Sıvı Ortamda Darbeli UV Lazer Radyasyonla Silikon Yüzey Islanabilirliği Seçici Alan Değişikliği
Summary
Biz HF yerinde değişiklik 2 O 2 / H2O çözeltisi (% 0.01% -0.5) ya da metanol solüsyonları H dolu mikroakışkan odaları örnekleri ışınlanması ile hidrofilik veya hidrofobik duruma Si (001) yüzeyi ile tedavi edilmiş bir süreci rapor göreceli düşük nabız akıcılığa darbeli UV lazer kullanarak.
Abstract
Silikon ıslanabilirlik (Si) biyo-algılayıcı cihazların bu malzeme ve üretim yüzeyi işlevsellik teknolojisinde önemli parametrelerden biridir. Biz Si ıslatımlılık değişiklik yaratmak için orta düşük nabız akıcılıklarda darbe sayısı düşük olan bir sıvı ortamda dalmış Si (001) örnekleri aydınlatarak KrF ve ArF lazerler kullanarak ve işletim bir protokol rapor. Gofret başlangıç temas açısı (CA) ~ 75 ° ölçülebilir değişiklik göstermemiştir bir% 0.01 H 2 O 2 / H 2 O çözeltisi fazla 4 saat dalmış. Ancak, microchamber tür gofret 500 nabız KrF ve ArF lazerler ışınlama% 0.01 H ile dolu 2 2 O çözelti 250 ve 65 mJ / cm 2, sırasıyla, yakın 15 ° CA azalmıştır / H O 2, süperhidrofil bir yüzey oluşumunu göstermektedir. Ince bisküvinin yüzeyi morfolojisinin ölçülebilir bir değişiklik ile OH-grubu, Si (001), oluşumu, varX-ışını fotoelektron spektroskopisi ve atomik kuvvet mikroskopisi ölçümleri ile teyit edilmiştir. Seçici alanı ışınlanmış numuneler daha sonra ışınlanmamış alanda nanoküre başarılı bir immobilizasyon ile sonuçlanan, 2 saat süre ile, bir biyotin-konjuge floresan lekeli nanosferler çözelti içine daldırılmıştır. Bu seçici alan biofunctionalization ve gelişmiş Si tabanlı biyoalgı mimarileri imalatı için yöntemin potansiyelini göstermektedir. Ayrıca 65 mJ darbe akıcılığa çalışan ArF lazer kullanarak metanol (CH3OH), batırılmış gofret ışınlama benzer bir protokol açıklar / cm2 ve 103 CA ile Si (001) arasında güçlü bir hidrofobik yüzey de situ oluşumu °. XPS sonuçları Si ve ArF lazer kaynaklı oluşumunu göstermektedir (OCH3) gözlenen hidrofobisite x bileşikler sorumlu. Ancak, bu tür bileşikler gösteren, metanol içinde KrF lazerle ışınlanan Si yüzeyinde XPS tarafından bulunduKrF lazer yetersizlik metanol photodissociate ve -OCH3 radikalleri oluşturmak için.
Introduction
Dikkat çekici elektronik ve kimyasal özellikleri yanı sıra yüksek mekanik mukavemet silikon (Si) mikroelektronik cihazlar ve biyomedikal yongaları 1 için ideal bir seçim yaptık. Si yüzeyin seçici alan kontrolü mikroakışkan ve laboratuvar-on-chip cihazlar 2,3 .Bu genellikle elde ya yüzey sertliği nano ölçekli modifikasyonu ile veya yüzeye 4 kimyasal tedavi ile olan içeren uygulamalar için önemli dikkat çekmiştir. Si yüzeyinde düzensiz ya da düzenli yüzey yapıları üretmek için yüzey pürüzlendirme veya desenlendirme fotolitografi 5, iyon demeti litografi 6 ve lazer teknikleri 7 arasındadır. Bu yöntemler ile karşılaştırıldığında, lazer yüzey dokuma işlemi, yüksek uzaysal çözünürlüğü 8 mikro üretme potansiyeline sahip daha az karmaşık olduğu bildirilmiştir. Ancak, Si darbe akıcılığa karşı olan yüksek bir tekstüre eşiğini gerektiren ışınlama olduğu gibionun ablasyon eşiği (~ 500 mJ / cm 2) 9 aşan yüzey dokusunu neden, Si yüzey tekstüre sıklıkla böyle bir yüksek basınç SF 6 çevre 4,7,8 olduğu gibi reaktif gaz atmosferleri, istihdam yardımcı olmuştur. Sonuç olarak, Si sathının ıslatılabilme kabiliyetinin daha değiştirmek için sayısız çalışmalar 10 organik ve inorganik film 2 biriktirilmesi, ya da plazma ya da elektron ışını yüzey muamelesi 11,12 ile kimyasal muamele üzerine odaklanmıştır. Birkaç dakika 13, 100 ° C de bir H2 O 2 çözeltisi içinde kaynatılarak elde edilebilir yüzeyi üzerinde tek ve ilişkili OH gruplarının varlığından kaynaklanan Si, hidrofilisite kabul edilmektedir. Bununla birlikte, Si-H ya da Si-O-CH3 grupların varlığı nedeniyle, çoğu olan hidrofobik Si yüzey durumları, ışığa 13 HF asit çözeltisi ya da kaplama ile dağlama içeren yaş kimyasal işleme ile elde edilebilir-15. Si ıslanabilirlik seçici alan kontrolü sağlamak için, karmaşık desen adımlar genellikle kimyasal solüsyonlar 16 tedavi de dahil olmak üzere, gereklidir. UV lazer radyasyonunun yüksek kimyasal tepkime de seçici alan süreci, organik film kaplı katı yüzeylerde kullanılan ve onların ıslatılabilirliğini 17 modifiye edilmiştir. Bununla birlikte, sınırlı bir veri miktarı, farklı kimyasal Çözeltilerin bekletilen numunelerin irradyasyonu ile Si ıslanabilirlik lazer destekli modifikasyon mevcuttur.
Daha önceki araştırmalarda, hava 18-20 ve NH 3 21 III-V yarı iletkenler UV lazer ışını başarıyla GaAs, InGaAs ve InP yüzey kimyasal bileşimini değiştirmek için kullanılmıştır. Yarı iletken yüzey emdiği suyun, 22 artar ederken deiyonize III-V yarı iletkenlerinin UV içinde lazer kurulan (Dİ) su, yüzey oksitleri ve karbürler azaltır. Bir güçlü hidrofobik Si yüzey (CA ~ 103 °) son çalışma 23 metanol içinde Si örneklerinin ArF lazer ışını ile elde edilmiştir. X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ile gösterildiği gibi, bu temel nedeni CH3 OH photodissociate için ArF lazer yeteneği sağlamaktır. Biz de DI suda H 2 O 2 bir% 0.01 olarak (001) Si ışın tedavisi için kRf ve ArF lazerler kullandım. Bu bize yakın 15 ° CA ile karakterize Si süperhidrofilik yüzeyine (001) selektif alan oluşumunu sağlamak için izin verdi. XPS sonuçları bu ışınlanmış yüzeyi 24 Si-OH bağlarının oluşumuna bağlı olduğunu göstermektedir.
H2O 2 / H2O ve metanol solüsyonları düşük konsantrasyonda Si yüzeyinin hidrofilik / hidrofobik yüzey yerinde modifikasyon seçici alanı için kRf ve ArF lazer kullanarak bu tekniğin ayrıntılı bir açıklaması, bu makalede gösterilmiştir. Burada sağlanan ayrıntıları yeterli olmalıdırizin benzer deneyler ilgilenen araştırmacılar tarafından yapılmalıdır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yazıda Si-OH üretimine esas olan bir PE kaplama Si yüzey indükleme H2O 2 çözeltinin düşük konsantrasyonda dolu mikro-akışkan odası içinde silisyum UV lazer ışınlamasının bir protokol önermişlerdir. Radikalleri – H 2 O 2 UV, lazer fotoliz negatif yüklü OH oluşturmak gerekiyordu. Ayrıca, UV fotoelektrik etkisi, pozitif yüklü bir yüzey 37 oluşumuna yol açar. Bu nedenle, bu negatif bir OH etkileşimi – pozitif yüklü bir yüzeye sahip k?…
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).
