ソフトリソグラフィ機能化およびパターニング酸化物フリーシリコンとゲルマニウム

Bowers, C. M., Toone, E. J., Clark, R. L., Shestopalov, A. A. Soft Lithographic Functionalization and Patterning Oxide-free Silicon and Germanium. J. Vis. Exp. (58), e3478, doi:10.3791/3478 (2011).

ハイブリッド電子機器の発展は、効率的な電子輸送を可能にし、酸化分解から、基礎となる基板を保護するための安定したインタフェースを介して（バイオ）、有機材料と無機半導体の統合の大部分が依存しています。 IV族半導体は、効果的に有機相と水両方のソリューションを通さない障壁として機能する単純なアルキル鎖から構成される高秩序の自己組織化単分子層（SAM）を使用して保護することができます。単純なアルキルSAMのは、しかし、不活性および伝統的なパターニング技術に従順ではありません。半導体上の有機分子システムを固定化するための動機は、光学、電子、および機械的な機能だけでなく、化学的および生物学的活性を提供することができる表面に新しい機能を付与することです。

マイクロコンタクトプリント（μCP）は、無数の表面のパターニングのSAM用ソフトリソグラフィ技術である^。1-10そのあほにもかかわらずlicityと汎用性は、アプローチは、主に貴金属の表面に限定されており、よくそのような酸化物を含まないシリコンやゲルマニウムのような技術的に重要な基材へのパターン転写用に開発されていない。この技術は、基板にエラストマーからパターンを転写するインクの拡散に依存しているので更に、、このような伝統的な印刷の解像度は、本質的に近い1μmの^10から16に制限されています

従来の印刷とは対照的に、inklessμの CPのパターニングは、表面固定化基板とスタンプ結合型触媒との間の特定の反応に依存しています。技術が拡散SAMの形成に依存しないため、それが大幅patternable表面の多様性を拡大する。さらに、inklessテクニックは非常に小さい（<200 nm）の機能の複製を容易にする、分子拡散によって課されたフィーチャサイズの制限がなくなります^。17-23しかしながら、今までは、inklessμの CPは、主に劣化から基本的な表面を保護していないのパターニングが比較的不規則な分子システムのために使用されています。

ここでは、反応性有機単分子膜とシリコンとゲルマニウムの不動態化パターニングするためのシンプルで信頼性の高いハイスループット法を報告し、小分子とタンパク質の両方でパターン化された基質の選択的官能基化を示しています。技術は、酸化物を含まないシリコンとゲルマニウム上に予め形成されたNHS -反応性二層システムを利用しています。 NHSの部分は、NHS -活性化し、遊離カルボン酸の化学的に異なるパターンを生成するスルホン酸変性アクリルスタンプ付きパターン固有の方法で加水分解される。多くのμの CP技術の解決への重要な制限は、高忠実度の転送に必要な機械的な剛性が不足しているPDMS材料を使用することです。この制限を緩和するために我々は、ポリウレタンアクリレートポリマー、可能な比較的硬い材料を用い簡単に別の有機部分で官能。私たちのパターニングのアプローチは完全に、化学的酸化からシリコンとゲルマニウムの両方を保護するパターン化された特徴の形状と大きさを精密に制御を提供し、さらに有機的および生物学的分子と官能することができる化学的に判別パターンへの準備ができてアクセスすることができます。アプローチは、一般および他の技術的に関連の表面に適用可能です。

1A。シリコン上の主要な単分子膜形成

1. 1センチメートル²基板、粉々にシリコンウエハーをカットし、水とフィルタリングエタノールですすいでください。
2. 75℃でナノストリップを含むガラス皿の中でシリコン基板を沈めることによって有機汚染を取り除く15分後、脱イオン、ろ過水を使用して各基板をすすぐ。
3. 自然酸化層を除去するために：5％HF溶液（HFは非常に危険な物質である警告）に各基板を置きます。窒素で5分後にドライ酸化、フリーシリコン
4. すぐに水没クロロベンゼンの飽和PCL ₅の2 mlを入れたシンチレーションバイアル内の各酸化物を含まないシリコン片を、塩素化基板を生産する。この溶液を0.2μmにフィルタリングする必要があります。
5. 各バイアルの上にバイアルのコンデンサーをアセンブルし、heatblockに配置は、112℃まで一時間を設定します。
6. 反応が完了した後、バイアルは、各surfaを冷却し、リンスしましょうろ過した窒素下でクロロベンゼンと乾燥とCE。
7. プロペニル - 終了基板を形成するために、プロペニル塩化マグネシウムの4 mlを含む圧力のバイアル内の各塩素化シリコン表面に置きます。 130℃heatblock内の各圧力のバイアルを置き℃で24時間。
8. heatblockの各圧力のバイアルを取り出し、冷ます。
9. DCMとエタノールで迅速に各表面を洗浄し、ろ過した窒素下で乾燥させます。

1B。ゲルマニウムのプライマリ単分子膜形成

1. 、1平方センチメートル基板にゲルマニウムのウェーハをカット塵や水とフィルタリングエタノールですすいでください。
2. 20分間アセトンを含有するガラス皿の中で表面を沈めることによって有機汚染を取り除く
3. 15分間10％HCl溶液で各表面に置きます。このプロセスは、同時に自然酸化層を除去し、表面をchlorinates。 5分後、窒素で基板を乾燥させます。
4. オクチル-終端基板、ナンプラーを形成するCEは、各オクチル塩化マグネシウム（2mM）を4 mlを含む圧力のバイアルにゲルマニウム表面を塩素化。 ℃で48時間130℃heatblock内の各圧力のバイアルを置きます。
5. heatblockの各圧力のバイアルを取り出し、室温まで冷ます。
6. DCMとエタノールで迅速に各表面を洗浄し、ろ過した窒素下で乾燥させます。

2。シリコンとゲルマニウムでNHSの基板の機能化

1. 四塩化炭素でフィルタリングさ0.1MのNHS -ジアジリンの溶液を調製します。警告：最小の露光をキープ。
2. メチル終端表面上にピペットで溶液を数滴。表面全体に分散するためのソリューションを許可する。
3. UVランプ（☐= 254 nmの、0.74インチで4400/cm2）で表面を置きます。表面が表面に多くのNHS -ジアジリンを追加し、30分間UV光下で反応し、さらに30分間反応反応を聞かせすることができます。
4. NHS変更されたのをすすぐDCMとエタノールと、ろ過した窒素下で乾燥とurfaces。

3。小分子の機能化

1. 反応するNHS修飾20mMのtert -ブチルカルバモイル、室温で2時間ジクロロメタン（DCM）におけるカルボニル（Boc -）エチレンジアミンの溶液中に基板を。
2. 反応後、DCMとエタノールとのBoc -修飾基質をすすいでください。
3. 室温で1時間、DCMには25％トリフルオロ酢酸（TFA）を用いてBoc変更された基板を脱保護。
4. ろ過した窒素下で水と乾燥で、その結果DCMと表面、エタノール、10％（w / v）の炭酸水素カリウムをすすぐ。
5. 元素組成を決定するためにXPSにより、すべての面を分析する。

4。酸性ポリウレタンアクリレートスタンプ（PUA）の準備

1. 粘度を減らすためにトリメチロールプロパンエトキシレートトリアクリレートBで30％、アクリル酸を希釈する。反応混合物（ 図に光開始剤CとDを追加します。URE 6）。
2. ジオキサン中の4N HCl溶液（10ml）に、2分間室温で撹拌ナトリウム2 - mercaptoethanesulfonate（0.2グラム、1.22ミリモル）を追加します。
3. 細かいガラスフィルターで、次にジオキサン、2 - mercaptoethanesulfonic酸の透明な溶液を得たフィルタ0.2μメートルのPTFEメンブレンシリンジを介して第塩化ナトリウムをフィルタオフ。
4. 減圧下でジオキサンを蒸発させる
5. 50℃室温でポリウレタンアクリレートprepolymeric混合物2mlで、その後真空下で、得られたスルホン酸を反応℃に完全に閉じ込められた空気の泡から混合物を解放するようにしてください。
6. 室温に得られた溶液を冷却し、二つのガラス顕微鏡スライドまたは室温で2時間のUV光への曝露によるガラスのスライドとマスターの間で重合する。
7. 重合後に、慎重にマスターオフタイムスタンプピールとフィルタリングnitrogeでエタノールと水でスタンプを洗浄し、乾燥nの

5。触媒印刷とSEM / AFM解析

1. それらを一緒に保持するために、外部負荷で1分間室温でNHS -修飾基質の上に対応するポリウレタンアクリレートスタンプを置きます。
2. 反応後、スタンプと基板を分離する。
3. その後、エタノール、水、エタノールで、ろ過した窒素で乾燥した基板を洗浄します。
4. その後、エタノール、水、エタノールで、ろ過した窒素とドライスタンプをすすいでください。
5. 次のアプリケーションの前に室温でスタンプしてください。
6. 接触モードの横方向の原子間力microsopy（AFM）および走査型電子顕微鏡（SEM）を使用して生成したパターンを分析する

6。タンパク質のパターニングと蛍光顕微鏡

1. ですすいだ後、1時間室温でH20（1:1）と：水没リジン- N、N -二酢酸（20 mm）とDMF中のEt ₃ N（100 mM）の中のNHS柄二官能性基質を水とエタノール。
2. 室温で5分間、50mMのNiSO4溶液中の基質をインキュベートする。
3. 0で1時間フィルタリングGFPの溶液中で水と結合バッファー（20mMのNAP、250mMのNaCl、10mMのイミダゾール、pH7.5）および水没（〜40μM）で過度にキレート化基材を洗い流す℃に
4. 直ちにPBS（pH7.4）に続いて結合バッファーと基質をすすいでください。
5. 彼らは蛍光顕微鏡分析のための準備ができるまで、0℃でPBS中に基板が水和してください。

7。タンパク質のパターニングと蛍光顕微鏡

1. 水ですすいだ後、H ₂ 1時間室温で0（1:1）と：リジン- N、N -二酢酸（20 mm）とDMF中のEt ₃ N（100 mm）の水没NHS柄の二官能性基質とエタノール。
2. 室温で5分間、50mMのNISO ₄水溶液に基板をインキュベートする。
3. 過度にワットキレート基板をすすぐ0で1時間のフィルタGFPの溶液中でi番目の水と結合バッファー（20mMのNAP、250mMのNaCl、10mMのイミダゾール、pH7.5）および水没（〜40μM）℃
4. 直ちにPBS（pH7.4）に続いて結合バッファーと基質をすすいでください。
5. 彼らは蛍光顕微鏡分析のための準備ができるまで、0℃でPBS中に基板が水和してください。

8。代表的な結果：

ソフトリソグラフィ触媒ナノパターニングの例を図7に示します。アプローチは、直角に異なる化学的および生物学的な部分で官能化することができる酸化物を含まないシリコンとゲルマニウム、上の化学選択的なパターンを作成します。 NHS - functioanlized基板と触媒パターニングスタンプとの間の反応では、NHS活性化し、遊離カルボン酸のパターン化二官能性基質のベアリングの領域をもたらし、コンフォーマル接触の分野におけるNHSの部分の加水分解につながります。 diffusによる本手法のイオンフリーの性質は、我々はフォトリソグラフィに近い分解能を達成。例えば、 図7は、全体に均一シリコン基板の表面全体に再現された125 nmの特徴を示しています。驚くべきことに、触媒スタンプが効率を失うことなく、複数回再利用することができます。

生体分子とのパターン化された半導体の化学選択的官能基は、センシング、診断、および研究の分析の分野におけるアプリケーション向けに高度に選択的な生物学的基質との伝統的な電子材料を統合の展望を開きます。このような官能の例は、NHS -パターニングシリコンが選択的に蛋白質分子で機能化された図8に示されています。活性化し、遊離カルボン酸の差反応性を悪用することによって、我々は最初のNHS官能地域にニトリロ三酢酸で終了する（NTA）ヘテロリンカーを貼付して、結果の使用ヘキサヒスチジンタグGFP 図8bの選択的付着のためのテンプレートとしてNTA -パターン表面は明らかにGFP - Modifiedと加水分解された遊離カルボン酸の地域間の差蛍光強度を示しています。複製された機能の大きさと形状は炭素動態化表面とスタンピングアプローチの選択性の顕著な安定性を確認し、NHSパターン表面（ 図8a）とGFP変性表面（ 図8b）の両方の間で一貫しています。プロトコルは、Hisタグ融合タンパク質に限定されるものではなく、DNAと抗体を含むパターン、他の生体分子に使用することができます。

図1。触媒マイクロコンタクトプリンティングを表す一般的なスキーム

図2二層mの構造GeとSi基板上olecularシステム。主なアルキル単分子膜は、基板との安定したGeがCもしくはSi - C結合を形成し、基底サーフェス劣化からの保護、化学的に不活性と密接なパックシステムを提供する。（b）の二次被覆層が主な保護層で安定したCC結合を形成し、機能的な端末を提供するグループ

Siの（A）とGe（B）の一次防護単分子膜の形成を表す図3。反応スキーム

図4。ヘテロカルベンのドナーとの一次防護単層の化学的機能化

図5。NHS官能サブの低分子化合物の変更を示す反応スキームstratesと対応するXPSスペクトル

図6。触媒プレポリマー混合物、重合条件、およびパターンスルホン酸変性スタンプのSEM像の構成と対応するPMMA - Siのマスター

図7。酸性スタンプ付きSEMとSiとGe上にパターン化SAMのAFMの摩擦の画像

図8有機及び生体分子との不動態化されたシリコンのソフトリソグラフィパターニングと機能化：。。パターニングされたNHS -修飾基質のSEM像B：GFP修飾基質の蛍光顕微鏡写真。

提示プロトコルは普遍的に単純な秩序化単分子膜をサポートできる任意の基材に適用することができるフォームまたはinklessマイクロコンタクトプリンティングのです。この方法では、スタンプが固定化触媒は、対応する官能基を有する表面にパターンを転送します。プロセスがタイムスタンプから表面へのインキ転移性に依存しないため、伝統的な反応性μCPの拡散解像度の制限は、ナノスケールのオブジェクトのルーチン製造を可能にして、排除される。主な高秩序の分子システムの導入は、酸化による損傷からの基盤となる半導体の完全な保護を提供します。それと同時に、方法は二次的反応性被覆層を利用することで、煩雑な反応性基の固定化をサポートし、一緒にシステ​​ムの保護と機能化を両立。

技術は化学的に不活性primarを可能にする安定した炭素表面結合の形成から始まり、酸化物形成への効果的なバリアとして機能するyの単層。二次反応上層の形成は、化学的および生物学的部分のさまざまな接続点として機能する端末のNHS官能基を提供します。この安定した二層の分子システムは、その後、私たちの触媒μCPのアプローチを用いてパターニングされる。本研究で紹介するアプローチは、有機と生物学的材料の広範なパターニング半導体基板の一般的な方法を提供しています。高価、複雑な計装なしでパターニングされた有機半導体のインターフェースを作成する機能は、エレクトロニクス、ナノテクノロジー、生化学、生物物理学などの分野で数多くの機会を提供しています。

我々は、開示することは何もない

我々は、NSFの賞CMMI - 1000724の資金援助を認める。

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