Name: Wytwarzanie kanałów o nanowysokości wykorzystujących aktywację powierzchniowej fali akustycznej za pomocą niobianu litu w nanofluidyce akustycznej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-02-05T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 23 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania kanałów o nanowysokości z aktywacją powierzchniowej fali akustycznej na niobianie litu. Technika obejmuje wiązanie wielowarstwowe aktywowane plazmą w temperaturze pokojowej.

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

Autorzy są wdzięczni Uniwersytetowi Kalifornijskiemu i ośrodkowi NANO3 na UC San Diego za udostępnienie funduszy i udogodnień na wsparcie tej pracy. Prace te zostały częściowo przeprowadzone w San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) UCSD, członka National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, która jest wspierana przez National Science Foundation (Grant ECCS–1542148). Prezentowana tu praca została hojnie wsparta grantem badawczym Fundacji W.M. Keck. Autorzy są również wdzięczni za wsparcie tej pracy przez Biuro Badań Marynarki Wojennej (za pośrednictwem Granta 12368098).

1. Przygotowanie maski kanału o nano-wysokości
<ol>
	<li>Fotolitografia: Za pomocą wzoru opisującego pożądany kształt kanałów nanowysokości (<silna klasa="xfig">Rysunek 1B), użyj normalnych procedur fotolitografii i lift-offu, aby wytworzyć nanowysokie wgłębienia w płytce LN. Te wgłębienia staną się kanałami o nanowysokości po związaniu płytki w późniejszym etapie. 
	UWAGA: W tym protokole wymiary boczne wgłębień w nanoskali są w mikroskali. Litografia wiązką elektronów lub litografią wiązką jonów He/Ne może być stosowana do wytwarzania kanałów o wymiarach bocznych w nanoskali; Litografia wiązką jonów na bazie Ga+ powoduje pęcznienie i nierówne profile podłoża23. Orientacja dwóch płytek LN powinna być dopasowana, w przeciwnym razie naprężenia termiczne mogą spowodować uszkodzenie płytek lub połączenia między nimi.</li>
	<li>Napylanie w celu ochrony obszarów przed wytrawianiem na sucho: Umieść wafel w systemie napylania. Zmniejsz próżnię w komorze do 5 x 10-6 mTorr, pozwól Ar płynąć z prędkością 2.5 mTorr i rozpylaj Cr z mocą 200 W, aby uzyskać maskę protektorową o grubości 400 nm, w której zapobiegnie reaktywne trawienie jonowe, gdy zostanie użyte w kroku 3 poniżej.</li>
	<li>Podnoszenie: Przenieś wafel do zlewki z wystarczającą ilością acetonu, aby całkowicie zanurzyć wafel. Sonikacja o średniej intensywności przez 10 min. Spłucz wodą DI i osusz wafel suchym strumieniemN2.</li>
	<li>Krojenie w kostkę: Użyj piły do krojenia w kostkę, aby pokroić całą płytkę w pojedyncze wióry z (zazwyczaj) jednym wzorem nanoszczeliny na wiór. 
	UWAGA: W tym miejscu protokół można wstrzymać.</li>
</ol>
2. Produkcja kanałów o nano-wysokości
<ol>
	<li>Reaktywne trawienie jonowe (RIE): Użyj RIE do wytrawienia nanoskalowych wgłębień w odkrytych obszarach podłoża LN. Obszary pokryte protektorowym Cr będą chronione przed wytrawianiem. Ustaw moc RIE na 200 W, podgrzej komorę do 50 °C, zmniejsz próżnię w komorze do 20 mTorr, ustaw natężenie przepływu SF6 na 10 sccm i wytrawiaj przez 20 minut, aby uzyskać nanoszczelinę o głębokości 120 nm w LN.</li>
	<li>Wiercenie otworów na wloty i wyloty kanałów: Za pomocą taśmy dwustronnej przymocuj wytrawiony chip LN do małej stalowej płytki, a płytkę do dna szalki Petriego. Szalka Petriego powinna być wystarczająco duża, aby umożliwić całkowite zanurzenie wióra LN i stalowej płyty. Napełnij szalkę Petriego wodą, aby całkowicie zanurzyć wiór. Przymocuj wiertło diamentowe o średnicy 0,5 mm do wiertarki i wierc z dużą prędkością co najmniej 10 000 obr./min, aby obrabiać żądane wloty i wyloty. Wiercenie w podłożu o grubości 0,5 mm powinno zająć około 10 do 15 s24 (Rysunek 1B). 
	UWAGA: Zanurzenie podczas wiercenia zapobiega nadmiernemu miejscowemu nagrzewaniu i zakleszczaniu się cząstek stałych w miejscu wiercenia. Inne rodzaje wierteł raczej nie będą działać, a wiercenie ręczne nie jest możliwe przy żadnej prędkości, o ile nam wiadomo. Zalecane są prędkości obrotowe wiertła 10 000 obr./min lub większe, aby uniknąć rozbicia LN.</li>
	<li>Wytrawianie na mokro Cr: Użyj pisaka do grawerowania z diamentową końcówką, aby wyraźnie zaznaczyć płaską, pozbawioną siatki powierzchnię wywierconego LN, aby śledzić, po której stronie znajduje się kanał nanowysokości w pozostałych krokach. Sonizować wióry w Cr etchant. 
	UWAGA: W tym miejscu protokół można wstrzymać. Niezwykle trudno jest określić, po której stronie chipa LN występuje wytrawione wgłębienie w nanoskali po usunięciu Cr. Czas sonikacji zależy od szybkości trawienia i grubości maski Cr.</li>
</ol>
3. Łączenie plazmowe aktywowane plazmą w temperaturze pokojowej
<ol>
	<li>Chipy LN do czyszczenia rozpuszczalnikiem: Zbierz pary chipów - jedno urządzenie SAW (wytworzone za pomocą normalnej fotolitografii, napylania i procedur lift-off) i jeden wytrawiony nanoskalowy chip depresyjny - razem, aby przygotować je do klejenia. Zanurz pary chipsów w zlewce z acetonem umieszczonej w kąpieli dźwiękowej i poddaj sonikacji przez 2 minuty. Przenieś wióry do metanolu i poddaj sonikacji przez 1 minutę. Przenieś frytki do wody DI.</li>
	<li>Czyszczenie piranii: Kwas piraniowy przygotować w szklanej zlewce w dobrze wentylowanym kapturze, przeznaczonej do stosowania kwasu, dodającH2O2(30% w wodzie) do H2SO4(96%) w stosunku 1:3. Umieść wszystkie frytki w teflonowym uchwycie. Umieść uchwyt w zlewce i zanurz wszystkie frytki w roztworze piranii na 10 minut, a następnie opłucz frytki i uchwyt kolejno w dwóch oddzielnych kąpielach wodnych DI. Wysuszyć wióry suchymN2 i natychmiast przenieść je do urządzenia do aktywacji plazmy tlenowej (O2), przykrywając je podczas przenoszenia, aby uniknąć zanieczyszczenia. 
	UWAGA: Roztwory piranii są silnie, silnie utleniające i niebezpieczne. Postępuj zgodnie z konkretnymi zasadami postępowania z nimi w Twojej instytucji, ale przynajmniej zachowaj szczególną ostrożność i noś odpowiedni sprzęt ochronny. Po zakończeniu pracy roztwór piranii należy schłodzić przez co najmniej godzinę przed wlaniem do specjalnego pojemnika na odpady. 
	UWAGA: Konieczne jest dwukrotne wypłukanie wiórów LN w dwóch kąpielach wodnych DI. Jednorazowe płukanie pozostawia osady, które prawdopodobnie zrujnują wiązanie. Złote elektrody są używane do IDT ze względu na ich dobrą odporność na roztwór piranii.</li>
	<li>Aktywacja powierzchni plazmy: Aktywuj powierzchnie chipów za pomocą plazmy o mocy 120 W, będąc wystawionym na przepływO2 przy 120 sccm przez 150 s. Natychmiast przenieś próbki do świeżej łaźni wodnej DI na co najmniej 2 min. 
	UWAGA: Plazmowa obróbka powierzchniowa, po której następuje zanurzenie w wodzie DI, utworzy grupy hydroksylowe na powierzchni LN, zwiększając jego swobodną energię powierzchniową, aby później promować wiązanie.</li>
	<li>Klejenie w temperaturze pokojowej: Wysuszyć próbki suchym przepływem N2 i ostrożnie ułożyć chip nanoszczelinowy na chipie urządzenia SAW w żądanej pozycji. Wyrównaj ponownie, aby uzyskać żądaną orientację. Następnie użyj pęsety lub podobnego narzędzia, aby docisnąć próbkę od jej środka, aby zainicjować wiązanie. Delikatnie dociśnij w miejscach, które nie związały się po początkowym pchnięciu. 
	UWAGA: Klejenie można łatwo zobaczyć przez przezroczysty LN. Regiony wiązane są całkowicie przezroczyste. LN, który nie jest obustronnie polerowany, będzie trudniejszy do oceny.</li>
	<li>Ogrzewanie po klejeniu: Umieścić połączone próbki w sprężynowym zacisku, aby bezpiecznie wywierać na niego obciążenia pomimo rozszerzalności cieplnej, a następnie umieścić zaciśnięte próbki w piecu w temperaturze pokojowej (25 °C). Ustaw temperaturę grzania piekarnika na 300 °C, szybkość narastania na maksimum 2 °C/min, czas przebywania na 2 godziny, a następnie automatycznie wyłącz, aby umożliwić mu i zaciśniętym w środku próbkom naturalne ochłodzenie do temperatury pokojowej. 
	UWAGA: W tym miejscu protokół można wstrzymać. Wiązanie między grupami hydroksylowymi wytwarza wodę w wiązaniu, a ogrzewanie usuwa wodę, aby drastycznie zwiększyć siłę wiązania. Wystarczą niewielkie siły mocowania. Próba połączenia dwóch wiórów o różnych orientacjach lub materiałach może spowodować pęknięcia z powodu niedopasowanej rozszerzalności cieplnej i wynikających z niej naprężeń.</li>
</ol>
4. Konfiguracja eksperymentalna i testowanie
<ol>
	<li>Obserwacja: Obserwuj nanowszczelinę pod odwróconym mikroskopem. Dołącz i obróć liniowy filtr polaryzacyjny w torze optycznym, aby odpowiednio zablokować podwojenie obrazu oparte na dwójłomności w LN. Użyj ultraczystej wody demineralizowanej przez wlot, aby obserwować ruch płynu w ukończonej szczelinie nanoszczelinowej. 
	UWAGA: Zdecydowanie zaleca się stosowanie ultraczystej cieczy, aby zapobiec zatykaniu, zwłaszcza po odparowaniu.</li>
	<li>Aktywacja SAW: Zamocuj absorbery na końcach urządzenia SAW, aby zapobiec odbiciu fal akustycznych. Użyj generatora sygnału, aby przyłożyć sinusoidalne pole elektryczne do IDT o częstotliwości rezonansowej około 40 MHz. Użyj wzmacniacza, aby wzmocnić sygnał. Użyj oscyloskopu, aby zmierzyć rzeczywiste napięcie, prąd i moc przyłożoną do urządzenia. Rejestruj ruch płynu podczas aktywacji SAW w nanoszczelinie za pomocą kamery dołączonej do mikroskopu.</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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Klejenie w temperaturze pokojowej jest kluczem do wytwarzania urządzeń nanoszczelinowych zintegrowanych z SAW. Aby zapewnić skuteczne wiązanie i wystarczającą siłę wiązania, należy wziąć pod uwagę pięć aspektów.
Czas i moc aktywacji powierzchni plazmy Zwiększenie mocy plazmy pomoże zwiększyć energię powierzchniową i odpowiednio zwiększyć siłę wiązania. Jednak wadą zwiększania mocy podczas aktywacji powierzchni plazmy jest wzrost chropowatości powierzchni, co może niekorzy...

Kontrolowany nanoskalowy transport płynów w nanokanałach - nanofluidics1 - występuje w tych samych skalach długości, co większość makrocząsteczek biologicznych i jest obiecujący dla analizy biologicznej i detekcji, diagnostyki medycznej i przetwarzania materiałów. W nanofluidyce opracowano różne projekty i symulacje do manipulowania płynami i zawiesinami cząstek w oparciu o gradienty temperatury2, Coulomb dragging3, fale powierzchniowe4, statyczne pola elektryczne5,6,7, oraz termoforeza8 w ciągu ostatnich piętnastu lat. Ostatnio pokazano, że SAW 9 wytwarza pompowanie i opróżnianie płynów w nanoskali z wystarczającym ciśnieniem akustycznym, aby przezwyciężyć dominację sił powierzchniowych i lepkich, które w przeciwnym razie uniemożliwiają efektywny transport płynów w nanokanałach. Kluczową zaletą strumieniowania akustycznego jest jego zdolność do kierowania użytecznym przepływem w nanostrukturach bez obaw o szczegóły składu chemicznego zawiesiny płynu lub cząstek, co sprawia, że urządzenia wykorzystujące tę technikę są natychmiast przydatne w analizie biologicznej, wykrywaniu i innych zastosowaniach fizykochemicznych.
Produkcja zintegrowanych z SAW urządzeń nanofluidycznych wymaga produkcji elektrod - przetwornika międzypalcowego (IDT) - na podłożu piezoelektrycznym, niobianu litu10, aby ułatwić generowanie SAW. Reaktywne trawienie jonowe (RIE) służy do tworzenia wgłębienia w skali nano w oddzielnym kawałku LN, a wiązanie LN-LN dwóch części tworzy użyteczny nanokanał. Proces wytwarzania urządzeń SAW został przedstawiony w wielu publikacjach, zarówno przy użyciu normalnej, jak i lift-off fotolitografii ultrafioletowej wraz z napylaniem metalu lub osadzaniem przez parowanie11. W przypadku procesu LN RIE w celu wytrawienia kanału w określonym kształcie, zbadano wpływ wyboru różnych orientacji LN, materiałów maski, przepływu gazu i mocy plazmy na szybkość wytrawiania i końcową chropowatość powierzchni kanału12,13,14,15,16. Aktywacja powierzchni plazmy została wykorzystana do znacznego zwiększenia energii powierzchniowej, a tym samym poprawy siły wiązania w tlenkach, takich jak LN17,18,19,20. Możliwe jest również niejednorodne wiązanie LN z innymi tlenkami, takimi jak SiO2 (szkło) za pomocą dwuetapowej metody wiązania aktywowanego plazmą21. Klejenie LN-LN w temperaturze pokojowej zostało w szczególności zbadane przy użyciu różnych zabiegów czyszczenia i aktywacji powierzchni22.
Tutaj szczegółowo opisujemy proces wytwarzania nanokanałów o wysokości 100 nm zintegrowanych z SAW 40 MHz, często nazywanych kanałami nanoszczelinowymi (<silna klasa="xfig">Rysunek 1A). Skuteczne napełnianie kapilar płynów i odprowadzanie płynu za pomocą aktywacji SAW pokazuje zasadność zarówno wytwarzania nanoszczelin, jak i wydajności SAW w takim kanale w nanoskali. Nasze podejście obejmuje system nano-akustofluidyczny umożliwiający badanie różnych problemów fizycznych i zastosowań biologicznych.

<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>Amplifier</td><td>Mini-Circuits, Brooklyn, Nowy Jork, USA</td><td>ZHL&ndash; 1&ndash; 2W&ndash; S+</td><td></td></tr><tr><td>Camera</td><td>Nikon, Minato, Tokio, Japonia</td><td>D5300</td><td></td></tr><tr><td>Developer</td><td>Futurrex, NJ, USA</td><td>RD6</td><td></td></tr><tr><td>Długopis do grawerowania z diamentową końcówką</td><td>Malco, Memphis, TN, USA</td><td>Malco A50 Wyprodukowana w USA piła do</td> krojenia w <td></td>kostkę z węglika spiekanego</tr><tr><td></td><td>Disco, Tokio, Japonia</td><td>Dyskotekowa automatyczna piła do krojenia w kostkę 3220</td><td></td></tr><tr><td>Piec grzewczy</td><td>Carbolite, Hope Valley, Wielka Brytania</td><td>HTCR 6/28</td><td>Wysokotemperaturowy piekarnik do pomieszczeń czystych - Wiertarka otworów HTCR</td></tr><tr><td></td><td>Dremel, Mount Prospect, Illinois</td><td>Model #4000</td><td>4000 Wysokowydajny mikroskop obrotowy</td></tr><tr><td>odwrócony</td> o zmiennej prędkości <td>Amscope, Irvine, CA, USA</td><td>IN480TC-FL-MF603</td><td></td></tr><tr><td>Podłoże z niobianu litu</td><td>PMOptics, Burlington, MA, USA</td><td>PWLN-431232</td><td>4" obustronnie polerowane o grubości 0,5 mm 128&deg; Nakładka na maskę z niobianu litu obracanego w kształcie litery Y</td></tr><tr><td></td><td>Heidelberg Instruments, Heidelberg, Niemcy</td><td>MLA150</td><td></td></tr><tr><td>Nano3 pomieszczenie czyste</td><td>UCSD, La Jolla, CA, USA</td><td></td><td>W nim odbywa się proces produkcji.</td></tr><tr><td>Fotorezystor ujemny</td><td>Futurrex, NJ, USA</td><td>NR9-1500PY</td><td></td></tr><tr><td>Oscyloskop</td><td>Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA</td><td>InfiniiVision 2000 X-Series</td><td></td></tr><tr><td>Plazmowa aktywacja powierzchniowa</td><td>PVA TePla, Corona, CA, USA</td><td>PS100</td><td>Tepla</td></tr><tr><td>Asher Arkusz polaryzacyjny</td><td>Edmund Optics, Barrington, NJ, USA</td><td>#86-182</td><td></td></tr><tr><td>RIE wytrawiacz</td><td>Oksford Instrumenty, Abingdon, Wielka Brytania</td><td>Plasmalab 100</td><td></td></tr><tr><td>Generator sygnału</td><td>NF Corporation, Jokohama, Japonia</td><td>Wielofunkcyjny generator</td><td></td>WF1967</tr><tr><td>Napylanie napylania</td><td>Denton Vacuum, NJ, USA</td><td>Denton 18</td><td>System napylania Denton Discovery 18</td></tr><tr><td>Łyżka do wafli teflonowych</td><td>ShapeMaster, Ogden, IL, USA</td><td>SM4WD1</td><td>Łyżka waflowa 4"</td></tr></tbody></table>

wytwarzanie kanałów o nanowysokości wykorzystujących aktywację powierzchniowej fali akustycznej za pomocą niobianu litu w nanofluidyce akustycznej

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

Kontrolowane manipulowanie płynami w nanoskali jest wyjątkowo trudne ze względu na dominację sił powierzchniowych i lepkich. Urządzenia do powierzchniowych fal akustycznych megahercowych (SAW) generują ogromne przyspieszenie na swojej powierzchni, do 108 m/s2, co z kolei odpowiada za wiele obserwowanych efektów, które zdefiniowano akustofluidykę: strumienie akustyczne i siły promieniowania akustycznego. Efekty te zostały wykorzystane do manipulacji cząsteczkami, komórkami i płynami w mikroskali, chociaż ostatnio SAW został wykorzystany do wytworzenia podobnych zjawisk w nanoskali za pomocą zupełnie innego zestawu mechanizmów. Kontrolowana manipulacja płynami w nanoskali oferuje szeroki zakres możliwości w zakresie ultraszybkiego pompowania płynów i dynamiki biomakromolekuł, przydatnych w zastosowaniach fizycznych i biologicznych. W tym miejscu demonstrujemy wytwarzanie kanałów o wysokości w nanoskali za pomocą wiązania niobianem litu (LN) w temperaturze pokojowej zintegrowanym z urządzeniem SAW. Opisujemy cały proces eksperymentalny, w tym wytwarzanie kanałów o nano-wysokości poprzez suche trawienie, aktywowane plazmą wiązanie na niobianie litu, odpowiednią konfigurację optyczną do późniejszego obrazowania i uruchamianie SAW. Przedstawiono reprezentatywne wyniki dla płynnego wypełniania kapilar i drenowania płynu w kanale w nanoskali indukowanym przez SAW. Procedura ta oferuje praktyczny protokół do wytwarzania kanałów w nanoskali i integracji z urządzeniami SAW, przydatny do wykorzystania w przyszłych zastosowaniach nanofluidyki.

Po pomyślnym wykonaniu i połączeniu nanofluidycznych urządzeń zintegrowanych z SAW, przeprowadzamy kapilarne napełnianie cieczą oraz drenaż cieczy indukowany przez SAW w szczelinach LN o nanometrowej wysokości. Fale akustyczne powierzchniowe są generowane przez przetworniki IDT pobudzane wzmocnionym sygnałem sinusoidalnym o częstotliwości rezonansowej IDT wynoszącej 40 MHz, a SAW rozprzestrzenia się w nanoszczelinie poprzez piezoelektryczny podłoże LN. Zachowanie cieczy w nanoszczelinie oddziałującej z SAW można obserwow...

Pokazujemy wytwarzanie kanałów o nanowysokości z integracją urządzeń do aktywacji powierzchniowej fali akustycznej na niobianie litu dla nanofluidyki akustycznej za pomocą fotolitografii liftoff, nano-głębokiego reaktywnego trawienia jonowego i plazmowego aktywowanego powierzchniowo wielowarstwowego wiązania monokryształowego niobianu litu w temperaturze pokojowej, procesu podobnie użytecznego do wiązania niobianu litu z tlenkami.

Wytwarzanie kanałów o nanowysokości wykorzystujących aktywację powierzchniowej fali akustycznej za pomocą niobianu litu w nanofluidyce akustycznej

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

Nasz protokół zapewnia szczegółową metodę wytwarzania kanałów o nano-wysokości, w których wykorzystuje się aktywację powierzchniowej fali akustycznej za pomocą niobianu litu dla nanofluidyki akustycznej. Technika ta może być stosowana do wykonywania aktywowanego powierzchniowo plazmą w temperaturze pokojowej wielowarstwowego wiązania monokrystalicznego niobianu litu, procesu równie przydatnego do wiązania niobianu litu lub dwutlenku krzemu i innych tlenków. Wszelkie zanieczyszczenia i cząstki stałe powinny zostać usunięte podczas procesów czyszczenia i aktywacji plazmowej powierzchni, aby zapobiec awariom wiązania w tworzeniu kanału o nano-wysokości.Wizualna demonstracja tej metody może szczegółowo uchwycić cały proces wytwarzania, co skutkuje przejrzystą prezentacją protokołu dla innych badaczy. Aby przygotować maskę kanałową o nano-wysokości, umieść płytkę z wpisanym wzorem zaprojektowanym jako normalna fotolitografia w procedurach startowych do systemu napylania i obniż próżnię w komorze do pięć razy 10 do minus 6 militorów. Pozwól argonowi płynąć z prędkością 2,5 militora i rozpyl chrom o mocy 200 watów, aby w ciągu 18 minut wytworzyć maskę protektorową o grubości 400 nanometrów.Pod koniec osadzania całkowicie zanurz płytkę w zlewce z acetonem i poddaj ją sonikacji o średniej intensywności przez 10 minut. Pod koniec sonikacji przepłucz płytkę wodą dejonizowaną i wysusz płytkę suchym strumieniem azotu. Następnie użyj piły do krojenia w kostkę, aby podzielić wafel na pojedyncze wióry z jednym wzorem nano-szczeliny na żeton.Aby wytworzyć kanał o nano-wysokości, umieść płytkę w komorze do reaktywnego trawienia jonowego. Ustaw parametry komory zgodnie ze wskazaniami, aby wytworzyć nanoszczelinę o głębokości 120 nanometrów w niobianie litu. Aby wywiercić wloty i wyloty kanałów, użyj taśmy dwustronnej, aby przymocować małą stalową płytkę do dna szalki Petriego, a wytrawiony wiór do płytki.Napełnij naczynie wodą, aby całkowicie zanurzyć wiór i przymocuj wiertło diamentowe o średnicy 0,5 milimetra do wiertarki. Następnie wiercić z prędkością co najmniej 10 000 obrotów na minutę, aby obrobić żądane wloty i wyloty. W przypadku wytrawiania chromu na mokro użyj pisaka do grawerowania z diamentową końcówką, aby wyraźnie zaznaczyć płaską, nieusieciowaną powierzchnię wywierconego niobianu litu, aby śledzić, po której stronie znajduje się kanał nano-wysokości i sonikować wióry w wytrawiaczu chromowym.W celu oczyszczenia chipów rozpuszczalnikiem, należy umieścić pary chipów składające się z jednego powierzchniowego urządzenia do fal akustycznych i jednego wytrawionego nanoskalowego chipa wgłębiającego i zanurzyć pary w zlewce z acetonem umieszczonej w kąpieli sonizacyjnej. Po dwóch minutach sonikacji w acetonie, sonikować wióry w metanolu przez jedną minutę. Pod koniec sonikacji metanolu opłucz wióry w wodzie dejonizowanej.Następnie dodaj nadtlenek wodoru do kwasu siarkowego w stosunku jeden do trzech w dobrze wentylowanym kapturze i umieść wszystkie wióry w teflonowym uchwycie. Ostrożnie umieść uchwyt w zlewce z kwasem piranii na 10 minut przed wypłukaniem frytek i uchwytu w dwóch sekwencyjnych kąpielach wodnych dejonizowanych. Po drugim płukaniu wysuszyć wióry suchym strumieniem azotu i natychmiast umieścić próbki w sprzęcie do aktywacji plazmy tlenowej, przykrywając je podczas przenoszenia, aby uniknąć zanieczyszczenia.Używając 120 watów mocy, wystawiając chipy na przepływ tlenu o prędkości 120 standardowych centymetrów sześciennych przez 150 sekund, aktywuj powierzchnie chipów za pomocą plazmy. Po zakończeniu aktywacji natychmiast zanurzyć próbki w świeżej łaźni wodnej dejonizowanej na co najmniej dwie minuty. Po wysuszeniu wiórów za pomocą przepływu suchego azotu, ostrożnie połóż nano-szczelinowy chip na powierzchni chipa urządzenia z falą akustyczną w żądanej pozycji, tak aby wióry były wyrównane w odpowiedniej orientacji.Następnie użyj pęsety lub podobnego narzędzia, aby docisnąć próbkę od jej środka, aby zainicjować wiązanie, wywierając delikatny nacisk na obszary, które nie związały się po początkowym wgłębieniu. Następnie umieść połączone próbki w sprężynowym zacisku, aby bezpiecznie wywierać obciążenia pomimo rozszerzalności cieplnej i umieść zaciśnięte próbki w piecu o temperaturze pokojowej. Następnie ustaw temperaturę piekarnika na 300 stopni Celsjusza z szybkością narastania maksymalnie dwóch stopni Celsjusza na minutę z czasem przebywania wynoszącym dwie godziny przed automatycznym wyłączeniem.Aby zaobserwować ruch płynu w ukończonej nanoszczelinie, umieść nano-szczelinowy chip pod odwróconym mikroskopem i obróć chip przez liniowy filtr polaryzacyjny w ścieżce optycznej, aby odpowiednio zablokować podwojenie obrazu opartego na dwójłomności w niobianie litu. Następnie dodaj ultraczystą wodę dejonizowaną do wlotu i zobrazuj postęp płynu. W celu aktywacji powierzchniowej fali akustycznej należy przymocować absorbery do końców urządzenia powierzchniowej fali akustycznej, aby zapobiec odbiciu fal akustycznych i ustawić częstotliwość rezonansową w generatorze sygnału na około 40 megaherców.Użyj wzmacniacza, aby wzmocnić sygnał i użyj oscyloskopu, aby zmierzyć rzeczywiste napięcie, prąd i moc przyłożoną do urządzenia. Następnie przyłóż sinusoidalne pole elektryczne do przetwornika międzypalcowego i zarejestruj ruch płynu podczas uruchamiania w nanoszczelinie. Na tych zdjęciach pokazano kapilarne wypełnienie ultraczystą wodą dejonizowaną w jednym kanale o wysokości 100 nanometrów i szerokości 400 mikrometrów i jednym kanale o wysokości 100 nanometrów i szerokości 40 mikrometrów.Siły kapilarne przyciągają płynne wypełnienie całej nanoszczeliny kroplą ultraczystej wody dostarczanej przez wlot, a wypełnienie nastąpiło szybciej w węższym kanale ze względu na większą siłę kapilarną. W tym eksperymencie woda w szczelinie o wysokości 100 nanometrów została spuszczona, aby pokazać granicę faz woda-powietrze z maksymalną długością pośrodku, wskazującą na maksymalną energię akustyczną w środku urządzenia do powierzchniowej fali akustycznej. Wymagana jest progowa moc wynosząca około jednego wata, aby wymusić ciśnienie akustyczne większe niż ciśnienie kapilarne w celu wywołania widocznego zjawiska drenażu.Większość procesów produkcyjnych powinna być przeprowadzana w czystym pomieszczeniu, aby zapobiec zanieczyszczeniu cząstkami w mikroskali, a płyn używany do napełniania powinien być ultraczysty, aby zapobiec zatykaniu się nanoszczeliny. Nasze podejście oferuje nanoakustyczny system fluidyczny do badania różnych problemów fizycznych i zastosowań biologicznych w nanoskali.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

W tym filmie najpierw opisujemy procedury produkcji i obsługi akustycznego urządzenia przeciwprądowego powierzchniowej fali akustycznej (SAW). Następnie demonstrujemy eksperymentalną konfigurację, która pozwala zarówno na jakościową wizualizację przepływu, jak i analizę ilościową złożonych przepływów w urządzeniu pompującym SAW.

Wytwarzanie, eksploatacja i wizualizacja przepływu w mikrofluidyce akustyczno-przeciwprądowej opartej na powierzchniowych falach akustycznych

Ten protokół opisuje architekturę systemu do wykonywania automatycznych separacji cząstek o małej objętości (0,15–1,5 ml) za pomocą urządzenia mikroprzepływowego i omawia metody optymalizacji wydajności i działania urządzenia akustycznego.

Platforma mikroprzepływowa do precyzyjnego przetwarzania próbek o małej objętości i jej wykorzystanie do wymiarowania oddzielnych cząstek biologicznych za pomocą mikrourządzenia akustycznego

Urządzenia akustofluidyczne wykorzystują fale ultradźwiękowe w kanałach mikroprzepływowych do manipulowania, koncentracji i izolowania zawieszonych mikro i nanoskopowych jednostek. Protokół ten opisuje produkcję i działanie takiego urządzenia obsługującego masowe akustyczne fale stojące w celu skupienia cząstek w centralnym strumieniu bez pomocy płynów osłonowych.

Wytwarzanie i eksploatacja urządzeń akustyczno-przepływowych wspomagających masowe akustyczne fale stojące do bezosłonowego ogniskowania cząstek

Przedstawiono protokół manipulowania mikrocząstkami w kanale mikroprzepływowym z wzbudzeniem o podwójnej częstotliwości.

Manipulacja mikrocząstkami poprzez powierzchniowe fale akustyczne z wzbudzeniami o podwójnej częstotliwości

Dwie techniki wytwarzania, lift-off i trawienie na mokro, są opisane w produkcji międzypalcowych przetworników elektrod na podłożu piezoelektrycznym, niobianie litu, szeroko stosowanym do generowania powierzchniowych fal akustycznych, obecnie znajdującym szerokie zastosowanie w mikro i nanoskalowej fluidyce. Wykazano, że wyprodukowane elektrody skutecznie indukują powierzchniowe fale akustyczne Rayleigha rzędu megahercowego.

Wytwarzanie powierzchniowych urządzeń fal akustycznych na niobianie litu

Opisano wytwarzanie piezoelektrycznych przetworników grubości poprzez rozpylanie elektrod płytkowych prądem stałym na niobianie litu. Dodatkowo, niezawodna praca jest osiągana dzięki uchwytowi przetwornika i systemowi zasilania płynem, a charakteryzacja jest demonstrowana za pomocą analizy impedancji, laserowej wibrometrii dopplerowskiej, szybkiego obrazowania i rozkładu wielkości kropel za pomocą rozpraszania laserowego.

Wytwarzanie i charakterystyka urządzeń piezoelektrycznych w trybie grubości do atomizacji i akustofluidyki

Opisano protokół konstrukcji i testowania ogniw guzikowych baterii litowo-jonowych. Przedstawiono szczegółowe procedury wykonania elektrody roboczej, przygotowania elektrody przeciwnej, montażu ogniwa wewnątrz komory rękawicowej oraz testowania ogniwa.

Konstrukcja i testowanie ogniw guzikowych baterii litowo-jonowych

Nanoemulsje przesunięcia fazowego (PSNE) mogą być waporyzowane przy użyciu wysokointensywnego skupionego ultradźwięku w celu wzmocnienia lokalnego ogrzewania i poprawy ablacji termicznej w guzach. W niniejszym raporcie opisano przygotowanie stabilnych PSNE o wąskim rozkładzie wielkości. Ponadto zademonstrowano wpływ waporyzowanych PSNE na ablację indukowaną ultradźwiękami w fantomach imitujących tkankę.

Synteza nanoemulsji przesunięcia fazowego o wąskim rozkładzie wielkości do akustycznej waporyzacji kropli i ablacji wspomaganej ultradźwiękami z wykorzystaniem pęcherzyków

Opisano metodę trwałego łączenia dwóch płytek krzemowych w celu uzyskania jednolitej obudowy. Obejmuje to przygotowanie płytek, czyszczenie, klejenie RT i procesy wyżarzania. Powstałe połączone płytki (komórki) mają jednorodność obudowy ~1%1,2. Uzyskana geometria pozwala na pomiary zamkniętych cieczy i gazów.

Wytwarzanie jednolitych wnęk w nanoskali za pomocą bezpośredniego łączenia płytek krzemowych

Informujemy, że limit dyfrakcji konwencjonalnej litografii optycznej może zostać pokonany poprzez wykorzystanie przejść organicznych pochodnych fotochromowych wywołanych przez ich fotoizomeryzację przy niskim natężeniu światła. 1-3 W tym artykule przedstawiono naszą technikę wytwarzania i dwa mechanizmy blokujące, a mianowicie: rozpuszczenie jednego fotoizomeru i utlenianie elektrochemiczne.

Modelowanie za pomocą przejść nasycalnych optycznych - produkcja i charakterystyka

Poznaj metodę wytwarzania kanałów o nanowysokości z aktywacją powierzchniowej fali akustycznej na niobianie litu. Technika obejmuje wiązanie wielowarstwowe aktywowane plazmą w temperaturze pokojowej.

Wytwarzanie kanałów o nanowysokości wykorzystujących aktywację powierzchniowej fali akustycznej za pomocą niobianu litu w nanofluidyce akustycznej (Wideo) | JoVE Journal

Wytwarzanie kanałów o nanowysokości wykorzystujących aktywację powierzchniowej fali akustycznej za pomocą niobianu litu w nanofluidyce akustycznej

Przeglądaj więcej filmów