Her beskriver vi en enkel metode for mønster oksid-free silisium og germanium med reaktive organiske monolayers og demonstrere funksjonalisering av mønstrede substrater med små molekyler og proteiner. Tilnærmingen beskytter fullstendig overflater fra kjemisk oksidasjon, gir presis kontroll over funksjonen morfologi, og gir lett tilgang til kjemisk diskriminert mønstre.
Utviklingen av hybrid elektroniske enheter baserer seg i stor grad på integrering av (bio) organisk materiale og uorganiske halvledere gjennom et stabilt grensesnitt som muliggjør effektiv elektron transport og beskytter underliggende substrat fra oksidativ nedbrytning. Gruppe IV halvledere kan effektivt beskyttes med svært bestilt self-montert monolayers (Sams) består av enkle alkyl kjeder som fungerer som ugjennomtrengelig barrierer både organiske og vannholdige løsninger. Simple alkyl Sams imidlertid inert og ikke mottakelig for tradisjonelle mønster teknikker. Motivasjonen for immobilizing økologiske molekylære systemer på halvledere er å formidle ny funksjonalitet til overflaten som kan gi optiske, elektroniske og mekaniske funksjon, samt kjemiske og biologiske aktivitet.
Microcontact utskrift (μ CP) er en soft-litografiske teknikken for mønster Sams på utallige underlag. 1-9 tross Simp sinlicity og allsidighet har tilnærmingen vært stort sett begrenset til edle metall overflater og har ikke blitt godt utviklet for mønsteret overføring til teknologisk viktige underlag som oksid-free silisium og germanium. Videre, fordi denne teknikken er avhengig av blekket diffusjon å overføre mønsteret fra elastomer til underlaget, er oppløsningen av slik tradisjonell trykking hovedsak begrenset til nær 1 μ m. 10-16
I motsetning til tradisjonell trykking, avhengig inkless μ CP mønster på en spesifikk reaksjon mellom en overflate-immobilisert substrat og et stempel-bundet katalysator. Fordi teknikken ikke stole på diffusive SAM formasjon, utvider det betydelig mangfold av patternable overflater. I tillegg obviates inkless teknikken funksjonen størrelsen begrensninger som følger av molekylær diffusjon, tilrettelegging replikering av svært små (<200 nm) funksjoner. 17-23, men til nå, inkless μ CP har vært hovedsakelig brukt til mønster relativt uordnede molekylære systemer, som ikke beskytter underliggende overflater fra degradering.
Her rapporterer vi en enkel, pålitelig high-throughput metode for mønster passivert silisium og germanium med reaktive organiske monolayers og demonstrere selektiv funksjonalisering av mønstrede substrater med både små molekyler og proteiner. Teknikken utnytter en prefabrikkert NHS-reaktivt bilayered system på oksid-free silisium og germanium. NHS moiety er hydrolyseres i et mønster-spesifikk måte med en sulfonic syre-modifisert acrylate stempel å produsere kjemisk distinkte mønstre av NHS-aktivert og gratis karboksylsyrer. En vesentlig begrensning til oppløsningen av mange μ CP teknikker er bruk av PDMS materiale som mangler mekanisk stivhet nødvendig for high fidelity overføring. For å avhjelpe denne begrensningen vi benyttet en polyuretan akrylat polymer, et relativt stivt materiale som kanlett functionalized med forskjellige organiske moieties. Våre mønster tilnærming beskytter fullstendig både silisium og germanium fra kjemisk oksidasjon, gir presis kontroll over formen og størrelsen på mønstrede funksjoner, og gir lett tilgang til kjemisk diskriminert mønstre som kan bli ytterligere functionalized med både organiske og biologiske molekyler. Tilnærmingen er generell og gjelder for andre teknologisk relevant overflater.
Den presenterte protokollen er en form eller inkless microcontact utskrift som kan være universelt brukes på alle underlag stand til å støtte enkle velordnet monolayers. I denne metoden, overfører et stempel-immobilisert katalysator et mønster til en overflate bærer tilsvarende funksjonelle grupper. Fordi prosessen ikke stole på blekk overføring fra stempel til overflaten diffusive oppløsning begrensning av tradisjonelle og reaktiv μCP er obviated, tillater rutinemessig produksjon av nanoskala objekter. Inkorporering av en primær svært bestilt molekylære systemet gir fullstendig beskyttelse av den underliggende halvleder fra oksidering skade. Samtidig støtter metoden immobilisering av voluminøse reaktive grupper ved å benytte en sekundær reaktiv overlayer; sammen systemet oppnår både beskyttelse og funksjonalisering.
Teknikken begynner med dannelsen av stabile karbon-overflate obligasjoner noe som åpner for kjemisk inert Primary monolayer som fungerer som en effektiv barriere for oksid formasjon. Dannelse av en sekundær reaktiv overlayer gir terminal NHS funksjonelle grupper som fungerer som festepunkter for en rekke kjemiske og biologiske moieties. Denne stabile bilayered molekylære systemet er senere mønstret bruke vår katalytisk μCP tilnærming. Tilnærmingen som presenteres i denne studien gir en generell metode for mønster halvleder substrater med et bredt spekter av organiske og biologiske materialer. Evnen til å skape mønster organisk halvleder grensesnitt uten dyre, kompliserte instrumentering byr på mange muligheter i områder som elektronikk, nanoteknologi, biokjemi og biofysikk.
The authors have nothing to disclose.
Vi erkjenner at finansiell støtte fra NSF award CMMI-1000724.
Name of the reagent | Company/model |
---|---|
XPS spectrometer | Kratos Axis Ultra |
Atomic force microscope | Veeco D3100 |
SEM-FEG microscope | FEI XL30 |
Fluorescent microscope | Zeiss Axio Imager |
Heatblock | VWR |
Vacuum pump | Boc Edwards |
Water purification system | Millipore |
TESP silicon probes | Veeco |
Silicon | |
Pressure Vials | Chemglass |
Vacuum manifold | Chemglass |
UV Lamp | UVP |
Stamp Material | See references 20 and 18 |
PFTE syringe filters | VWR |
Nano Strip | Cyantek |
HCl | Sigma |
Ethanol | Sigma |
Acetone | Sigma |
HF | Sigma |
Chlorobenzene | Sigma |
PCl5 | Sigma |
Propenyl Magnesium Chloride | Sigma |
Octyl Magnesium Chloride | Sigma |
Carbon TetraChloride | Sigma |
Boc protected ethylenediamine | Sigma |
TFA | Sigma |
Sodium 2-mercaptoethanesulfonate | Sigma |
4N HCl solution in dioxane | Sigma |
Lysine-N,N-diacetic acid | Sigma |
Et3N | Sigma |
DMF | Sigma |
NiSO4 | Sigma |
NaP | Sigma |
NaCl | Sigma |
imidazole | Sigma |
PBS | Sigma |