音響ナノ流体工学のための表面音響波作動を組み込んだナノ高さチャネルの作製
Summary
リフトオフフォトリソグラフィ、ナノ深度反応性イオンエッチング、室温プラズマによる音響ナノ流体用の表面音響波作動装置の積層を用いたナノ高位チャネルの作製を実証する単結晶リチウムニオブベートの表面活性化多層結合は、同様にニオブテリチウムを酸化物に結合するのにも同様に有用である。
Abstract
流体の制御されたナノスケール操作は、表面および粘性力の支配のために非常に困難であることが知られている。メガヘルツ級表面音響波(SAW)デバイスは、表面に最大108 m/s2の驚異的な加速を発生させ、音響流動と音響放射力という高次流体を定義するようになった観測された効果の多くを担っています。これらの効果は、マイクロスケールで粒子、細胞、流体操作に使用されてきましたが、最近ではSAWは全く異なるメカニズムのセットを通じてナノスケールで同様の現象を生成するために使用されています。制御可能なナノスケールの流体操作は、超高速流体ポンプおよび生体高分子ダイナミクスの幅広い機会を提供し、物理的および生物学的用途に有用です。ここでは、SAW装置と一体化した室温ニオブアテ(LN)結合によるナノスケール高さチャネルの製造を実証する。ドライエッチングによるナノ高さチャネル作製、ニオブアチロのプラズマ活性化結合、その後のイメージングに適した光学的セットアップ、SAWアクチュエーションなど、実験プロセス全体について説明します。SAWによって誘導されるナノスケールチャネルにおける流体毛細管充填および流体排出の代表的な結果を示す。この手順は、ナノスケールのチャネルの製造と、将来のナノ流体アプリケーションに役立つSAWデバイスとの統合のための実用的なプロトコルを提供します。
Introduction
ナノチャネルでの制御可能なナノスケールの流体輸送—ナノ流体工学1—は、ほとんどの生体高分子と同じ長さのスケールで発生し、生物学的解析とセンシング、医療診断、および材料処理に有望です。ナノ流体学では、温度勾配2、クーロンドラッグ3、表面波4、静的電界5、6、7、およびサーモフォレーシス8に基づいて流体および粒子懸濁液を操作するための様々な設計とシミュレーションが開発されました。最近、SAWは、ナノチャネルでの効果的な流体輸送を妨げる表面および粘性力の優位性を克服するのに十分な音響圧力でナノスケールの流体ポンプと排水を生成することが示されている。音響ストリーミングの主な利点は、流体または粒子懸濁液の化学の詳細を気にすることなくナノ構造の有用な流れを駆動する能力であり、この技術を利用するデバイスを生物学的解析、センシング、その他の物理化学的用途にすぐに役立ちます。
SAW統合ナノ流体デバイスの製造には、圧電基板(ニオブ酸リチウム10)上の電極(デジタル間トランスデューサ(IDT))の製造が必要であり、SAWの生成を容易にする。反応性イオンエッチング(RIE)は、別のLNピースにナノスケールの凹部を形成するために使用され、2つの部分のLN-LN結合は有用なナノチャネルを生成する。SAW装置の製造プロセスは、金属スパッタまたは蒸発堆積11と並んで通常またはリフトオフ紫外線フォトリソグラフィを使用するか、多くの刊行物で提示されている。LN RIEプロセスが特定の形状でチャネルをエッチングするために、エッチングレートおよびチャネルの最終的な表面粗さの影響が異なるLN方向を選択することによる、マスク材料、ガス流、およびプラズマパワー12、13、14、15、16を調べた。プラズマ表面活性化は、表面エネルギーを著しく増加させ、したがってLN 17、18、19、20のような酸化物における結合の強度を向上させるために使用されてきた。同様に、2段階プラズマ活性化結合方法21を介して、SiO2(ガラス)などの他の酸化物とLNを異種的に結合させることも可能である。室温LN-LN接合は、特に、異なる洗浄および表面活性化処理22を用いて調査されている。
ここでは、ナノスリットチャネルと呼ばれる高さ100nmのナノチャネルを40MHz SAW-integrated100nmナノチャネルを製造するプロセスについて詳しく説明します(図1A)。SAW作動による効果的な流体毛細管充填および流体排出は、このようなナノスケールチャネルにおけるナノスリット加工およびSAW性能の両方の有効性を示す。我々のアプローチは、ナノアクロス流体システムを提供し、様々な物理的問題および生物学的応用を可能にする。
Protocol
Representative Results
Discussion
室温結合は、SAW-集積ナノスリットデバイスを製造する鍵です。結合を成功させ、十分な結合強度を確保するためには、5つの側面を考慮する必要があります。
プラズマ表面活性化のための時間と電力
プラズマパワーを増やすことで、表面エネルギーを増加させ、それに応じて接合強度を高めます。しかし、プラズマ表面活性化中に電力を増加させる欠点は…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、カリフォルニア大学とUCサンディエゴのNANO3施設に感謝しています。この研究は、国立科学財団(Grant ECCS-1542148)の支援を受けた国立ナノテクノロジー協調インフラのメンバーであるUCSDのサンディエゴナノテクノロジーインフラ(SDNI)で行われました。ここで発表された研究は、W.M.ケック財団の研究助成金によって寛大に支持されました。著者らはまた、海軍研究局(Grant 12368098経由)によるこの研究の支援に感謝しています。
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" |
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