Miękka funkcjonalizacja litograficzna i modelowanie Beztlenkowy krzem i german

Summary

Tutaj opisujemy prostą metodę modelowania beztlenkowego krzemu i germanu za pomocą reaktywnych organicznych monowarstw i demonstrujemy funkcjonalizację wzorzystych substratów za pomocą małych cząsteczek i białek. Takie podejście całkowicie chroni powierzchnie przed utlenianiem chemicznym, zapewnia precyzyjną kontrolę nad morfologią cech i zapewnia łatwy dostęp do chemicznie dyskryminowanych wzorów.

Abstract

Rozwój hybrydowych urządzeń elektronicznych opiera się w dużej mierze na integracji materiałów (bio)organicznych i półprzewodników nieorganicznych poprzez stabilny interfejs, który umożliwia efektywny transport elektronów i chroni podłoża przed degradacją oksydacyjną. Półprzewodniki grupy IV mogą być skutecznie chronione za pomocą wysoce uporządkowanych samoorganizujących się monowarstw (SAM) składających się z prostych łańcuchów alkilowych, które działają jako nieprzepuszczalne bariery zarówno dla roztworów organicznych, jak i wodnych. Proste alkilowe SAM-y są jednak obojętne i nie poddają się tradycyjnym technikom modelowania. Motywacją do unieruchomienia organicznych układów molekularnych na półprzewodnikach jest nadanie powierzchni nowych funkcji, które mogą zapewnić funkcje optyczne, elektroniczne i mechaniczne, a także aktywność chemiczną i biologiczną.

Druk mikrokontaktowy (μCP) to technika miękkiej litografii do wzorowania SAM na niezliczonych powierzchniach. ^1-9 Pomimo swojej prostoty i wszechstronności, podejście to było w dużej mierze ograniczone do powierzchni z metali szlachetnych i nie zostało dobrze rozwinięte pod kątem przenoszenia wzoru na podłoża o znaczeniu technologicznym, takim jak krzem beztlenkowy i german. Ponadto, ponieważ technika ta opiera się na dyfuzji farby w celu przeniesienia wzoru z elastomeru na podłoże, rozdzielczość takiego tradycyjnego druku jest zasadniczo ograniczona do blisko 1 μ ^m.10-16

W przeciwieństwie do tradycyjnego druku, bezatramentowe wzorowanie μCP opiera się na specyficznej reakcji między podłożem unieruchomionym powierzchniowo a katalizatorem związanym ze stemplem. Ponieważ technika ta nie opiera się na dyfuzyjnym tworzeniu SAM, znacznie rozszerza różnorodność powierzchni, które można modelować. Ponadto technika bezatramentowa eliminuje ograniczenia wielkości cech narzucone przez dyfuzję molekularną, ułatwiając replikację bardzo małych (<200 nm) cech. ^17-23 Jednak do tej pory bezatramentowy μCP był używany głównie do modelowania stosunkowo nieuporządkowanych układów molekularnych, które nie chronią leżących pod nimi powierzchni przed degradacją.

Tutaj przedstawiamy prostą, niezawodną, wysokoprzepustową metodę modelowania pasywowanego krzemu i germanu za pomocą reaktywnych monowarstw organicznych i wykazujemy selektywną funkcjonalizację wzorcowych substratów zarówno małymi cząsteczkami, jak i białkami. Technika ta wykorzystuje wstępnie uformowany, reaktywny przez NHS dwuwarstwowy system na beztlenkowym krzemie i germanie. Ugrupowanie NHS jest hydrolizowane w sposób specyficzny dla wzoru za pomocą stempla akrylowego modyfikowanego kwasem sulfonowym w celu wytworzenia chemicznie odrębnych wzorów aktywnych i wolnych kwasów karboksylowych aktywowanych przez NHS. Istotnym ograniczeniem rozdzielczości wielu technik μCP jest użycie materiału PDMS, który nie ma sztywności mechanicznej niezbędnej do przenoszenia o wysokiej wierności. Aby złagodzić to ograniczenie, zastosowaliśmy polimer poliuretanowo-akrylowy, stosunkowo sztywny materiał, który można łatwo funkcjonalizować za pomocą różnych ugrupowań organicznych. Nasze podejście do modelowania całkowicie chroni zarówno krzem, jak i german przed utlenianiem chemicznym, zapewnia precyzyjną kontrolę nad kształtem i rozmiarem wzorzystych cech oraz daje łatwy dostęp do chemicznie rozróżnianych wzorów, które można dalej funkcjonalizować zarówno za pomocą cząsteczek organicznych, jak i biologicznych. Podejście to ma charakter ogólny i ma zastosowanie do innych powierzchni istotnych z technologicznego punktu widzenia.

Protocol

1A. Pierwotne tworzenie monowarstwy na krzemie

1. Pokrój wafel silikonowy na 1 cm² podłoża, odkurz i spłucz wodą i przefiltrowanym etanolem.
2. Usuń zanieczyszczenia organiczne, zanurzając podłoża silikonowe w szklanym naczyniu zawierającym pasek Nano w temperaturze 75ºC. Po 15 minutach spłucz każde podłoże dejonizowaną, przefiltrowaną wodą.
3. Umieść każde podłoże w 5% roztworze HF (uwaga: HF jest niezwykle niebezpiecznym materiałem), aby usunąć natywną warstwę tlenku. Po 5 minutach wysuszyć beztlenkowy krzem azotem
4. Aby wytworzyć chlorowany substrat, należy natychmiast zanurzyć każdy beztlenkowy kawałek krzemu w fiolce scyntylacyjnej zawierającej 2 ml nasyconego PCl₅ w chlorobenzenie. Roztwór ten należy przefiltrować do 0,2 μm.
5. Na każdej fiolce należy zamontować kondensator fiolki i umieścić je w bloku grzewczym ustawionym na 112°C na jedną godzinę.
6. Po zakończeniu reakcji pozostawić fiolki do ostygnięcia i spłukać każdą powierzchnię chlorobenzenem i wysuszyć pod przefiltrowanym azotem.
7. Aby utworzyć substrat z końcami propenylowymi, należy umieścić każdą chlorowaną powierzchnię krzemu w fiolce ciśnieniowej zawierającej 4 ml chlorku propenylomagnezu. Umieścić każdą fiolkę ciśnieniową w bloku grzewczym w temperaturze 130 °C na 24 godziny.
8. Wyjmij każdą fiolkę ciśnieniową z bloku grzewczego i pozostaw do ostygnięcia.
9. Szybko spłucz każdą powierzchnię DCM i etanolem i wysusz pod przefiltrowanym azotem.

1B. Pierwotna formacja monowarstwowa na germanie

1. Pokrój wafel germanowy na 1cm2 podłoża, odkurz i spłucz wodą i przefiltrowanym etanolem.
2. Usuń zanieczyszczenia organiczne, zanurzając powierzchnie w szklanym naczyniu zawierającym aceton na 20 minut
3. Umieść każdą powierzchnię w 10% roztworze HCl na 15 minut. Proces ten jednocześnie usuwa natywną warstwę tlenku i chloruje powierzchnię. Po 5 minutach wysuszyć podłoża azotem.
4. Aby utworzyć substrat zakończony oktylem, należy umieścić każdą chlorowaną powierzchnię germanu w fiolce ciśnieniowej zawierającej 4 ml chlorku oktylomagnezu (2 mM). Umieścić każdą fiolkę ciśnieniową w bloku grzewczym o temperaturze 130 °C na 48 godzin.
5. Wyjmij każdą fiolkę ciśnieniową z bloku grzewczego i pozostaw do ostygnięcia do temperatury pokojowej.
6. Szybko spłucz każdą powierzchnię DCM i etanolem i wysusz pod przefiltrowanym azotem.

2. Funkcjonalizacja substratów NHS na krzemie i germanach

1. Przygotować przefiltrowany 0,1 M roztwór NHS-diazyryny w czterochlorku węgla. Ostrzeżenie: Ogranicz ekspozycję na światło do minimum.
2. Odpipetować kilka kropel roztworu na powierzchnie zakończone metylem. Pozwól, aby roztwór rozprzestrzenił się na całej powierzchni.
3. Umieść powierzchnie pod lampą UV (☐= 254 nm, 4400/cm2 przy 0.74 cala). Pozwól powierzchniom reagować pod wpływem światła UV przez 30 minut, a następnie dodaj więcej NHS-diazyryny do powierzchni i pozwól reakcji postępować przez dodatkowe 30 minut.
4. Spłucz powierzchnie zmodyfikowane przez NHS DCM i etanolem i wysusz pod przefiltrowanym azotem.

3. Funkcjonalizacja małych cząsteczek

1. Substraty modyfikowane NHS reagować w 20 mM roztworze tert-butylokarbamoilu (Boc-) etylenodiaminy w dichlorometanie (DCM) przez dwie godziny w temperaturze pokojowej.
2. Po reakcji przepłukać substrat modyfikowany Boc DCM i etanolem.
3. Chronić substrat modyfikowany Boc za pomocą 25% kwasu trifluorooctowego (TFA) w DCM przez jedną godzinę w temperaturze pokojowej.
4. Powstałą powierzchnię spłukać DCM, etanolem i 10% (w/v) wodorowęglanem potasu w wodzie i wysuszyć pod przefiltrowanym azotem.
5. Przeanalizuj wszystkie powierzchnie za pomocą XPS, aby określić skład pierwiastkowy.

4. Przygotowanie kwaśnego pieczęci poliuretanowo-akrylowej (PUA)

1. Rozcieńczyć akrylan A o 30% etoksylanem trimetylopropanu triakrylanem B w celu zmniejszenia lepkości. Dodać fotoinicjatory C i D do mieszaniny reakcyjnej (rysunek 6).
2. Dodać 2-merkaptoetanosulfonian sodu (0,2 g, 1,22 mmol) do 4N roztworu HCl w dioksanie (10 ml) i mieszać w temperaturze pokojowej przez 2 minuty.
3. Odfiltrować chlorek sodu najpierw przez drobny filtr szklany, a następnie przez 0,2 μm filtr strzykawkowy z membraną PTFE, aby uzyskać klarowny roztwór kwasu 2-merkaptoetanosulfonowego w dioksanie.
4. Odparować dioksan pod zmniejszonym ciśnieniem
5. Otrzymany kwas sulfonowy należy przereagować z 2 ml prepolimerowej mieszaniny poliuretanowo-akrylowej w temperaturze pokojowej, a następnie w próżni w temperaturze 50 °C. Należy upewnić się, że mieszanina została całkowicie uwolniona z uwięzionych pęcherzyków powietrza.
6. Schłodzić otrzymany roztwór do temperatury pokojowej i polimeryzować między dwoma szklanymi szkiełkami mikroskopowymi lub szklanym szkiełkiem podstawowym i wzorcem przez wystawienie na działanie światła UV przez 2 godziny w temperaturze pokojowej.
7. Po polimeryzacji ostrożnie odklej stempel od wzorca i umyj stempel etanolem i wodą, a następnie wysusz przefiltrowanym azotem.

5. Druk katalityczny i analiza SEM/AFM

1. Umieść odpowiedni stempel poliuretanowo-akrylowy na wierzchu podłoża modyfikowanego przez NHS w temperaturze pokojowej na jedną minutę bez zewnętrznego obciążenia, które utrzymywałoby je razem.
2. Po reakcji oddziel stempel i podłoże.
3. Spłucz podłoże etanolem, wodą i etanolem, a następnie osusz przefiltrowanym azotem.
4. Opłucz stempel etanolem, wodą i etanolem, a następnie wysusz przefiltrowanym azotem.
5. Przechowuj stemple w temperaturze pokojowej przed następną aplikacją.
6. Przeanalizuj wytworzony wzór za pomocą mikroskopii bocznych sił atomowych w trybie kontaktowym (AFM) i skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM)

6. Modelowanie białek i mikroskopia fluorescencyjna

1. Zanurzyć dwufunkcyjny substrat z wzorem NHS w kwasie lizyno-N,N-diacetowym (20 mM) i Et₃N (100 mM) w DMF:H20 (1:1) w temperaturze pokojowej na 1 godzinę, a następnie spłukać wodą i etanolem.
2. Inkubować podłoża w 50 mM roztworze NiSO4 przez 5 minut w temperaturze pokojowej.
3. Nadmiernie przepłukać chelatowane substraty wodą i buforem wiążącym (20 mM NaP, 250 mM NaCl, 10 mM imidazolu, pH 7,5) i zanurzyć w przefiltrowanym roztworze GFP ( ̃40 μM) na 1 godzinę w temperaturze 0°C.
4. Natychmiast przepłukać podłoża buforem wiążącym, a następnie PBS (pH 7,4).
5. Utrzymuj substraty uwodnione w PBS w temperaturze 0°C, aż będą gotowe do analizy pod mikroskopią fluorescencyjną.

7. Modelowanie białek i mikroskopia fluorescencyjna

1. Zanurzyć dwufunkcyjny substrat z wzorem NHS w kwasie lizyno-N,N-diacenowym (20 mM) i Et₃N (100 mM) w DMF:H₂0 (1:1) w temperaturze pokojowej na 1 godzinę, a następnie spłukać wodą i etanolem.
2. Inkubować substraty w 50 mM roztworze NiSO₄ przez 5 minut w temperaturze pokojowej.
3. Nadmiernie przepłukać chelatowane substraty wodą i buforem wiążącym (20 mM NaP, 250 mM NaCl, 10 mM imidazol, pH 7,5) i zanurzyć w przefiltrowanym roztworze GFP ( ̃40 μM) na 1 godzinę w temperaturze 0°C.
4. Natychmiast przepłukać podłoża buforem wiążącym, a następnie PBS (pH 7,4).
5. Utrzymuj substraty uwodnione w PBS w temperaturze 0°C, aż będą gotowe do analizy pod mikroskopią fluorescencyjną.

8. Reprezentatywne wyniki:

Przykład miękkiego litografii katalitycznego nano wzorca jest pokazany na rysunku 7. Podejście to tworzy chemoselektywne wzory na beztlenkowym krzemie i germanie, które mogą być ortogonalnie funkcjonalizowane z różnymi ugrupowaniami chemicznymi i biologicznymi. Reakcja między substratem funkcjowanym przez NHS a katalitycznie wzorzystym stemplem prowadzi do hydrolizy ugrupowań NHS w obszarach kontaktu konforemnego, dając wzorzyste dwufunkcyjne regiony substratu zawierające aktywowane i wolne kwasy karboksylowe NHS. Ze względu na bezdyfuzyjny charakter naszej metody, osiągamy rozdzielczość zbliżoną do fotolitografii. Na przykład rysunek 7 przedstawia cechy 125 nm, które zostały równomiernie odwzorowane na całej powierzchni podłoża krzemowego. Co ciekawe, stempel katalityczny może być wielokrotnie używany bez utraty wydajności.

Chemoselektywna funkcjonalizacja wzorzystych półprzewodników z biomolekułami otwiera perspektywę integracji tradycyjnych materiałów elektronicznych z wysoce selektywnymi substratami biologicznymi do zastosowań w dziedzinie badań, diagnostyki i analizy. Przykład takiej funkcjonalizacji pokazano na rysunku 8, gdzie krzem o wzorze NHS był selektywnie funkcjonalizowany cząsteczkami białka. Wykorzystując zróżnicowane reaktywności aktywowanych i wolnych kwasów karboksylowych, najpierw przymocowaliśmy heterobifunkcjonalne łączniki zakończone kwasem nitrylotrioctowym (NTA) do regionów funkcjonalizowanych przez NHS, a następnie wykorzystaliśmy powstałą powierzchnię z wzorem NTA jako matrycę do selektywnego przyłączania GFP znakowanego heksa-histydyną. Rysunek 8b wyraźnie pokazuje różnicę intensywności fluorescencji między regionami wolnego kwasu karboksylowego modyfikowanymi i hydrolizowanymi GFP. Rozmiar i kształt powtórzonych cech są spójne zarówno między powierzchnią wzorzystą NHS (rysunek 8a), jak i powierzchnią zmodyfikowaną GFP (rysunek 8b), co potwierdza niezwykłą stabilność powierzchni pasywowanych węglem i selektywność podejścia do tłoczenia. Protokół nie ogranicza się do białka znakowanego przez Hisa i może być stosowany do modelowania innych biomolekuł, w tym DNA i przeciwciał.

Rysunek 1. Ogólny schemat przedstawiający katalityczne drukowanie mikrokontaktowe

Rysunek 2. Struktura dwuwarstwowego układu molekularnego na Ge i Si. Pierwotna monowarstwa alkilowa tworzy stabilne wiązania Ge-C lub Si-C z podłożem i zapewnia chemicznie obojętny i ściśle upakowany system, który chroni powierzchnię pod spodem przed degradacją. (b) Wtórna warstwa wierzchnia tworzy stabilne wiązania C-C z pierwotną warstwą ochronną i zapewnia końcowe grupy funkcyjne

Rysunek 3. Schematy reakcji reprezentujące tworzenie pierwotnych monowarstw ochronnych na Si (A) i Ge (B)

Rysunek 4. Funkcjonalizacja chemiczna pierwotnej monowarstwy ochronnej z heterobifunkcyjnym donorem karbenu

Rysunek 5. Schemat reakcji przedstawiający modyfikacje małych cząsteczek substratów funkcjonalizowanych przez NHS i odpowiadające im widma XPS

Rysunek 6. Skład katalitycznej mieszaniny prepolimerowej, warunki polimeryzacji i obrazy SEM wzorzystego stempla modyfikowanego kwasem sulfonowym i odpowiadającego mu wzorca PMMA-Si

Rysunek 7. Obrazy tarcia SEM i AFM wzorzystych SAM na Si i Ge z kwaśnym stemplem

Rysunek 8. Softlitograficzne modelowanie i funkcjonalizacja pasywowanego krzemu cząsteczkami organicznymi i biologicznymi. a: Obraz SEM wzorzystego podłoża zmodyfikowanego przez NHS. b: Mikrofotografia fluorescencyjna podłoża modyfikowanego GFP.

Discussion

Prezentowany protokół jest formą bezatramentowego druku mikrokontaktowego, który może być uniwersalnie stosowany na dowolnym podłożu zdolnym do obsługi prostych, dobrze uporządkowanych monowarstw. W tej metodzie katalizator unieruchomiony stemplem przenosi wzór na powierzchnię zawierającą odpowiednie grupy funkcyjne. Ponieważ proces ten nie opiera się na przenoszeniu atramentu ze stempla na powierzchnię, ograniczenie rozdzielczości dyfuzyjnej tradycyjnego i reaktywnego μCP jest wyeliminowane, co pozwala na rutynową produkcję obiektów w nanoskali. Włączenie pierwotnego, wysoce uporządkowanego układu molekularnego zapewnia pełną ochronę leżącego pod spodem półprzewodnika przed uszkodzeniem spowodowanym utlenianiem. Jednocześnie metoda wspomaga immobilizację dużych grup reaktywnych poprzez wykorzystanie wtórnej reaktywnej warstwy wierzchniej; Razem system osiąga zarówno ochronę, jak i funkcjonalność.

Technika rozpoczyna się od utworzenia stabilnych wiązań węgiel-powierzchnia, co pozwala na uzyskanie chemicznie obojętnej monowarstwy pierwotnej, która służy jako skuteczna bariera dla tworzenia się tlenków. Tworzenie wtórnej reaktywnej warstwy wierzchniej zapewnia końcowe grupy funkcjonalne NHS, które służą jako punkty przyłączeniowe dla różnych ugrupowań chemicznych i biologicznych. Ten stabilny dwuwarstwowy układ molekularny jest następnie modelowany przy użyciu naszego katalitycznego podejścia μCP. Podejście przedstawione w niniejszej pracy oferuje ogólną metodę modelowania podłoży półprzewodnikowych z szeroką gamą materiałów organicznych i biologicznych. Możliwość tworzenia wzorzystych interfejsów organiczno-półprzewodnikowych bez drogiego, skomplikowanego oprzyrządowania daje wiele możliwości w dziedzinach takich jak elektronika, nanotechnologia, biochemia i biofizyka.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Spektrometr XPS	Kratos Analityczny
mikroskop sił atomowych	Veeco Instruments, Inc.
Mikroskop SEM-FEG	FEI
Mikroskop fluorescencyjny	Carl Zeiss, Inc.
Blok grzewczy	VWR international
Pompa próżniowa	BOC Edwards
System oczyszczania wody	EMD Millipore
TESP sondy krzemowe	Veeco Instruments, Inc.
Silikonowe
fiolki ciśnieniowe	Kolektor
	Lampa
	chemicznego UVP Inc.
Materiał stempla	Zobacz referencje 20 i 18
Filtry strzykawkowe PFTE	VWR international
Nano Strip	Cyantek Corporation
HCl	Sigma-Aldrich
Etanol	Sigma-Aldrich
Aceton	Sigma-Aldrich
HF	Sigma-Aldrich
Chlorobenzen	Sigma-Aldrich
PCl5	Sigma-Aldrich
Propenyl Chlorek magnezu	Sigma-Aldrich
Octyl Chlorek magnezu	Sigma-Aldrich Tetrachlorek węgla Sigma-Aldrich
Boc chroniony etylenodiamina	Sigma-Aldrich
TFA	Sigma-Aldrich
Sód 2-merkopt– tanesulfonian	Sigma-Aldrich
4N HCl roztwór w dioksanie	Sigma-Aldrich
Lizyna-N,N-kwas diacenowy	Sigma-Aldrich
Et3N	Sigma-Aldrich
DMF	Sigma-Aldrich
NiSO4	Sigma-Aldrich
NaP	Sigma-Aldrich
NaCl	Sigma-Aldrich
imidazol	Sigma-Aldrich
PBS	Sigma-Aldrich