$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Niezwykłe właściwości elektroniczne i chemiczne, jak również wysoka wytrzymałość mechaniczna, sprawiły, że krzem (Si) jest idealnym wyborem dla urządzeń mikroelektronicznych i chipów biomedycznych1. Selektywna kontrola obszaru powierzchni krzemu spotkała się ze znacznym zainteresowaniem w zastosowaniach obejmujących urządzenia mikroprzepływowe i lab-on-chip2,3. Często uzyskuje się to albo przez modyfikację chropowatości powierzchni w skali nano, albo przez chemiczną obróbkę powierzchni4. Chropowatość powierzchni lub modelowanie w celu wytworzenia nieuporządkowanych lub uporządkowanych struktur powierzchniowych na powierzchni Si obejmuje fotolitografię5, litografię wiązką jonów6 i techniki laserowe7. W porównaniu z tymi metodami, proces laserowego teksturowania powierzchni jest mniej skomplikowany i może prowadzić do wytwarzania mikrostruktur o wysokiej rozdzielczości przestrzennej8. Jednakże, ponieważ Si ma podwyższony próg teksturowania, wymagający napromieniowania fluencją impulsów w celu wywołania teksturowania powierzchni przekraczającego próg ablacji (~500 mJ/cm2)9, teksturowanie powierzchni Si było często wspomagane przez zastosowanie reaktywnych atmosfer gazowych, takich jak atmosfera wysokociśnieniowego SF6 4,7,8. W rezultacie, aby zmodyfikować zwilżalność powierzchni Si, liczne prace koncentrowały się na obróbce chemicznej poprzez osadzanie warstw organicznych10 i nieorganicznych2 lub przy użyciu plazmy lub wiązki elektronów11,12. Uznaje się, że hydrofilowość Si wynikająca z istnienia na jej powierzchni pojedynczych i powiązanych grup OH może być osiągnięta przez gotowanie jej w roztworzeH2O2w temperaturze 100 °C przez kilkaminut13. Jednak hydrofobowe stany powierzchniowe Si, z których większość wynika z obecności grup Si-H lub Si-O-CH3, można osiągnąć przez mokrą obróbkę chemiczną, w tym trawienie roztworem kwasu HF lub powlekanie fotorezystem13-15. Aby uzyskać selektywną kontrolę obszarową zwilżalności krzemu, zwykle wymagane są złożone etapy modelowania, w tym obróbka roztworami chemicznymi16. Wysoka reaktywność chemiczna promieniowania laserowego UV została również wykorzystana do selektywnego przetwarzania obszarowego podłoży stałych pokrytych folią organiczną i modyfikowania ich zwilżalności17. Dostępne są jednak ograniczone dane na temat wspomaganej laserowo modyfikacji zwilżalności krzemu poprzez napromienianie próbek zanurzonych w różnych roztworach chemicznych.
W naszych poprzednich badaniach, laserowe naświetlanie ultra półprzewodników III-V w powietrzu18-20 i NH 3 21 zostało z powodzeniem użyte do zmiany składu chemicznego powierzchni GaAs, InGaAs i InP. Ustaliliśmy, że naświetlanie laserem UV półprzewodników III-V w wodzie dejonizowanej (DI) zmniejsza tlenki powierzchniowe i węgliki, podczas gdy woda zaadsorbowana na powierzchni półprzewodnika zwiększa się22. Silnie hydrofobową powierzchnię Si (CA~103°) uzyskano za pomocą naświetlania laserowego ArF próbek Si w metanolu w naszej ostatniej pracy 23. Jak wskazuje rentgenowska spektroskopia fotoelektronów (XPS), wynika to przede wszystkim ze zdolności lasera ArF do fotodysocjacjiCH3OH. Użyliśmy również laserów KrF i ArF do napromieniania Si (001) w 0,01%H2O2 w wodzie DI. Pozwoliło to na uzyskanie selektywnego formowania obszarowego superhydrofilowej powierzchni Si (001) charakteryzującej się CA bliskim 15°. Wyniki XPS sugerują, że jest to spowodowane wytwarzaniem wiązań Si-OH na napromieniowanej powierzchni24.
Szczegółowy opis tej nowej techniki wykorzystującej lasery KrF i ArF do selektywnej modyfikacji obszaru in situ hydrofilowej/hydrofobowej powierzchni powierzchni Si w niskim stężeniu roztworów H2O2/H2O i metanolu jest pokazany w tym artykule. Podane tutaj szczegóły powinny być wystarczające, aby umożliwić przeprowadzenie podobnych eksperymentów przez zainteresowanych badaczy.