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Bioengineering

शीतल Lithographic functionalization और ऑक्साइड मुक्त patterning सिलिकॉन और जर्मेनियम

doi: 10.3791/3478 Published: December 16, 2011

Summary

यहाँ हम ऑक्साइड मुक्त patterning छोटे अणुओं और प्रोटीन के साथ नमूनों substrates के सिलिकॉन जर्मेनियम और प्रतिक्रियाशील जैविक monolayers के साथ और प्रदर्शन functionalization के लिए एक सरल विधि का वर्णन. दृष्टिकोण पूरी तरह से रासायनिक ऑक्सीकरण से सतहों की रक्षा, सुविधा आकारिकी पर सटीक नियंत्रण प्रदान करता है, और रासायनिक भेदभाव पैटर्न के लिए तैयार पहुँच प्रदान करता है है.

Protocol

1A. सिलिकॉन पर प्राथमिक monolayer गठन

  1. 1cm 2 substrates, धूल में सिलिकॉन वफ़र कट और फ़िल्टर्ड पानी और इथेनॉल के साथ कुल्ला .
  2. नैनो पट्टी वाले एक गिलास पकवान में 75 º सी. पर सिलिकॉन substrates submerging द्वारा जैविक संदूषण निकालें 15 मिनट के बाद, विआयनीकृत, फ़िल्टर्ड पानी के साथ एक सब्सट्रेट कुल्ला.
  3. देशी ऑक्साइड परत को निकालने के लिए: 5% HF (HF है एक बेहद खतरनाक सामग्री चेतावनी) समाधान में प्रत्येक सब्सट्रेट रखें. 5 मिनट के बाद नाइट्रोजन के साथ सिलिकॉन ऑक्साइड मुक्त सूखी
  4. एक chlorinated सब्सट्रेट उत्पादन, तुरंत डूब प्रत्येक ऑक्साइड से मुक्त एक जगमगाहट chlorobenzene में संतृप्त PCL 5 के 2 मिलीग्राम से युक्त शीशी में सिलिकॉन टुकड़ा. यह समाधान 0.2 सुक्ष्ममापी फ़िल्टर्ड किया जाना चाहिए.
  5. प्रत्येक शीशी के शीर्ष पर एक शीशी संघनित्र इकट्ठा और उन्हें एक heatblock में जगह 112 डिग्री सेल्सियस एक घंटे के लिए सेट.
  6. प्रतिक्रिया के बाद पूरा हो गया है, शीशियों को शांत और प्रत्येक surfa कुल्लाchlorobenzene और फ़िल्टर नाइट्रोजन के तहत सूखे के साथ CE.
  7. एक सब्सट्रेट propenyl समाप्त फार्म करने के लिए, प्रत्येक क्लोरीनयुक्त दबाव propenyl मैग्नीशियम क्लोराइड की 4 मिलीग्राम से युक्त शीशी में सिलिकॉन की सतह जगह. 130 पर एक heatblock में प्रत्येक दबाव शीशी प्लेस डिग्री सेल्सियस 24 घंटे के लिए.
  8. Heatblock के बाहर प्रत्येक दबाव शीशी ले लो और शांत करते हैं.
  9. प्रत्येक सतह जल्दी डीसीएम और इथेनॉल के साथ और कुल्ला फ़िल्टर नाइट्रोजन के तहत शुष्क.

1B. जर्मेनियम पर प्राथमिक monolayer गठन

  1. 1cm2 substrates में जर्मेनियम वफ़र कट, धूल और फ़िल्टर्ड पानी और इथेनॉल के साथ कुल्ला.
  2. 20 मिनट के लिए एक गिलास पकवान युक्त एसीटोन में सतहों submerging द्वारा जैविक संदूषण निकालें
  3. 15 मिनट के लिए एक 10% एचसीएल समाधान में प्रत्येक सतह रखें. इस प्रक्रिया को साथ - साथ देशी ऑक्साइड परत को हटा और सतह chlorinates. 5 मिनट के बाद नाइट्रोजन के साथ substrates के शुष्क.
  4. एक सब्सट्रेट octyl समाप्त, पीएलए के रूप मेंCE के एक दबाव octyl मैग्नीशियम क्लोराइड के 4 मिलीलीटर (2 मिमी) युक्त शीशी में प्रत्येक जर्मेनियम सतह chlorinated. 130 पर डिग्री सेल्सियस 48 घंटे के लिए एक heatblock में प्रत्येक दबाव शीशी रखें.
  5. Heatblock के बाहर एक दबाव शीशी ले लो और कमरे के तापमान पर ठंडा.
  6. प्रत्येक सतह जल्दी डीसीएम और इथेनॉल के साथ और कुल्ला फ़िल्टर नाइट्रोजन के तहत शुष्क.

2. एन एच एस सिलिकॉन और जर्मेनियम पर सब्सट्रेट functionalization

  1. कार्बन टेट्राक्लोराइड में एक फ़िल्टर 0.1 एम एन एच एस-diazirine समाधान तैयार करें. चेतावनी: एक न्यूनतम करने के लिए प्रकाश जोखिम रखें.
  2. मिथाइल समाप्त सतहों पर Pipet समाधान की कुछ बूँदें. समाधान के लिए पूरी सतह भर में फैले की अनुमति दें.
  3. एक यूवी दीपक (☐ = 254 एनएम, 4400/cm2 0.74 इंच) के तहत सतहों रखें. सतहों यूवी प्रकाश के अंतर्गत 30 मिनट के लिए प्रतिक्रिया करने के लिए अनुमति दें, तो सतह के लिए और अधिक एनएचएस - diazirine जोड़ सकते हैं और एक अतिरिक्त 30 मिनट के लिए आगे बढ़ना प्रतिक्रिया चलो.
  4. एनएचएस संशोधित कुल्लाडीसीएम और इथेनॉल और फ़िल्टर नाइट्रोजन के तहत शुष्क के साथ urfaces.

3. लघु अणु functionalization

  1. अभिक्रिया एनएचएस संशोधित substrates के एक 20 मिमी tert - butyl carbamoyl (बीओसी) कमरे के तापमान पर दो घंटे के लिए dichloromethane (डीसीएम) में ethylenediamine समाधान में.
  2. प्रतिक्रिया के बाद डीसीएम और इथेनॉल के साथ BOC - संशोधित सब्सट्रेट कुल्ला.
  3. BOC संशोधित सब्सट्रेट डीसीएम में कमरे के तापमान पर एक घंटे के लिए 25% trifluoroacetic एसिड (TFA) का उपयोग कर Deprotect.
  4. परिणामस्वरूप सतह के साथ डीसीएम, इथेनॉल और 10% (w / v) पोटेशियम बिकारबोनिट फ़िल्टर नाइट्रोजन के तहत पानी और सूखी कुल्ला.
  5. XPS के द्वारा सभी सतहों विश्लेषण मौलिक संरचना निर्धारित है.

4. अम्लीय Polyurethane Acrylate (PUA) स्टाम्प तैयार

  1. Acrylate trimethylolpropane ethoxylate triacrylate दलदलापन कम बी के साथ 30% से पतला. प्रतिक्रिया मिश्रण (चित्र photoinitiators सी और डी में जोड़ें6 ure).
  2. Dioxane (10 मिलीलीटर) में एक 4N एचसीएल समाधान के लिए 2 mercaptoethanesulfonate सोडियम (0.2 जी, 1.22 mmol) जोड़ें और कमरे के तापमान पर 2 मिनट के लिए हलचल.
  3. ठीक एक ग्लास फिल्टर के माध्यम से और फिर एक 0.2 μ मीटर PTFE झिल्ली dioxane में 2 mercaptoethanesulfonic एसिड का एक स्पष्ट समाधान बर्दाश्त फिल्टर सिरिंज के माध्यम से पहली सोडियम क्लोराइड फ़िल्टर.
  4. कम दबाव के तहत dioxane लुप्त हो जाना
  5. परिणामस्वरूप sulfonic एसिड अभिक्रिया polyurethane-acrylate कमरे के तापमान पर prepolymeric मिश्रण के 2 मिलीलीटर के साथ और फिर वैक्यूम के अंतर्गत 50 डिग्री सेल्सियस पूरी तरह से फंस हवाई बुलबुले से मिश्रण को मुक्त करने के लिए सुनिश्चित करें.
  6. परिणामस्वरूप कमरे के तापमान के के समाधान कूल और दो गिलास खुर्दबीन स्लाइड या एक गिलास स्लाइड और कमरे के तापमान पर 2 घंटे के लिए यूवी प्रकाश के लिए जोखिम के एक मास्टर के बीच भाजन करना.
  7. Polymerization के बाद, ध्यान मास्टर बंद स्टांप छील और इथेनॉल और पानी के साथ स्टाम्प धोने और सूखी फ़िल्टर nitroge साथएन

5. उत्प्रेरक मुद्रण और SEM / AFM विश्लेषण

  1. एनएचएस के संशोधित सब्सट्रेट के शीर्ष पर उन्हें एक साथ पकड़ के लिए कोई बाहरी भार के साथ एक मिनट के लिए कमरे के तापमान पर इसी स्टांप polyurethane-acrylate प्लेस.
  2. प्रतिक्रिया के बाद, टिकट और सब्सट्रेट अलग.
  3. इथेनॉल, पानी, और फिर फ़िल्टर्ड नाइट्रोजन के साथ शुष्क इथेनॉल के साथ सब्सट्रेट कुल्ला.
  4. इथेनॉल, पानी, और फिर फ़िल्टर्ड नाइट्रोजन के साथ शुष्क इथेनॉल के साथ स्टाम्प कुल्ला.
  5. अगले आवेदन से पहले कमरे के तापमान पर टिकटों रखें.
  6. संपर्क मोड पार्श्व परमाणु बल microsopy (AFM) और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) का उपयोग कर उत्पादन पैटर्न का विश्लेषण

6. प्रोटीन patterning और प्रतिदीप्त माइक्रोस्कोपी

  1. H20 (1:1) के 1 घंटे के लिए कमरे के तापमान पर और फिर साथ rinsed: एनएचएस नमूनों डूब Lysine - एन, एन diacetic एसिड (20 मिमी) और एट DMF 3 इंच (100 मिमी) एन में bifunctional सब्सट्रेटपानी और इथेनॉल.
  2. कमरे के तापमान पर 5 मिनट के लिए एक 50 मिमी NiSO4 समाधान में substrates के सेते हैं.
  3. 0 में 1 घंटे के लिए पानी और बाध्यकारी बफर (20 ​​मिमी झपकी, 250 मिमी NaCl, 10mm imidazole, पीएच 7.5) और एक फ़िल्टर्ड GFP समाधान (~ 40 μ एम) में डूब के साथ जरूरत से ज्यादा chelated substrates कुल्ला डिग्री सेल्सियस
  4. तुरंत बंधन बफर के साथ substrates के पीबीएस (7.4 पीएच) द्वारा पीछा कुल्ला.
  5. पीबीएस में substrates के हाइड्रेटेड 0 पर रखें डिग्री सेल्सियस जब तक वे प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी विश्लेषण के लिए तैयार थे.

7. प्रोटीन patterning और प्रतिदीप्त माइक्रोस्कोपी

  1. 2 एच 1 घंटे के लिए कमरे के तापमान पर (1:1) 0 और फिर पानी से rinsed: एनएचएस नमूनों डूब Lysine - एन, एन diacetic एसिड (20 मिमी) और एट DMF 3 इंच (100 मिमी) एन में bifunctional सब्सट्रेट और इथेनॉल.
  2. कमरे के तापमान पर 5 मिनट के लिए एक 50 मिमी NiSO 4 समाधान में substrates के सेते हैं .
  3. जरूरत से ज्यादा w chelated substrates कुल्लाith पानी और बाध्यकारी बफर (20 मिमी झपकी, 250 मिमी NaCl, 10mm imidazole, पीएच 7.5) और एक फ़िल्टर्ड GFP समाधान में डूब (~ 40 सुक्ष्ममापी) 0 में 1 घंटे के लिए डिग्री सेल्सियस
  4. तुरंत बंधन बफर के साथ substrates के पीबीएस (7.4 पीएच) द्वारा पीछा कुल्ला.
  5. पीबीएस में substrates के हाइड्रेटेड 0 पर रखें डिग्री सेल्सियस जब तक वे प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी विश्लेषण के लिए तैयार थे.

8. प्रतिनिधि परिणाम:

नरम lithographic उत्प्रेरक नैनो patterning के एक उदाहरण के 7 चित्र में दिखाया गया है . दृष्टिकोण ऑक्साइड मुक्त सिलिकॉन जर्मेनियम और है, जो orthogonally भिन्न रासायनिक और जैविक moieties के साथ functionalized किया जा सकता है पर chemoselective पैटर्न बनाता है. एनएचएस - functioanlized सब्सट्रेट और उत्प्रेरक नमूनों स्टाम्प के बीच प्रतिक्रिया conformal संपर्क के क्षेत्रों में एनएचएस moieties की hydrolysis, ओर जाता है, एन एच एस के नमूनों bifunctional सब्सट्रेट असर क्षेत्रों में सक्रिय और मुक्त कार्बोक्जिलिक एसिड उपज. Diffus करने के लिए कारणहमारे विधि के आयन मुक्त प्रकृति, हम photolithography के करीब संकल्प को प्राप्त करने. उदाहरण के लिए, 7 चित्रा 125 एनएम सुविधाओं, जो समान रूप से पूरे सिलिकॉन सब्सट्रेट सतह भर में reproduced थे दिखाता है . उल्लेखनीय है, उत्प्रेरक स्टांप दक्षता को खोने के बिना कई बार reused किया जा सकता है.

Biomolecules के साथ नमूनों अर्धचालक के Chemoselective functionalization संवेदन, नैदानिक ​​और विश्लेषणात्मक अनुसंधान के क्षेत्रों में अनुप्रयोगों के लिए उच्च चयनात्मक जैविक substrates के साथ पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक सामग्री को एकीकृत करने की संभावना को खोलता है. ऐसे functionalization का एक उदाहरण 8 चित्रा, जहां एनएचएस नमूनों सिलिकॉन चुनिंदा प्रोटीन अणुओं के साथ functionalized किया गया था में दिखाया गया है. सक्रिय और मुक्त कार्बोक्जिलिक एसिड के अंतर reactivities का शोषण करके, हम पहले एन एच एस-functionalized क्षेत्रों nitrilotriacetic एसिड समाप्त (NTA) heterobifunctional linkers चिपका है, और तब परिणामस्वरूप इस्तेमाल कियाNTA नमूनों hexa-हिस्टडीन टैग GFP. चित्रा 8b के चुनिंदा लगाव के लिए एक टेम्पलेट के रूप में सतह स्पष्ट रूप से GFP-संशोधित और hydrolyzed मुक्त carboxylic एसिड क्षेत्रों के बीच अंतर प्रतिदीप्ति तीव्रता से पता चलता है. दोहराया सुविधाओं के आकार और आकार दोनों एनएचएस नमूनों (चित्रा 8a) सतह और GFP संशोधित सतह (चित्रा 8b) के बीच संगत कर रहे हैं, कार्बन passivated सतहों के उल्लेखनीय स्थिरता और मुद्रांकन दृष्टिकोण के चयनात्मकता की पुष्टि. प्रोटोकॉल उनकी टैग प्रोटीन के लिए सीमित नहीं है, और पैटर्न डीएनए और एंटीबॉडी सहित अन्य biomolecules के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.

चित्रा 1
चित्रा 1. जनरल उत्प्रेरक microcontact मुद्रण का प्रतिनिधित्व योजना

चित्रा 2
चित्रा 2 द्वि स्तरित मीटर की संरचना.जीई और सी पर olecular प्रणाली. प्राथमिक alkyl monolayer सब्सट्रेट के साथ स्थिर जीई सी या सी सी बांड रूपों और एक रासायनिक आभ्यांतरिक और करीब पैक प्रणाली है कि गिरावट से अंतर्निहित सतह की रक्षा प्रदान करता है, (ख) माध्यमिक overlayer प्राथमिक सुरक्षात्मक परत के साथ स्थिर सीसी बांड रूपों और टर्मिनल कार्यात्मक प्रदान करता है. समूहों

चित्रा 3
चित्रा 3. रिएक्शन (ए) सी और जीई को प्राथमिक सुरक्षा monolayers के गठन का प्रतिनिधित्व योजनाओं (बी)

चित्रा 4
चित्रा 4 प्राथमिक सुरक्षात्मक monolayer की एक heterobifunctional carbene दाता के साथ रासायनिक functionalization .

चित्रा 5
चित्रा 5 रिएक्शन योजना एनएचएस functionalized उप के छोटे अणु संशोधनों का प्रदर्शनstrates और इसी XPS के स्पेक्ट्रा

चित्रा 6
चित्रा 6 उत्प्रेरक पूर्व polymeric मिश्रण, polymerization शर्तों, और नमूनों सल्फोनिक एसिड संशोधित स्टांप SEM छवियों की संरचना और इसी PMMA सी मास्टर

7 चित्रा
चित्रा 7. SEM और AFM सी और जीई पर नमूनों SAMs की एक अम्लीय टिकट के साथ घर्षण छवियाँ

8 चित्रा
8 चित्रा शीतल lithographic patterning और जैविक और जैविक अणुओं के साथ passivated सिलिकॉन functionalization:. SEM की छवि नमूनों एनएचएस संशोधित सब्सट्रेट ख: GFP संशोधित सब्सट्रेट के प्रतिदीप्त माइक्रोग्राफ .

Discussion

प्रस्तुत प्रोटोकॉल या मसिही बिना स्याही का microcontact मुद्रण के फार्म का है कि सार्वभौमिक किसी भी साधारण अच्छी तरह का आदेश दिया monolayers का समर्थन करने में सक्षम सब्सट्रेट करने के लिए लागू किया जा सकता है. इस विधि में, एक टिकट immobilized उत्प्रेरक इसी कार्य समूहों असर सतह पर एक पैटर्न स्थानान्तरण. क्योंकि इस प्रक्रिया स्टाम्प से स्याही हस्तांतरण पर नहीं भरोसा करने के लिए पारंपरिक और प्रतिक्रियाशील μCP वाचाल संकल्प सीमा सतह obviated है, nanoscale वस्तुओं की दिनचर्या के निर्माण की अनुमति है. एक प्राथमिक अत्यधिक आदेश दिया आणविक प्रणाली का समावेश ऑक्सीकरण नुकसान से अंतर्निहित अर्धचालक की पूरी सुरक्षा प्रदान करता है. उसी समय, विधि एक माध्यमिक प्रतिक्रियाशील overlayer का उपयोग करके भारी प्रतिक्रियाशील समूहों के स्थिरीकरण का समर्थन करता है, प्रणाली एक साथ दोनों संरक्षण और functionalization प्राप्त है.

तकनीक स्थिर कार्बन सतह बांड के गठन के साथ शुरू होता है रासायनिक आभ्यांतरिक primar के लिए अनुमति देता हैy monolayer जो ऑक्साइड गठन के लिए एक प्रभावी बाधा के रूप में कार्य करता है. एक माध्यमिक प्रतिक्रियाशील overlayer का गठन टर्मिनल एनएचएस कार्यात्मक समूहों है कि रासायनिक और जैविक moieties की एक किस्म के लिए लगाव अंक के रूप में सेवा प्रदान करता है. यह स्थिर bilayered आणविक प्रणाली बाद हमारे उत्प्रेरक μCP दृष्टिकोण का उपयोग नमूनों है. इस अध्ययन में प्रस्तुत दृष्टिकोण जैविक और जैविक सामग्री का एक व्यापक रेंज के साथ patterning अर्धचालक substrates के लिए एक सामान्य तरीका प्रदान करता है. महंगी, जटिल इंस्ट्रूमेंटेशन के बिना नमूनों जैविक अर्धचालक इंटरफेस बनाने की क्षमता इलेक्ट्रॉनिक्स, नैनो, जैव रसायन और बायोफिज़िक्स जैसे क्षेत्रों में अनेक अवसर प्रदान करता है.

Disclosures

हम खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है

Acknowledgments

हम NSF पुरस्कार CMMI 1000724 की वित्तीय सहायता स्वीकार करते हैं.

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

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References

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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

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