انتقائية المساحة تعديل السيليكون بلل السطح بواسطة الليزر النبضي للأشعة فوق البنفسجية تشعيع في البيئة السائلة
Summary
نحن تقريرا عن عملية التغيير في الموقع من HF تعامل سي (001) السطح إلى دولة ماء أو مسعور من قبل تشعيع العينات في غرف ميكروفلويديك مليئة H 2 O 2 / H 2 O الحل (0.01٪ -0.5٪) أو حلول الميثانول باستخدام نابض ليزر الأشعة فوق البنفسجية من النسبية منخفضة نبض فلوينس.
Abstract
وبلل من السيليكون (سي) هي واحدة من المعالم الهامة في تكنولوجيا functionalization سطح هذه المواد وتصنيع الأجهزة biosensing. نفيدكم على بروتوكول استخدام KRF والمنتدى الاقليمى للاسيان الليزر تشعيع سي (001) عينة مغمورة في البيئة السائلة مع عدد قليل من البقول وتعمل على fluences نبض انخفاض معتدل للحث سي بلل التعديل. رقائق مغمورة لمدة تصل إلى 4 ساعات في 0.01٪ H 2 O 2 / H 2 O الحل لم تظهر تغيير ملموس في حياتهم زاوية الاتصال الأولية (CA) ~ 75 درجة. ومع ذلك، فإن 500 نبضة KRF والليزر المنتدى الاقليمى للاسيان تشعيع هذه الرقائق في microchamber مليئة 0.01٪ H 2 O 2 / H 2 O حل في 250 و 65 ميغا جول / سم 2، على التوالي، انخفض CA في القريب 15 درجة، مشيرا إلى تشكيل سطح فائقة المحبة للماء. تشكيل OH إنهاء سي (001)، مع عدم وجود تغيير ملموس من مورفولوجيا سطح الرقاقة، لديهاأكدته الأشعة السينية الضوئية الطيفي وقياسات قوة المجهر الذرية. ثم تم غمر العينات منطقة انتقائية المشع في nanospheres الملطخة فلوريسئين حل البيوتين مترافق لمدة 2 ساعة، مما أدى إلى شل حركة الناجح لnanospheres في منطقة غير المشع. وهذا يوضح إمكانيات أسلوب انتقائي biofunctionalization المنطقة وتصنيع متقدمة أبنية biosensing أساس سي. نحن أيضا وصف بروتوكول مماثل للإشعاع من رقائق مغمورة في الميثانول (CH 3 OH) باستخدام الليزر المنتدى الاقليمى للاسيان التي تعمل على النبض فلوينس من 65 ميغا جول / سم 2 وتشكيل الموقع من سطح مسعور بقوة سي (001) مع CA من 103 °. نتائج XPS تشير الليزر التي يسببها تشكيل المنتدى الاقليمى للاسيان من Si- (اوتش 3) س المركبات المسؤولة عن للا مائية الملاحظة. ومع ذلك، لا توجد هذه المركبات عن طريق XPS على سطح سي المشع التي كتبها KRF الليزر في الميثانول، مما يدل علىعدم قدرة الليزر KRF إلى photodissociate الميثانول وخلق -OCH 3 المتطرفين.
Introduction
جعلت الخصائص الإلكترونية والكيميائية الرائعة وكذلك ارتفاع القوة الميكانيكية السيليكون (سي) خيارا مثاليا لأجهزة الإلكترونيات الدقيقة والرقائق الطبية 1. تلقت مراقبة المنطقة انتقائية من سطح سي اهتماما كبيرا في التطبيقات التي تنطوي غالبا ما يتم الحصول ميكروفلويديك وأجهزة مختبر على رقاقة 2،3. هذا إما عن طريق تعديل نانو النطاق للخشونة السطح أو عن طريق المعالجة الكيميائية لسطح 4. والتخشين السطحي أو الزخرفة لإنتاج هياكل سطح المختلين أو أمر على سطح سي تشمل ضوئيه 5، شعاع ايون الطباعة الحجرية 6 وتقنيات الليزر 7. مقارنة مع هذه الأساليب، وتفيد التقارير سطح ليزر عملية التركيب لتكون أقل تعقيدا مع القدرة على إنتاج المجهرية لقرار مكانية عالية 8. لكن، وكما سي لديه عتبة التركيب مرتفعة، الأمر الذي يتطلب التشعيع مع نبض فلوينس لحمل التركيب السطحي تتجاوز عتبة الاجتثاث لها (~ 500 ميغا جول / سم 2) 9، وكثيرا ما ساعد التركيب من سطح سي من خلال توظيف أجواء الغاز على رد الفعل، مثل الضغط العالي SF 6 البيئة 4،7،8. ونتيجة لذلك، لتعديل بلل السطح سي، ركزت العديد من الأعمال على المعالجة الكيميائية عن طريق إيداع العضوية وغير العضوية 10 أفلام 2، أو باستخدام البلازما أو شعاع الالكترون المعالجة السطحية 11،12. ومن المسلم به أن hydrophilicity سي النابعة من وجود مجموعات OH المفرد وما يرتبط بها من على سطحه ويمكن تحقيق ذلك عن طريق الغليان في H 2 O 2 الحل عند 100 درجة مئوية لعدة دقائق (13). ومع ذلك، فإن الدول سطح سي مسعور، ومعظمها بسبب وجود سي-H أو سي-O-CH 3 مجموعات، ويمكن أن يتحقق عن طريق التعامل مع المواد الكيميائية التي تنطوي على الرطب الحفر بمحلول حامض HF أو طلاء مع مقاومة للضوء 13-15. لتحقيق السيطرة المنطقة الانتقائية للبلل سي، وعادة ما يطلب خطوات الزخرفة المعقدة، بما في ذلك العلاج في المحاليل الكيميائية 16. كما تم استخدام التفاعلات الكيميائية عالية من أشعة الليزر فوق البنفسجية لفيلم العضوي عملية منطقة انتقائية المغلفة ركائز متينة وتعديل بلل بها 17. ومع ذلك، فإن كمية محدودة من البيانات متاح في تعديل بمساعدة الليزر سي بلل بواسطة أشعة عينات مغمورة في المحاليل الكيميائية المختلفة.
في بحثنا السابق، تم استخدام الأشعة فوق البنفسجية أشعة الليزر من أشباه الموصلات III-V في الهواء 18-20 وNH 3 21 بنجاح لتغيير التركيب الكيميائي سطح الغاليوم، InGaAs والبرنامج النووي العراقي. أنشأنا أن أشعة الليزر فوق البنفسجية من أشباه الموصلات III-V في منزوع الأيونات (DI) الماء يقلل أكاسيد السطح وكربيد، في حين أن المياه كثف على سطح أشباه الموصلات يزيد 22. سطح مسعور سي بقوة (CA ~ 103 °) تم الحصول عليها عن طريق المنتدى الاقليمى للاسيان أشعة الليزر من عينات سي في الميثانول في عملنا الأخير 23. كما يتبين من الأشعة السينية الضوئية الطيفي (XPS)، وهذا يرجع أساسا إلى قدرة الليزر المنتدى الاقليمى للاسيان لphotodissociate CH 3 OH. وقد استخدمنا أيضا KRF والليزر المنتدى الاقليمى للاسيان لأشرق سي (001) في 0.01٪ من H 2 O 2 في المياه DI. هذا يسمح لنا لتحقيق تشكيل منطقة مختارة من سطح فائقة المحبة للماء سي (001) والتي تتميز CA من حوالي 15 درجة. وتشير نتائج XPS أن هذا يرجع إلى جيل من السندات سي-OH على سطح المشع 24.
ويتجلى وصفا مفصلا لهذه التقنية الجديدة باستخدام KRF والليزر المنتدى الاقليمى للاسيان لمنطقة انتقائية تعديل الموقع من ماء / سطح مسعور من سطح سي في في تركيز منخفض من H 2 O 2 / H 2 O وحلول الميثانول في هذه المقالة. التفاصيل الواردة هنا ينبغي أن يكون كافياالسماح تجارب مماثلة التي يتعين القيام بها من قبل الباحثين المهتمين.
Protocol
Representative Results
Discussion
اقترحنا على بروتوكول للأشعة فوق البنفسجية أشعة الليزر سي رقاقة في غرفة ميكروفلويديك مليئة تركيز منخفض من H 2 O 2 حل للحث على سي سطح فائقة المحبة للماء، الذي يرجع أساسا إلى توليد سي-OH. وكان من المفترض UV التحلل الضوئي ليزر من H 2 O 2 لتشكيل سالبة الشحنة OH – ا?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Natural Science and Engineering Research Council of Canada (Discovery Grant No. 122795-2010) and the program of the Canada Research Chair in Quantum Semiconductors (JJD). The help provided by Xiaohuan Xuang, Mohamed Walid Hassen and technical assistance of Sonia Blais of the Université de Sherbrooke Centre de caractérisation de matériaux (CCM) in collecting XPS data are greatly appreciated. NL acknowledges the Merit Scholarship Program for Foreign Student, Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies, for providing a graduate student scholarship.
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 |
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. Photographic Study of Boiling. Ind. Eng. Chem. 47, 1605-1610 (1955).
- 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., 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).
