تصنيع وتصور الجسور الشعرية في هندسة المسام الشق

الهدف العام من هذا الإجراء هو تكوين وتصوير الجسور الشعيرية في هندسة شقية ضيقة. ويتم تحقيق ذلك أولاً عن طريق صنع ركائز من أعمدة PDMS مرتفعة وطويلة باستخدام قوالب الليثوغرافيا الضوئية القياسية. وتتمثل الخطوة الثانية في وظيفية الجزء العلوي من الأعمدة لإحداث تباين في البلل بين القمة والجوانب باستخدام الليثوغرافيا بنقل الطبع، والطبقات أحادية الجزيء ذاتية التجميع.

بعد ذلك، يتم وضع الركيزتين في مواجهة بعضهما البعض في جهاز منصة مجهرية رباعي المحاور. وتسمح درجات الحرية الانتقالية والدورانية للباحث بمحاذاة الركيزتين المتقابلتين بشكل صحيح والتحكم في المسافة الفاصلة بينهما أثناء التجربة. وتتمثل الخطوة النهائية في إدخال السائل بين الركيزتين المرتفعتين وتصوير الجسر الشعري الناتج باستخدام كاميرا CCD.

مع تغير ارتفاع صب الشق، يُستخدم التغير في مورفولوجيا الجسر السائل في نهاية المطاف عند زيادة ارتفاع صب الشق لإظهار أن ضغط lalo للجسر السائل يغير إشارته من الجذب إلى التنافر مع زيادة ارتفاع صب الشق. وعلى الرغم من أن هذه الطريقة يمكن أن توفر رؤية معمقة لفهم خصائص ظاهرة الترطيب المثبتة جزئياً، إلا أنه يمكن تطبيقها أيضاً على مشكلات مثل تصميم الرقاقة المقلوبة (flip chip)، واستخلاص النفط في المواد المسامية، والالتصاق المستوحى حيوياً.

قبل البدء في هذا الإجراء، قم بتنظيف رقاقة سيليكون بمقاس أربع بوصات باستخدام محلول piha، ثم قم بتغطية سطح الرقاقة بمادة Spinco SU eight 2002 عن طريق الطرد المركزي لمدة 40 ثانية بسرعة 500 RPM. بعد ذلك، قم بوضع Spinco SU 8 20 50 على الرقاقة باستخدام برنامج طلاء دوار مكون من خطوتين لمدة 40 ثانية بسرعة 500 RPM، تليها دقيقة واحدة بسرعة 1500 RPM. وبمجرد جفاف الرقاقة المطلية، ضع قناعًا شفافًا فوقها، ثم ضعها تحت مصباح للأشعة فوق البنفسجية وعرضها لمدة 30 ثانية بقدرة 200 watts.

بعد تجفيف الرقاقة على لوح تسخين بدرجة حرارة 95 degrees Celsius، ضعها في محلول مُظهر SU-8 مع تحريكها بلطف حتى يتم إزالة كل أجزاء SU-8 غير المعرضة للضوء. ثم اشطف الرقاقة بتيار من isopropyl alcohol لمدة 30 seconds وجففها بالنفخ باستخدام nitrogen. في هذه المرحلة، اخلط بقوة نسبة كتلية تبلغ 10 إلى 1 من PDMS Sylgard 184 base إلى عامل المعالجة (curing agent) في بيكر باستخدام قضيب تحريك يستخدم لمرة واحدة. قم بإزالة الغازات من PDMS في غرفة تفريغ حتى تختفي جميع الفقاعات.

بعد وضع القالب المصنع من SU-8 في طبق "وانج" بلاستيكي كبير مقاس أربع بوصات، صب خليط PDMS فوقه. بعد إزالة الفقاعات الغازية من القالب وخليط PDMS، ضع الطبق بالكامل في فرن عند درجة حرارة 75 °C لمدة ساعتين على الأقل. وبمجرد تبريد العينة إلى درجة حرارة الغرفة، قم بقص الطبق بعيداً عن PDMS، ثم افصل PDMS عن رقاقة السيليكون باستخدام شفرة حلاقة مستقيمة.

بعد ذلك، قم بقص منطقة PDMS التي تحتوي على الركائز من الكتلة الرئيسية واحفظها في طبق بتري نظيف. وبعد تبخير 20 nanometers من الذهب مباشرة على رقاقة سيليكون نظيفة، ضعها في مفاعل بلازما وقم بتنظيفها باستخدام بلازما الأكسجين عند ضغط 300 milour وبقدرة 50 watts لمدة 10 minutes. وعند الانتهاء، ضع الرقاقة في طبق بتري من البايركس مملوء بإيثانول بنقاء 200 proof لمدة 10 minutes على الأقل.

بعد إزالة الرقاقة من الطبق، اشطفها باستخدام الإيثانول ثم جففها بنفث النيتروجين. بعد ذلك، قم بطلاء الرقاقة بطريقة التدوير (spin coat) باستخدام محلول MPTS في التولوين الذي تم تحضيره مسبقاً بسرعة 500 RPM لمدة 30 ثانية، تليها سرعة 2,750 RPM لمدة دقيقة واحدة. وبمجرد شطف الرقاقة وتجفيفها، ضعها في طبق بتري من البايركس يحتوي على كمية كافية من محلول حمض الهيدروكلوريك بتركيز 16 millimolar لغمر الرقاقة بالكامل.

بعد الغمر لمدة خمس دقائق على الأقل، أخرج الرقاقة من المحلول وجففها بالنفخ باستخدام النيتروجين. ثم ضع ركائز PDMS في غرفة البلازما وقم بإجراء معالجة ببلازما الأكسجين عند ضغط 300 milour وقدرة 50 watts لمدة 30 ثانية. بعد إخراج ركائز PDMS من مفاعل البلازما، قم بربط الجزء الخلفي من كل منها بشريحة زجاجية نظيفة من خلال تسليط ضغط خفيف عليها.

اقلب ركائز PDMS ذات الظهر الزجاجي واضغط الركائز لأسفل فوق أغشية الذهب الوظيفية MPTS. وبمجرد تطبيق ضغط متوسط، ضع ثقلاً يزن 100 gram تقريباً على الشريحة الزجاجية لضمان التلامس المتطابق. وبعد مرور 12 hours على الأقل، افصل كل ركيزة PDMS عن الرقاقة باستخدام شفرة حلاقة مستقيمة. وإذا كانت ركيزة PDMS ملتصقة، فاستخدم مجهراً ضوئياً للتحقق من أن غشاء الذهب ليس مشققاً أو عدم وجود أجزاء مفقودة على طول الركيزة.

بعد ذلك، اغمر ركيزة PDMS في محلول MHA بتركيز one. Millimolar في dimethyl sulfoxide تم تحضيره مسبقاً لمدة 24 ساعة على الأقل. بعد الشطف بالماء منزوع الأيونات والتجفيف، ضع ركيزة PDMS في غرفة تفريغ بضغط أقل من 100 milour عند 25 degrees Celsius لمدة 12 ساعة على الأقل باستخدام ركيزتين من النوع pillar.

ضع واحدة في الحامل العلوي وأخرى في الحامل السفلي من مجموعة المنصة الدقيقة رباعية المحاور. قم بتثبيت الركائز باستخدام براغي الشد الجانبية. عند هذه النقطة، قم بتجميع الجهاز من خلال توصيل منصة الركيزة العلوية بلوحة التجارب (breadboard) بحيث تكون الركيزة العلوية فوق الركيزة السفلية تقريباً.

قم بتقليل المسافة الرأسية بين الركيزتين المتقابلتين إلى حوالي 1 mm باستخدام مقابض الضبط x وy والتدوير. على منصة الركيزة السفلية، قم بمحاذاة الشرائط الذهبية للركيزتين بحيث تكونان متوازيتين.

بعد ذلك، قم بتوجيه الكاميرا للنظر على طول عمود PDMS باستخدام بث الكاميرا المباشر على شاشة الكمبيوتر، ثم اضبط موضع الركيزة السفلية بحيث تكون الأعمدة متوازية. عقب ذلك، انقل الكاميرا إلى الجانب المقابل للجهاز وكرر الخطوتين السابقتين. باستخدام بث الكاميرا المباشر، قم بتقليل المسافة الفاصلة بين العمودين حتى يتلامس العمود العلوي مع العمود السفلي.

بعد ذلك، قم بتصفير المنصة الدقيقة الرقمية وزد ارتفاع المسام إلى 200 micrometers تقريبًا. قم بتثبيت سرنجة تحتوي على محلول جليسرول مائي بتركيز 80% في منصة الإزاحة XY, Z الخاصة بالسرنجة باستخدام المشبك الميكانيكي. ثم اضبط الميكرومترات الموجودة في منصة تحديد موقع السرنجة بحيث تستقر الإبرة مقاس 30 gauge داخل شق المسام.

قم بخفض ارتفاع صب الشق بحيث يتلامس السطحان العلوي والسفلي برفق مع الإبرة بعد توزيع السائل ببطء من المحقنة في صب الشق. استخدم الميكرومترات الموجودة على منصة تحديد موضع المحقنة لإزالة الإبرة من مسام الشق. يمكن تقسيم الجهاز التجريبي إلى أربعة أجزاء رئيسية.

منصة الركيزة العلوية، ومنصة الركيزة السفلية، ومرحلة الترجمة XY و Z للمحقنة، وبصريات الكاميرا وحامل الكاميرا. راجع البروتوكول النصي للحصول على تفاصيل حول الجهاز التجريبي. في عملية نقل الذهب إلى ركيزة PDMS، من المهم فصل جهاز PDMS عن رقاقة السيليكون. يظهر هنا بسلاسة وعناية صورة مجهرية لعمود PDMS مع الذهب بعد عملية نقل ناجحة.

تظهر هذه الصورة رقائق ذهب زائدة من الرقاقة تم انتقالها إلى العمود نتيجة لعملية نقل غير دقيقة. ولتسهيل نقل غشاء الذهب، يمكن استخدام شفرة حلاقة حادة لرفع إحدى حواف عمود PDMS برفق عن رقاقة السيليكون. بالإضافة إلى ذلك، يجب سحب ركيزة PDMS في اتجاه عمودي على سطح الرقاقة لمنع التصاق المزيد من رقائق الذهب بحافة الركيزة. موضح.

توضح هذه الصورة كيف يمكن أن تتكون شقوق في طبقة الذهب بعد النقل إذا تعرضت ركيزة PDMS لقص أو انحناء كبير. بمجرد الانتهاء من عملية التصنيع، من المهم التحقق من جودة طبقة MHA أحادية الجزيئات من خلال اختبار زاوية تلامس الماء. يظهر هنا قطرة ماء سائلة على ركيزة ذهب PDMS بعد وظيفيتها باستخدام MHA.

تشير زاوية التلامس المنخفضة على PDMS إلى نجاح العملية. ويظهر الشكل الداخلي قطرة ماء سائلة وُضعت على أحد الأعمدة المرتفعة بعد اكتمال الإجراء. وتوضح زاوية التلامس البالغة 140 درجة أن الجمع بين التباينات الفيزيائية والكيميائية يسمح بتثبيت القطرة على جوانب الأعمدة.

بمجرد تصنيع الركائز وتركيبها في حوامل المسرح الدقيق، يمكن ملء القنوات باستخدام المحقنة XY، ويظهر هنا مسرح الإزاحة Z مع مسام شقية مملوءة من منظور عمودي على عرض الدعامة المصورة. وهنا منظور متعامد مع الصورة الأولى ويكون عمودياً على طول المسام الشقية. تظهر هنا عملية ملء القناة من نفس منظور الصورة الثانية، ومن الضروري خلال مرحلة الملء توزيع السائل من المحقنة.

ببطء، يمكن للقوة الناتجة عن معدلات التدفق الكبيرة والمفاجئة أن تدفع السائل بعيداً عن قمة العمود، مما يؤدي إلى انتشاره على مناطق PDMS الكارهة للماء. وفي حال حدوث ذلك، يجب تنظيف الركائز وتجفيفها وتكرار عملية الملء. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تكوين أعمدة PDMS.

قم بتفعيلها وظيفياً باستخدام طبقات أحادية التجمع ذاتياً وقم بمحاذاتها لتشكيل جسور شعرية. لا تنسَ أن العمل باستخدام piran يمكن أن يكون خطيراً للغاية، ويتطلب اتخاذ احتياطات مثل العمل داخل خزانة استخلاص من الغازات. كما يجب ارتداء نظارات السلامة أو واقي الوجه.

يجب ارتداء معطف المختبر مع قفازات من النيوبرين بالكامل عند تنفيذ هذا الإجراء.