Summary
نحن تقريرا عن عملية التغيير في الموقع من HF تعامل سي (001) السطح إلى دولة ماء أو مسعور من قبل تشعيع العينات في غرف ميكروفلويديك مليئة H 2 O 2 / H 2 O الحل (0.01٪ -0.5٪) أو حلول الميثانول باستخدام نابض ليزر الأشعة فوق البنفسجية من النسبية منخفضة نبض فلوينس.
Abstract
وبلل من السيليكون (سي) هي واحدة من المعالم الهامة في تكنولوجيا functionalization سطح هذه المواد وتصنيع الأجهزة biosensing. نفيدكم على بروتوكول استخدام KRF والمنتدى الاقليمى للاسيان الليزر تشعيع سي (001) عينة مغمورة في البيئة السائلة مع عدد قليل من البقول وتعمل على fluences نبض انخفاض معتدل للحث سي بلل التعديل. رقائق مغمورة لمدة تصل إلى 4 ساعات في 0.01٪ H 2 O 2 / H 2 O الحل لم تظهر تغيير ملموس في حياتهم زاوية الاتصال الأولية (CA) ~ 75 درجة. ومع ذلك، فإن 500 نبضة KRF والليزر المنتدى الاقليمى للاسيان تشعيع هذه الرقائق في microchamber مليئة 0.01٪ H 2 O 2 / H 2 O حل في 250 و 65 ميغا جول / سم 2، على التوالي، انخفض CA في القريب 15 درجة، مشيرا إلى تشكيل سطح فائقة المحبة للماء. تشكيل OH إنهاء سي (001)، مع عدم وجود تغيير ملموس من مورفولوجيا سطح الرقاقة، لديهاأكدته الأشعة السينية الضوئية الطيفي وقياسات قوة المجهر الذرية. ثم تم غمر العينات منطقة انتقائية المشع في nanospheres الملطخة فلوريسئين حل البيوتين مترافق لمدة 2 ساعة، مما أدى إلى شل حركة الناجح لnanospheres في منطقة غير المشع. وهذا يوضح إمكانيات أسلوب انتقائي biofunctionalization المنطقة وتصنيع متقدمة أبنية biosensing أساس سي. نحن أيضا وصف بروتوكول مماثل للإشعاع من رقائق مغمورة في الميثانول (CH 3 OH) باستخدام الليزر المنتدى الاقليمى للاسيان التي تعمل على النبض فلوينس من 65 ميغا جول / سم 2 وتشكيل الموقع من سطح مسعور بقوة سي (001) مع CA من 103 °. نتائج XPS تشير الليزر التي يسببها تشكيل المنتدى الاقليمى للاسيان من Si- (اوتش 3) س المركبات المسؤولة عن للا مائية الملاحظة. ومع ذلك، لا توجد هذه المركبات عن طريق XPS على سطح سي المشع التي كتبها KRF الليزر في الميثانول، مما يدل علىعدم قدرة الليزر KRF إلى photodissociate الميثانول وخلق -OCH 3 المتطرفين.
Introduction
جعلت الخصائص الإلكترونية والكيميائية الرائعة وكذلك ارتفاع القوة الميكانيكية السيليكون (سي) خيارا مثاليا لأجهزة الإلكترونيات الدقيقة والرقائق الطبية 1. تلقت مراقبة المنطقة انتقائية من سطح سي اهتماما كبيرا في التطبيقات التي تنطوي غالبا ما يتم الحصول ميكروفلويديك وأجهزة مختبر على رقاقة 2،3. هذا إما عن طريق تعديل نانو النطاق للخشونة السطح أو عن طريق المعالجة الكيميائية لسطح 4. والتخشين السطحي أو الزخرفة لإنتاج هياكل سطح المختلين أو أمر على سطح سي تشمل ضوئيه 5، شعاع ايون الطباعة الحجرية 6 وتقنيات الليزر 7. مقارنة مع هذه الأساليب، وتفيد التقارير سطح ليزر عملية التركيب لتكون أقل تعقيدا مع القدرة على إنتاج المجهرية لقرار مكانية عالية 8. لكن، وكما سي لديه عتبة التركيب مرتفعة، الأمر الذي يتطلب التشعيع مع نبض فلوينس لحمل التركيب السطحي تتجاوز عتبة الاجتثاث لها (~ 500 ميغا جول / سم 2) 9، وكثيرا ما ساعد التركيب من سطح سي من خلال توظيف أجواء الغاز على رد الفعل، مثل الضغط العالي SF 6 البيئة 4،7،8. ونتيجة لذلك، لتعديل بلل السطح سي، ركزت العديد من الأعمال على المعالجة الكيميائية عن طريق إيداع العضوية وغير العضوية 10 أفلام 2، أو باستخدام البلازما أو شعاع الالكترون المعالجة السطحية 11،12. ومن المسلم به أن hydrophilicity سي النابعة من وجود مجموعات OH المفرد وما يرتبط بها من على سطحه ويمكن تحقيق ذلك عن طريق الغليان في H 2 O 2 الحل عند 100 درجة مئوية لعدة دقائق (13). ومع ذلك، فإن الدول سطح سي مسعور، ومعظمها بسبب وجود سي-H أو سي-O-CH 3 مجموعات، ويمكن أن يتحقق عن طريق التعامل مع المواد الكيميائية التي تنطوي على الرطب الحفر بمحلول حامض HF أو طلاء مع مقاومة للضوء 13-15. لتحقيق السيطرة المنطقة الانتقائية للبلل سي، وعادة ما يطلب خطوات الزخرفة المعقدة، بما في ذلك العلاج في المحاليل الكيميائية 16. كما تم استخدام التفاعلات الكيميائية عالية من أشعة الليزر فوق البنفسجية لفيلم العضوي عملية منطقة انتقائية المغلفة ركائز متينة وتعديل بلل بها 17. ومع ذلك، فإن كمية محدودة من البيانات متاح في تعديل بمساعدة الليزر سي بلل بواسطة أشعة عينات مغمورة في المحاليل الكيميائية المختلفة.
في بحثنا السابق، تم استخدام الأشعة فوق البنفسجية أشعة الليزر من أشباه الموصلات III-V في الهواء 18-20 وNH 3 21 بنجاح لتغيير التركيب الكيميائي سطح الغاليوم، InGaAs والبرنامج النووي العراقي. أنشأنا أن أشعة الليزر فوق البنفسجية من أشباه الموصلات III-V في منزوع الأيونات (DI) الماء يقلل أكاسيد السطح وكربيد، في حين أن المياه كثف على سطح أشباه الموصلات يزيد 22. سطح مسعور سي بقوة (CA ~ 103 °) تم الحصول عليها عن طريق المنتدى الاقليمى للاسيان أشعة الليزر من عينات سي في الميثانول في عملنا الأخير 23. كما يتبين من الأشعة السينية الضوئية الطيفي (XPS)، وهذا يرجع أساسا إلى قدرة الليزر المنتدى الاقليمى للاسيان لphotodissociate CH 3 OH. وقد استخدمنا أيضا KRF والليزر المنتدى الاقليمى للاسيان لأشرق سي (001) في 0.01٪ من H 2 O 2 في المياه DI. هذا يسمح لنا لتحقيق تشكيل منطقة مختارة من سطح فائقة المحبة للماء سي (001) والتي تتميز CA من حوالي 15 درجة. وتشير نتائج XPS أن هذا يرجع إلى جيل من السندات سي-OH على سطح المشع 24.
ويتجلى وصفا مفصلا لهذه التقنية الجديدة باستخدام KRF والليزر المنتدى الاقليمى للاسيان لمنطقة انتقائية تعديل الموقع من ماء / سطح مسعور من سطح سي في في تركيز منخفض من H 2 O 2 / H 2 O وحلول الميثانول في هذه المقالة. التفاصيل الواردة هنا ينبغي أن يكون كافياالسماح تجارب مماثلة التي يتعين القيام بها من قبل الباحثين المهتمين.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
التحضير 1. عينة
- استخدام الكاتب diamode ليلتصق لمن نوع ن (P-مخدر) مصقول من جانب واحد سي ويفر (المقاومية 3.1 ~ 4.8 Ω.m) الذي هو 3 بوصة في القطر، 380 ميكرون سميكة، في عينات من 12 مم × 6 مم؛ تنظيف العينات في OptiClear، والأسيتون والكحول الآيزوبروبيل (5 دقائق لكل خطوة).
- عينات حفر في ~ 0.9٪ محلول HF لمدة 1 دقيقة لحفر بعيدا أكسيد الأولي. شطف في الماء DI وجاف في عالية النقاء (99.999٪) النيتروجين (N 2).
- مخزن إعداد العينات في N 2 كيس للحد من الأكسدة في الهواء.
2. أشرق العينات من قبل المنتدى الاقليمى للاسيان (λ = 193 نانومتر) وKRF (λ = 248 نانومتر) ليزر.
- عينات من مكان في 0.74 ملم غرفة طويل القامة ثم ختم غرفة مع نافذة السيليكا تنصهر التي لديها انتقال عالية في الأشعة فوق البنفسجية (≥90٪). تملأ الغرفة مع H 2 O 2 / H 2 O الحل في حدود 0،01 حتي 0،2٪ أو مع ميثاء نزع الغازنول باستخدام قناة ميكروفلويديك.
- أشرق العينات مع المتجانس المنتدى الاقليمى للاسيان أو KRF الليزر في demagnification 2.6 و 1.8 على التوالي. أشرق فقط 2 المواقع على كل عينة عن طريق زيادة نبضات الليزر 100-600 في خطوة من 100 البقول من خلال قناع دائري (4 مليمتر في القطر). أشرق العينات بنفس الطريقة مع "مابل ليف" (9 مم × 7.2 مم) قناع.
- عينات شطف في الماء DI، الجافة مع N 2 دافق؛ وضع العينات في وعاء مختوم، ثم ملء بسرعة هذه الحاوية مع N 2، من أجل تجنب التعرض للهواء قبل إجراء مزيد من التجارب.
3. Nanospheres الشلل من الحيوية مترافق
- تمييع nanospheres 40 نانومتر-قطر-البيوتين مترافق فلوريسئين والملون في المياه المالحة 7.4 درجة الحموضة الفوسفات (PBS، 1X) حل ل10 12 الجسيمات / مل في RT (~ 25 درجة مئوية). تزج الليزر المشع عينات ARF أو KRF ل2 &# 160؛ ساعة في هذا الحل في RT.
- غسل العينات مع PBS للقضاء المربوطة جسديا فلوريسئين nanospheres الملون على السطح.
توصيف 4. سطح
- زاوية الاتصال (CA) قياس
- إجراء قياسات CA ثابتة مع مقياس الزوايا في بيئة RT والرطوبة المحيطة.
- توظيف عالية النقاء المياه DI (المقاومة 17.95 MΩ · سم) في محقنة الصغير؛ توليد حجم مماثل (~ 5 ميكرولتر) يسقط على سطح العينة عن طريق خفض حقنة صغيرة إلى ارتفاع مماثل لكل قياس.
- التقاط وحفظ قطرات الماء صور لملامحها بواسطة كاميرا CCD مع البرنامج. قياس مستقل 4 مواقع مختلفة مع ظروف التشعيع نفسها.
- تقدير ومتوسط قيم CA في انخفاض حدة تحليل من برنامج يماغيج. تحميل الصور وتغييره إلى الرمادي. إطلاق المساعد Dropsnake. وضع ما يقرب من بضعة عقدة على كفاف قطرة (~ 10 عقدة) من اليسار إلىالحق في تهيئة ثعبان. قبول منحنى ربط هذه عقدة، وتتطور منحنى بواسطة زر ثعبان الملحة. ملاحظة: يتم عرض زوايا الاتصال في الصورة والطاولة.
- قياس XPS
- التحقيق التعديل الكيميائي السطح مع مطياف XPS (1X10 -9 عربة ضغط قاعدة) تجهيزه مع مصدر آل Kα يعملون في 150 W:
- تحميل العينات في فراغ الغرفة.
- الحصول على بيانات مسح السطح في أوضاع الطاقة ثابتة من 50 فولت تمرير الطاقة من مساحة 220 ميكرون × 220 ميكرون.
- الحصول على بيانات مسح عالية الدقة من نفس المنطقة تحليلها على 20 فولت تمر الطاقة.
- عملية XPS البيانات أطياف مع XPS أطياف البرمجيات الكمي، كما المشار 25،26.
- التحقيق التعديل الكيميائي السطح مع مطياف XPS (1X10 -9 عربة ضغط قاعدة) تجهيزه مع مصدر آل Kα يعملون في 150 W:
- مضان التصوير المجهر
- تثير العينات، التي تم المشع من خلال "مابل ليف" قناع وتتعرض لفلوريسئين nanospheres الملون، وذلك باستخداممصدر الضوء الأزرق (λ = 450 ~ 490 نانومتر).
- نلاحظ الصور الفلورسنت، وتنبعث منها في 515 نانومتر، مع المجهر مضان مقلوب في التكبير من 4X.
- تميز مورفولوجية سطح هذه العينات مع AFM، والمشار إليها (27).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تم عرض هذه النتائج تمثيلية في عملنا نشرت السابق 23،24 الشكل 1 يوضح CA مقابل N (عدد النبضات) على مواقع المشع التي كتبها KRF الليزر على 250 ميغا جول / سم 2 في DI H 2 O لتركيزات مختلفة من H 2 O 2 / H 2 O حلول (على سبيل المثال، 0.01، 0.02، 0.05 و 0.2٪). يقلل من CA مع زيادة عدد النبض لجميع H 2 O 2 الحلول. يتم الحصول على الحد الأدنى من CA (~ 15 درجة) لH 2 O 2 حلول 0.02 و 0.01٪ في 500 البقول. وقد لوحظ CA أكبر بدلا عن 0.05 و 0.2٪ H 2 O 2 الحلول في أعداد نبض أكبر (N≥500). في الوقت نفسه، وجدت أن CA من العينة دون التشعيع (N = 0) انخفض بنسبة 32 درجة من 75 درجة كما زاد H 2 O 2 تركيز ،02-0،2٪. هذه النتائج المكتسبة بعد التعرض متوسط 10 دقيقة إلى H 2 2 الحلول، من المحتمل تمثل القيم تشبع CA يمكن الحصول عليها في H 2 O 2 منها تركيزات. ومع ذلك، فمن المهم أن نلاحظ أن تعرض العينات إلى 0.01٪ H 2 O 2 حل، لمدة تصل إلى 4 ساعات لم يؤد إلى أي تغيير ملموس من CA تميز سطح الأولي.
ويوضح الشكل 2 CA مقابل عدد النبض للمواقع بعد KRF (الشكل 2A) والمنتدى الاقليمى للاسيان (الشكل 2B) أشعة الليزر في 0.01٪ H 2 O 2 / H 2 O الحل. يوضح الشكل 2A أن CA يقلل بشكل مستمر مع عدد النبض يصل إلى 600 نبضة في KRF في 183 ميغا جول / سم 2. تم العثور على نتائج مماثلة على عينات المشع من قبل المنتدى الاقليمى للاسيان الليزر على 44 ميغا جول / سم 2، كما هو مبين في الشكل 2B. عندما المشع المواقع التي KRF الليزر مع 300 البقول في 320 ميغا جول / سم 2 و 500 البقول في 250 ميغا جول / سم
ويبين الشكل 3 O 1S XPS أطياف سطح سي محفورا حديثا من قبل HF (الشكل 3A)، ويتعرضون إلى 0.01٪ H 2 O 2 / H 2 O حل لحوالي 10 دقيقة دون الليزر أشعة ((الشكل 3B)، ويتعرض إلى 0.01٪ H 2 O 2 / H 2 O حل و 500 نبضة KRF أشعة الليزر على 250 ميغا جول / سم 2 (الشكل 3C). قمم في 531.8 ± 0.1، 532.6 ± 0.1 و تم تعيين 533.7 ± 0.1 فولت إلى شافي العاشر، شافي 2 وSiOH على التوالي 28،29. ويبين الشكل 3B أن التعرض إلى حل HF تمت إزالة معظم شافي 2 وشافي العاشر من السطح. وكميات من شافي 2 & #160؛ وSiOH على الموقع المشع التي كتبها KRF الليزر هي أكبر (الشكل 3C) من تلك التي على غير المشع (الشكل 3B). وذكرت سي الأسطح المطلية مع شافي 2 دائما أن يكون الحد الأدنى من القيم CA 45 درجة -55 درجة مئوية، كما يشار 11، اعتمادا على O / نسبة سي. وذكر مع ذلك، غطت SiOH أحادي الطبقة فائقة المحبة للماء سي السطح مع الحد الأدنى من CA من 13 درجة مئوية، كما يشار 30. وهكذا، فإن CA = 14 درجة تم الحصول عليها مع 500 البقول ويرجع ذلك أساسا إلى زيادة تركيز سطح SiOH. لاحظنا أيضا أن نسبة SiOH / شافي 2 زادت من 0.10 (التشعيع 100 نبضة، لا تظهر البيانات) إلى 0.17 لموقع المشع 500 نبضة. الخطوط المتقطعة في أطياف تمثل الكربون (C) adsorbates وعلى السطح. ويتم تحديد كميات هذه adsorbates واعتمادا على نسب ثابتة من O / C من CO، C = O وOC = O السندات في أطياف C 1S 31. لقد وجدنا أن هناك ما هو أكثرC على سطح غير المشع يتعرض إلى H 2 O 2 / H 2 O الحل، من على عينة محفورا حديثا من قبل حمض HF. ويبين الشكل 3C أن كميات absorbates C انخفضت مع عدد النبض بسبب الهيجان تأثير التنظيف بالليزر 9. منذ تم الإبلاغ عن absorbates C على السطح لزيادة للا مائية سي 15، الليزر التي يسببها إزالة adsorbates وC يحسن أيضا طبيعة ماء من السطح.
الشكل 4A يظهر صورة مجهرية مضان من سطح سي المغلفة بشكل انتقائي مع فلوريسئين nanospheres الملون. والمشع في العينة الأولى في H 2 O 2 / H 2 O الحل (0.01٪) من خلال إبراز "ورقة القيقب" قناع مع ليزر KRF تقديم 400 البقول في 250 ميغا جول / سم 2. تم العثور على تركيز عال سطح nanospheres على الجزء غير المشع من العينة. النتيجة توضح التشكلن منطقة التي يسببها الليزر من مادة ماء بشدة أن يمنع ملزم من nanospheres. وجود بعض nanospheres لوحظ في هذه المنطقة يمكن أن تكون ذات صلة أكسدة عيب سطح يسببها سي والحد ذات الصلة في hydrophilicity لها. الشكل 4B يظهر صورة AFM لجزء من سطح غير المشع تغطية كثيفة مع nanospheres يجمد.
ويبين الشكل 5 القيم CA قياس للحصول على عينات سي التي كانت مغمورة في الميثانول والمشع مع الليزر المنتدى الاقليمى للاسيان في 30 و 65 و 80 ميغا جول / سم 2. ويمكن أن ينظر إلى أن CA من العينة المشع مع 800 البقول بنسبة 65 ميغا جول / سم 2 زادت من قيمة الأولية من 75 درجة إلى 103 درجة مئوية، وتعادل في CA ل1000-نبض عينة المشع. وهذا يشير إلى أن الليزر القائمة على التغيير الكيميائي للسطح سي يشبع في هذه fluences الليزر. ديناميكية أكثر كثافة من increa CAوقد لوحظ حد ذاتها ل80 ميغا جول / سم 2 وانخفاض عدد نبضات الليزر (N <200)، كما يتضح من رموز دائرة كاملة. ومع ذلك، وتشكيل فقاعات على عينات المشع مع N> 200 البقول، وتعديل غير المنضبط ذات الصلة مورفولوجية سطح العينة منعنا من جمع بيانات موثوقة في ظل هذه الظروف. باستخدام نهج موضح في مكان آخر 22،32، قدرنا أن أشعة الليزر المنتدى الاقليمى للاسيان في 65 ميغا جول / سم 2 يدفع درجة الحرارة الذروة على سطح سي مقارنة لدرجة الغليان الميثانول، أي، 65 ° C، والمشار إليها 33. وبالتالي، من المتوقع أن تحفز تشكيل فقاعات أشعة مع أكبر fluences الليزر. واتساقا مع ذلك كان عدم قدرتنا على صنع عينات سي من خصائص مرضية مع فلوينس الليزر من 80 ميغا جول / سم 2 و N> 200 البقول. في المقابل، في 30 ميغا جول / سم 2 وأظهرت أشعة سوى زيادة ضعيفة من CA إلى 78 درجة لirrad 1000 النبضعينات iated.
ويبين الشكل 6 XPS أطياف سي 2P و O 1S لمواقع مغمورة في الميثانول التي كانت غير المشع (أرقام 6A و 6B)، والمشع مع 500 البقول الليزر المنتدى الاقليمى للاسيان في 65 ميغا جول / سم 2 (الشكل 6C و6D). ويمكن الاطلاع على ميزة ضعيفة في الطيف سي 2P الموقع غير المشع (الشكل 6A) حول BE = 102.7 فولت. تم الإبلاغ عن هذه الميزة أن تنشأ من Si- (اوتش 3) س السندات 34. تم تقدير تركيز الذري لهذا المركب بنسبة 0.7٪، وهو التقليل قليلا بسبب صغيرة نسبيا (60 درجة) من اقلاعها زاوية (TOF) المطبق في حين جمع البيانات XPS. ومع ذلك، على الموقع المشع (الشكل 6C)، والنسبة المئوية الذرية من Si- (اوتش 3) س السندات بنسبة 5 مرات إلى 3.5٪ في TOF من 60 درجة. في أطياف O 1S (أرقام 6B > و6D)، فإنه يمكن أن ينظر إلى أن تركيز ذروة سي-O-CH 3 (BE = 532.6 فولت) زيادة 1-2،5٪ للمواقع غير المشع والمشع، على التوالي. كما Si- (اوتش 3) تم الإبلاغ العاشر ليكون مسؤولا عن تشكيل سطح مسعور سي، كما المشار 15،35،36، وزيادة تركيز سطح Si- (اوتش 3) س يبدو الرئيسية سبب خصائص مسعور لوحظ من المنتدى الاقليمى للاسيان المشع عينات سي. في O 1S الأطياف، إلى جانب سي OC وCO، هناك شافي x و قمم OH. زيادة على شافي العاشر الذروة في BE = ربما هو سبب 531.5 ± 0.2 فولت من قبل CH 3 O ملزمة لشافي العاشر أكاسيد الفرعية (شافي س + 1 -CH 3) 34. كما يعامل HF عينة سي لم تظهر وجود OH (غير مبينة هنا)، وهذا ذروة OH هي ربما من CH 3 OH استيعابها فعليا إلى سطح سي.
ق ق = "jove_content" FO: المحافظة على together.within صفحة = "دائما"> 
الشكل 1. الاتصال زاوية مقابل عدد النبض في سي (001) سطح المشع التي كتبها KRF الليزر على 250 ميغا جول / سم 2 في DI H 2 O وتركيزات مختلفة H 2 O 2 / H 2 O حلول (على سبيل المثال، 0.01، 0.02، 0.05 و 0.2٪)، والانحراف المعياري قيمة زاوية الاتصال (SD) هو 2.5 درجة. تم تعديل الرقم من 24 ساعة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2. الاتصال زاوية مقابل عدد نبض عينات مغمورة في 0.01٪ H 2 O 2 / H 2 O حل والمشع التي كتبها KRF (الشكل 2A) والمنتدى الاقليمى للاسيان (الشكل 2B) ليزر. وذكرت تقارير ان SD اتصال قيمة زاوية إلى 2.2 درجة. تم تعديل الرقم من 24 ساعة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3. O 1S XPS أطياف سطح سي محفورا حديثا في HF (A)، ويتعرضون إلى 0.01٪ H 2 O 2 / H 2 O حل لحوالي 10 دقيقة دون أشعة الليزر (B)، والمشع مع 500 البقول من KRF الليزر على 250 ميغا جول / سم 2 في حين يتعرض إلى 0.01٪ H 2 O 2 / H 2 O الحل (C). تم تعديل الرقم من 24 ساعة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذاالشكل.
الرقم 4. الإسفار صورة مجهرية لعينة التي كانت، أولا، مع المشع 400 نبضات ليزر KRF تعمل على 250 ميغا جول / سم 2 والتصميم "ورقة القيقب" قناع على السطح، والثانية، ويتعرضون لحل فلوريسئين nanospheres الملون (A). AFM صورة لجزء من الجزء غير المشع من العينة تبين nanospheres يجمد (B). تم تعديل الرقم من 24 ساعة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 5. الاتصال زاوية سي (001) عينة ط mmersed في الميثانول والمشع مع ليزر المنتدى الاقليمى للاسيان في 30 ميغا جول / سم 2 (▲)، 65 ميغا جول / سم 2 (■) و 80 ميغا جول / سم 2 (●). يتم حسابها استنادا أشرطة الخطأ في القياسات من 3 مواقع مستقلة . وافادت الانباء ان SD اتصال قيمة زاوية 2.0 درجة. تم تعديل الرقم من 23. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 6. سي 2P و O 1S XPS أطياف إشارة (غير المشع) عينة (A و B)، وعينة المشع بواسطة ليزر المنتدى الاقليمى للاسيان في الميثانول مع 500 البقول في 65mJ / سم 2 (C و D). تم تعديل الرقم من 23.إعلان / 52720 / 52720fig6large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
اقترحنا على بروتوكول للأشعة فوق البنفسجية أشعة الليزر سي رقاقة في غرفة ميكروفلويديك مليئة تركيز منخفض من H 2 O 2 حل للحث على سي سطح فائقة المحبة للماء، الذي يرجع أساسا إلى توليد سي-OH. وكان من المفترض UV التحلل الضوئي ليزر من H 2 O 2 لتشكيل سالبة الشحنة OH - الجذور. أيضا، ليزر الأشعة فوق البنفسجية التأثير الكهروضوئي يؤدي إلى تشكيل سطح موجبة الشحنة 37. ولذلك، فإن التفاعل بين هذه OH السلبي - الجذور مع سطح موجبة الشحنة يؤدي إلى توليد سي-OH على السطح. لذلك، فإننا يمكن أن تزيد hydrophilicity من خلال زيادة عدد نبضة ليزر وزيادة تركيز OH - التفاعل مع سي 15. ومع ذلك، توقف hydrophilicity لزيادة أو نقصان حتى في عدد النبض أكبر خلال عملية لH 2 O 2 غير مستقر الديناميكا الحرارية، والتحلل منه هو describإد كتبها 2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 38، والذي ينتج في O شكلت مفرط 2 في المنطقة السطحية بالقرب من سي. على الرغم من أن هذه العملية سوف تؤدي الى تشكيل شافي 2 لتحسين hydrophilicity السطح، وجيل من O 2 جزيئات يمكن أيضا أن يكون سبب تشكيل فقاعات بالقرب من السطح المشع. زيادة كبيرة في تشكيل فقاعة من قبل المنتدى الاقليمى للاسيان الليزر على 65 ميغا جول / سم 2 وKRF الليزر على 320 ميغا جول / سم 2، ويتفق مع إمكانية زيادة التحلل مدفوعة حراريا من H 2 O 2. كحد أدنى CA لشافي 2 المغلفة سي هو معروف ليكون بالقرب من 45 درجة، وتشكيل شافي 2 إثراء سي يمكن أن تسبب لاحظت زيادة CA للمواقع المشع مع عدد كبير النبض.
حساب درجة الحرارة الناجمة عن أشعة الليزر هو أيضا جانبا بالغ الأهمية، كما هو استيرادالنملة لأكسدة سي في H 2 O 2 / H 2 O الحل وزيادة بلل. باستخدام حسابات COMSOL، قدرت درجات الحرارة ذروة السطح لتكون 88 و 95 درجة مئوية عندما المشع مع KRF نبضة ليزر 250 و 320 ميغا جول / سم 2، على التوالي. في المقابل، تشير التقديرات إلى أن درجة الحرارة القصوى السطح لتكون 40 درجة مئوية، وعندما تم المشع من قبل المنتدى الاقليمى للاسيان نبضة ليزر من 65 ميغا جول / سم 2. وانخفضت درجات الحرارة هذه الذروة إلى درجة الحرارة الأصلي في 10 -5 ق. ليس هناك تراكم الحرارة بين نبضات متتالية عندما تعمل KRF والمنتدى الاقليمى للاسيان الليزر بمعدل تكرار 2 هرتز (قضية التحقيق في هذا البلاغ). استنادا إلى نتائج حساب درجة الحرارة، ويمكن أن يكون الأمثل المعلمات الليزر في التجارب المستقبلية.
اقترحنا أيضا باستخدام الليزر المنتدى الاقليمى للاسيان للحث على سطح مسعور سي من قبل تشعيع عينة سي في حل الميثانول في microchamber مماثل، والذي يرجع إلى لوس أنجليسسر يسببها تشكيل سي-O-CH 3 على سطح المشع، كما هو مبين في الشكلين 5 و 6. وقد أفيد أن ضوء الليزر الأشعة فوق البنفسجية (105-200 نانومتر) الناجم عن تفكك بخار الميثانول يمكن وصفه من رد الفعل: CH 3 OH → CH 3 O + H 39. وارتفاع درجة الحرارة، والمزيد من CH 3 O يمتز على سطح سي 40. وهكذا، من خلال التشعيع في انخفاض فلوينس الليزر (على سبيل المثال، 30 ميغا جول / سم 2)، ليس هناك غليان الميثانول وأي تغيير بلل واضح بسبب الليزر التي يسببها انخفاض درجة الحرارة. أيضا، وأشعة الليزر KRF من العينة في محلول الميثانول لا ينتج زيادة CA كبيرة بسبب طول موجته أطول وأقل معامل امتصاص المقطع العرضي (<0.1x10 -20 / سم 2) من المنتدى الاقليمى للاسيان الليزر (25 X10 -20 / سم 2) 41. معامل امتصاص KRF الليزر في الميثانول هو أيضا أقل بكثير من تلك التي ARF (61x10 -20 / جم 2) وKRF الليزر (9x10 -20 / سم 2) في H 2 O 2 42. وتشبع CA حوالي 103 ° يرتبط إلى طاقة السطح CH 3، الذي هو المهيمن للبلل 15. وانخفاض طاقة السطح، وأعلى للا مائية. وذكرت تقارير ان الطاقة سطح أدنى (CF 3) أن يكون CA الأقصى من 120 درجة، بينما لCH س السندات مع طاقة السطح العالي، وCA 110 ° 43 هو دائما أقل.
ولذلك، بالمقارنة مع الطرق المعروفة أخرى من الليزر التي يسببها تعديل سي، مثل الليزر التي يسببها مورفولوجيا سطح تعديل، العملية والخطوات المبينة في هذا التقرير هي أبسط، وأنها لا تحتاج إلى تكلفة عالية وأنظمة ليزر عالية الطاقة، ولكنها ل في فعال لمراقبة الموقع من سي بلل السطح في. هذه التقنية يمكن استخدامها على نطاق واسع في منطقة انتقائية لحث على تعديل بلل للمشاريع المتناهية الصغر / نانو سي يستند جهاز الاستشعار البيولوجي لpplication في المستقبل. ومع ذلك، هناك قيود لهذه التقنية، وخصوصا ليزر الأشعة فوق البنفسجية التي يسببها للا مائية، مثل الحد الأقصى لللا مائية (CA) مقيدة طاقة الفوتون الليزر وCH الطاقة س السطح. الخطوات الحاسمة خلال هذه التقنيات تشمل أساسا تخزين العينة في N 2 حاوية لتجنب الأكسدة قبل التشعيع والسيطرة على توليد فقاعات على سطح سي خلال أشعة الليزر، على سبيل المثال، باستخدام قناة ميكروفلويديك.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- 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. Jr, 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).
