פינת שינוי סלקטיבית של יכולת רטיבות משטח סיליקון על ידי פעמו UV לייזר הקרנה בסביבה נוזלית

Summary

אנו מדווחים על תהליך של שינוי באתרו של HF טופל סי פני (001) למצב הידרופילי או הידרופובי על ידי הקרנת דגימות בתאי microfluidic המלא H ₂ O ₂ פתרונות מתנול ₂ O פתרון (0.01% -0.5%) או / H באמצעות לייזר UV פעמו של שטף דופק נמוך יחסית.

Abstract

יכולת הרטיבות של סיליקון (Si) היא אחד הפרמטרים החשובים בטכנולוגיה של functionalization של חומר וייצור זה של מכשירי biosensing פני השטח. אנו מדווחים על פרוטוקול של שימוש בלייזרי KRF וARF הקרנת Si (001) דגימות שקועים בסביבה נוזלית עם מספר נמוך של קטניות ופועלים בfluences דופק בינוני הנמוך כדי לגרום לשינוי יכולת רטיבות סי. הוופלים שקועים עד 4 שעות בH 0.01% ₂ O ₂ פתרון ₂ O / H לא הראו שינוי מדיד בזווית המגע הראשונית שלהם (CA) ~ 75 מעלות. עם זאת, ל- 500 דופק הקרנת KRF ולייזרי ARF של הוופלים כאלה בmicrochamber מלאה H 0.01% ₂ O ₂ / H ₂ O פתרון ב 250 ו 65 mJ / ² סנטימטר, בהתאמה, ירד CA לקרוב 15 °, המציין את הקמתה של משטח סופר-הידרופילית. ההיווצרות של Si הופסק-OH (001), ללא שינוי מדיד של מורפולוגיה פני השטח של פרוסות סיליקון, ישאושר על ידי ספקטרוסקופיה Photoelectron רנטגן ומדידות מיקרוסקופי כוח אטומיות. דגימות אזור סלקטיבית מוקרנים אז היו שקועה בפתרון nanospheres מוכתם והעמסת ביוטין מצומדות- לשעה 2, וכתוצאה מכך חוסר תנועה מוצלחת של nanospheres באזור שאינו מוקרן. זה ממחיש את הפוטנציאל של השיטה לbiofunctionalization אזור סלקטיבית וייצור של ארכיטקטורות biosensing מבוססות Si מתקדמים. כמו כן, אנו מתארים פרוטוקול דומה של קרינה של הוופלים שקועים במתנול (CH ₃ OH) באמצעות לייזר ARF פועלים בשטף דופק של 65 mJ / ² סנטימטר ובהיווצרות באתרו של משטח חזק הידרופובי של Si (001) עם CA 103 מעלות. התוצאות מצביעות על היווצרות XPS לייזר מושרה ARF של סיקיירוס (och _{3) x} תרכובות אחראים להידרופוביות נצפתה. עם זאת, לא תרכובות כגון נמצאו על ידי XPS על פני השטח סי מוקרנים בלייזר KRF במתנול, מפגינותחוסר היכולת של לייזר KRF לphotodissociate מתנול וליצור -OCH ₃ רדיקלים.

Introduction

המאפיינים אלקטרוניים וכימיים יוצא דופן, כמו גם החוזק המכני הגבוה שלה הפכו סיליקון (Si) בחירה אידיאלית עבור התקני מייקרו-אלקטרוניים וצ'יפס ביו-רפואי ^1. שליטת אזור סלקטיבית של פני השטח סי זכתה לתשומת לב משמעותית עבור יישומים הכוללים ^2,3 .זה microfluidic ומכשירי מעבדה-על-שבב לעתים קרובות מתקבלת גם על ידי שינוי בקנה מידה ננו של חספוס פני השטח או על ידי טיפול כימי של פני השטח ^4. חספוס פני השטח או הדפוסים לייצר מבני משטח מסודרים או הורה על פני השטח סי כוללים photolithography ^5, ליתוגרפיה אלומת היונים ⁶ וטכניקות לייזר ^7. בהשוואה לשיטות אלה, הוא דיווח תהליך טקסטורות משטח לייזר להיות פחות מסובך עם הפוטנציאל לייצר microstructures עם רזולוציה מרחבית גבוהה ^8. עם זאת, כפי שSi יש סף מוגבה טקסטורות, הקרנה דורשת עם שטף דופק ללגרום למרקם פני השטח העולה על סף אבלציה (~ 500 mJ / ² סנטימטר) ^9, טקסטורות של פני השטח סי יש לעתים קרובות נעזרה בהעסקת אטמוספרות גז תגובתי, כמו זה של לחץ גבוה SF ₆ סביבה ^4,7,8. כתוצאה מכך, לשנות יכולת רטיבות של משטח סי, עבודות רבות שהתמקדו בטיפול כימי על ידי הפקדת סרטים אורגניים ואי-אורגניים ^{10 2,} או באמצעות טיפול פני השטח פלזמה או קרן אלקטרונים ^11,12. הוא הכיר בhydrophilicity של Si מקורם קיומן של קבוצות OH יחידים ונלוות על פני השטח שלו יכול להיות מושגת על ידי רותח זה בפתרון H ₂ O ₂ ב 100 מעלות צלזיוס במשך ¹³ דקות אחדויות. עם זאת, המדינות הידרופובי סי פני, שרובם בשל נוכחותם של Si-H או Si-O-CH ₃ קבוצות, יכולות להיות מושגת על ידי הטיפול כימי רטוב מעורב תחריט עם פתרון חומצת HF או ציפוי עם photoresist ¹³-15. כדי להשיג שליטה באזור סלקטיבית של יכולת רטיבות של Si, צעדי דפוסים מורכבים נדרשים בדרך כלל, כוללים טיפול בתמיסות כימיות ^16. התגובה הכימית הגבוהה של קרינת לייזר UV שימשה גם למצעים מוצקים מצופים סרט אורגני תהליך סלקטיבי האזור ולשנות יכולת הרטיבות שלהם ^17. עם זאת, כמות מוגבלת של נתונים נגיש בשינוי בסיוע לייזר של יכולת רטיבות סי על ידי הקרנה של דגימות שקועים בפתרונות כימיים שונים.

במחקר הקודם שלנו, קרינת לייזר UV של מוליכים למחצה III-V באוויר ^18-20 וNH ₃ ²¹ הייתה הצלחה בשימוש כדי לשנות את ההרכב הכימי של פני השטח GaAs, InGaAs וInP. אנחנו קבענו כי קרינת לייזר UV של מוליכים למחצה III-V בdeionized מים (DI) יורד תחמוצות משטח וקרבידים, ואילו המים נספגים על פני השטח של מוליכים למחצה מגדילים ^22. משטח Si מאוד הידרופובי (CA ~ 103 מעלות) הושגו על ידי הקרנת לייזר ARF של דגימות סי במתנול בעבודה האחרונה שלנו ^23. כפי שצוין על ידי ספקטרוסקופיה רנטגן Photoelectron (XPS), זה נובע בעיקר מהיכולת של לייזר ARF לphotodissociate CH ₃ OH. יש לנו גם משמשים KRF ולייזרי ARF כדי להקרין Si (001) ב0.01% של H ₂ O ₂ במי DI. זה אפשר לנו להשיג היווצרות אזור סלקטיבית של המשטח סופר-הידרופילית של Si (001) המאופיין בCA של 15 מעלות קרובים. התוצאות מצביעות על כך שXPS זה נובע דור של אג"ח Si-OH על פני השטח המוקרנים ^24.

תיאור מפורט של טכניקה חדשה זו באמצעות KRF ולייזרי ARF לאזור סלקטיבית בשינוי באתרו של משטח הידרופילי / הידרופובי של פני השטח סי בריכוז נמוך של H ₂ O ₂ / H ₂ O ופתרונות מתנול בא לידי ביטוי במאמר זה. הפרטים שמסרו כאן צריכים להיות מספיקכדי לאפשר ניסויים דומים שבוצעו על ידי חוקרים מעוניינים.

Protocol

הכנת 1. לדוגמא השתמש בסופר diamode לדבוק מסוג n (מסומם P-) אחד בצד מלוטש Si רקיק (התנגדות 3.1 ~ 4.8 Ω.m) שהוא 3 אינץ 'קוטר, 380 מיקרומטר עבה, לדגימות של 12 מ"מ x 6 מ"מ; לנקות את הדגימות בOptiClear, אצטון ואלכוהול איזופרופיל (5 דקות לכל שלב…

Representative Results

תוצאות נציג אלו הוצגו בעבודת 23,24 פרסמה הקודמת. איור 1 מציגה את CA לעומת N (מספר הפעימות) באתרים מוקרנים בלייזר KRF ב 250 mJ / 2 סנטימטר בDI H 2 O לריכוזים שונים של H 2 2 O פתרונות O 2 / H (למשל., 0.01, 0.02, 0.05 ו -0.2%). CA יורד עם עליית מספר דופק לכל H 2<…

Discussion

יש לנו הצעת פרוטוקול של קרינת לייזר UV של Si רקיק בתא microfluidic המלא בריכוז נמוך של H ₂ O ₂ פתרון כדי לגרום למשטח סופר-הידרופילית Si, שנובע בעיקר מהדור של Si-OH. photolysis לייזר UV של H ₂ O ₂ היה אמור ליצור טעון השלילי OH ^– רדיקלים. כמו כן, אפקט הפוטואלקטרי לייז?…

Materials

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