Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Bioengineering

Functionalization حجرية ناعمة وخالية من الزخرفة أوكسيد السيليكون والجرمانيوم

doi: 10.3791/3478 Published: December 16, 2011

Summary

نحن هنا وصف طريقة بسيطة لfunctionalization الزخرفة السيليكون والجرمانيوم مع monolayers التفاعل العضوي والتظاهر أكسيد خالية من ركائز منقوشة مع الجزيئات الصغيرة والبروتينات. نهج يحمي الأسطح تماما من أكسدة المواد الكيميائية ، ويوفر دقة السيطرة على التشكل الميزة ، ويوفر سهولة الوصول إلى أنماط التمييز كيميائيا.

Protocol

1A. الأولية على تشكيل المونولاير سيليكون

  1. قطع رقاقة السيليكون في 1cm 2 ركائز والغبار وشطف مع الماء والايثانول تصفيتها.
  2. إزالة التلوث العضوي عن طريق غمر ركائز السيليكون في صحن الزجاج نانو تحتوي على الشريط في 75 درجة مئوية. بعد 15 دقيقة ، شطف كل الركيزة بالماء ، منزوع الأيونات التي تمت تصفيتها.
  3. وضع كل الركيزة في محلول HF 5 ٪ (تحذير : HF هي مادة خطيرة للغاية) لإزالة طبقة أكسيد الأصلي. بعد 5 دقائق الجافة أكسيد السيليكون خالية مع النيتروجين
  4. الركيزة لانتاج الكلور ، يغرق كل فورا أكسيد خالية قطعة السليكون في قارورة تحتوي على التلألؤ 2 مل من PCL 5 في المشبعة كلور البنزين. وينبغي أن تتم تصفيته هذا الحل إلى 0.2 ميكرون.
  5. تعيين تجميع مكثف على رأس القنينة القنينة الواحدة ووضعها في heatblock إلى 112 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة.
  6. بعد اكتمال ردود الفعل ، واسمحوا قنينة باردة وشطف كل surfaم مع كلور البنزين والجافة تحت النتروجين التي تمت تصفيتها.
  7. لتشكل ركيزة بروبينيل ، ينهي ، ومكان كل سطح السيليكون المكلورة في قارورة تحتوي على الضغط 4 مل من كلوريد المغنيسيوم بروبينيل. وضع كل قارورة الضغط في heatblock ب 130 درجة مئوية لمدة 24 ساعة.
  8. تأخذ كل قارورة الضغط من heatblock والسماح لتبرد.
  9. شطف كل سطح بسرعة مع DCM والايثانول والجافة تحت النتروجين التي تمت تصفيتها.

1B. الأولية تشكيل المونولاير على الجرمانيوم

  1. قطع رقاقة الجرمانيوم في ركائز 1cm2 والغبار وشطف بالماء والايثانول تصفيتها.
  2. إزالة التلوث العضوي عن طريق الغطس في الأسطح الزجاجية التي تحتوي على الأسيتون طبق لمدة 20 دقيقة
  3. كل مكان السطح في حل حمض الهيدروكلوريك 10 ٪ لمدة 15 دقيقة. هذه العملية في وقت واحد يزيل طبقة أكسيد المحلية وchlorinates السطح. بعد 5 دقائق من ركائز الجافة مع النيتروجين.
  4. لتشكل الركيزة الأوكتيل منتهية ، جيش التحرير الشعبى الصينىCE كل المكلورة الجرمانيوم السطحية في قارورة تحتوي على الضغط 4 مل من كلوريد المغنيسيوم الأوكتيل (2 ملم). وضع كل قارورة الضغط في heatblock ب 130 درجة مئوية لمدة 48 ساعة.
  5. تأخذ كل قارورة الضغط من heatblock والسماح لتبرد إلى درجة حرارة الغرفة.
  6. شطف كل سطح بسرعة مع DCM والايثانول والجافة تحت النتروجين التي تمت تصفيتها.

2. NHS Functionalization الركيزة على السيليكون والجرمانيوم

  1. تعد المصفاة 0،1 M - NHS diazirine حل في رابع كلوريد الكربون. تحذير : حافظ على التعرض للضوء إلى الحد الأدنى.
  2. الماصة بضع قطرات من الحل على أسطح الميثيل إنهاؤها. يسمح حل لتنتشر عبر السطح بأكمله.
  3. مكان السطوح تحت مصباح الأشعة فوق البنفسجية (☐ = 254 نانومتر ، في 4400/cm2 0.74 بوصة). السماح للرد على السطوح تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية لمدة 30 دقيقة ، ثم إضافة المزيد من NHS - diazirine إلى السطح ، والسماح للتفاعل المضي قدما لمدة 30 دقيقة إضافية.
  4. شطف تعديل NHS قurfaces مع DCM والايثانول والجافة تحت النتروجين التي تمت تصفيتها.

3. جزيء صغير Functionalization

  1. تتفاعل NHS معدلة وركائز في مخلقة ثالثي بوتيل 20 ملم (بوك) الإيثيلنديامين في حل ثنائي كلورو ميثان (DCM) لمدة ساعتين في درجة حرارة الغرفة.
  2. بعد رد الفعل ، وشطف الركيزة بوك المعدلة مع DCM والايثانول.
  3. Deprotect الركيزة تعديل بوك باستخدام حمض trifluoroacetic 25 ٪ (TFA) في DCM لمدة ساعة في درجة حرارة الغرفة.
  4. شطف السطح الناتج مع DCM ، والإيثانول و 10 ٪ (W / V) بيكربونات البوتاسيوم في الماء والنيتروجين الجاف تحت تصفيتها.
  5. تحليل جميع الأسطح التي XPS لتحديد التركيب العنصري.

4. الحمضية البولي أكريليت قسائم (بوا) إعداد

  1. تمييع اكريليت وبنسبة 30 ٪ وباء trimethylolpropane triacrylate ethoxylate لخفض اللزوجة. إضافة photoinitiators C و D إلى خليط التفاعل (الشكللدى عودتهم 6).
  2. إضافة الصوديوم 2 - mercaptoethanesulfonate (0.2 غرام ، 1.22 ملمول) في التوصل إلى حل حمض الهيدروكلوريك في 4N ديوكسان (10 مل) ويحرك في درجة حرارة الغرفة لمدة 2 دقيقة.
  3. تصفية قبالة كلوريد الصوديوم أولا من خلال تصفية الزجاج غرامة ثم من خلال حقنة 0.2 متر μ غشاء PTFE مرشح لتحمل حلا واضحا من 2 mercaptoethanesulfonic الحمضية في ديوكسان.
  4. ديوكسان تتبخر تحت ضغط منخفض
  5. يتفاعل حامض السلفونيك الناتج مع 2 مل من مزيج من البولي يوريثين ، اكريليت prepolymeric في درجة حرارة الغرفة ثم تحت الفراغ في 50 درجة مئوية. تأكد من الخليط خالية تماما من فقاعات الهواء المحاصرين.
  6. تبريد حل يؤدي إلى درجة حرارة الغرفة وتتبلمر بين شريحتين المجهر الزجاج أو شريحة زجاجية وإتقان عن التعرض للأشعة فوق البنفسجية لمدة 2 ساعة في درجة حرارة الغرفة.
  7. بعد البلمرة ، بعناية قشر قبالة الطابع الرئيسي ، ويغسل مع الطابع الايثانول والمياه وجفاف مع nitroge تصفيتهان.

5. الحفاز الطباعة والتحليل SEM / فؤاد

  1. مكان المقابلة من البولي يوريثين ، اكريليت الدمغة على رأس الركيزة NHS المعدلة في درجة حرارة الغرفة لمدة دقيقة واحدة مع عدم التحميل الخارجية لتحميلهم معا.
  2. بعد رد الفعل ، فصل الطوابع والركيزة.
  3. شطف الركيزة مع الايثانول والمياه والايثانول الجاف مع النيتروجين ثم تصفيتها.
  4. شطف الطابع مع الايثانول والمياه والايثانول الجاف مع النيتروجين ثم تصفيتها.
  5. الاحتفاظ الطوابع في درجة حرارة الغرفة قبل تطبيق المقبل.
  6. تحليل نمط المنتجة باستخدام الاتصال النمط الوحشي microsopy القوة الذرية (AFM) والمجهر الإلكتروني (SEM)

6. الزخرفه والبروتين والميكروسكوب نيون

  1. يغرق الركيزة NHS نقوش bifunctional في ليسين - N ، N - diacetic حمض (20 ملم) وإت 3 N (100 ملم) في DMF : H20 (1:1) في درجة حرارة الغرفة لمدة 1 ساعة ثم تشطف معالماء والايثانول.
  2. احتضان ركائز في حل NiSO4 50 ملي لمدة 5 دقائق في درجة حرارة الغرفة.
  3. شطف ركائز مفرطة بالكلاب بالماء وملزم العازلة (20 NAP مم ، 250 مم كلوريد الصوديوم ، 10MM إيميدازول ، ودرجة الحموضة 7.5) ، ويغرق في حل GFP تصفيتها (~ μ M 40) : 1 ساعة عند 0 درجة مئوية.
  4. شطف على الفور مع ركائز العازلة ملزم تلاه PBS (الرقم الهيدروجيني 7.4).
  5. إبقاء ركائز رطب في برنامج تلفزيوني في 0 درجة مئوية حتى انهم مستعدون للتحليل المجهري مضان.

7. الزخرفه والبروتين والميكروسكوب نيون

  1. يغرق الركيزة NHS نقوش bifunctional في ليسين - N ، N - diacetic حمض (20 ملم) وإت 3 N (100 ملم) في DMF : H 2 0 (1:1) في درجة حرارة الغرفة لمدة 1 ساعة ثم تشطف بالماء والايثانول.
  2. احتضان ركائز في حل ملي 50 4 NISO لمدة 5 دقائق في درجة حرارة الغرفة.
  3. شطف ركائز مفرطة بالكلاب ثإيث المياه وملزم العازلة (20 NAP مم ، 250 مم كلوريد الصوديوم ، 10MM إيميدازول ، ودرجة الحموضة 7.5) ، ويغرق في حل GFP تصفيتها (~ 40 ميكرون) لمدة 1 ساعة عند 0 درجة مئوية.
  4. شطف على الفور مع ركائز العازلة ملزم تلاه PBS (الرقم الهيدروجيني 7.4).
  5. إبقاء ركائز رطب في برنامج تلفزيوني في 0 درجة مئوية حتى انهم مستعدون للتحليل المجهري مضان.

8. ممثل النتائج :

ويرد مثال لينة الزخرفة الحجرية نانو حفاز في الشكل 7. النهج يخلق أنماط chemoselective على أكسيد خالية من السيليكون والجرمانيوم ، والتي يمكن functionalized orthogonally الكيميائية تختلف مع والأنصاف البيولوجية. التفاعل بين الركيزة NHS - functioanlized والطابع الحفاز منقوشة يؤدي إلى التحلل من الأنصاف NHS في مجالات الاتصال امتثالي ، مما أسفر عن منقوشة تحمل الركيزة bifunctional مناطق NHS المنشط والأحماض الكربوكسيلية الحرة. نظرا لdiffusايون طبيعة خالية من أسلوبنا ، ونحن على مقربة من تحقيق هذا القرار من ضوئيه. على سبيل المثال ، يبين الشكل 7 ميزات نانومتر 125 ، التي استنسخت بشكل موحد في جميع أنحاء سطح السيليكون الركيزة بأكمله. بشكل ملحوظ ، ويمكن إعادة استخدامها الطابع الحفاز عدة مرات دون أن تفقد فعاليتها.

functionalization Chemoselective أشباه الموصلات منقوشة مع الجزيئات الحيوية يفتح احتمال دمج المواد الالكترونية التقليدية مع ركائز البيولوجية انتقائي للغاية لتقديم الطلبات في الاستشعار عن بعد ، التشخيص ، ومجالات البحوث التحليلية. ويرد مثال على هذه functionalization في الشكل 8 ، حيث كان functionalized انتقائي NHS نقوش السيليكون مع جزيئات البروتين. من خلال استغلال الفرق reactivities من الأحماض الكربوكسيلية المنشط وحرة ، ونحن الملصقة first nitrilotriacetic حمض إنهاء (NTA) linkers heterobifunctional إلى المناطق NHS - functionalized ، ثم استخدم الناتجةNTA نقوش سطح كقالب لمرفق الانتقائي للسداسي الحامض الاميني الموسومة GFP. 8B الشكل يظهر بوضوح كثافة الفرق بين مضان GFP المعدلة وتحلل الأحماض الكربوكسيلية المناطق الحرة. حجم وشكل ملامح منسوخة تتسق بين السطحية منقوشة NHS (الشكل 8A) وGFP معدلة والسطحية (8B الشكل) ، مؤكدا على استقرار ملحوظ من الكربون تخميلها السطوح والانتقائية للنهج دمغ. ولا يقتصر البروتوكول على البروتين صاحب الموسومة ، ويمكن استخدامها لنمط الجزيئات الحيوية الأخرى بما في ذلك الحمض النووي والأجسام المضادة.

الشكل 1
الرقم المخطط العام 1. تمثل الحفاز الطباعة microcontact

الشكل 2
الشكل 2 : هيكل ثنائي الطبقات مolecular النظام على قه وسي. الألكيل الأولية المونولاير أشكال مستقرة GE - C أو C - سي السندات مع الركيزة ويوفر نظام خاملة كيميائيا ومعبأة وثيق يحمي سطح الكامنة من التدهور. (ب) overlayer أشكال السندات الثانوية CC مستقرة مع طبقة واقية الأولية وتوفر محطة وظيفية المجموعات

الشكل 3
الشكل 3. المخططات التي تمثل رد الفعل تشكيل monolayers الحماية في المقام الأول على سي (A) وجنرال الكتريك (B)

الشكل 4
الشكل 4. functionalization الكيميائية للأحادي الطبقة الوقائية الأولية مع المانحين carbene heterobifunctional

الشكل 5
الشكل 5. مخطط يدل رد الفعل التعديلات جزيء صغير من NHS - functionalized الفرعيةstrates والأطياف XPS المقابلة

الشكل 6
الشكل 6. تكوين الخليط قبل البوليمرية الحفاز ، وظروف البلمرة ، والصور SEM من الطوابع منقوشة حمض السلفونيك تعديل والمناظرة ، سي سيد PMMA

الرقم 7
الرقم 7. SEM و AFM من الاحتكاك الصور المنقوشة على صواريخ سام سي وقه مع طابع الحمضية

الشكل 8
الرقم 8 لينة والزخرفة الحجرية functionalization من السيليكون تخميلها مع الجزيئات العضوية والبيولوجية أ :.. صورة SEM من نمط NHS المعدلة الركيزة ب : صورة مجهرية من نيون الركيزة تعديل GFP.

Discussion

بروتوكول قدم هو شكل أو بدون حبر الطباعة microcontact التي يمكن تطبيقها عالميا لأية ركيزة قادرة على دعم بسيط وأمرت monolayers. في هذا الأسلوب ، والطوابع يجمد حافزا نقل نمط إلى السطح مع المجموعات الوظيفية ذات الصلة. لأن العملية لا تعتمد على نقل الحبر من الطابع إلى السطح قرار الحد من ناشر μCP التقليدية وعلى رد الفعل هو تفاديها ، والسماح الروتيني للتصنيع الكائنات النانو. إدماج نظام عالي أمر أساسي الجزيئي يوفر حماية كاملة من أشباه الموصلات من الأضرار الكامنة الأكسدة. في الوقت نفسه ، الأسلوب تؤيد تجميد رد الفعل من الجماعات الضخمة من خلال الاستفادة من رد الفعل overlayer الثانوية ؛ معا يحقق نظام الحماية وfunctionalization.

تقنية يبدأ مع تشكيل سندات الكربون على سطح مستقر يسمح للprimar خامل كيميائياذ أحادي الطبقة التي هي بمثابة عقبة فعالة لتشكيل أكسيد. تشكيل overlayer رد الفعل الثانوي توفر محطة NHS الجماعات الوظيفية التي تكون بمثابة نقطة ارتباط لمجموعة متنوعة من الأنصاف الكيميائية والبيولوجية. غير منقوشة في وقت لاحق هذا نظام مستقر bilayered الجزيئي باستخدام نهجنا μCP الحفاز. النهج المقدمة في هذه الدراسة توفر طريقة عامة لركائز أشباه الموصلات الزخرفة مع طائفة واسعة من المواد العضوية والبيولوجية. القدرة على خلق نمط العضوي أشباه الموصلات واجهات من دون الأجهزة ، ومكلفة يوفر المجمع العديد من الفرص في مجالات مثل الالكترونيات ، وتكنولوجيا النانو والكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية.

Disclosures

ليس لدينا ما تكشف

Acknowledgments

نعترف الدعم المالي للجائزة NSF CMMI - 1000724.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
XPS spectrometer Kratos Analytical
Atomic force microscope Veeco Instruments, Inc.
SEM-FEG microscope FEI
Fluorescent microscope Carl Zeiss, Inc.
Heatblock VWR international
Vacuum pump BOC Edwards
Water purification system EMD Millipore
TESP silicon probes Veeco Instruments, Inc.
Silicon
Pressure Vials Chemglass
Vacuum manifold Chemglass
UV Lamp UVP Inc.
Stamp Material See references 20 and 18
PFTE syringe filters VWR international
Nano Strip Cyantek Corporation
HCl Sigma-Aldrich
Ethanol Sigma-Aldrich
Acetone Sigma-Aldrich
HF Sigma-Aldrich
Chlorobenzene Sigma-Aldrich
PCl5 Sigma-Aldrich
Propenyl Magnesium Chloride Sigma-Aldrich
Octyl Magnesium Chloride Sigma-Aldrich
Carbon TetraChloride Sigma-Aldrich
Boc protected ethylenediamine Sigma-Aldrich
TFA Sigma-Aldrich
Sodium 2-mercapt–thanesulfonate Sigma-Aldrich
4N HCl solution in dioxane Sigma-Aldrich
Lysine-N,N-diacetic acid Sigma-Aldrich
Et3N Sigma-Aldrich
DMF Sigma-Aldrich
NiSO4 Sigma-Aldrich
NaP Sigma-Aldrich
NaCl Sigma-Aldrich
imidazole Sigma-Aldrich
PBS Sigma-Aldrich

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kumar, A., Abbott, N. L., Kim, E., Biebuyck, H. A., Whitesides, G. M. Patterned Self-Assembled Monolayers and Mesoscale Phenomena. Accounts. Chem. Res. 28, (5), 219-226 (1995).
  2. Kumar, A., Biebuyck, H. A., Whitesides, G. M. Patterning Self-Assembled Monolayers: Applications in Materials Science. Langmuir. 10, (5), 1498-1511 (1994).
  3. Kumar, A., Whitesides, G. M. Features of gold having micrometer to centimeter dimensions can be formed through a combination of stamping with an elastomeric stamp and an alkanethiol "ink" followed by chemical etching. Applied Physics Letters. 63, (14), 2002-2004 (1993).
  4. Wilbur, J. L., Kumar, A., Biebuyck, H. A., Kim, E., Whitesides, G. M. Microcontact printing of self-assembled monolayers: applications in microfabrication. Nanotechnology. 7, (4), 452-457 (1996).
  5. Wilbur, J. L., Kumar, A., Kim, E., Whitesides, G. M. Microfabrication by microcontact printing of self-assembled monolayers. Advanced Materials (Weinheim, Germany). 6, (7/8), 600-604 (1994).
  6. Ruiz, S. A., Chen, C. S. Microcontact printing: a tool to pattern. Soft Matter. 3, (2), 168-177 (2007).
  7. Perl, A., Reinhoudt, D. N., Huskens, J. Microcontact Printing: Limitations and Achievements. Advanced Materials (Weinheim, Germany). 21, (22), 2257-2268 (2009).
  8. Kumar, A., Biebuyck, H. A., Abbott, N. L., Whitesides, G. M. The use of self-assembled monolayers and a selective etch to generate patterned gold features. J. Am. Chem. Soc. 114, (23), 9188-9191 (1992).
  9. Ravoo, B. J. Microcontact chemistry: surface reactions in nanoscale confinement. Journal of Materials Chemistry. 19, (47), 8902-8906 (2009).
  10. Biebuyck, H. A., Larsen, N. B., Delamarche, E., Michel, B. Lithography beyond light: Microcontact printing with monolayer resists. Ibm. J. Res. Dev. 41, (1-2), 159-170 (1997).
  11. Delamarche, E., Schmid, H., Bietsch, A., Larsen, N. B., Rothuizen, H., Michel, B., Biebuyck, H. Transport Mechanisms of Alkanethiols during Microcontact Printing on Gold. J. Phys. Chem. B. 102, (18), 3324-3334 (1998).
  12. Larsen, N. B., Biebuyck, H., Delamarche, E., Michel, B. Order in microcontact printed self-assembled monolayers. J Am Chem Soc. 119, (13), 3017-3026 (1997).
  13. Michel, B., Bernard, A., Bietsch, A., Delamarche, E., Geissler, M., Juncker, D., Kind, H., Renault, J. P., Rothuizen, H., Schmid, H., Schmidt-Winkel, P., Stutz, R., Wolf, H. Printing meets lithography: Soft approaches to high-resolution printing. IBM Journal of Research and Development. 45, (5), 697-719 (2001).
  14. Libioulle, L., Bietsch, A., Schmid, H., Michel, B., Delamarche, E. Contact-Inking Stamps for Microcontact Printing of Alkanethiols on Gold. Langmuir. 15, (2), 300-304 (1999).
  15. Sharpe, R. B. A., Burdinski, D., Huskens, J., Zandvliet, H. J. W., Reinhoudt, D. N., Poelsema, B. Spreading of 16-Mercaptohexadecanoic Acid in Microcontact Printing. Langmuir. 20, (20), 8646-8651 (2004).
  16. Workman, R. K., Manne, S. Molecular Transfer and Transport in Noncovalent Microcontact Printing. Langmuir. 20, (3), 805-815 (2004).
  17. Li, X. -M., Peter, M., Huskens, J., Reinhoudt, D. N. Catalytic Microcontact Printing without Ink. Nano Lett. 3, (10), 1449-1453 (2003).
  18. Shestopalov, A. A., Clark, R. L., Toone, E. J. Inkless Microcontact Printing on Self-Assembled Monolayers of Fmoc-Protected Aminothiols. J. Am. Chem. Soc. 129, (145), 13818-13819 (2007).
  19. Shestopalov, A. A., Clark, R. L., Toone, E. J. Catalytic Microcontact Printing on Chemically Functionalized H-Terminated Silicon. Langmuir. 26, (3), 1449-1451 (2010).
  20. Shestopalov, A. A., Clark, R. L., Toone, E. J. Inkless Microcontact Printing on SAMs of Boc- and TBS-Protected Thiols. Nano Lett. 10, (1), 43-46 (2010).
  21. Snyder, P. W., Johannes, M. S., Vogen, B. N., Clark, R. L., Toone, E. J. Biocatalytic Microcontact Printing. J. Org. Chem. 72, (19), 7459-7461 (2007).
  22. Morris, C. J., Shestopalov, A. A., Gold, B. H., Clark, R. L., Toone, E. J. Patterning NHS-Terminated SAMs on Germanium. Langmuir. 27, (10), 6486-6489 (2011).
  23. Shestopalov, A. A., Morris, C. J., Vogen, B. N., Hoertz, A., Clark, R. L., Toone, E. J. Soft-Lithographic Approach to Functionalization and Nanopatterning Oxide-Free Silicon. Langmuir. 27, (10), 6478-6485 (2011).
Functionalization حجرية ناعمة وخالية من الزخرفة أوكسيد السيليكون والجرمانيوم
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bowers, C. M., Toone, E. J., Clark, R. L., Shestopalov, A. A. Soft Lithographic Functionalization and Patterning Oxide-free Silicon and Germanium. J. Vis. Exp. (58), e3478, doi:10.3791/3478 (2011).More

Bowers, C. M., Toone, E. J., Clark, R. L., Shestopalov, A. A. Soft Lithographic Functionalization and Patterning Oxide-free Silicon and Germanium. J. Vis. Exp. (58), e3478, doi:10.3791/3478 (2011).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter