Summary

تصنيع قنوات Nanoheight دمج الموجات الصوتية السطحية الفعالة عبر الليثيوم نيوبات للنانوfluidics الصوتية

Published: February 05, 2020
doi:

Summary

نحن نبرهن على تصنيع قنوات nanoheight مع دمج أجهزة تشغيل الموجات الصوتية السطحية على النيوبات الليثيوم للسائل النانوي الصوتي عبر الليليثالضوئي الإقلاع الضوئي ، وحفر الأيونات التفاعلي على عمق النانو ، والبلازما درجة حرارة الغرفة الترابط متعدد الطبقات المنشط على السطح من النيوبات الليثيوم أحادي الكريستال ، وهي عملية مفيدة بالمثل لترابط النيوبات الليثيوم إلى الأكاسيد.

Abstract

ومن المعروف أن التلاعب النانوي الخاضع للرقابة من السوائل يكون صعبًا بشكل استثنائي بسبب هيمنة القوى السطحية واللزجة. ميجاهيرتز من أجل أجهزة الموجة الصوتية السطحية (SAW) تولد تسارعًا هائلًا على سطحها ، حتى 108 م / 82، مسؤولة بدورها عن العديد من التأثيرات الملاحظة التي أصبحت تحدد الموجات الصوتية: التدفق الصوتي وقوى الإشعاع الصوتي. وقد استخدمت هذه الآثار للجسيمات والخلايا، والتلاعب السوائل على نطاق صغير، على الرغم من أن في الآونة الأخيرة وقد استخدمت SAW لإنتاج ظواهر مماثلة على نطاق النانو من خلال مجموعة مختلفة تماما من الآليات. يوفر التلاعب بالسوائل النانوية القابلة للتحكم مجموعة واسعة من الفرص في ضخ السوائل فائقة السرعة وديناميكيات الجزيئات الحيوية المفيدة للتطبيقات الفيزيائية والبيولوجية. هنا، ونحن نشرح تصنيع قناة نانو-ارتفاع عبر درجة حرارة الغرفة الليثيوم niobate (LN) الترابط متكاملة مع جهاز SAW. نحن نصف العملية التجريبية بأكملها بما في ذلك تصنيع قناة نانو الارتفاع عن طريق الحفر الجاف ، والترابط المنشط بالبلازما على النيوبات الليثيوم ، والإعداد البصري المناسب للتصوير اللاحق ، وتنشيط SAW. نعرض نتائج تمثيلية لملء الشعيرات الدموية السائلة وتصريف السوائل في قناة نانوية الحجم ناتجة عن SAW. يقدم هذا الإجراء بروتوكولًا عمليًا لتصنيع القنوات النانوية والتكامل مع أجهزة SAW المفيدة للبناء عليها لتطبيقات nanofluidics المستقبلية.

Introduction

يحدث نقل السوائل النانوية القابلة للتحكم في القنوات النانوية —النانووية السائلة1— على نفس مقاييس الطول مثل معظم الجزيئات البيولوجية، وهو واعد للتحليل والاستشعار البيولوجيين، والتشخيص الطبي، ومعالجة المواد. وقد وضعت تصاميم مختلفة والمحاكاة في nanofluidics للتلاعب السوائل وتعليق الجسيمات على أساس درجة الحرارة التدرجات2، كولوم سحب3، موجات سطحية4، الحقول الكهربائية الساكنة5،6،7، وthermophoresis8 على مدى السنوات الخمس عشرة الماضية. في الآونة الأخيرة ، وقد تبين SAW9 لإنتاج ضخ السوائل النانوية واستنزاف مع الضغط الصوتي الكافي للتغلب على هيمنة القوى السطحية واللزجة التي تمنع نقل السوائل الفعالة في القنوات النانوية. الفائدة الرئيسية من تدفق الصوتية هو قدرته على دفع تدفق مفيدة في الهياكل النانوية دون القلق بشأن تفاصيل الكيمياء من تعليق السائل أو الجسيمات، مما يجعل الأجهزة التي تستخدم هذه التقنية مفيدة على الفور في التحليل البيولوجي، والاستشعار، وغيرها من التطبيقات الفيزيائية الكيميائية.

يتطلب تصنيع الأجهزة النانوية المدمجة SAW تصنيع الأقطاب الكهربائية – محول رقمي (IDT) – على ركيزة كهربائية ، ليثيوم نيوبات10، لتسهيل توليد SAW. يتم استخدام النقش الأيوني التفاعلي (RIE) لتشكيل منخفض نانوي في قطعة LN منفصلة ، والربط LN-LN من القطعتين تنتج nanochannel مفيدة. وقد تم عرض عملية تصنيع أجهزة SAW في العديد من المنشورات ، سواء باستخدام الطباعة الضوئية الطبيعية أو الرفع فوق البنفسجية إلى جانب الترسب المعدني أو ترسب التبخر11. لعملية LN RIE لحفر قناة في شكل معين، والآثار على معدل حفر وخشونة سطح القناة النهائي من اختيار التوجهات LN مختلفة، والمواد قناع، وتدفق الغاز، والطاقة البلازما وقد تم التحقيق12،13،14،15، 16. وقد استخدم تنشيط سطح البلازما لزيادة الطاقة السطحية بشكل كبير، وبالتالي تحسين قوة الترابط في أكاسيد مثل LN17،18،19،20. وبالمثل فمن الممكن لغير متجانس السندات LN مع أكاسيد أخرى، مثل SiO2 (الزجاج) عن طريق اثنين من خطوتين البلازما تنشيط طريقة الترابط21. الغرفة درجة حرارة LN-LN الترابط، على وجه الخصوص، وقد تم التحقيق باستخدام مختلف معالجات التنظيف وتنشيط السطح22.

هنا ، ونحن نصف بالتفصيل عملية لتصنيع 40 ميغاهرتز SAW المتكاملة 100 نانومتر الارتفاع القنوات النانوية ، وغالبا ما تسمى قنوات nanoslit (الشكل 1ألف). فعالية السوائل الشعيرات الدموية ملء واستنزاف السوائل عن طريق الكفاءة SAW يدل على صحة كل من تصنيع nanoslit وأداء SAW في مثل هذه القناة النانوية. نهجنا يقدم نظام نانو acoustofluidic تمكين التحقيق في مجموعة متنوعة من المشاكل الفيزيائية والتطبيقات البيولوجية.

Protocol

1. نانو ارتفاع قناة قناع إعداد التصوير الضوئي: مع نمط يصف الشكل المطلوب من قنوات الارتفاع النانوي(الشكل 1B)،استخدم الطباعة الحجرية الضوئية العادية وإجراءات الإقلاع لإنتاج المنخفضات النانوية في رقاقة LN. هذه المنخفضات سوف تصبح قنوات nanoheight على الترابط رقاقة في ?…

Representative Results

نقوم بإجراء إيداع الشعيرات الدموية السائلة واستنزاف السوائل الناجمعن SAW في حزات LN عالية نانو بعد التصنيع الناجح والترابط لأجهزة النانو السائل ة المتكاملة SAW. يتم إنشاء الموجات الصوتية السطحية بواسطة IDTs التي تعمل بواسطة إشارة جيبية مضخمة في تردد الرنين IDTs من 40 ميغاهرتز، وينشذ SAW في نانوسلي…

Discussion

الترابط درجة حرارة الغرفة هو المفتاح لتصنيع أجهزة nanoslit المتكاملة SAW. وينبغي النظر في خمسة جوانب لضمان الترابط الناجح وقوة الترابط الكافية.

الوقت والطاقة لتنشيط سطح البلازما
زيادة طاقة البلازما سوف تساعد على زيادة الطاقة السطحية وبالتالي زيادة قوة الترابط. ولكن ?…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ويعرب المؤلفون عن امتنانهم لجامعة كاليفورنيا ومرفق NANO3 في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو لتوفيرهما الأموال والتسهيلات لدعم هذا العمل. تم تنفيذ هذا العمل جزئيًا في البنية التحتية للتكنولوجيا النانوية في سان دييغو (SDNI) في UCSD ، وهي عضو في البنية التحتية الوطنية المنسقة لتكنولوجيا النانو ، والتي تدعمها المؤسسة الوطنية للعلوم (Grant ECCS -1542148). وقد تم دعم العمل المقدم هنا بسخاء من خلال منحة بحثية من مؤسسة W.M. Keck. كما يشعر المؤلفون بالامتنان لدعم هذا العمل من قبل مكتب البحوث البحرية (عن طريق المنحة 12368098).

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"

References

  1. 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).
  2. Longhurst, M. J., Quirke, N. Temperature-driven pumping of fluid through single-walled carbon nanotubes. Nano Letters. 7 (11), 3324-3328 (2007).
  3. 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).
  4. Insepov, Z., Wolf, D., Hassanein, A. Nanopumping using carbon nanotubes. Nano Letters. 6 (9), 1893-1895 (2006).
  5. Gong, X., et al. A charge-driven molecular water pump. Nature Nanotechnology. 2 (11), 709 (2007).
  6. Joseph, S., Aluru, N. R. Pumping of confined water in carbon nanotubes by rotation-translation coupling. Physical Review Letters. 101 (6), 064502 (2008).
  7. 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).
  8. Eslamian, M., Saghir, M. Z. Novel thermophoretic particle separators: numerical analysis and simulation. Applied Thermal Engineering. 59 (1-2), 527-534 (2013).
  9. 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).
  10. Minzioni, P., et al. Roadmap for optofluidics. Journal of Optics. 19 (9), 093003 (2017).
  11. Connacher, W., et al. Micro/nano acoustofluidics: materials, phenomena, design, devices, and applications. Lab on a Chip. 18 (14), 1952-1996 (2018).
  12. Ren, Z., et al. Etching characteristics of LiNbO3 in reactive ion etching and inductively coupled plasma. Journal of Applied Physics. 103 (3), 034109 (2008).
  13. Winnall, S., Winderbaum, S. Lithium niobate reactive ion etching. Defence Science and Technology Organization. , (2000).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Smith, S. E. . Investigation of nanoscale etching and poling of lithium niobate. , (2014).
  17. Tomita, Y., Sugimoto, M., Eda, K. Direct bonding of LiNbO3 single crystals for optical waveguides. Applied Physics Letters. 66 (12), 1484-1485 (1995).
  18. Howlader, M. M. R., Suga, T., Kim, M. J. Room temperature bonding of silicon and lithium niobate. Applied Physics Letters. 89 (3), 031914 (2006).
  19. 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).
  20. Queste, S., et al. Deep reactive ion etching of quartz, lithium niobate and lead titanate. JNTE (Journées Nationales sur les Technologies) Proceedings. , (2008).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Sridhar, M., Maurya, D. K., Friend, J. R., Yeo, L. Y. Focused ion beam milling of microchannels in lithium niobate. Biomicrofluidics. 6 (012819), (2012).

Play Video

Citer Cet Article
Zhang, N., Friend, J. Fabrication of Nanoheight Channels Incorporating Surface Acoustic Wave Actuation via Lithium Niobate for Acoustic Nanofluidics. J. Vis. Exp. (156), e60648, doi:10.3791/60648 (2020).

View Video