Name: Herstellung von Nanohöhenkanälen mit Oberflächen-Akustikwellenbetätigung über Lithiumniobat für akustische Nanofluidik (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-02-05T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 23 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung von Nanohöhenkanälen mit Oberflächen-Akustikwellenbetätigung auf Lithiumniobat für akustische Nanofluidik. Diese Methode ermöglicht präzise Flüssigkeitsmanipulation im Nanomaßstab.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Die Autoren danken der University of California und der NANO3-Einrichtung an der UC San Diego für die Bereitstellung von Mitteln und Einrichtungen zur Unterstützung dieser Arbeit. Diese Arbeiten wurden zum Teil an der San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) von UCSD durchgeführt, einem Mitglied der National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, die von der National Science Foundation (Grant ECCS–1542148) unterstützt wird. Die hier vorgestellte Arbeit wurde großzügig durch ein Forschungsstipendium der W.M. Keck Stiftung unterstützt. Die Autoren sind auch dankbar für die Unterstützung dieser Arbeit durch das Office of Naval Research (über Grant 12368098).

1. Nano-Höhe Kanal Maske Vorbereitung
<ol><li>Photolithographie: Mit einem Muster, das die gewünschte Form der Nanohöhenkanäle beschreibt (Abbildung 1B), verwenden Sie normale Photolithographie und Lift-off-Verfahren, um Nanohöhenvertiefungen in einem LN-Wafer zu erzeugen. Diese Depressionen werden nanoheight Kanäle bei Wafer-Bindung in einem späteren Schritt. HINWEIS: Die lateralen Abmessungen der nanoskaligen Vertiefungen sind in diesem Protokoll mikroskaliert. Elektronenstrahl- oder He/Ne-Ionenstrahl-Lithographie kann verwendet werden, um Kanäle mit nanoskaligen lateralen Abmessungen herzustellen; Ga+-basierte Ionenstrahllithographie verursacht Schwellungen und unebene Substratprofile23. Die Ausrichtung der beiden LN-Wafer sollte übereinstimmen, da sonst die thermische Belastung dazu führen kann, dass die Wafer oder die Bindung zwischen ihnen versagen.</li>
	<li>Sputterabscheidung zum Schutz von Regionen vor Trockenätzung: Legen Sie den Wafer in das Sputterabscheidungssystem. Ziehen Sie das Kammervakuum auf 5 x 10-6 mTorr herunter, lassen Sie Ar bei 2,5 mTorr fließen, und sputtern Sie Cr bei 200 W, um eine 400 nm dicke Opfermaske zu erzeugen, bei der reaktive Ionenätzung verhindert wird, wenn sie in Schritt 3 unten verwendet wird.</li>
	<li>Abheben: Den Wafer in einen Becher mit ausreichend Aceton geben, um den Wafer vollständig einzutauchen. Beschallen Sie bei mittlerer Intensität 10 min. Spülen Sie mit DI-Wasser und trocknen Sie den Wafer mit trockenem N 2-Fluss.</li>
	<li>Dicing: Verwenden Sie eine Dicing-Säge, um den gesamten Wafer in einzelne Chips mit (typischerweise) einem Nanoslit-Muster pro Chip zu würfeln. HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden.</li>
</ol>2. Nano-Höhe-Kanal-Fertigung
<ol><li>Reaktive Ionenätzung (RIE): Verwenden Sie RIE, um nanoskalige Vertiefungen in die unbedeckten Bereiche des LN-Substrats zu ätzen. Regionen, die von Opfer-Cr bedeckt bleiben, werden vor Radierung geschützt. Stellen Sie die RIE-Leistung auf 200W ein, erhitzen Sie die Kammer auf 50 °C, ziehen Sie das Kammervakuum auf 20 mTorr herunter, stellen Sie die Durchflussrate SF6 auf 10 sccm und ätzen Sie 20 min, um einen 120 nm tiefen Nanoslit in LN zu erzeugen.</li>
	<li>Lochbohren für Kanaleinlässe und Auslässe: Mit doppelseitigem Klebeband einen geätzten LN-Chip an einer kleinen Stahlplatte und die Platte an der Unterseite einer Petrischale befestigen. Die Petrischale sollte groß genug sein, um ein vollständiges Eintauchen der LN-Späne und Stahlplatte zu ermöglichen. Füllen Sie die Petrischale mit Wasser, um den Chip vollständig einzutauchen. Befestigen Sie einen Diamantbohrer mit einem Durchmesser von 0,5 mm an einer Bohrmaschine und bohren Sie mit einer hohen Drehzahl von mindestens 10.000 Umdrehungen pro Minute, um die gewünschten Ein- und Auslässe zu bearbeiten. Das Bohren durch ein 0,5 mm dickes Substrat sollte etwa 10 bis 15 s24 dauern (Abbildung 1B). HINWEIS: Das Eintauchen während des Bohrens verhindert übermäßige Lokalheizung und Partikelstau an der Bohrstelle. Andere Arten von Bohrern sind unwahrscheinlich, und Handbohren ist nach unserem Wissen nicht in irgendeiner Geschwindigkeit möglich. Es wird empfohlen, Drehgeschwindigkeiten von Bohrbit von 10.000 Umdrehungen oder mehr zu vermeiden, um eine Zerschlagung der LN zu vermeiden.</li>
	<li>Cr Nassätzung: Verwenden Sie einen Diamant-Spitzen-Gravur-Stift, um die flache, ungeätzte Fläche des gebohrten LN deutlich zu markieren, um zu verfolgen, auf welcher Seite sich der Nanohöhenkanal in den verbleibenden Schritten befindet. Sonicate die Chips in Cr etchant. HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden. Es ist äußerst schwierig zu bestimmen, welche Seite des LN-Chips die geätzte nanoskalige Depression hat, nachdem die Cr entfernt wurde. Die Beschallungszeit hängt von der Ätzrate und der Dicke der Cr-Maske ab.</li>
</ol>3. Raumtemperatur Plasma Aktivierte Verklebung
<ol><li>Lösemittelreinigung LN-Chips: Sammeln Sie Chippaare – ein SAW-Gerät (hergestellt durch normale Photolithographie, Sputterabscheidung und Abhebeprozeduren) und einen geätzten nanoskaligen Vertiefungschip – zusammen, um sie für die Bindung vorzubereiten. Tauchen Sie die Chipspaare in einen Becher Aceton in einem Beschallungsbad platziert und beschallen Sie für 2 min. Übertragen Sie die Chips zu Methanol und beschallen Sie für 1 min. Übertragen Sie die Chips auf DI-Wasser.</li>
	<li>Piranha-Reinigung: Bereiten Sie Piranha-Säure in einem Glasbecher in einer gut belüfteten Kapuze vor, die der Verwendung von Säure gewidmet ist, indem Sie H2O2 (30% in Wasser) zu H2SO4 (96%) hinzufügen. im Verhältnis 1:3. Legen Sie alle Chips in einen Teflonhalter. Legen Sie den Halter in den Becher und tauchen Sie alle Chips in die Piranha-Lösung für 10 min, dann spülen Sie die Chips und Halter sequenziell in zwei separaten DI-Wasserbädern. Trocknen Sie die Späne mit trockenem N2 und übertragen Sie sie sofort in Sauerstoff (O2) Plasma-Aktivierungsgeräte, um sie während der Handhabung bedeckt zu halten, um eine Kontamination zu vermeiden. VORSICHT: Piranha-Lösungen sind stark korrosiv, stark oxidierend und gefährlich. Befolgen Sie die spezifischen Regeln, die sie in Ihrer Einrichtung behandeln, aber achten Sie zumindest auf extreme Vorsicht und tragen Sie die richtige Sicherheitsausrüstung. Nach Abschluss der Arbeiten muss die Piranha-Lösung mindestens eine Stunde gekühlt werden, bevor sie in einen speziellen Abfallbehälter gegossen wird. HINWEIS: Es ist notwendig, die LN-Chips zweimal in zwei DI-Wasserbädern zu spülen. Wenn man sie einmal spült, hinterlässt das Rückstände, die die Bindung wahrscheinlich ruinieren werden. Goldelektroden werden für IDTs wegen ihrer guten Beständigkeit gegen Piranha-Lösung verwendet.</li>
	<li>Plasmaoberflächenaktivierung: Aktivieren Sie die Spanoberflächen mit Plasma mit 120 W Leistung, während Sie 120 sccm 120 sccm ausgesetzt sind. Übertragen Sie die Proben sofort für mindestens 2 min in ein frisches DI-Wasserbad. HINWEIS: Die Plasmaoberflächenbehandlung, gefolgt von DI-Wassereintauchen, bildet Hydroxylgruppen auf der LN-Oberfläche und erhöht ihre freie Oberflächenenergie, um später die Bindung zu fördern.</li>
	<li>Raumtemperatur-Bindung: Trocknen Sie die Proben mit trockenem N2-Fluss und legen Sie den Nanoslit-Chip vorsichtig auf den SAW-Gerätechip in der gewünschten Position. Neu ausrichten, um die gewünschte Ausrichtung zu erzeugen. Verwenden Sie dann eine Pinzette oder ähnliches, um die Probe von der Mitte nach unten zu drücken, um die Bindung zu initiieren. Drücken Sie vorsichtig nach unten in Bereichen, die nach dem ersten Druck nicht verbunden werden konnten. HINWEIS: Die Bindung kann leicht durch die transparente LN gesehen werden. Gebundene Regionen sind völlig transparent. LN, die nicht doppelseitig poliert sind, werden schwieriger zu beurteilen sein.</li>
	<li>Heizen nach dem Verkleben: Verklebte Proben in eine gefederte Klemme legen, um sie trotz thermischer Ausdehnung sicher zu belasten, und legen Sie die geklemmten Proben bei Raumtemperatur (25 °C) in einen Ofen. Stellen Sie die Heiztemperatur des Ofens auf 300 °C, die Rampenrate auf maximal 2 °C/min, die Verweilzeit auf 2 h und dann automatisch abschalten, damit er und die eingeklemmten Proben innen auf natürliche Raumtemperatur abkühlen können. HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden. Die Bindung zwischen Hydroxylgruppen erzeugt Wasser an der Bindung, und das Erhitzen entfernt das Wasser, um die Bindungsfestigkeit drastisch zu erhöhen. Bescheidene Spannkräfte sind ausreichend. Der Versuch, zwei Späne unterschiedlicher Ausrichtung oder Materialien zu binden, kann risse aufgrund einer nicht übereinstimmenden Wärmeausdehnung und daraus resultierender Belastung verursachen.</li>
</ol>4. Versuchsaufbau und -prüfung
<ol><li>Beobachtung: Beobachten Sie den Nanoslit unter einem invertierten Mikroskop. Schließen und drehen Sie einen linearen Polarisationsfilter in den optischen Pfad, um eine birefreringenzbasierte Bildverdoppelung in der LN entsprechend zu blockieren. Verwenden Sie ultrareines DI-Wasser über den Einlass, um Flüssigkeitsbewegungen im fertigen Nanoslit zu beobachten. HINWEIS: Reine Flüssigkeit wird dringend empfohlen, um Verstopfung zu verhindern, vor allem nach der Verdunstung.</li>
	<li>SAW-Betätigung: Befestigen Sie Absorber an den Enden der SAW-Vorrichtung, um reflektierte akustische Wellen zu verhindern. Verwenden Sie einen Signalgenerator, um ein sinusförmiges elektrisches Feld auf das IDT mit seiner Resonanzfrequenz von etwa 40 MHz anzuwenden. Verwenden Sie einen Verstärker, um das Signal zu verstärken. Verwenden Sie ein Oszilloskop, um die tatsächliche Spannung, den Strom und die Leistung des Geräts zu messen. Zeichnen Sie die Flüssigkeitsbewegung während der SAW-Betätigung innerhalb des Nanoschlitzes mit einer am Mikroskop befestigten Kamera auf.</li>
</ol>

<ol><li>Eijkel, J. C., Van Den Berg, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanofluidics%3A+what+is+it+and+what+can+we+expect+from+it%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Microfluidics+and+Nanofluidics%22%5BJournal%5D)">Nanofluidics: what is it and what can we expect from it?</a> Microfluidics and Nanofluidics. 1 (3), 249-267 (2005).</li>
<li>Longhurst, M. J., Quirke, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Temperature-driven+pumping+of+fluid+through+single-walled+carbon+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Temperature-driven pumping of fluid through single-walled carbon nanotubes.</a> Nano Letters. 7 (11), 3324-3328 (2007).</li>
<li>Wang, B., Král, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coulombic+dragging+of+molecules+on+surfaces+induced+by+separately+flowing+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Coulombic dragging of molecules on surfaces induced by separately flowing liquids.</a> Journal of the American Chemical Society. 128 (50), 15984-15985 (2006).</li>
<li>Insepov, Z., Wolf, D., Hassanein, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanopumping+using+carbon+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Nanopumping using carbon nanotubes.</a> Nano Letters. 6 (9), 1893-1895 (2006).</li>
<li>Gong, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+charge-driven+molecular+water+pump%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">A charge-driven molecular water pump.</a> Nature Nanotechnology. 2 (11), 709(2007).</li>
<li>Joseph, S., Aluru, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pumping+of+confined+water+in+carbon+nanotubes+by+rotation-translation+coupling%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Pumping of confined water in carbon nanotubes by rotation-translation coupling.</a> Physical Review Letters. 101 (6), 064502(2008).</li>
<li>Rinne, K. F., Gekle, S., Bonthuis, D. J., Netz, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoscale+pumping+of+water+by+AC+electric+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Nanoscale pumping of water by AC electric fields.</a> Nano Letters. 12 (4), 1780-1783 (2012).</li>
<li>Eslamian, M., Saghir, M. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+thermophoretic+particle+separators%3A+numerical+analysis+and+simulation%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Thermal+Engineering%22%5BJournal%5D)">Novel thermophoretic particle separators: numerical analysis and simulation.</a> Applied Thermal Engineering. 59 (1-2), 527-534 (2013).</li>
<li>Miansari, M., Friend, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acoustic+Nanofluidics+via+Room-Temperature+Lithium+Niobate+Bonding%3A+A+Platform+for+Actuation+and+Manipulation+of+Nanoconfined+Fluids+and+Particles%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Functional+Materials%22%5BJournal%5D)">Acoustic Nanofluidics via Room-Temperature Lithium Niobate Bonding: A Platform for Actuation and Manipulation of Nanoconfined Fluids and Particles.</a> Advanced Functional Materials. 26 (43), 7861-7872 (2016).</li>
<li>Minzioni, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Roadmap+for+optofluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Optics%22%5BJournal%5D)">Roadmap for optofluidics.</a> Journal of Optics. 19 (9), 093003(2017).</li>
<li>Connacher, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro%2Fnano+acoustofluidics%3A+materials%2C+phenomena%2C+design%2C+devices%2C+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Micro/nano acoustofluidics: materials, phenomena, design, devices, and applications.</a> Lab on a Chip. 18 (14), 1952-1996 (2018).</li>
<li>Ren, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Etching+characteristics+of+LiNbO3+in+reactive+ion+etching+and+inductively+coupled+plasma%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Etching characteristics of LiNbO3 in reactive ion etching and inductively coupled plasma.</a> Journal of Applied Physics. 103 (3), 034109(2008).</li>
<li>Winnall, S., Winderbaum, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lithium+niobate+reactive+ion+etching%5BTitle%5D)+AND+%22Defence+Science+and+Technology+Organization%22%5BJournal%5D)">Lithium niobate reactive ion etching.</a> Defence Science and Technology Organization. , Salisbury (Australia). No. DSTO-TN-0291 (2000).</li>
<li>Hu, H., Ricken, R., Sohler, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Etching+of+lithium+niobate%3A+micro-and+nanometer+structures+for+integrated+optics%5BTitle%5D)+AND+%22Topical+Meeting+Photorefractive+Materials%2C+Effects%2C+and+Devices-Control+of+Light+and+Matter%2C+Bad+Honnef%22%5BJournal%5D)">Etching of lithium niobate: micro-and nanometer structures for integrated optics.</a> Topical Meeting Photorefractive Materials, Effects, and Devices-Control of Light and Matter, Bad Honnef. , (2009).</li>
<li>Jackel, J. L., Howard, R. E., Hu, E. L., Lyman, S. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reactive+ion+etching+of+LiNbO3%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Reactive ion etching of LiNbO3.</a> Applied Physics Letters. 38 (11), 907-909 (1981).</li>
<li>Smith, S. E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Investigation+of+nanoscale+etching+and+poling+of+lithium+niobate%22">Investigation of nanoscale etching and poling of lithium niobate</a>. , Montana State University-Bozeman, College of Engineering. Doctoral dissertation (2014).</li>
<li>Tomita, Y., Sugimoto, M., Eda, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+bonding+of+LiNbO3+single+crystals+for+optical+waveguides%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Direct bonding of LiNbO3 single crystals for optical waveguides.</a> Applied Physics Letters. 66 (12), 1484-1485 (1995).</li>
<li>Howlader, M. M. R., Suga, T., Kim, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Room+temperature+bonding+of+silicon+and+lithium+niobate%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Room temperature bonding of silicon and lithium niobate.</a> Applied Physics Letters. 89 (3), 031914(2006).</li>
<li>Chang, C. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+parametric+study+of+ICP-RIE+etching+on+a+lithium+niobate+substrate%5BTitle%5D)+AND+%2210th+IEEE+International+Conference+on+Nano%2FMicro+Engineered+and+Molecular+Systems%22%5BJournal%5D)">A parametric study of ICP-RIE etching on a lithium niobate substrate.</a> 10th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. , 485-486 (2015).</li>
<li>Queste, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Deep+reactive+ion+etching+of+quartz%2C+lithium+niobate+and+lead+titanate%5BTitle%5D)+AND+%22JNTE+%28Journ%C3%A9es+Nationales+sur+les+Technologies%29+Proceedings%22%5BJournal%5D)">Deep reactive ion etching of quartz, lithium niobate and lead titanate.</a> JNTE (Journées Nationales sur les Technologies) Proceedings. , (2008).</li>
<li>Xu, J., Wang, C., Tian, Y., Wu, B., Wang, S., Zhang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Glass-on-LiNbO3+heterostructure+formed+via+a+two-step+plasma+activated+low-temperature+direct+bonding+method%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Surface+Science%22%5BJournal%5D)">Glass-on-LiNbO3 heterostructure formed via a two-step plasma activated low-temperature direct bonding method.</a> Applied Surface Science. 459, 621-629 (2018).</li>
<li>Tulli, D., Janner, D., Pruneri, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Room+temperature+direct+bonding+of+LiNbO3+crystal+layers+and+its+application+to+high-voltage+optical+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micromechanics+and+Microengineering%22%5BJournal%5D)">Room temperature direct bonding of LiNbO3 crystal layers and its application to high-voltage optical sensing.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 21 (8), 085025(2011).</li>
<li>Sridhar, M., Maurya, D. K., Friend, J. R., Yeo, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Focused+ion+beam+milling+of+microchannels+in+lithium+niobate%5BTitle%5D)+AND+%22Biomicrofluidics%22%5BJournal%5D)">Focused ion beam milling of microchannels in lithium niobate.</a> Biomicrofluidics. 6 (012819), (2012).</li>
<li>Shilton, R. J., Yeo, L. Y., Friend, J. R. Drilling inlet and outlet ports in brittle substrates. Chips and Tips. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://blogs.rsc.org/chipsandtips/2011/10/10/drilling-inlet-and-outlet-ports-in-brittle-ubstrates/?doing_wp_cron=1563672390.4860339164733886718750">http://blogs.rsc.org/chipsandtips/2011/10/10/drilling-inlet-and-outlet-ports-in-brittle-ubstrates/?doing_wp_cron=1563672390.4860339164733886718750</a> (2011).</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Die Raumtemperaturbindung ist der Schlüssel zur Herstellung von SAW-integrierten Nanoslit-Geräten. Fünf Aspekte müssen berücksichtigt werden, um eine erfolgreiche Bindung und eine ausreichende Bindungsfestigkeit zu gewährleisten.
Zeit und Leistung für die Plasmaoberflächenaktivierung Die Erhöhung der Plasmaleistung wird dazu beitragen, die Oberflächenenergie zu erhöhen und dementsprechend die Bindungsfestigkeit zu erhöhen. Aber der Nachteil der Erhöhung der Leistung während...

Der steuerbare nanoskalige Flüssigkeitstransport in Nanokanälen –Nanofluidik1– erfolgt auf den gleichen Längenskalen wie die meisten biologischen Makromoleküle und ist vielversprechend für biologische Analysen und Erfassungen, medizinische Diagnose und Materialverarbeitung. Verschiedene Designs und Simulationen wurden in der Nanofluidik entwickelt, um Flüssigkeiten und Partikelsuspensionen basierend auf Temperaturgradienten2, Coulomb Ziehen3, Oberflächenwellen4, statische elektrische Felder5,6,7und Thermophorese8 in den letzten fünfzehn Jahren zu manipulieren. Kürzlich wurde bei SAW9 gezeigt, dass es nanoskalige Flüssigkeitspumpen und -abflüsse mit ausreichendem akustischen Druck produziert, um die Dominanz von Oberflächen- und viskosen Kräften zu überwinden, die ansonsten einen effektiven Flüssigkeitstransport in Nanokanälen verhindern. Der Hauptvorteil des akustischen Streamings ist seine Fähigkeit, einen nützlichen Fluss in Nanostrukturen ohne Bedenken über die Details der Chemie der Flüssigkeits- oder Partikelsuspension zu fördern, was Geräte, die diese Technik sofort nutzen, für biologische Analysen, Erfassungen und andere physikalisch-chemische Anwendungen nützlich macht.
Die Herstellung von SAW-integrierten nanofluidischen Geräten erfordert die Herstellung der Elektroden – des interdigitalen Wandlers (IDT) – auf einem piezoelektrischen Substrat, Lithiumniobat10, um die Erzeugung des SAW zu erleichtern. Reaktive Ionenätzung (RIE) wird verwendet, um eine nanoskalige Depression in einem separaten LN-Stück zu bilden, und LN-LN-Bindung der beiden Stücke erzeugt einen nützlichen Nanokanal. Das Herstellungsverfahren für SAW-Geräte wurde in vielen Publikationen vorgestellt, ob mit normaler oder abhebter ultravioletter Photolithographie neben Metallsputations- oder Verdampfungsabscheidung11. Damit der LN RIE-Prozess einen Kanal in einer bestimmten Form ätzt, wurden die Auswirkungen auf die Ätzrate und die endgültige Oberflächenrauheit des Kanals aus der Auswahl verschiedener LN-Ausrichtungen, Maskenmaterialien, Gasfluss und Plasmaleistung untersucht12,13,14,15,16. Die Plasmaoberflächenaktivierung wurde verwendet, um die Oberflächenenergie deutlich zu erhöhen und damit die Festigkeit der Bindung in Oxiden wie LN17,18,19,20zu verbessern. Ebenso ist es möglich, LN heterogen mit anderen Oxiden wie SiO2 (Glas) über eine zweistufige plasmaaktivierte Klebemethode21zu verbinden. Insbesondere die Raumtemperatur-LN-Bindung wurde mit verschiedenen Reinigungs- und Oberflächenaktivierungsbehandlungen untersucht22.
Hier beschreiben wir detailliert den Prozess zur Herstellung von 40 MHz SAW-integrierten Nanokanälen mit einer Höhe von 100 nm, die oft als Nanoslitkanäle bezeichnet werden (Abbildung 1A). Effektive Flüssigkeitskapillarfüllung und Flüssigkeitsentleitung durch SAW-Betätigung zeigt die Gültigkeit sowohl der Nanoslit-Fertigung als auch der SAW-Leistung in einem solchen nanoskaligen Kanal. Unser Ansatz bietet ein nano-akustofluidisches System, das die Untersuchung einer Vielzahl von physikalischen Problemen und biologischen Anwendungen ermöglicht.

<table><tbody><tr><td>Absorber</td><td>Dragon Skin, Smooth-On, Inc., Macungie, PA, USA</td><td>Dragon Skin 10 MEDIUM</td><td></td></tr><tr><td>Verstärker</td><td>Mini-Schaltkreise, Brooklyn, NY, USA</td><td>ZHL&ndash; 1&ndash; 2W&ndash; S +</td><td></td></tr> <tr><td>Kamera</td><td>Nikon, Minato, Tokio, Japan</td><td>D5300</td><td></td></tr><tr><td>Entwickler</td><td>Futurrex, NJ, USA</td><td>RD6</td><td></td></tr><tr><td>Diamantspitze Gravurstift</td><td>Malco, Memphis, TN, USA</td><td>Malco A50 USA Made Hartmetall bestückt Ritze</td><td></td></tr><tr><td>Würfelsäge</td><td>Disco, Tokio, Japan</td><td>Disco Automatische Würfelsäge 3220</td><td></td></tr><tr><td>Heizofen</td><td>Carbolite, Hope Valley, Großbritannien</td><td>HTCR 6/28</td><td>Hochtemperatur-Reinraumofen - HTCR</td></tr><tr><td>Lochbohrer</td><td>Dremel, Mount Prospect, Illinois</td><td>Modell #4000</td><td>4000 Inverses Hochleistungsmikroskop mit variabler Drehzahl</td></tr><tr><td></td><td>, Irvine, CA, USA</td><td>IN480TC-FL-MF603</td><td></td></tr><tr><td>Lithiumniobat-Substrat</td><td>PMOptics, Burlington, MA, USA</td><td>PWLN-431232</td><td>4" doppelseitig poliert 0,5 mm dick 128°; Y-gedrehter Schnitt Lithiumniobat</td></tr><tr><td>Mask Aligner</td><td>Heidelberg Instruments, Heidelberg, Deutschland</td><td>MLA150</td><td></td></tr><tr><td>Nano3 Reinraumanlage</td><td>UCSD, La Jolla, CA, USA</td><td></td><td>Der Herstellungsprozess wird darin durchgeführt.</td></tr><tr><td>Negativer Fotolack</td><td>Futurrex, NJ, USA</td><td>NR9-1500PY</td><td></td></tr><tr><td>Oszilloskop</td><td>Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA</td><td>InfiniiVision 2000 X-Serie</td><td></td></tr><tr><td>Plasma-Oberflächenaktivierung</td><td>PVA TePla, Corona, CA, USA</td><td>PS100</td><td>Tepla Asher</td></tr><tr><td>Polarisationsblech</td><td>Edmund Optics, Barrington, NJ, USA</td><td>#86-182</td><td></td></tr><tr><td>RIE Ätzer</td><td>Oxford Instruments, Abingdon, Großbritannien</td><td>Plasmalab 100</td><td></td></tr><tr><td>Signalgenerator</td><td>NF Corporation, Yokohama, Japan</td><td>WF1967 Multifunktionsgenerator</td><td></td></tr><tr><td>Sputterabscheidung</td><td>Denton Vacuum, NJ, USA</td><td>Denton 18</td><td>Denton Discovery 18 Sputter System</td></tr><tr><td>Teflon-Wafer-Dipper</td><td>ShapeMaster, Ogden, IL, USA</td><td>SM4WD1</td><td>Wafer Dipper 4"</td></tr></tbody></table>

herstellung von nanohöhenkanälen mit oberflächen-akustikwellenbetätigung über lithiumniobat für akustische nanofluidik

Fabrication of Nanoheight Channels Incorporating Surface Acoustic Wave Actuation via Lithium Niobate for Acoustic Nanofluidics

Eine kontrollierte nanoskalige Manipulation von Flüssigkeiten ist aufgrund der Dominanz von Oberflächen- und Viskositätskräften als außergewöhnlich schwierig bekannt. Megahertz-Order-Oberflächen-Akustikwellengeräte (SAW) erzeugen eine enorme Beschleunigung auf ihrer Oberfläche, bis zu 108 m/s2, was wiederum für viele der beobachteten Effekte verantwortlich ist, die die Akustofluidik definieren: akustisches Streaming und akustische Strahlungskräfte. Diese Effekte wurden für Partikel-, Zell- und Flüssigkeitsmanipulationen im Mikromaßstab verwendet, obwohl SAW in jüngerer Zeit verwendet wurde, um ähnliche Phänomene im Nanomaßstab durch einen völlig anderen Satz von Mechanismen zu erzeugen. Kontrollierbare nanoskalige Flüssigkeitsmanipulation bietet eine breite Palette von Möglichkeiten in ultraschnellem Flüssigkeitspumpen und Biomakromoleküldynamik, die für physikalische und biologische Anwendungen nützlich sind. Hier zeigen wir die Nano-Höhenkanalfertigung über die mit einem SAW-Gerät integrierte Raumtemperatur-Lithiumniobat-Bindung (LN). Wir beschreiben den gesamten experimentellen Prozess einschließlich nano-höhe Kanalfertigung durch Trockenätzung, plasmaaktivierte Verklebung auf Lithiumniobat, das entsprechende optische Setup für die nachfolgende Bildgebung und SAW-Betätigung. Wir zeigen repräsentative Ergebnisse für die Flüssigkeitskapillarfüllung und das Ablassen von Flüssigkeiten in einem nanoskaligen Kanal, der durch SAW induziert wird. Dieses Verfahren bietet ein praktisches Protokoll für die Nanokanalfertigung und -integration mit SAW-Geräten, die für zukünftige Nanofluidik-Anwendungen nützlich sind.

Wir führen Flüssigkeitskapillarablage und SAW-induzierte Flüssigkeitsableitung in nano-höhe LN-Schlitzen nach erfolgreicher Herstellung und Verklebung von SAW-integrierten nanofluidischen Geräten durch. Oberflächenakustische Wellen werden von IDTs erzeugt, die durch ein verstärktes sinusförmiges Signal bei der Resonanzfrequenz von 40 MHz der IDTs betätigt werden, und die SAW breitet sich über ein piezoelektrisches LN-Substrat in den Nanoslit aus. Das Verhalten der Flüssigkeit im Nanoslit, die mit SAW interagiert, kann mi...

Wir demonstrieren die Herstellung von Nanohöhenkanälen mit der Integration von Oberflächen-Akustikwellenbetätigungsgeräten auf Lithiumniobat für akustische Nanofluidik mittels Liftoff-Photolithographie, nano-tiefen reaktiver Ionenätzung und Raumtemperatur-Plasma oberflächenaktivierte Mehrschichtbindung von Einkristall-Lithiumniobat, ein Prozess, der ähnlich nützlich ist, um Lithiumniobat mit Oxiden zu verkleben.

Herstellung von Nanohöhenkanälen mit Oberflächen-Akustikwellenbetätigung über Lithiumniobat für akustische Nanofluidik

Controlled nanoscale manipulation of fluids is known to be exceptionally difficult due to the dominance of surface and viscous forces. Megahertz-order ...

Unser Protokoll bietet eine detaillierte Fertigungsmethode für nano-Höhe-Kanäle mit Oberflächen-Akustikwellenbetätigung über Lithiumniobat für akustische Nanofluidik. Diese Technik kann verwendet werden, um Raumtemperatur Plasmaoberfläche aktiviert Multilayer-Bindung von Einkristall-Lithium-Niobat durchzuführen, ein Verfahren, das ebenso nützlich für die Bindung von Lithium-Niobat oder Siliziumdioxid und anderen Oxiden. Schmutz und Partikel sollten während der Reinigung und der Plasmaoberfläche aktivierten Prozesse entfernt werden, um einen Bindungsausfall in der Nanohöhe kanalbildung zu verhindern.Eine visuelle Demonstration dieser Methode kann den gesamten Fertigungsprozess im Detail erfassen, was zu einer klaren Darstellung des Protokolls für andere Forscher führt. Um eine Nano-Höhe-Kanalmaske vorzubereiten, legen Sie einen Wafer mit einem Muster eingeschrieben, das als normale Photolithographie in Liftoff-Verfahren konzipiert ist, in ein Sputterabscheidungssystem und ziehen Sie das Kammervakuum auf das fünffache 10 auf den negativen Sechs-Millitorr herunter. Lassen Sie Argon mit 2,5 Millitorr fließen und sputtern Sie Chrom mit 200 Watt, um innerhalb von 18 Minuten eine 400 Nanometer dicke Opfermaske zu erzeugen.Am Ende der Ablagerung den Wafer vollständig in ein Becher-Aceton-Becher tauchen und den Wafer mit mittlerer Intensität 10 Minuten lang beschallen. Am Ende der Beschallung den Wafer mit entionisiertem Wasser abspülen und den Wafer mit trockenem Stickstoffstrom trocknen. Dann verwenden Sie eine Streusäge, um den Wafer in einzelne Chips mit einem Nano-Schlitzmuster pro Chip zu teilen.Um den Nano-Höhenkanal herzustellen, legen Sie den Wafer in eine reaktive Ionenätzkammer. Stellen Sie die Kammerparameter so ein, dass ein 120 Nanometer tiefer Nanoschlitz im Lithiumniobat erzeugt wird. Um die Kanaleinlässe und Auslässe zu bohren, verwenden Sie doppelseitiges Klebeband, um eine kleine Stahlplatte an der Unterseite einer Petrischale und den geätzten Chip an der Platte zu befestigen.Füllen Sie die Schale mit Wasser, um den Chip vollständig einzutauchen und befestigen Sie einen Diamantbohrer mit einem Durchmesser von 0,5 Millimetern an einer Bohrmaschine. Dann bohren Sie mit einer Geschwindigkeit von mindestens 10.000 Umdrehungen pro Minute, um die gewünschten Ein- und Auslässe zu bearbeiten. Für Chrom-Nassätzung verwenden Sie einen Diamant-Spitzen-Gravur-Stift, um die flache, ungeätzte Oberfläche des gebohrten Lithium-Niobats deutlich zu markieren, um zu verfolgen, auf welcher Seite sich der Nanohöhenkanal befindet, und die Späne in Chrom-Etchant zu beschallen.Zur Lösemittelreinigung der Chips Chippaare, bestehend aus einem Oberflächen-Akustikwellengerät und einem geätzten nanoskaligen Vertiefungschip, platzieren und die Paare in einen Mitenker aus Aceton eintauchen, der mit einem Beschallungsbad platziert ist. Nach zwei Minuten Beschallung in Aceton die Chips in Methanol für eine Minute beschallen. Am Ende der Methanolbeschallung die Chips in entionisiertem Wasser abspülen.Als nächstes fügen Sie Wasserstoffperoxid zu Schwefelsäure im Verhältnis eins zu drei in einer gut belüfteten Haube hinzu und legen Sie alle Chips in einen Teflonhalter. Legen Sie den Halter 10 Minuten lang vorsichtig in den Becher mit Piranhasäure, bevor Sie die Chips und halter in zwei sequenziellen deionisierten Wasserbädern spülen. Nach der zweiten Spülung trocknen Sie die Späne mit trockenem Stickstoffstrom und legen Sie die Proben sofort in Sauerstoffplasma-Aktivierungsgeräte, die sie während der Handhabung bedeckt halten, um eine Kontamination zu vermeiden.Aktivieren Sie mit 120 Watt Leistung die Späne 150 Sekunden lang bei 120 Standard-Kubikzentimetern dem Sauerstoffstrom aussetzen, aktivieren Sie die Chipoberflächen mit dem Plasma. Am Ende der Aktivierung die Proben sofort für mindestens zwei Minuten in ein frisches deionisiertes Wasserbad untertauchen. Nach dem Trocknen der Späne mit trockenem Stickstofffluss legen Sie den nano-schlitzenden Chip vorsichtig auf den Oberflächen-Akustikwellen-Gerätechip in der gewünschten Position, wobei die Späne in der entsprechenden Ausrichtung ausgerichtet sind.Verwenden Sie dann eine Pinzette oder ähnliches, um die Probe von ihrem Zentrum aus nach unten zu drücken, um die Bindung zu initiieren, und übt enden sanften Druck auf Bereiche aus, die sich nach der anfänglichen Depression nicht verkleben konnten. Als nächstes legen Sie die geklebten Proben in eine gefederte Klemme, um trotz thermischer Ausdehnung sicher Lasten zu üben, und legen Sie die geklemmten Proben in einen Raumtemperaturofen. Dann stellen Sie die Ofentemperatur auf 300 Grad Celsius mit einer Rampenrate von maximal zwei Grad Celsius pro Minute mit einer Verweilzeit von zwei Stunden vor der automatischen Abschaltung.Um die Flüssigkeitsbewegung im fertigen Nanoschlitz zu beobachten, legen Sie den nano-schlitzenden Chip unter ein invertiertes Mikroskop und drehen Sie den Chip durch einen linearen Polarisationsfilter im optischen Pfad, um eine birefreringende Bildverdoppelung im Lithiumniobat entsprechend zu blockieren. Fügen Sie dann ultrareines deionisiertes Wasser in den Einlass ein und stellen Sie den Flüssigkeitsverlauf ab. Für die Oberflächen-Akustikwellenbetätigung befestigen Sie Absorber an den Enden der Oberflächen-Akustikwellenvorrichtung, um reflektierte akustische Wellen zu verhindern, und stellen Sie die Resonanzfrequenz an einem Signalgenerator auf rund 40 Megahertz ein.Verwenden Sie einen Verstärker, um das Signal zu verstärken und verwenden Sie ein Oszilloskop, um die tatsächliche Spannung, strom und Leistung des Geräts zu messen. Dann wenden Sie ein sinusförmiges elektrisches Feld auf den interdigitalen Wandler an und zeichnen Sie die Flüssigkeitsbewegung während der Betätigung innerhalb des Nanoschlitzes auf. In diesen Bildern ist die Kapillarfüllung von ultrareinem entionisiertem Wasser in einen 100 Nanometer hohen 400 Mikrometer breiten Kanal und einen 100 Nanometer hohen 40 Mikrometer breiten Kanal dargestellt.Kapillarkräfte ziehen Flüssigkeitsfüllung des gesamten Nanoschlitzes mit einem Tropfen Reinstwasser, das durch den Einlass geleitet wird, und die Füllung erfolgte aufgrund ihrer größeren Kapillarkraft schneller innerhalb des schmaleren Kanals. In diesem Experiment wurde Wasser in einem 100-Nanometer-Höhenschlitz abgelassen, um eine Wasser-Luft-Schnittstelle mit der maximalen Länge in der Mitte zu zeigen, die eine maximale akustische Energie in der Mitte des Oberflächen-Akustikwellengeräts anzeigt. Eine schwelle angewendete Leistung von etwa einem Watt ist erforderlich, um den schallenden Druck zu zwingen, größer als der Kapillardruck zu sein, um ein sichtbares Entleerungsphänomen anzutreiben.Die meisten Herstellungsverfahren sollten in einem Reinraum durchgeführt werden, um mikroskalige Partikelkontamination zu verhindern, und Flüssigkeit, die für die Füllung verwendet wird, sollte ultrarein sein, um eine Verstopfung des Nanoschlitzes zu verhindern. Unser Ansatz bietet ein nanoakustisches Fluidiksystem zur Untersuchung einer Vielzahl von physikalischen Problemen und biologischen Anwendungen im Nanomaßstab.

fabrication-nanoheight-channels-incorporating-surface-acoustic-wave

Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

In diesem Video beschreiben wir zunächst Fertigung und Operationsverfahren eines akustischen Oberflächenwellen (SAW) akustische Gegenstrom-Gerät. Wir zeigen dann einen Versuchsaufbau, der sowohl für qualitative und quantitative Visualisierung Flow Analyse von komplexen Strömungen innerhalb des SAW Pumpen Gerät ermöglicht.

Fabrication, Operation and Flow Visualization in Oberflächenschallwellen-wave-driven Acoustic-Gegenstrom Mikrofluidik

Dieses Protokoll beschreibt eine Systemarchitektur für die Durchführung automatisierter Partikeltrennungen mit kleinen Volumina (0,15–1,5 ml) unter Verwendung eines mikrofluidischen Geräts und diskutiert Methoden zur Optimierung der Leistung und des Betriebs von akustofluidischen Geräten.

Einem mikrofluidischen Plattform für Präzisions-Kleinvolumen Probenbearbeitung und seine Verwendung zur Größe Separate biologische Partikel mit einem Acoustic Microdevice

Acoustofluidic Geräte verwenden Ultraschallwellen in mikrofluidischen Kanälen zu manipulieren, zu konzentrieren und suspendierten Mikro- und nanoskopische Einheiten zu isolieren. Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung und den Betrieb einer solchen Vorrichtung bulk acoustic stehenden Wellen tragenden Teilchen in einem zentralen Strömungslinie zu konzentrieren, ohne die Hilfe von Mantelflüssigkeiten.

Herstellung und Betrieb von Acoustofluidic Devices Unterstützung Bulk-Acoustic-Standing Waves für sheathless Fokussierung der Partikel

Ein Protokoll für die Manipulation der Mikropartikel in einem mikrofluidischen Kanal mit einem Zweifrequenz-Erregung wird vorgestellt.

Mikropartikel Manipulation durch ständigen akustischen Oberflächenwellen mit Zweifrequenz-Erregungen

Zwei Herstellungstechniken, Lift-off und Nassätzung, werden bei der Herstellung von interdigitalen Elektrodenwandlern auf einem piezoelektrischen Substrat beschrieben, Lithiumniobat, das weit verbreitet ist, um Oberflächen-Akustikwellen zu erzeugen, die jetzt einen breiten Nutzen in der Mikro- bis nanoskaligen Fluidik finden. Die produzierten Elektroden werden gezeigt, um effizient Megahertz-Ordnung Rayleigh Oberflächen-Akustikwellen zu induzieren.

Herstellung von Oberflächen-Akustikwellengeräten auf Lithium-Niobat

Die Herstellung von piezoelektrischen Dickenmodus-Wandlern durch Gleichstrom-Sputtern von Plattenelektroden auf Lithiumniobat wird beschrieben. Darüber hinaus wird ein zuverlässiger Betrieb mit einem Messumformerhalter und Flüssigkeitsversorgungssystem erreicht und die Charakterisierung wird durch Impedanzanalyse, Laserdopplervibrometrie, Hochgeschwindigkeits-Bildgebung und Tröpfchengrößenverteilung mittels Laserstreuung demonstriert.

Herstellung und Charakterisierung von Piezoelektrischen Geräten für Zerstäubung und Akustofluidik

Ein Protokoll zu konstruieren und zu testen Knopfzellen Lithium-Ionen-Batterien wird beschrieben. Die besonderen Verfahren zur Herstellung einer Arbeitselektrode, eine Gegenelektrode Herstellung, Montage einer Zelle in einer Glovebox und Testen der Zelle präsentiert werden.

Bau und Erprobung von Knopfzellen von Lithium Ionen Batterien

Phase-shift Nanoemulsionen (PSNE) kann verdampft mit hoher Intensität fokussierter Ultraschall, um lokale Erwärmung und zur Verbesserung thermischen Ablation von Tumoren sein. In diesem Bericht wird die Herstellung von stabilen PSNE mit einer engen Größenverteilung beschrieben. Darüber hinaus wird der Einfluss des verdampften PSNE auf Ultraschall-vermittelte Ablation im Gewebe-ähnlichen Phantomen demonstriert.

Synthese von Phase-shift Nanoemulsionen mit enger Größenverteilung für Acoustic Droplet Vaporisation und Bubble-enhanced Ultraschall-vermittelte Ablation

Beschrieben wird ein Verfahren zum dauerhaften Verkleben von zwei Siliziumwafern, um ein einheitliches Gehäuse zu realisieren. Dazu gehören Wafervorbereitung, Reinigung, RT-Bindung und Glühprozesse. Die resultierenden gebundenen Wafer (Zellen) haben eine Gleichmäßigkeit des Gehäuses von 1%1,2. Die resultierende Geometrie ermöglicht Messungen von geschlossenen Flüssigkeiten und Gasen.

Herstellung von uniformen Nanoschuppen-Cavities über Silicon Direct Wafer Bonding

Wir berichten, dass die Beugungsgrenze der konventionellen optischen Lithographie überwunden werden kann, indem die Übergänge organischer photochromer Derivate ausgenutzt werden, die durch ihre Photoisomerisierung bei niedrigen Lichtintensitäten induziert werden. 1-3 Dieser Artikel beschreibt unsere Herstellungstechnik und zwei Verriegelungsmechanismen, nämlich: Auflösung eines Photoisomers und elektrochemische Oxidation.

Strukturierung via Optical Saturable Transitions - Herstellung und Charakterisierung

Erfahren Sie die Herstellung von Nanohöhenkanälen mit Oberflächen-Akustikwellenbetätigung auf Lithiumniobat für akustische Nanofluidik. Diese Methode ermöglicht präzise Flüssigkeitsmanipulation im Nanomaßstab.

Herstellung von Nanohöhenkanälen mit Oberflächen-Akustikwellenbetätigung über Lithiumniobat für akustische Nanofluidik

Weitere Videos entdecken