Изготовление нановысотных каналов, включающих поверхностную акустическую волну, активацию с помощью литиевого ниобата для акустических нанофлюидиков
Summary
Мы демонстрируем изготовление нановысотных каналов с интеграцией поверхностных акустических волновых устройств активации на литиевый ниобат для акустической нанофлюитики с помощью фотолитографии подъема, нано-глубокого реактивного ионного травления и комнатно-температурной плазмы многослойная связь однокристаллического лития-ниобата, процесса, столь же полезного для склеивания ниобата лития с оксидами.
Abstract
Контролируемые наномасштабные манипуляции жидкостями, как известно, исключительно трудно из-за доминирования поверхностных и вязких сил. Мегагерц-заказ поверхностных акустических волн (SAW) устройства генерировать огромное ускорение на их поверхности, до 108 м /s2, в свою очередь, отвечает за многие из наблюдаемых эффектов, которые пришли к определению acoustofluidics: акустические потокового и акустических сил излучения. Эти эффекты были использованы для частиц, клеток и жидкости манипуляции на микромасштабе, хотя в последнее время SAW был использован для производства аналогичных явлений на наноуровне через совершенно другой набор механизмов. Контролируемые наномасштабные манипуляции жидкостью предлагает широкий спектр возможностей в ультрабыстрой жидкости насосной и биомакромолекулы динамики полезно для физического и биологического применения. Здесь мы демонстрируем изготовление каналов наномасштабного канала с помощью комнатно-температурного ниобата литиевого ниобата (LN), интегрированного с устройством SAW. Мы описываем весь экспериментальный процесс, включая изготовление канала нано-высоты с помощью сухого травления, плазменного склеивания на ниобате лития, соответствующей оптической установки для последующей визуализации и активации SAW. Мы показываем репрезентативные результаты для жидкости капиллярной начинки и жидкости слива в наномасштабном канале индуцированных SAW. Эта процедура предлагает практический протокол для изготовления наномасштабных каналов и интеграции с устройствами SAW, полезными для создания для будущих применений нанофлюидических жидкостей.
Introduction
Контролируемый перенос наноразмерной жидкости в наноканалах –нанофлюитике1— происходит на той же шкале длины, что и большинство биологических макромолекул, и является перспективным для биологического анализа и зондирования, медицинской диагностики и обработки материала. Различные проекты и моделирования были разработаны в нанофлюидитики для манипулирования жидкостей и частиц подвески на основе температурных градиентов2, Кулон перетаскивания3, поверхностные волны4, статические электрические поля5,6,7, и термофорис8 за последние пятнадцать лет. Недавно, SAW было показано9 для производства наномасштабной жидкости насосных и слива с достаточным акустическим давлением, чтобы преодолеть доминирование поверхностных и вязких сил, которые в противном случае предотвратить эффективный перенос жидкости в наноканалах. Ключевым преимуществом акустической потоковой передачи является его способность управлять полезным потоком в наноструктурах без беспокойства по поводу деталей химии жидкости или частицподвески, что делает устройства, которые используют этот метод сразу же полезным в биологическом анализе, зондировании и других физикохимических приложений.
Изготовление СОВМЕСТИМЫх нанофлюидических устройств для изготовления электродов-межцифрового преобразователя (IDT) на пьезоэлектрическом субстрате, литиевом ниобате10,для облегчения генерации SAW. Реактивное ионное травление (RIE) используется для формирования наномасштабной депрессии в отдельном куске LN, а склеивание LN-LN двух частей производит полезный наноканал. Процесс изготовления устройств SAW был представлен во многих публикациях, будь то с помощью нормальной или подъемной ультрафиолетовой фотолитографии наряду с металлическим распылением или осаждением испарения11. Для процесса LN RIE, чтобы вытравить канал в определенной форме, влияние на скорость etch и конечной шероховатости поверхности канала от выбора различных ориентаций LN, маски материалов, потока газа, и плазменной энергии были исследованы12,13,14,15,16. Активация поверхности плазмы была использована для значительного увеличения поверхностной энергии и, следовательно, повышения прочности склеивания оксидов, таких как LN17,18,19,20. Также возможно неоднородно связывать LN с другими оксидами, такими как SiO2 (стекло) с помощью двухступенчатого метода активации плазмы21. Комната-температура LN-LN связи, в частности, был исследован с помощью различных очистки и поверхностной активации лечения22.
Здесь мы подробно описываем процесс изготовления 40 МГц SAW-интегрированных наноканалов высотой 100 нм, часто называемых наноосвещенными каналами(рисунок 1А). Эффективная плавичная капиллярная начинка и слив жидкости путем активации SAW демонстрируют действительность как наноосвещенной измышления, так и производительности SAW в таком наномасштабном канале. Наш подход предлагает нано-ацустофлюйдипическую систему, позволяющую иссмотреть различные физические проблемы и биологические применения.
Protocol
Representative Results
Discussion
Связь комнатно-температурного оборудования является ключом к изготовлению сав-интегрированных нанослитных устройств. Необходимо рассмотреть пять аспектов, обеспечивающих успешную связь и достаточную прочность связи.
Время и мощность для активации поверхности пл…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признательны Калифорнийскому университету и объекту NANO3 в Калифорнийском университете в Сан-Диего за предоставление средств и средств для поддержки этой работы. Эта работа была выполнена в частности, в Сан-Диего нанотехнологии инфраструктуры (SDNI) UCSD, член Национальной нанотехнологии скоординированной инфраструктуры, которая поддерживается Национальным научным фондом (Grant ECCS-1542148). Представленная здесь работа была щедро поддержана исследовательским грантом Фонда В.М. Кека. Авторы также благодарны за поддержку этой работы Управления военно-морских исследований (через Грант 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).
