Selektiv Area Ændring af Silicon overfladebefugtelighed af Pulsed UV laser Bestråling i Liquid Miljø
Summary
Vi rapporterer om en proces med in situ ændring af HF behandlet Si (001) overflade i en hydrofil eller hydrofob tilstand ved at bestråle prøver i mikrofluide kamre fyldt med H 2 O 2 / H 2 O opløsning (0,01% -0,5%) eller methanol-løsninger hjælp pulserende UV-laser af en slægtning lav puls indflydelse.
Abstract
Befugteligheden af silicium (Si) er en af de vigtige parametre i teknologien af overfladevand funktionalisering af dette materiale og fremstilling af biosensorer enheder. Vi rapporterer om en protokol for at bruge KrF og ARF lasere bestråler Si (001) prøver nedsænket i en væske miljø med lavt antal impulser og arbejder ved moderat lav puls fluenser at fremkalde Si befugteligheden modifikation. Vafler nedsænket i op til 4 timer i en 0,01% H 2 O 2 / H2O-opløsning udviste ikke målelig ændring i deres første kontakt vinkel (CA) ~ 75 °. Men den 500-puls KrF og ARF lasere bestråling af sådanne skiver i et mikrokammer fyldt med 0,01% H 2 O 2 / H2O-opløsning ved 250 og 65 mJ / cm2, henholdsvis er faldet CA til nær 15 °, angiver dannelsen af en super-hydrofil overflade. Dannelsen af OH-termineret Si (001), uden målelig ændring i skivens overflade morfologi, harblevet bekræftet ved røntgen fotoelektronspektroskopi og atomic force mikroskopi målinger. Den selektive område bestrålede prøver blev derefter nedsænket i en biotin-konjugeret fluorescein-farvede nanosfærer opløsning i 2 timer, hvilket resulterer i en vellykket immobilisering af nanokuglerne i ikke-bestrålede område. Dette illustrerer potentialet for fremgangsmåden til selektiv område biofunctionalization og fremstilling af avancerede Si-baserede biosensorer arkitekturer. Vi beskriver også en lignende protokol bestråling af skiver nedsænket i methanol (CH3OH) ved hjælp ArF laser, som fungerer på pulsen fluens på 65 mJ / cm2 og in situ dannelse af en stærkt hydrofob overflade af Si (001) med CA 103 °. XPS resultater indikerer ArF laser induceret dannelse af Si- (OCH3) x forbindelser er ansvarlig for den observerede hydrofobicitet. Der blev imidlertid ikke sådanne forbindelser findes ved XPS på Si overflade bestrålet med KrF-laser i methanol, hvilket visermanglende evne til KrF laser til photodissociate methanol og skabe -OCH3 radikaler.
Introduction
De bemærkelsesværdige elektroniske og kemiske egenskaber samt dens høj mekanisk styrke har gjort silicium (Si) et ideelt valg for mikroelektroniske anordninger og biomedicinske chips 1. Selektiv område kontrol af Si overfladen har fået betydelig opmærksomhed til applikationer, der involverer mikrofluide og lab-on-chip-enheder 2,3 .Dette er ofte opnås enten ved nanoskala modifikation af overfladen ruhed eller ved kemisk behandling af overfladen 4. Overfladen ru eller mønster til at producere uordnede eller ordnede overfladestrukturer på Si overfladen omfatter fotolitografi 5, ionstråler litografi 6 og laser teknikker 7. Sammenlignet med disse metoder, er laser overfladestruktur processen rapporteret at være mindre kompliceret med potentiale til at producere mikrostrukturer med høj rumlig opløsning 8. Men som Si har en forhøjet teksturering tærskelværdi, kræver bestråling med puls indflydelse påfremkalde overflade teksturering, der overstiger dens ablation tærskel (~ 500 mJ / cm2) 9, har teksturering af Si overfladen ofte blevet bistået af ansætte reaktive gasatmosfærer, såsom at et højt tryk SF 6 miljø 4,7,8. Derfor at ændre befugteligheden af Si overfladen, har mange værker fokuseret på kemisk behandling ved at deponere organiske 10 og uorganiske film 2, eller ved hjælp af plasma eller elektronstråle overfladebehandling 11,12. Det erkendes, at hydrofiliciteten af Si, der hidrører fra tilstedeværelsen af ental og associerede OH-grupper på sin overflade kan opnås ved kogning i en H2O 2-opløsning ved 100 ° C i flere minutter 13. Men de hydrofobe Si overfladetilstande, hvoraf de fleste er på grund af tilstedeværelsen af Si-H eller Si-O-CH 3 grupper, kunne opnås ved vådkemisk håndtering involverer ætsning med HF syreopløsning eller coating med fotoresist 13-15. For at opnå selektiv område kontrol over befugtningsevne Si, er komplekse mønsterdannende trin normalt kræves, herunder behandling i kemiske løsninger 16. Den høje kemiske reaktivitet UV laserstråling er også blevet anvendt til selektiv område proces organiske filmcoatede faste substrater og ændre deres befugtelighed 17. Men en begrænset mængde data er tilgængelig på laser-assisteret modifikation af Si befugtningsevne ved bestråling af prøver nedsænket i forskellige kemiske opløsninger.
I vores tidligere forskning, blev UV laser bestråling af III-V halvledere i luft 18-20 og NH3 21 held anvendt til at ændre overfladen kemiske sammensætning af GaAs, InGaAs og InP. Vi konstaterede, at UV laser bestråling af III-V halvledere i deioniseret vand (DI) falder overfladeoxider og carbider, mens vandet adsorberet på halvlederoverfladen øger 22. En stærkt hydrofob Si overflade (CA ~ 103 °) blev opnået ved ArF laserbestråling af Si prøver i methanol i vores nylige arbejde 23. Som angivet ved X-fotoelektronspektroskopi (XPS), dette skyldes primært evne ARF laser til photodissociate CH3OH. Vi har også brugt KrF og ARF lasere til at bestråle Si (001) i en 0,01% H 2 O 2 i DI vand. Dette tillod os at opnå selektiv område dannelsen af super-hydrofil overflade Si (001), kendetegnet ved CA i nærheden af 15 °. XPS resultater tyder på, at dette skyldes dannelsen af Si-OH bindinger på den bestrålede overflade 24.
En detaljeret beskrivelse af denne nye teknik ved hjælp KrF og ARF lasere til selektiv område situ modifikation af den hydrofile / hydrofobe overflade Si overflade i lav koncentration af H 2 O 2 / H2O og methanolopløsninger er påvist i denne artikel. De oplysninger, der her bør være tilstrækkeligat tillade lignende forsøg, der skal udføres af interesserede forskere.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har foreslået en protokol af UV laser bestråling af Si wafer i en mikrofluid kammer fyldt med lav koncentration af H 2 O 2-opløsning for at fremkalde en super-hydrofil Si overflade, som hovedsagelig skyldes dannelsen af Si-OH. UV-laser fotolyse af H 2 O 2 skulle danne negativt ladede OH – radikaler. Også, UV laser fotoelektriske effekt fører til dannelse af en positivt ladet overflade 37. Derfor er interaktion af disse negative OH – grupper med en…
Disclosures
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).
