Tillverkning av Nanoheight kanaler införliva Surface Acoustic Wave Actuation via Litium Niobat för akustisk nanofluidik
Summary
Vi visar tillverkning av nanohöjd kanaler med integration av ytan akustisk våg aktiveringsanordningar på litium niobat för akustisk nanofluidik via liftoff fotolitografi, nano-djup reaktiv jonetsning, och rumstemperatur plasma ytaktiverad flerskiktsbindning av enkristalllitiumniobat, en process som är lika användbar för bindning av litiumniobat till oxider.
Abstract
Kontrollerad nanoskala manipulation av vätskor är känd för att vara exceptionellt svårt på grund av dominans av yt- och viskösa krafter. Megahertz-order yta akustisk våg (SAW) enheter genererar enorm acceleration på deras yta, upp till 108 m / s2, i sin tur ansvarig för många av de observerade effekter som har kommit att definiera acoustofluidics: akustisk streaming och akustiska strålningskrafter. Dessa effekter har använts för partikel, cell och vätskemanipulation på mikroskala, även om mer nyligen SAW har använts för att producera liknande fenomen på nanoskala genom en helt annan uppsättning mekanismer. Kontrollerbar nanoskala vätska manipulation erbjuder ett brett utbud av möjligheter i ultrasnabb vätskepumpning och biomakromolekyl dynamik användbar för fysiska och biologiska tillämpningar. Här visar vi nanoskala-höjd kanal tillverkning via rumstemperatur litium niobat (LN) bindning integrerad med en SAW-enhet. Vi beskriver hela experimentell process inklusive nano-höjd kanal tillverkning via torr etsning, plasma-aktiverad bindning på litium niobat, lämplig optisk inställning för efterföljande bildbehandling, och SAW aktivering. Vi visar representativa resultat för vätskekapillärfyllning och vätskedränering i en nanoskalakanal som orsakas av SAW. Detta förfarande erbjuder ett praktiskt protokoll för nanoskala kanal tillverkning och integration med SAW-enheter användbara att bygga vidare på för framtida nanofluidik applikationer.
Introduction
Kontrollerbara nanoskala flytande transporter i nanokanaler-nanofluidik1– sker på samma längd skalor som de flesta biologiska makromolekyler, och är lovande för biologisk analys och avkänning, medicinsk diagnos och materialbearbetning. Olika konstruktioner och simuleringar har utvecklats i nanofluidik för att manipulera vätskor och partikelsuspensioner baserade på temperaturgradienter2, Coulomb dra3, ytvågor4, statiska elektriska fält5,6,7och termofors8 under de senaste femton åren. Nyligen har SAWvisat9 för att producera nanoskala vätska pumpning och dränering med tillräckligt akustiskt tryck för att övervinna dominans av yt- och viskösa krafter som annars förhindrar effektiv vätsketransport i nanokanaler. Den viktigaste fördelen med akustisk streaming är dess förmåga att driva användbart flöde i nanostrukturer utan oro över detaljerna i kemin i vätskan eller partikelsuspensionen, vilket gör enheter som använder denna teknik omedelbart användbar i biologisk analys, avkänning och andra fysikalisk-kemiska tillämpningar.
Tillverkning av SAW-integrerade nanofluidiska enheter kräver tillverkning av elektroderna – den interdigitala givaren (IDT)-på ett piezoelektriskt substrat, litiumniobat10, för att underlätta att generera SAW. Reaktiv jonetsning (RIE) används för att bilda en nanoskala depression i en separat LN pjäs, och LN-LN bindning av de två bitarna ger en användbar nanokanal. Tillverkningsprocessen för SAW-enheter har presenterats i många publikationer, oavsett om det är normalt eller lyft ultraviolett fotolitografi tillsammans med metallsputter elleravdunstningsdeposition 11. För att LN RIE-processen ska kunna etsa en kanal i en viss form har effekterna på etch-hastigheten och kanalens slutliga ytojämnhet från att välja olika LN-orienteringar, maskmaterial, gasflöde och plasmaeffekt undersökts12,13,14,15,16. Plasmaytaktivering har använts för att avsevärt öka ytenergin och därmed förbättra bindningens styrka i oxider som LN17,18,19,20. Det är också möjligt att heterogent binda LN med andra oxider, såsom SiO2 (glas) via en tvåstegs plasma aktiverad bindningsmetod21. Ln-LN-bindning i rumstemperatur har i synnerhet undersökts med hjälp av olika rengörings- och ytaktiveringsbehandlingar22.
Här beskriver vi i detalj processen att tillverka 40 MHz SAW-integrerade 100-nm höjd nanokanaler, ofta kallad nanoslit kanaler(Figur 1A). Effektiv vätskekapillärfyllning och vätskedränerande av SAW-aktivering visar giltigheten av både nanoslittillverkning och SAW-prestanda i en sådan nanoskalakanal. Vårt tillvägagångssätt erbjuder ett nanoacoustofluidic system som möjliggör utredning av en mängd olika fysiska problem och biologiska tillämpningar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Rumstemperaturbindning är nyckeln till tillverkning av SAW-integrerade nanoslitsanordningar. Fem aspekter måste beaktas för att säkerställa en framgångsrik bindning och tillräcklig bindningsstyrka.
Tid och kraft för plasmaytaktivering
Öka plasmaeffekten kommer att bidra till att öka ytenergin och därmed öka bindningsstyrkan. Men nackdelen med att öka kraften under plasma ytan aktivering är ökningen av ytan ojämnhet, vilket kan negativt påverka nanoslit till…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna är tacksamma mot University of California och NANO3 anläggningen vid UC San Diego för tillhandahållande av medel och anläggningar till stöd för detta arbete. Detta arbete utfördes delvis på San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) i UCSD, medlem i national nanoteknik samordnad infrastruktur, som stöds av National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). Det arbete som presenteras här fick generöst stöd av ett forskningsanslag från W.M. Keck Foundation. Författarna är också tacksamma för stödet för detta arbete av Office of Naval Research (via Grant 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
- 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).
