrouwbare gegevens onder dergelijke omstandigheden. Met behulp van een benadering 22,32 elders beschreven, schatten we dat een ArF laser bestraling bij 65 mJ / cm 2 induceert piektemperatuur op het oppervlak van Si vergelijkbaar met methanol kookpunt, bijv., 65 ° C, zoals genoemd 33. Aldus wordt bestraling met grotere laser fluences verwachting de vorming van bellen te induceren. Consistent hiermee was ons onvermogen om Si monsters bevredigende kenmerken te vervaardigen met de laser fluentie van 80 mJ / cm 2 en N> 200 pulsen. Daarentegen bestraling bij 30 mJ / cm 2 vertoonde slechts een zwakke verhoging van de CA tot 78 ° voor de 1000-puls irradiated monsters.
Figuur 6 toont XPS-spectra van Si 2p en O 1s voor sites ondergedompeld in methanol die niet bestraald waren (Figuur 6A en 6B), en bestraald met 500 pulsen van de ArF laser op 65 mJ / cm 2 (Figuur 6C en 6D). Een zwakke functie in de Si 2p spectrum van de niet-bestraalde (figuur 6A) worden rondom BE = 102,7 eV. Deze functie werd gerapporteerd afkomstig te zijn van de Si- (OCH3) x 34 binding. De atomaire concentratie van deze verbinding wordt geschat op 0,7%, die enigszins wordt onderschat als gevolg van de relatief kleine (60 °) take-off hoek (TOF) toegepast, terwijl het verzamelen van gegevens XPS. Echter, op de bestraalde (figuur 6C), de atomaire percentage Si (OCH3) x binding verhoogd met 5 keer tot 3,5% bij TOF van 60 °. In de O 1s spectra (figuren 6B 6D), kan men zien dat de concentratie van Si-O-CH 3 peak (BE = 532,6 eV) verhoogd van 1 tot 2,5% van de niet-bestraalde en bestraalde gebieden, respectievelijk. Zoals Si- (OCH3) is x gerapporteerd verantwoordelijk voor de vorming van een hydrofoob oppervlak Si zijn, zoals genoemd 15,35,36, de toename van de oppervlakteconcentratie van Si- (OCH3) x wordt de belangrijkste te zijn reden voor de waargenomen hydrofobe eigenschappen van de ArF Si bestraalde monsters. In de O 1s spectra, naast Si-OC en CO, er zijn SiOx en OH pieken. De stijging van de SiO x piek bij BE = 531,5 ± 0,2 eV wordt mogelijk veroorzaakt door het CH 3 O binding aan SiO x sub-oxiden (SiO x + 1 CH 3) 34. Aangezien de HF behandelde monster had Si aanwezig OH (hier niet getoond) vertonen, dit OH piek misschien uit CH3OH fysiek geabsorbeerd aan het oppervlak Si.
Figuur 1. Contact Angle vs. pulsnummer op Si (001) oppervlak bestraald met KrF laser bij 250 mJ / cm 2 in DI H2O en verschillende concentraties H 2 O 2 / H 2 O oplossingen (bijvoorbeeld 0,01, 0,02, 0,05 en 0,2%). De contacthoek nut standaard deviatie (SD) is 2,5 °. Het cijfer is aangepast van 24. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. Contacthoek vs. puls aantal monsters ondergedompeld in 0,01% H 2 O 2 / H 2 O oplossing en bestraald met KrF (figuur 2A) en ArF (figuur 2B) Lasers. De SD van contacthoek waarde naar verluidt 2,2 °. Het cijfer is aangepast van 24. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. O 1s XPS-spectra van vers Si oppervlak geëtst in HF (A), blootgesteld aan 0,01% H 2 O 2 / H2O-oplossing gedurende ongeveer 10 min zonder laserbestraling (B) en bestraald met 500 pulsen van de KrF laser bij 250 mJ / cm2, terwijl blootgesteld aan 0,01% H 2 O 2 / H 2 O-oplossing (C). Het cijfer is gewijzigd van 24. Klik hier om een grotere versie van deze fotofiguur.
Figuur 4. Fluorescentiemicroscopische beeld van een monster dat was enerzijds, bestraald met 400 pulsen van een KrF laser werkend bij 250 mJ / cm 2 en projecteren van een "maple leaf" masker op het oppervlak en anderzijds bloot aan een oplossing van fluoresceïne gekleurd nanosferen (A). AFM beeld van een fragment van het niet-bestraalde deel van het monster met geïmmobiliseerde nanosferen (B). Het cijfer is aangepast van 24. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5. Contact hoek van Si (001) monsters i mmersed in methanol en bestraald met een ArF laser op 30 mJ / cm 2 (▲), 65 mJ / cm 2 (■) en 80 mJ / cm 2 (●). zijn de foutbalken berekend op basis van de metingen van 3 onafhankelijke sites . Een contact hoek SD waarde van 2,0 ° werd gemeld. Het cijfer is aangepast van 23. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6. Si en O 2p 1s XPS-spectra van een referentie (niet-bestraalde) monster (A en B), en een monster bestraald met een ArF laser in methanol met 500 pulsen ten 65mJ / cm 2 (C en D). Het cijfer is aangepast van 23.ad / 52.720 / 52720fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Wij hebben een protocol UV laserbestraling Si wafer voorgesteld in een microfluïdische kamer gevuld met een lage concentratie van H 2 O 2 oplossing voor een superhydrofiel Si oppervlak dat vooral induceren vanwege de vorming van Si-OH. UV laser fotolyse van H 2 O 2 moest negatief geladen OH vormen - radicalen. Ook UV laser foto-elektrisch effect leidt tot de vorming van een positief geladen oppervlak 37. Daarom is de wisselwerking van deze negatieve OH - radicalen met een positief geladen oppervlak leidt tot de vorming van Si-OH op het oppervlak. Zo kunnen we hydrofiliciteit vergroten door de laserpuls nummer en verhoging van de concentratie van OH - reageren met Si 15. De hydrofiliciteit opgehouden te verhogen of te verlagen bij groter aantal impulsen tijdens het proces, omdat H 2 O 2 is thermodynamisch instabiel, en de ontleding described door 2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 38, waardoor overmatig gevormde O 2 in de buurt oppervlaktegebied van Si. Hoewel deze werkwijze in potentie zou leiden tot de vorming van SiO 2 hydrofiliciteit van het oppervlak te verbeteren, de vorming van O 2 moleculen kan ook de oorzaak van bellen formatie nabij het bestraalde oppervlak. Aanzienlijk verhoogde bellenvorming met ArF laser op 65 mJ / cm 2 en KrF laser bij 320 mJ / cm 2, is consistent met de verhoogde kans op thermisch aangedreven afbraak van H 2 O 2. Aangezien de minimale CA van SiO 2 beklede Si is bekend om dichtbij 45 °, de vorming SiO 2 verrijkt Si kan veroorzaken toename van CA waargenomen voor de sites bestraald met een groot aantal pulsen.
De berekening van de temperatuur veroorzaakt door laserbestraling ook kritiek aspect, aangezien het important om de oxidatie van Si in de H 2 O 2 / H 2 O oplossing en de verhoogde bevochtigbaarheid. Met behulp COMSOL berekeningen werden de oppervlakte piek temperaturen geschat op 88 en 95 ° C wanneer bestraald met KrF laserpuls van 250 en 320 mJ / cm 2, resp. Ter vergelijking wordt het oppervlak piektemperatuur geschat op 40 ° C, toen het werd bestraald met ArF laserpuls van 65 mJ / cm2. Deze piek temperaturen gedaald tot de oorspronkelijke temperatuur in 10 -5 s. Er is geen warmte accumulatie tussen twee opeenvolgende pulsen wanneer KrF en ArF lasers werken op een herhaling van 2 Hz (een zaak onderzocht in deze mededeling). Op basis van de temperatuur berekeningsresultaten, kan de laser parameters worden geoptimaliseerd toekomstige experimenten.
We gebruiken ook voorgesteld ArF laser hydrofobe Si oppervlak induceren door het bestralen Si monster in methanoloplossing in een soortgelijke microkamer, die het gevolg laser geïnduceerde vorming van Si-O-CH 3 op het bestraalde oppervlak, zoals getoond in figuren 5 en 6. Vermeld is dat UV-laserlicht (105-200 nm) fragmentatie van methanol damp kan worden beschreven door de reactie: CH3 OH → CH 3 O + H 39. Hoe hoger de temperatuur, hoe CH 3 O adsorbeert aan het oppervlak Si 40. Aldus, door bestraling bij lagere laser fluentie (bv., 30 mJ / cm 2), er geen kokende methanol en geen duidelijke bevochtigbaarheid wisselgeld voor laser geïnduceerde lagere temperatuur. Ook de KrF laser bestraling van het monster in methanoloplossing geeft geen significante toename CA vanwege de langere golflengte en lagere doorsnede absorptiecoëfficiënt (<0.1x10 -20 / cm 2) dan ArF laser (25 x 10 -20 / cm 2) 41. De absorptiecoëfficiënt van KrF laser methanol is ook veel lager dan die van ArF (61x10 -20 / cm 2) en KrF laser (9x10 -20 / cm 2) in H 2 O 2 42 .De verzadiging van de CA ongeveer 103 ° verband houdt met de CH 3 oppervlakte-energie, die dominant voor de bevochtigbaarheid 15. Hoe lager de oppervlakte-energie, hoe hoger de hydrofobiciteit. De laagste oppervlakte-energie (CF 3) gemeld aan de CA maximum van 120 °, terwijl voor een CH x band met een hogere oppervlakte-energie, de CA van 110 ° 43 altijd lager.
Daarom, vergeleken met andere bekende werkwijzen voor laser-geïnduceerde modificatie van Si, zoals laser-geïnduceerde oppervlaktemorfologie modificatie, het proces en die in dit rapport beschreven eenvoudiger, ze geen hoge kosten en een hoog vermogen laser systemen nodig, maar doeltreffend in situ controle Si oppervlak bevochtigbaarheid. Deze techniek kan wijd selectieve gebied induceren modificatie van bevochtigbaarheid voor micro / nano-Si gebaseerde biosensor eenOEPASSING in de toekomst. Er zijn echter beperkingen van deze techniek, in het bijzonder voor UV laser geïnduceerde hydrofobiciteit, zoals de maximale hydrofobiciteit (CA) beperkt door de laser fotonenergie en CH x oppervlakte energie. De kritische stappen in deze technieken omvat voornamelijk opslaan van het monster in N 2 container om oxidatie te voorkomen voordat de bestraling en besturen van de opwekking van luchtbellen Si oppervlak tijdens laserbestraling, bijv. Met behulp microfluïdische kanalen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| fluorescein stained nanospheres | Invitrogen | F8795 | |
| OptiClear | National Diagnostics | OE-101 | |
| ArF laser (λ=193 nm) | Lumonics | pulse master 800 | |
| KrF laser (λ=248 nm) | Lumonics | pulse master 800 | |
| XPS | Kratos Analytical | AXIS Ultra DLD | |
| Fluorescence microscope | Olympus | IX71 | |
| XPS quantitification software | CasaXPS | 2.3.15 |
References
- Liu, X., Fu, R. K. Y., Ding, C., Chu, P. K. Hydrogen plasma surface activation of silicon for biomedical applications. Biomol. Eng. 24, 113-117 (2007).
- Bayiati, P., Tserepi, A., Petrou, P. S., Kakabakos, S. E., Misiakos, K., Gogolides, E. Electrowetting on plasma-deposited fluorocarbon hydrophobic films for biofluid transport in microfluidics. J. Appl. Phys. 101, 103306-103309 (2007).
- Daniel, S., Chaudhury, M. K., Chen, J. C. Fast Drop Movements Resulting from the Phase Change on a Gradient Surface. Science. 291, 633-636 (2001).
- Sun, C., Zhao, X. W., Han, Y. H., Gu, Z. Z. Control of water droplet motion by alteration of roughness gradient on silicon wafer by laser surface treatment. Thin Solid Films. 516, 4059-4063 (2008).
- Krupenkin, T. N., Taylor, J. A., Schneider, T. M., Yang, S. From Rolling Ball to Complete Wetting:The Dynamic Tuning of Liquids on Nanostructured Surfaces. Langmuir. 20, 3824-3827 (2004).
- Martines, E., Seunarine, K., Morgan, H., Gadegaard, N., Wilkinson, C. D. W., Riehle, M. O. Superhydrophobicity and Superhydrophilicity of Regular Nanopatterns. Nano Lett. 5, 2097-2103 (2005).
- Ranella, A., Barberoglou, M., Bakogianni, S., Fotakis, C., Stratakis, E. Tuning cell adhesion by controlling the roughness and wettability of 3D micro/nano silicon structures. Acta Biomater. 6, 2711-2720 (2010).
- Zorba, V., et al. Making silicon hydrophobic: wettability control by two-lengthscale simultaneous patterning with femtosecond laser irradiation. Nanotechnology. 17, 3234 (2006).
- Tsu, R., Lubben, D., Bramblett, T., Greene, J. Mechanisms of excimer laser cleaning of airexposed Si(100) surfaces studied by Auger electron spectroscopy, electron energyloss spectroscopy, reflection highenergy electron diffraction, and secondaryion mass spectrometry. J. Vac. Sci. Technol. A. 9 (100), 223-227 (1991).
- Miramond, C., Vuillaume, D. 1-octadecene monolayers on Si (111) hydrogen-terminated surfaces: Effect of substrate doping. J. Appl. Phys. 96 (111), 1529-1536 (2004).
- Chasse, M., Ross, G. Effect of aging on wettability of silicon surfaces modified by Ar implantation. J. Appl. Phys. 92, 5872-5877 (2002).
- Aronov, D., Rosenman, G., Barkay, Z. Wettability study of modified silicon dioxide surface using environmental scanning electron microscopy. J. Appl. Phys. 101, 084901-084905 (2007).
- Bal, J. K., Kundu, S., Hazra, S. Growth and stability of langmuir-blodgett films on OH-, H-, or Br-terminated Si(001). Phys. Rev. B. 81, 045404 (2010).
- Bal, J., Kundu, S., Hazra, S. Hydrophobic to hydrophilic transition of HF-treated Si surface during Langmuir lodgett film deposition. Chem. Phys. Lett. 500, 90-95 (2010).
- Grundner, M., Jacob, H. Investigations on hydrophilic and hydrophobic silicon (100) wafer surfaces by X-ray photoelectron and high-resolution electron energy loss-spectroscopy. Appl. Phys. A. 39 (100), 73-82 (1986).
- Li, Y., et al. Selective surface modification in silicon microfluidic channels for micromanipulation of biological macromolecules. Biomed. Microdevices. 3, 239-244 (2001).
- Li, X. M., Reinhoudt, D., Crego-Calama, M. What do we need for a superhydrophobic surface? A review on the recent progress in the preparation of superhydrophobic surfaces. Chem. Soc. Rev. 36, 1350-1368 (2007).
- Dubowski, J., et al. Enhanced quantum-well photoluminescence in InGaAs/InGaAsP heterostructures following excimer-laser-assisted surface processing. Appl. Phys. A. 69, 299-303 (1999).
- Genest, J., Beal, R., Aimez, V., Dubowski, J. J. ArF laser-based quantum well intermixing in InGaAs/InGaAsP heterostructures. Appl. Phys. Lett. 93, 071106 (2008).
- Genest, J., Dubowski, J., Aimez, V. Suppressed intermixing in InAlGaAs/AlGaAs/GaAs and AlGaAs/GaAs quantum well heterostructures irradiated with a KrF excimer laser. Appl. Phys. A. 89, 423-426 (2007).
- Wrobel, J. M., Moffitt, C. E., Wieliczka, D. M., Dubowski, J. J., Fraser, J. W. XPS study of XeCl excimer-laser-etched InP. Appl. Surf. Sci. 127-129, 805-809 (1998).
- Liu, N., Dubowski, J. J. Chemical evolution of InP/InGaAs/InGaAsP microstructures irradiated in air and deionized water with ArF and KrF lasers. Appl. Surf. Sci. 270, 16-24 (2013).
- Liu, N., Hassen, W. M., Dubowski, J. J. Excimer laser-assisted chemical process for formation of hydrophobic surface of Si (001). Appl. Phys. A. , 1-5 (2014).
- Liu, N., Huang, X., Dubowski, J. J. Selective area in situ conversion of Si (0 0 1) hydrophobic to hydrophilic surface by excimer laser irradiation in hydrogen peroxide. J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 385106 (2014).
- Mizuno, K., Maeda, S., Suzuki, K. Photoelectron emission from silicon wafer surface with adsorption of organic molecules. Anal. Sci. 7, 345 (1991).
- Swift, J. L., Cramb, D. T. Nanoparticles as Fluorescence Labels: Is Size All that Matters? Biophys. J. 95, 865-876 (2008).
- Liu, N., Kh Moumanis,, Dubowski, J. J. Self-organized Nano-cone Arrays in InP/InGaAs/InGaAsP Microstructures by Irradiation with ArF and KrF Excimer Lasers. JLMN. 7, 130 (2012).
- Grunthaner, P. J., Hecht, M. H., Grunthaner, F. J., Johnson, N. M. The localization and crystallographic dependence of Si suboxide species at the SiO2/Si interface. J. Appl. Phys. 61, 629-638 (1987).
- Heo, J., Kim, H. J. Effects of annealing condition on low-k a-SiOC: H thin films. Electrochem. Solid-st. 10, G11 (2007).
- Chen, Y., Helm, C., Israelachvili, J. Molecular mechanisms associated with adhesion and contact angle hysteresis of monolayer surfaces. J. Phys. Chem. 95, 10736-10747 (1991).
- Miller, D., Biesinger, M., McIntyre, N. Interactions of CO2 and CO at fractional atmosphere pressures with iron and iron oxide surfaces: one possible mechanism for surface contamination? Surf Interface Anal. 33, 299-305 (2002).
- Stanowski, R., Voznyy, O., Dubowski, J. J. Finite element model calculations of temperature profiles in Nd:YAG laser annealed GaAs/AlGaAs quantum well microstructures. JLMN. 1, 17-21 (2006).
- Westwater, J. W., Santangelo, J. G.
- Kim, J. W., Kim, H. B., Hwang, C. S. Correlation Study on the Low-Dielectric Characteristics of a SiOC (-H) Thin Film from a BTMSM/O2 Precursor. J. Korean Phys. Soc. 56, 89-95 (2010).
- Ishizaki, T., Saito, N., Inoue, Y., Bekke, M., Takai, O. Fabrication and characterization of ultra-water-repellent alumina-silica composite films. J. Phys. D: Appl. Phys. 40, 192 (2006).
- Almásy, L., Borbély, S., Rosta, L. Memory of silica aggregates dispersed in smectic liquid crystals: Effect of the interface properties. EPJ B. 10, 509-513 (1999).
- Chen, L., Liberman, V., O'Neill, J. A., Wu, Z., Osgood, R. M. Ultraviolet laser-induced ion emission from silicon. J. Vac. Sci. Technol. A. 6, 1426-1427 (1988).
- Rice, F., Reiff, O. The thermal decomposition of hydrogen peroxide. J. Phys. Chem. 31, 1352-1356 (1927).
- Quickenden, T. I., Irvin, J. A. The ultraviolet absorption spectrum of liquid water. J. Chem. Phys. 72, 4416-4428 (1980).
- Andre, T. Product pair correlation in CH3OH photodissociation at 157 nm: the OH+ CH3 channel. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 2350-2355 (2011).
- Cheng, B. M., Bahou, M., Chen, W. C., Yui, C. H., Lee, Y. P., Lee, L. C. Experimental and theoretical studies on vacuum ultraviolet absorption cross sections and photodissociation of CH3OH, CH3OD, CD3OH, and CD3OD. J. Chem. Phys.. 117, 1633-1640 (2002).
- Schiffman, A., Nelson, D. D. Jr, Nesbitt, D. J. Quantum yields for OH production from 193 and 248 nm photolysis of HNO3 and H2O2. J. Chem. Phys.. 98, 6935-6946 (1993).
- Nishino, T., Meguro, M., Nakamae, K., Matsushita, M., Ueda, Y. The Lowest Surface Free Energy Based on -CF3 Alignment. Langmuir. 15, 4321-4323 (1999).
