Selektywna modyfikacja obszaru zwilżalności powierzchni krzemu za pomocą pulsacyjnego naświetlania laserem UV w środowisku ciekłym

Ogólnym celem niniejszego eksperymentu jest zademonstrowanie tworzenia powierzchni hydrofilowych i hydrofobowych na silikonie poprzez naświetlanie laserami fluorku kryptonu i fluorku argonu próbek zanurzonych w roztworach nadtlenku wodoru o niskim stężeniu lub w metanolu. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie oddziaływania laserów z półprzewodnikami dotyczące selektywnej chemicznej modyfikacji obszarów powierzchni półprzewodnika, co może znaleźć zastosowanie w biosensoryce. Główną zaletą tej techniki jest możliwość precyzyjnej kontroli właściwości powierzchni krzemu bez konieczności stosowania próżni.

Morfologia półprzewodnika. Najpierw opracowaliśmy koncepcję tej metody. Badamy proces oparty na laserze U do selektywnego tworzenia defektów powierzchniowych wykorzystywanych w technologii.

W przypadku mieszania kwantowego, wizualna demonstracja tej metody jest kluczowa, ponieważ kontrola populacji pęcherzyków powietrza w prostej komorze oraz napromieniowanie homogenizowaną wiązką lasera EXIM są stosunkowo trudnymi etapami. Aby rozpocząć, należy użyć skrybera diamentowego do rozłupania wafla krzemowego typu n z domieszką fosforu, o jednej polerowanej stronie, na próbki o wymiarach 12 mm na 6 mm i grubości 380 µm. Następnie należy oczyścić próbki, płucząc je w acetonie, a następnie w alkoholu izopropylowym przez pięć minut w każdym z tych rozpuszczalników.

Następnie trawione próbki w 0,9% roztworze kwasu fluorowodorowego przez jedną minutę, aby usunąć pierwotną warstwę tlenku, a następnie płucz je w wodzie dejonizowanej i osusz strumieniem wysokiej czystości azotu. Przechowuj przygotowane próbki w worku wypełnionym azotem, aby ograniczyć utlenianie; gdy będziesz gotowy do kontynuacji, umieść próbki w komorze o wysokości 0,74 mm. Wypełnij komorę 0,01 do 0,2% nadtlenkiem wodoru rozcieńczonym w wodzie lub metanolem DGA, a następnie zamknij komorę oknem z topionego kwarcu o wysokiej transmitancji światła UV.

Upewnij się, że wewnątrz komory nie pozostały pęcherzyki powietrza. Naświetl próbkę homogenizowaną wiązką w zaledwie dwóch miejscach na każdej próbce, zwiększając liczbę impulsów od 100 do 600 w krokach co 100 impulsów, stosując maskę okrągłą o średnicy czterech milimetrów. Następnie naświetl próbki w ten sam sposób, używając maski w kształcie liścia klonu.

Po zakończeniu procesu wypłucz próbki wodą jonizowaną, a następnie osusz je strumieniem azotu. Rozcieńcz nanosfery o średnicy 40 nanometrów, sprzężone z biotyną i znakowane fluoresceiną, w PBS do stężenia 1 × 10¹² cząsteczek na mililitr w temperaturze pokojowej. Następnie zanurz próbki naświetlone laserem fluorowym kryptonowym w tym roztworze na dwie godziny w temperaturze pokojowej. Na koniec namocz naświetlone próbki w PBS przez jedną minutę, aby usunąć z powierzchni wszelkie niezwiązane nanosfery znakowane fluoresceiną.

Należy rozpocząć od umieszczenia próbki na czystej, płaskiej powierzchni, a następnie utworzyć kroplę na końcówce mikrosyringi i powoli opuszczać ją w stronę powierzchni próbki, aż do momentu kontaktu i przeniesienia kropli na powierzchnię. Za pomocą kamery CCD należy zarejestrować i zapisać obrazy profilu kropli wody, a następnie niezależnie zmierzyć każdy kąt zwilżania w każdym z punktów naświetlania laserem. Następnie obrazy należy wczytać do programu ImageJ i wykorzystać wtyczkę do analizy kropli Drop Snake w celu oszacowania i wyciągnięcia średniej z wartości kątów zwilżania.

Zacznij od przekształcenia obrazów w obrazy w skali szarości. Następnie obrysuj kontur kropli od lewej do prawej, aby zainicjować model snake. Zatwierdź krzywą łączącą te węzły i ewoluuj ją, naciskając przycisk snake.

Powtórz ten proces dla każdej obrazowanej kropli. Oblicz średnią wartość kąta zwilżania z czterech miejsc naświetlanych laserem na różnych próbkach, aby przeprowadzić spektroskopię fotoelektronów w promieniach X. Rozpocznij od umieszczenia próbek w komorze próżniowej i wytworzenia próżni rzędu 1 × 10⁻⁹.

Następnie przeprowadź analizę powierzchni w trybach stałej energii z energią przejścia 50 eV. Wyznacz obszar o wymiarach 220 µm na 220 µm, wykorzystując emisję linii K$\alpha$ aluminium generowaną przez wiązkę elektronów o mocy 150 W. Następnie wykonaj skany o wysokiej rozdzielczości z tego samego analizowanego obszaru, stosując energię przejścia 20 eV.

Na koniec przetwórz uzyskane widma za pomocą odpowiedniego oprogramowania do ilościowego określania parametrów, zgodnie ze specyfikacjami producenta. Wyniki kąta zwilżania uzyskano po średnio 10 minutowej ekspozycji na roztwory nadtlenku wodoru. Kąt zwilżania maleje wraz ze wzrostem liczby impulsów dla wszystkich różnych stężeń nadtlenku.

Minimalny kąt zwilżania wynoszący około 15 stopni uzyskano przy użyciu roztworów nadtlenku wodoru o stężeniach 0,02% oraz 0,01% przy 500 impulsach; dane z fotoelektronowej spektroskopii rentgenowskiej wykazują, że ilości dwutlenku krzemu i wodorotlenku krzemu w miejscu naświetlanym laserem fluororkowym kryptonu są większe niż w obszarach nienaświetlanych. Ponieważ powierzchnie pokryte dwutlenkiem krzemu mają minimalny kąt zwilżania od 45 do 50 stopni, a warstwy wodorotlenku krzemu minimalny kąt zwilżania wynoszący 13 stopni, superhydrofilowa monowarstwa wodorotlenku krzemu jest najprawdopodobniej odpowiedzialna za zmniejszenie kąta zwilżania w próbkach naświetlanych.

Ponieważ nanokule fluorescencyjne powlekane biotyną unieruchamiają się preferencyjnie na hydrofobowych, nienaświetlonych powierzchniach silikonowych, wzór liścia klonu zaobserwowany na zielonym tle wskazuje obszar powierzchni silnie hydrofilowej, wytworzonej za pomocą lasera KRF. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o minimalizowaniu utleniania wynikającego z ekspozycji na powietrze oraz o ograniczaniu powstawania pęcherzyków podczas naświetlania laserem zgodnie z tą procedurą. Można by również zbadać inne metody wykorzystujące, na przykład, lampy UV w celu chemicznej modyfikacji powierzchni z uwzględnieniem właściwości materiałów.

Potencjalną zaletą tej metody jest możliwość zmiany powierzchni silikonu z hydrofobowej na hydrofilową i odwrotnie, bez konieczności wyjmowania próbki z komory procesowej. Po opanowaniu tej techniki, proces ten można zrealizować w około 30 minut, w zależności od złożoności wzoru dla selektywnej modyfikacji powietrznej. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo mieć dobrą wiedzę na temat wykorzystania światła UV lasera excymerowego do kontrolowania zwilżalności powierzchni silikonu w wybranych obszarach.

Należy pamiętać, że praca z promieniowaniem UV może być niezwykle niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury zawsze należy używać środków ochrony przed promieniowaniem UV. Ponadto praca z kwasem fluorowodorowym jest niebezpieczna i wymaga stosowania rękawic gumowych oraz osłony twarzy.