انتقائية المساحة تعديل السيليكون بلل السطح بواسطة الليزر النبضي للأشعة فوق البنفسجية تشعيع في البيئة السائلة

الهدف العام من هذه التجربة هو توضيح تكوين أسطح محبة للماء وأسطح كارهة للماء على السيليكون عن طريق التشعيع بليزر فلوريد الكريبتون وفلوريد الأرجون لعينات مغمورة في محاليل منخفضة التركيز من بيروكسيد الهيدروجين أو الميثانول. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على بعض الأسئلة الرئيسية في مجال التفاعل بين الليزر وأشباه الموصلات فيما يتعلق بالتعديل الكيميائي الانتقائي لمناطق محددة من سطح شبه الموصل، وهو ما قد يكون مناسباً لتطبيقات الاستشعار الحيوي. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية في إمكانية تطبيقها للتحكم الدقيق في حيوية سطح السيليكون دون الحاجة إلى تفريغ السطح من الهواء.

مورفولوجيا أشباه الموصلات. كانت لدينا الفكرة الأولى لهذه الطريقة، حيث نقوم بدراسة عملية تعتمد على الليزر لتكوين مناطق انتقائية من عيوب السطح المستخدمة في هذه التقنية.

والآن، فيما يتعلق بالتداخل الكمي السيئ، يعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمراً بالغ الأهمية، حيث أن التحكم في تعداد جيوب الهواء في الغرفة البسيطة والإشعاع باستخدام الحزمة المتجانسة من ليزر EXIM يمثلان خطوات صعبة نسبياً. للبدء، استخدم مخرزاً ماسياً لشق رقاقة سيليكون مطعمة بالفوسفور من النوع النهائي وبجانب واحد مصقول إلى عينات بمقاس 12 millimeter في 6 millimeter وبسمك 380 microns. بعد ذلك، قم بتنظيف العينات عن طريق شطفها في الأسيتون، ثم في كحول الإيزوبروبيل لمدة خمس دقائق لكل منهما.

بعد ذلك، قم بنقش العينات في محلول حمض الهيدروفلوريك بتركيز 0.9% لمدة دقيقة واحدة لإزالة الأكسيد الأولي، ثم اشطفها بالماء منزوع الأيونات وجففها بتيار من النيتروجين عالي النقاء. احفظ العينات المجهزة في كيس مملوء بالنيتروجين للحد من الأكسدة، وعندما تصبح جاهزاً للمتابعة، ضع العينات في غرفة يبلغ ارتفاعها 0.74 millimeter. املأ الغرفة ببيروكسيد الهيدروجين بتركيز يتراوح من 0.01 إلى 0.2% مخففاً في الماء أو بميثانول DGAs، ثم أغلق الغرفة بنافذة من السيليكا المنصهرة ذات نفاذية عالية للأشعة فوق البنفسجية UV.

تأكد من عدم وجود جيوب هوائية داخل الغرفة. قم بتسليط الإشعاع على العينة باستخدام حزمة متجانسة في موقعين فقط على كل عينة، وذلك بزيادة عدد النبضات من 100 إلى 600 بزيادة قدرها 100 نبضة في كل خطوة من خلال قناع دائري قطره أربعة مليمترات. بعد ذلك، قم بتسليط الإشعاع على العينات بنفس الطريقة باستخدام قناع على شكل ورقة القيقب.

عند الانتهاء، اشطف العينات بالماء المتأين ثم جففها بتيار من النيتروجين، وقم بتخفيف الكرات النانوية ذات القطر 40 nanometer والمقترنة بالبيوتين والمصبوغة بالفلوريسين باستخدام PBS لتصل إلى 1×10¹² جسيم per milliliter في درجة حرارة الغرفة. بعد ذلك، اغمر العينات التي تعرضت للإشعاع بليزر فلوريد الكريبتون في هذا المحلول لمدة ساعتين في درجة حرارة الغرفة. ثم انقع العينات المشععة في PBS لمدة دقيقة واحدة لإزالة أي كرات نانوية مصبوغة بالفلوريسين غير مرتبطة من على السطح.

ابدأ بوضع العينة على سطح مستوٍ ونظيف، ثم شكل قطرة عند طرف المحقنة الدقيقة وقم بخفضها ببطء نحو سطح العينة حتى تلامسه وتنتقل إليه. باستخدام كاميرا CCD، قم بالتقاط وحفظ صور جانبية لقطرة الماء، وقس كل زاوية تلامس بشكل مستقل عند كل موقع من مواقع الليزر. بعد ذلك، قم بتحميل الصور في برنامج Image J واستخدم ملحق تحليل القطرات drops snake لتقدير وحساب متوسط قيم زاوية التلامس.

ابدأ بتحويل الصور إلى صور بتدرج رمادي. بعد ذلك، حدد الخط الخارجي لمحيط القطرة من اليسار إلى اليمين لتهيئة الثعبان (snake). اقبل المنحنى الذي يربط هذه العقد وقم بتطوير المنحنى بالضغط على زر الثعبان (snake).

كرر هذه العملية لكل قطرة تم تصويرها. احسب متوسط قيمة زاوية التلامس من أربعة مواقع تعرضت للإشعاع بالليزر في عينات مختلفة لإجراء مطيافية photo electron spectroscopy بالأشعة السينية. ابدأ بتحميل العينات في غرفة التفريغ وسحب تفريغ يصل إلى 1 × 10⁻⁹.

بعد ذلك، يتم الحصول على بيانات مسح السطح في أوضاع الطاقة الثابتة بجهد مرور يبلغ 50 electron volt. يتم استهداف منطقة بمقاس 220 microns في 220 microns باستخدام انبعاث aluminum K alpha الناتج عن شعاع إلكتروني بقدرة 150 watt. بعد ذلك، يتم الحصول على مسوحات عالية الدقة من نفس المنطقة التي تم تحليلها باستخدام جهد مرور يبلغ 20 electron volt.

أخيرًا، قم بمعالجة الأطياف المكتسبة باستخدام برنامج القياس الكمي المناسب وفقًا لمواصفات الشركة المصنعة. تم الحصول على نتائج زاوية التلامس هذه بعد تعريض متوسط مدته 10 minute لمحاليل بيروكسيد الهيدروجين. تتناقص زاوية التلامس مع زيادة عدد النبضات لجميع تركيزات البيروكسيد المختلفة.

تم الحصول على الحد الأدنى لزاوية التلامس، والتي بلغت حوالي 15 درجة، باستخدام محاليل بيروكسيد الهيدروجين بتركيز 0.02% و0.01% عند 500 نبضة؛ وتظهر بيانات مطيافية الضوء الإلكتروني للأشعة السينية (x-ray photo electron spectroscopy) أن كميات ثاني أكسيد السيليكون وهيدروكسيد السيليكون في الموقع المشع بواسطة ليزر فلوريد الكريبتون أكبر منها في المناطق غير المشعة. وبما أن الأسطح المطلية بثاني أكسيد السيليكون لها حد أدنى لزاوية التلامس يتراوح بين 45 درجة و50 درجة، وطبقات هيدروكسيد السيليكون لها حد أدنى لزاوية التلامس يبلغ 13 درجة، فإن الطبقة الأحادية من هيدروكسيد السيليكون فائقة المحبّة للماء هي المسؤول المرجح عن انخفاض زاوية التلامس في العينات المشعة.

بما أن الكريات النانوية الفلورية المطلية بالبيوتين تترسب بشكل مفضل على أسطح السيليكون الكارهة للماء وغير المشعة، فإن نمط ورقة القيقب الملاحظ على الخلفية الخضراء يشير إلى منطقة السطح شديد المحبة للماء الذي تم تصنيعه بواسطة ليزر KRF. وأثناء تنفيذ هذا الإجراء، من المهم تذكر تقليل الأكسدة الناتجة عن التعرض للهواء والحد من تكوّن الفقاعات أثناء التشعيع بالليزر باتباع هذا الإجراء. كما يمكن استقصاء طرق أخرى تستخدم، على سبيل المثال، مصابيح UV لتعديل السطح كيميائياً وفقاً لقدرات المواد.

تكمن الميزة المحتملة لهذه الطريقة في قدرتها على تحويل سطح السيليكون من كاره للماء إلى محب للماء والعكس صحيح دون إخراج العينة من غرفة المعالجة. وبمجرد إتقان هذه التقنية، يمكن إكمال العملية في غضون 30 دقيقة تقريبًا، اعتمادًا على تعقيد النمط المطلوب للتعديل الهوائي الانتقائي. لذا، بعد مشاهدة هذا الفيديو، سيكون لديك فهم جيد لكيفية استخدام الأشعة فوق البنفسجية لليزر الإكسيمر للتحكم في خاصية سطح السيليكون ضمن مناطق مختارة.

لا تنسَ أن العمل باستخدام الأشعة فوق البنفسجية (UV) قد يكون خطيراً للغاية، لذا يجب دائماً ارتداء معدات الوقاية من الأشعة فوق البنفسجية عند تنفيذ هذا الإجراء. كما أن العمل بحمض الهيدروفلوريك أمر خطير ويتطلب ارتداء قفازات مطاطية ومعدات واقية للوجه.