Селективный Площадь Модификация поверхности кремния смачиваемости импульсным УФ лазерного облучения в жидкой среде

Общая цель данного эксперимента — продемонстрировать формирование как гидрофильных, так и гидрофобных поверхностей на силиконе путем облучения фторид-криптоновым и фторид-аргоновым лазерами образцов, погруженных в растворы перекиси водорода низкой концентрации или в метанол. Этот метод может помочь в решении некоторых ключевых вопросов в области лазерного взаимодействия с полупроводниками, касающихся селективной химической модификации поверхности полупроводника, которая может быть применима для биосенсорных приложений. Основным преимуществом данной методики является возможность точного контроля состояния поверхности кремния без необходимости создания вакуума.

Морфология полупроводника. Сначала у нас появилась идея этого метода. Мы исследуем процесс на основе УФ-лазера для селективного формирования поверхностных дефектов, используемых в данной технологии.

В контексте квантового перемешивания, визуальная демонстрация этого метода имеет решающее значение, поскольку создание популяции воздушных карманов в простой камере и облучение гомогенизированным пучком EXIM-лазера являются относительно сложными этапами. Для начала с помощью алмазного резца расколите кремниевую пластину n-типа с легированием фосфором и одной полированной стороной на образцы размером 12 мм на 6 мм и толщиной 380 мкм. Затем очистите образцы, промывая их в ацетоне, а затем в изопропиловом спирте по пять минут в каждом.

Затем подвергните образцы травлению в 0,9% растворе плавиковой кислоты в течение одной минуты для удаления исходного оксида, после чего промойте их деионизированной водой и высушите потоком азота высокой чистоты. Храните подготовленные образцы в пакете, наполненном азотом, чтобы предотвратить окисление. Когда будете готовы продолжить, поместите образцы в камеру высотой 0,74 millimeter. Заполните камеру перекисью водорода в концентрации от 0,01 до 0,2% в водном разведении или метанолом DGAs, после чего герметизируйте камеру окном из плавленого кварца с высоким коэффициентом пропускания УФ-излучения.

Убедитесь, что внутри камеры не осталось пузырьков воздуха. Облучите образец гомогенизированным пучком только в двух точках на каждом образце, увеличивая количество импульсов со 100 до 600 с шагом в 100 импульсов через круглую маску диаметром четыре миллиметра. Затем облучите образцы аналогичным образом, используя маску в форме кленового листа.

По завершении промойте образцы деионизированной водой, а затем высушите их потоком азота. При комнатной температуре разведите наносферы диаметром 40 нм, конъюгированные с биотином и окрашенные флуоресцеином, в PBS до концентрации 1 × 10¹² частиц/мл. Затем погрузите образцы, облученные криптофторидным лазером, в этот раствор на два часа при комнатной температуре. После этого выдержите облученные образцы в PBS в течение одной минуты, чтобы удалить с поверхности все несвязавшиеся окрашенные флуоресцеином наносферы.

Начните с размещения образца на чистой плоской поверхности; сформируйте каплю на кончике микрошприца и медленно опускайте его к поверхности образца до момента контакта и переноса капли на поверхность. С помощью ПЗС-камеры снимите и сохраните изображения профиля капли воды, независимо измеряя каждый краевой угол в каждой из точек лазерного облучения. Затем загрузите изображения в программу ImageJ и используйте плагин для анализа капель Drop Snake для оценки и вычисления среднего значения краевых углов.

Начните с преобразования изображений в оттенки серого. Затем обведите контур капли слева направо для инициализации «змеи» (snake). Примите кривую, соединяющую эти узлы, и запустите эволюцию кривой, нажав кнопку snake.

Повторите этот процесс для каждой капли, которая была сфотографирована. Рассчитайте среднее значение краевого угла по четырем участкам лазерного облучения на разных образцах для последующего проведения рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Начните с загрузки образцов в вакуумную камеру и создания вакуума 1 × 10⁻⁹.

Затем соберите данные поверхностного анализа в режимах постоянной энергии с энергией пропускания 50 electron volt. Выберите область размером 220 microns на 220 microns, используя излучение алюминиевой линии K alpha, создаваемое электронным пучком при мощности 150 watt. После этого проведите сканирование с высоким разрешением той же анализируемой области с энергией пропускания 20 electron volt.

В завершение обработайте полученные спектры с помощью соответствующего программного обеспечения для количественного анализа в соответствии со спецификациями производителя. Данные результаты измерения краевого угла смачивания были получены после воздействия растворов перекиси водорода в течение в среднем 10 минут. Краевой угол уменьшается с увеличением количества импульсов для всех различных концентраций перекиси.

Минимальный контактный угол около 15 градусов был получен при использовании растворов перекиси водорода с концентрацией 0,02 и 0,01% при 500 импульсах; данные рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии показывают, что количество диоксида кремния и гидроксида кремния на участке, облученном криптофторидным лазером, выше, чем на необлученных участках. Поскольку поверхности, покрытые диоксидом кремния, имеют минимальный контактный угол от 45 до 50 градусов, а слои гидроксида кремния — минимальный контактный угол 13 градусов, за снижение контактного угла в облученных образцах, скорее всего, отвечает супергидрофильный монослой гидроксида кремния.

Поскольку биотинизированные флуоресцентные наносферы иммобилизуются преимущественно на гидрофобных необлученных силиконовых поверхностях, рисунок в виде кленового листа на зеленом фоне указывает на область сильно гидрофильной поверхности, созданной с помощью KRF-лазера. При выполнении данной процедуры важно помнить о необходимости минимизировать окисление при воздействии воздуха и сократить образование пузырьков во время лазерного облучения. В дальнейшем для химически модифицированной поверхности с учетом свойств материалов могут быть исследованы и другие методы, например, с использованием УФ-ламп.

Потенциальное преимущество этого метода заключается в возможности переводить силиконовую поверхность из гидрофобного состояния в гидрофильное и наоборот, не извлекая образец из рабочей камеры. После освоения данной техники процедура занимает около 30 минут, в зависимости от сложности рисунка для селективной модификации воздухом. Таким образом, после просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как использовать УФ-излучение эксимерного лазера для управления смачиваемостью силиконовой поверхности в выбранных областях.

Не забывайте, что работа с УФ-излучением может быть крайне опасной, поэтому при выполнении данной процедуры необходимо всегда использовать средства защиты от УФ-лучей. Также работа с плавиковой кислотой опасна и требует использования резиновых перчаток и защитного экрана для лица.