Akustik Nanofluidics için Lityum Niyobat ile Yüzey Akustik Dalga Aktüasyon Birleştiren Nanoheight Kanallarıimalatı
Summary
Biz kalkış fotolitografi, nano-derin reaktif iyon gravür ve oda sıcaklığında plazma ile akustik nanoakışkanlar için lityum niyobat üzerine yüzey akustik dalga aktüasyon cihazlarıentegrasyonu ile nanoheight kanalların imalatı göstermek tek kristal lityum niyobat yüzey aktif çok katmanlı yapıştırma, oksitler lityum niyobat yapıştırma için benzer bir süreç.
Abstract
Sıvıların kontrollü nano ölçekli manipülasyon yüzey ve viskoz kuvvetlerin hakimiyeti nedeniyle son derece zor olduğu bilinmektedir. Megahertz-order yüzey akustik dalga (SAW) cihazları kendi yüzeyinde muazzam ivme üretmek, kadar 108 m / s2, sırayla acoustofluidics tanımlamak için gelmiş gözlenen etkilerin çoğu ndan sorumlu: akustik akış ve akustik radyasyon kuvvetleri. Bu etkiler mikro ölçekte parçacık, hücre ve sıvı manipülasyonu için kullanılmıştır, ancak daha yakın zamanda SAW tamamen farklı bir mekanizma lar kümesi aracılığıyla nano ölçekte benzer fenomenler üretmek için kullanılmıştır. Kontrol edilebilir nano ölçekli sıvı manipülasyonu, fiziksel ve biyolojik uygulamalar için yararlı olan ultra hızlı sıvı pompalama ve biyomakromolekül dinamiklerinde geniş bir fırsat yelpazesi sunar. Burada, bir SAW cihazı ile entegre oda sıcaklığında lityum niyobat (LN) yapıştırma yoluyla nano ölçekli yükseklikte kanal imalatı göstermek. Kuru gravür yoluyla nano yükseklikte kanal imalatı, lityum niyobat üzerine plazma ile aktive bağlanma, sonraki görüntüleme için uygun optik kurulum ve SAW aktüasyonu dahil olmak üzere tüm deneysel süreci tanımlıyoruz. SAW tarafından indüklenen nano ölçekli bir kanalda sıvı kapiller dolgu ve sıvı drenajı için temsili sonuçlar gösteriyoruz. Bu yordam, gelecekteki nanoakışkan uygulamalar için üzerine inşa etmek için yararlı SAW cihazları ile nano ölçekli kanal imalatı ve entegrasyonu için pratik bir protokol sunar.
Introduction
Nanokanallarda kontrol edilebilir nanoölçekli sıvı taşıma –nanofluidics1— çoğu biyolojik makromoleküller ile aynı uzunlukta ölçeklerde oluşur ve biyolojik analiz ve algılama, tıbbi tanı ve malzeme işleme için umut vericidir. Çeşitli tasarımlar ve simülasyonlar sıcaklık gradyanları dayalı sıvılar ve parçacık süspansiyonlar işlemek için nanofluidics geliştirilmiştir2, Coulomb sürükleyerek3, yüzey dalgaları4, statik elektrik alanları5,6,7, ve termoforez8 son on beş yıl içinde. Son zamanlarda, SAWnanokanallarda etkili sıvı taşımaönlemek yüzey ve viskoz kuvvetlerin hakimiyetini aşmak için yeterli akustik basınç ile nanoölçekli sıvı pompalama ve drenaj üretmek için 9 gösterilmiştir. Akustik akışın en önemli faydası, sıvı veya parçacık süspansiyonunun kimyasının ayrıntıları üzerinde endişelenmeden nanoyapılarda yararlı akışı sağlayabilme yeteneğidir, bu tekniği kullanan cihazların biyolojik analiz, algılama ve diğer fizyokimyasal uygulamalarda hemen yararlı olmasını sağlar.
SAW entegre nanoakışkan cihazların imalatı, SAW’ın üretilmesinin kolaylaştırmak için bir piezoelektrik substrat, lityum niyobat10üzerindeki elektrotların-interdigital transdüser (IDT)—imalatını gerektirir. Reaktif iyon gravür (RIE) ayrı bir LN parçasında nanoölçekli depresyon oluşturmak için kullanılır ve iki parçanın LN-LN yapıştırma yararlı bir nanochannel üretir. SAW cihazları için üretim süreci metal sputter veya buharlaşma birikimi11yanında normal veya lift-off ultraviyole fotolitografi kullanarak olsun, birçok yayınlarda sunulmuştur. LN RIE süreci belirli bir şekilde bir kanal etch için, etch oranı ve farklı LN oryantasyonları, maske malzemeleri, gaz akışı ve plazma gücü seçiminden kanalın son yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkileriaraştırılmıştır 12,13,14, 15,15,16. Plazma yüzey aktivasyonu önemli ölçüde yüzey enerjisini artırmak ve dolayısıyla LN17,18,19,20gibi oksitlerde yapıştırma gücünü artırmak için kullanılmıştır. Aynı şekilde, ln’yi siO2 (cam) gibi diğer oksitlerle heterojen olarak iki aşamalı plazma aktif yapıştırma yöntemi21ile bağlamak da mümkündür. Oda sıcaklığında LN-LN yapıştırma, özellikle, farklı temizlik ve yüzey aktivasyon tedavileri kullanılarak araştırılmıştır22.
Burada, genellikle nanoslit kanalları olarak adlandırılan 40 MHz SAW entegre 100-nm yükseklikte nanokanallar, imal süreci ayrıntılı olarak açıklar (Şekil 1A). SAW actuation ile etkili sıvı kapiller dolgu ve sıvı drenaj ı, nanoslit imalatının ve SAW performansının nanoölçekli bir kanalda geçerliliğini gösterir. Yaklaşımımız, çeşitli fiziksel sorunların ve biyolojik uygulamaların araştırılmasını sağlayan nano-akoztoakışkan bir sistem sunmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Oda sıcaklığında yapıştırma SAW entegre nanoslit cihazlar imal anahtarıdır. Başarılı bağlanma ve yeterli bağlanma mukavemeti sağlamak için beş yönü göz önünde bulundurulmalıdır.
Plazma yüzey aktivasyonu için zaman ve güç
Plazma gücünün artırılması yüzey enerjisini artırmaya ve buna bağlı olarak bağlanma mukavemetini artırmaya yardımcı olacaktır. Ancak plazma yüzey aktivasyonu sırasında gücü artırmanın dezavantajı yüzey pü…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar California Üniversitesi ve UC San Diego nano3 tesisi için fon ve bu çalışmayı destekleyen tesislerin sağlanması için müteşekkir. Bu çalışma kısmen, Ulusal Bilim Vakfı (Grant ECCS–1542148) tarafından desteklenen Ulusal Nanoteknoloji Eşgüdümlü Altyapı üyesi UCSD’nin San Diego Nanoteknoloji Altyapısı’nda (SDNI) gerçekleştirilmiştir. Burada sunulan çalışma, W.M. Keck Vakfı’nın araştırma bursu ile cömertçe desteklenmiştir. Yazarlar da Deniz Araştırma Ofisi (Grant 12368098 ile) tarafından bu çalışmanın desteği için müteşekkir.
Materials
| Absorber | Dragon Skin, Smooth-On, Inc., Macungie, PA, USA | Dragon Skin 10 MEDIUM | |
| Amplifier | Mini-Circuits, Brooklyn, NY, USA | ZHL–1–2W–S+ | |
| Camera | Nikon, Minato, Tokyo, Japan | D5300 | |
| Developer | Futurrex, NJ, USA | RD6 | |
| Diamond tip engraving pen | Malco, Memphis, TN, USA | Malco A50 USA Made Carbide Tipped Scribe | |
| Dicing saw | Disco, Tokyo, Japan | Disco Automatic Dicing Saw 3220 | |
| Heating oven | Carbolite, Hope Valley, UK | HTCR 6/28 | High Temperature Clean Room Oven – HTCR |
| Hole driller | Dremel, Mount Prospect, Illinois | Model #4000 | 4000 High Performance Variable Speed Rotary |
| Inverted microscope | Amscope, Irvine, CA, USA | IN480TC-FL-MF603 | |
| Lithium niobate substrate | PMOptics, Burlington, MA, USA | PWLN-431232 | 4" double-side polished 0.5 mm thick 128° Y-rotated cut lithium niobate |
| Mask aligner | Heidelberg Instruments, Heidelberg, Germany | MLA150 | |
| Nano3 cleanroom facility | UCSD, La Jolla, CA, USA | Fabrication process is performed in it. | |
| Negative photoresist | Futurrex, NJ, USA | NR9-1500PY | |
| Oscilloscope | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | InfiniiVision 2000 X-Series | |
| Plasma surface activation | PVA TePla, Corona, CA, USA | PS100 | Tepla Asher |
| Polarizer sheet | Edmund Optics, Barrington, NJ, USA | #86-182 | |
| RIE etcher | Oxford Instruments, Abingdon, UK | Plasmalab 100 | |
| Signal generator | NF Corporation, Yokohama, Japan | WF1967 multifunction generator | |
| Sputter deposition | Denton Vacuum, NJ, USA | Denton 18 | Denton Discovery 18 Sputter System |
| Teflon wafer dipper | ShapeMaster, Ogden, IL, USA | SM4WD1 | Wafer Dipper 4" |
Referencias
- Eijkel, J. C., Van Den Berg, A. Nanofluidics: what is it and what can we expect from it?. Microfluidics and Nanofluidics. 1 (3), 249-267 (2005).
- Longhurst, M. J., Quirke, N. Temperature-driven pumping of fluid through single-walled carbon nanotubes. Nano Letters. 7 (11), 3324-3328 (2007).
- Wang, B., Král, P. Coulombic dragging of molecules on surfaces induced by separately flowing liquids. Journal of the American Chemical Society. 128 (50), 15984-15985 (2006).
- Insepov, Z., Wolf, D., Hassanein, A. Nanopumping using carbon nanotubes. Nano Letters. 6 (9), 1893-1895 (2006).
- Gong, X., et al. A charge-driven molecular water pump. Nature Nanotechnology. 2 (11), 709 (2007).
- Joseph, S., Aluru, N. R. Pumping of confined water in carbon nanotubes by rotation-translation coupling. Physical Review Letters. 101 (6), 064502 (2008).
- Rinne, K. F., Gekle, S., Bonthuis, D. J., Netz, R. R. Nanoscale pumping of water by AC electric fields. Nano Letters. 12 (4), 1780-1783 (2012).
- Eslamian, M., Saghir, M. Z. Novel thermophoretic particle separators: numerical analysis and simulation. Applied Thermal Engineering. 59 (1-2), 527-534 (2013).
- Miansari, M., Friend, J. R. Acoustic Nanofluidics via Room-Temperature Lithium Niobate Bonding: A Platform for Actuation and Manipulation of Nanoconfined Fluids and Particles. Advanced Functional Materials. 26 (43), 7861-7872 (2016).
- Minzioni, P., et al. Roadmap for optofluidics. Journal of Optics. 19 (9), 093003 (2017).
- Connacher, W., et al. Micro/nano acoustofluidics: materials, phenomena, design, devices, and applications. Lab on a Chip. 18 (14), 1952-1996 (2018).
- Ren, Z., et al. Etching characteristics of LiNbO3 in reactive ion etching and inductively coupled plasma. Journal of Applied Physics. 103 (3), 034109 (2008).
- Winnall, S., Winderbaum, S. Lithium niobate reactive ion etching. Defence Science and Technology Organization. , (2000).
- Hu, H., Ricken, R., Sohler, W. Etching of lithium niobate: micro-and nanometer structures for integrated optics. Topical Meeting Photorefractive Materials, Effects, and Devices-Control of Light and Matter, Bad Honnef. , (2009).
- Jackel, J. L., Howard, R. E., Hu, E. L., Lyman, S. P. Reactive ion etching of LiNbO3. Applied Physics Letters. 38 (11), 907-909 (1981).
- Smith, S. E. . Investigation of nanoscale etching and poling of lithium niobate. , (2014).
- Tomita, Y., Sugimoto, M., Eda, K. Direct bonding of LiNbO3 single crystals for optical waveguides. Applied Physics Letters. 66 (12), 1484-1485 (1995).
- Howlader, M. M. R., Suga, T., Kim, M. J. Room temperature bonding of silicon and lithium niobate. Applied Physics Letters. 89 (3), 031914 (2006).
- Chang, C. M., et al. A parametric study of ICP-RIE etching on a lithium niobate substrate. 10th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. , 485-486 (2015).
- Queste, S., et al. Deep reactive ion etching of quartz, lithium niobate and lead titanate. JNTE (Journées Nationales sur les Technologies) Proceedings. , (2008).
- Xu, J., Wang, C., Tian, Y., Wu, B., Wang, S., Zhang, H. Glass-on-LiNbO3 heterostructure formed via a two-step plasma activated low-temperature direct bonding method. Applied Surface Science. 459, 621-629 (2018).
- Tulli, D., Janner, D., Pruneri, V. Room temperature direct bonding of LiNbO3 crystal layers and its application to high-voltage optical sensing. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21 (8), 085025 (2011).
- Sridhar, M., Maurya, D. K., Friend, J. R., Yeo, L. Y. Focused ion beam milling of microchannels in lithium niobate. Biomicrofluidics. 6 (012819), (2012).
