Fremstilling af nanohøjdekanaler med Surface Acoustic Wave-aktivering via lithiumniobat til akustisk nanofluidics
Summary
Vi demonstrerer fabrikation af nanohøjdekanaler med integration af akustiske bølgeaktiveringsanordninger på overfladen, når lithiumniobate for akustisk nanofluidics via liftoff fotolitografi, nanodybdereaktiv ionætsning og plasma ved stuetemperatur overfladeaktiveret flerlagsbinding af enkeltkrystallithiumniobat, en proces, der ligeledes er nyttig til limning af lithiumniobat til oxider.
Abstract
Kontrolleret nanoskala manipulation af væsker er kendt for at være usædvanlig vanskelig på grund af dominans af overflade-og tyktflydende kræfter. Megahertz-order akustisk bølge (SAW) enheder generere enorm acceleration på deres overflade, op til 108 m / s2,til gengæld ansvarlig for mange af de observerede effekter, der er kommet til at definere acoustofluidics: akustisk streaming og akustisk stråling kræfter. Disse virkninger er blevet brugt til partikel-, celle- og væskemanipulation på mikroskalaen, selv om SAW for nylig er blevet brugt til at producere lignende fænomener på nanoskalaen gennem et helt andet sæt mekanismer. Kontrollerbar nanoskala væskemanipulation giver en bred vifte af muligheder i ultrahurtig væskepumpning og biomakromolekyle dynamik nyttige for fysiske og biologiske anvendelser. Her demonstrerer vi nanoskalahøjdekanalfabrikation via lithiumniobat (ROOM-temperature niobate) limning integreret med en SAW-enhed. Vi beskriver hele forsøgsprocessen, herunder nanohøjdekanalfabrikation via tørætsning, plasmaaktiveret binding på lithiumniobat, den passende optiske opsætning til efterfølgende billeddannelse og SAW-aktivering. Vi viser repræsentative resultater for væske kapillær påfyldning og væske dræning i en nanoskala kanal induceret af SAW. Denne procedure giver en praktisk protokol for nanoskala kanal fabrikation og integration med SAW enheder nyttige at bygge videre på for fremtidige nanofluidics applikationer.
Introduction
Kontrollerbar nanoskala væsketransport i nanokanaler-nanofluidics1– forekommer på samme længde skalaer som de fleste biologiske makromolekyler, og er lovende for biologisk analyse og sensing, medicinsk diagnose, og materialeforarbejdning. Forskellige designs og simuleringer er blevet udviklet i nanofluidics at manipulere væsker og partikel suspensioner baseret på temperaturgradienter2, Coulomb trække3,overfladebølger4,statiske elektriske felter5,6,7, og termoforis8 i løbet af de sidste femten år. For nylig har SAW vist9 til at producere nanoskala væske pumpe og dræning med tilstrækkeligt akustisk tryk til at overvinde dominans af overflade og tyktflydende kræfter, der ellers forhindrer effektiv væsketransport i nanokanaler. Den vigtigste fordel ved akustisk streaming er dens evne til at drive nyttig tiiinanostrukturer uden bekymring over detaljerne i kemien i væsken eller partikelaffjedring, hvilket gør enheder, der udnytter denne teknik umiddelbart nyttige i biologisk analyse, sensing og andre fysisk-kemiske applikationer.
Fremstilling af SAV-integrerede nanofluidic enheder kræver fabrikation af elektroderne-den interdigitale transducer (IDT) -på en piezoelektrisk substrat, lithium niobat10, for at lette generering af SAW. Reaktiv ionætsning (RIE) bruges til at danne en nanoskala depression i et separat LN stykke, og LN-LN limning af de to stykker producerer en nyttig nanokanal. Fremstillingsprocessen for SAW-enheder er blevet præsenteret i mange publikationer, uanset om det er ved hjælp af normal eller løfte-off ultraviolet fotolithografi sammen med metal sputter eller fordampning deposition11. For LN RIE processen til at ætse en kanal i en bestemt form, virkningerne på æteren sats og kanalens endelige overflade ruhed fra at vælge forskellige LN retninger, maske materialer, gasflow, og plasma magt er blevet undersøgt12,13,14,15,16. Plasmaoverfladeaktivering er blevet anvendt til at øge overfladeenergien betydeligt og dermed forbedre styrken af binding i oxider som LN17,18,19,20. Det er ligeledes muligt at heterogene binde LN med andre oxider, såsom SiO2 (glas) via en to-trins plasma aktiveret limning metode21. Især rumtemperatur LN-LN-binding er blevet undersøgt ved hjælp af forskellige rengørings- og overfladeaktiveringsbehandlinger22.
Her beskriver vi i detaljer processen med at fremstille 40 MHz SAW-integrerede 100-nm højde nanokanaler, ofte kaldet nanoslit kanaler(Figur 1A). Effektiv væskekapillær fyldning og væskedræning ved SAW-aktivering viser gyldigheden af både nanoslit fabrikation og SAW ydeevne i en sådan nanoskala kanal. Vores tilgang tilbyder et nano-acoustofluidic system, der muliggør undersøgelse af en række fysiske problemer og biologiske anvendelser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Stuetemperaturbinding er nøglen til fremstilling af SAV-integrerede nanoslit-enheder. Fem aspekter skal overvejes for at sikre en vellykket binding og tilstrækkelig bindingsstyrke.
Tid og kraft til aktivering af plasmaoverfladen
Forøgelse af plasmaeffekten vil bidrage til at øge overfladeenergien og dermed øge bindingsstyrken. Men ulempen ved at øge strømmen under plasma overflade aktivering er stigningen i overfladen ruhed, som kan have en negativ indvirkning på na…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne er taknemmelige for University of California og NANO3 facilitet på UC San Diego for tilvejebringelse af midler og faciliteter til støtte for dette arbejde. Dette arbejde blev udført delvist på San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) af UCSD, et medlem af National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, som støttes af National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). Det arbejde, der præsenteres her, blev generøst støttet af et forskningstilskud fra W.M. Keck Foundation. Forfatterne er også taknemmelige for støtte fra dette arbejde fra 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).
