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Bioengineering

Funcionalización suaves litográfica y Patrones libre de óxido de silicio y el germanio

doi: 10.3791/3478 Published: December 16, 2011

Summary

A continuación se describe un método sencillo para modelar funcionalización libres de óxido de silicio y germanio con reactivos orgánicos monocapas y demostrar de los sustratos con dibujos de pequeñas moléculas y proteínas. El enfoque completamente protege las superficies de oxidación química, proporciona un control preciso sobre la morfología característica, y proporciona acceso rápido a los patrones discriminar químicamente.

Abstract

El desarrollo de híbridos de dispositivos electrónicos se basa en gran parte de la integración de la (bio) materiales orgánicos e inorgánicos semiconductores a través de una interfaz estable que permita el transporte de electrones eficiente y protege sustratos subyacentes de la degradación oxidativa. Grupo IV semiconductores pueden ser efectivamente protegido con muy ordenada monocapas auto-ensambladas (SAMs), compuesto por simples cadenas de alquilo que actúan como barreras impermeables a las soluciones orgánicas y acuosas. Simples SAM alquilo, sin embargo, son inertes y no susceptibles a las técnicas de modelado tradicionales. La motivación para la inmovilización de los sistemas orgánicos moleculares en los semiconductores es la transmisión de una nueva funcionalidad a la superficie que puede proporcionar una función óptica, electrónica y mecánica, así como la actividad química y biológica.

Impresión por microcontacto (CP μ) es una técnica suave litográfica para SAMs patrones en las superficies múltiples. 1-9 A pesar de su simpinformación y publicidad y la versatilidad, el enfoque se ha limitado a las superficies de metal noble y no ha sido bien desarrollada para la transferencia de modelo a los sustratos tecnológicos importantes, como libre de óxido de silicio y el germanio. Además, dado que esta técnica se basa en la difusión de tinta para transferir patrones de elastómero de sustrato, la resolución de la impresión tradicional, se limita esencialmente a cerca de 1 μ m. 10.16

En contraste con la impresión tradicional, patrones sin tinta CP μ se basa en una reacción específica entre una superficie inmovilizada sustrato y un catalizador de marca de ruedas. Porque la técnica no se basa en la formación por difusión SAM, se amplía significativamente la diversidad de superficies patternable. Además, la técnica sin tinta evita las limitaciones de tamaño de la característica impuesta por la difusión molecular, lo que facilita la replicación de características muy pequeñas (<200 nm). 17-23 Sin embargo, hasta ahora, sin tinta μ CP se ha utilizado principalmente para modelar sistemas moleculares relativamente desordenada, que no protegen las superficies subyacentes de la degradación.

En este sentido, un informe simple, fiable y de alto rendimiento método para modelar pasivado de silicio y germanio con reactivos orgánicos monocapas y demostrar funcionalización selectiva de los sustratos con dibujos de ambas moléculas pequeñas y proteínas. La técnica utiliza un preformado NHS reactiva el sistema de dos capas de óxido libre de silicio y germanio. La fracción del NHS se hidroliza en forma de patrones específicos con un ácido sulfónico modificada acrilato sello para producir patrones químicamente distintas de NHS-activa y libre de ácidos carboxílicos. Una limitación significativa a la resolución de muchas de las técnicas μ CP es el uso de material de PDMS que carece de la rigidez mecánica necesaria para la transferencia de alta fidelidad. Para paliar esta limitación se utilizó un polímero de acrilato de poliuretano, un material relativamente rígido que se puedefácilmente funcionalizadas con diferentes restos orgánicos. Nuestro enfoque de modelado completamente protege tanto de silicio y germanio a partir de la oxidación química, proporciona un control preciso sobre la forma y el tamaño de las características de modelado, y le da acceso inmediato a los patrones químicos que pueden ser discriminados más funcionalizados con moléculas orgánicas y biológicas. El enfoque es general y aplicable a otras superficies tecnológicamente relevantes.

Protocol

1A. Formación de una sola capa primaria en el silicio

  1. Corte de obleas de silicio en sustratos de 1 cm 2, el polvo y enjuague con agua filtrada y el etanol.
  2. Eliminar la contaminación orgánica, sumergiendo los sustratos de silicio en un recipiente de vidrio que contienen nano tira a 75 º C. Después de 15 minutos, enjuague cada sustrato con agua desionizada y filtrada.
  3. Lugar de cada sustrato en una solución al 5% de HF (Advertencia: HF es un material extremadamente peligroso) para eliminar la capa de óxido nativo. Después de 5 minutos en seco el óxido de silicio libre de nitrógeno
  4. Para producir un sustrato de cloro, de inmediato sumergir cada pieza libre de óxido de silicio en un vial de centelleo que contiene 2 ml de grasa saturada PCl 5 en clorobenceno. Esta solución debe ser filtrado a 0,2 micras.
  5. Montar un condensador vial en la parte superior de cada frasco y colocarlos en una heatblock conjunto a 112 ° C durante una hora.
  6. Después de la reacción es completa, vamos a viales enfriar y enjuagar cada surface con clorobenceno y seco bajo nitrógeno filtrado.
  7. Para formar un sustrato propenilo termina, el lugar de cada superficie de silicio tratada con cloro en un vial de presión que contiene 4 ml de cloruro de magnesio propenilo. Coloque el vial de presión en un heatblock a 130 ° C durante 24 horas.
  8. Tome cada vial de presión de la heatblock y dejar enfriar.
  9. Enjuague cada superficie rápidamente con DCM y el etanol y seco bajo nitrógeno filtrado.

1B. Formación de una sola capa primaria de germanio

  1. Corte de obleas de germanio en sustratos de 1cm2, el polvo y enjuague con agua filtrada y el etanol.
  2. Eliminar la contaminación orgánica, sumergiendo la superficie en un recipiente de vidrio que contienen acetona durante 20 minutos
  3. Coloque cada superficie en un 10% de solución de HCl durante 15 minutos. Este proceso al mismo tiempo elimina la capa de óxido nativo y clorados en la superficie. Después de 5 minutos en seco los sustratos con nitrógeno.
  4. Para formar un sustrato octil-terminado, place cada clorados superficie de germanio en un vial de presión que contiene 4 ml de cloruro de magnesio octilo (2 mM). Coloque el vial de presión en un heatblock a 130 ° C durante 48 horas.
  5. Tome cada vial de presión de la heatblock y deje enfriar a temperatura ambiente.
  6. Enjuague cada superficie rápidamente con DCM y el etanol y seco bajo nitrógeno filtrado.

2. NHS funcionalización del sustrato en el silicio y el germanio

  1. Preparar un filtrado 0,1 M NHS-diazirine solución de tetracloruro de carbono. Advertencia: Mantenga la exposición a luz a un mínimo.
  2. Pipeta unas gotas de la solución sobre la superficie de metilo terminado. Permita que la solución a extenderse por toda la superficie.
  3. Coloque las superficies bajo una lámpara UV (☐ = 254 nm, 4400/cm2 a 0,74 pulgadas). Deje que las superficies de reaccionar a la luz ultravioleta durante 30 minutos, luego agregar más NHS-diazirine a la superficie y dejar que la reacción continúe durante otros 30 minutos.
  4. Enjuague el NHS modificado surfaces con DCM y el etanol y seco bajo nitrógeno filtrado.

3. Funcionalización de moléculas pequeñas

  1. Reaccionar NHS modificado sustratos en 20 mM de terc-butilo carbamoil (Boc) etilendiamina solución en diclorometano (DCM) durante dos horas a temperatura ambiente.
  2. Después de la reacción, lavar el sustrato Boc-modificado con DCM y el etanol.
  3. Desproteger el sustrato Boc modificado con un 25% de ácido trifluoroacético (TFA) en DCM durante una hora a temperatura ambiente.
  4. Enjuague la superficie resultante con DCM, el etanol y 10% (w / v) de bicarbonato de potasio en agua y seco bajo nitrógeno filtrado.
  5. Analizar todas las superficies por XPS para determinar la composición elemental.

4. Ácidos de poliuretano acrilato Stamp (PUA) Preparación

  1. Diluir acrilato A un 30% con B triacrilato de trimetilolpropano etoxilado para reducir la viscosidad. Añadir fotoiniciadores C y D a la mezcla de reacción (Fig.Ure 6).
  2. Añadir sodio 2-mercaptoethanesulfonate (0,2 g, 1,22 mmol) a una solución 4N HCl en dioxano (10 ml) y se agita a temperatura ambiente durante 2 minutos.
  3. Filtrar el cloruro de sodio por un filtro de cristal y luego a través de una membrana de 0,2 μ m jeringa filtro PTFE para proporcionar una solución clara de 2-ácido mercaptoethanesulfonic en dioxano.
  4. Se evaporan bajo presión reducida dioxano
  5. Reaccionar el ácido sulfónico resultante con 2 ml de la mezcla de poliuretano-acrilato prepolymeric a temperatura ambiente y luego al vacío a 50 º C. Asegúrate de liberar por completo la mezcla de burbujas de aire atrapadas.
  6. Enfriar la solución resultante a temperatura ambiente y se polimerizan entre dos portaobjetos de vidrio o una lámina de vidrio y un maestro por la exposición a los rayos UV durante 2 horas a temperatura ambiente.
  7. Después de la polimerización, pelar cuidadosamente el sello de la maestra y lavar el sello con etanol y agua y seque con nitroge filtradan.

5. Impresión de catalizador y análisis SEM / AFM

  1. Lugar correspondiente de poliuretano-acrilato sello en la parte superior del sustrato NHS-modificado a temperatura ambiente durante un minuto sin carga externa para mantenerlos juntos.
  2. Después de la reacción, por separado el sello y el sustrato.
  3. Enjuague la superficie con etanol, agua, etanol y luego seca con nitrógeno filtrado.
  4. Enjuague el sello con el etanol, agua, etanol y luego seca con nitrógeno filtrado.
  5. Mantenga sellos a temperatura ambiente antes de la próxima aplicación.
  6. Analizar el patrón de producción con el modo de contacto lateral microsopy de fuerza atómica (AFM) y microscopía electrónica de barrido (SEM)

6. Patrones de proteínas y microscopía de fluorescencia

  1. Sumerja el sustrato NHS-patrón bifuncional en lisina-N, N-diacético (20 mM) y Et3N (100 mM) en DMF: H20 (1:1) a temperatura ambiente durante 1 hora y luego enjuaga conagua y etanol.
  2. Incubar los sustratos en 50 mM NiSO4 solución durante 5 minutos a temperatura ambiente.
  3. Enjuague los sustratos quelados con agua abundante y tampón de unión (20 NaP mM, 250 mM NaCl, 10 mM imidazol, pH 7,5) y se sumergen en una solución de filtrado GFP (~ 40 μ M) durante 1 hora a 0 ° C.
  4. Lavar inmediatamente los sustratos con tampón de unión seguida de PBS (pH 7,4).
  5. Mantener hidratado sustratos en PBS a 0 º C hasta que estuvieran listos para el análisis de microscopía de fluorescencia.

7. Patrones de proteínas y microscopía de fluorescencia

  1. Sumerja el sustrato NHS-patrón bifuncional en lisina-N, N-diacético (20 mM) y Et3N (100 mM) en DMF: H 2 0 (1:1) a temperatura ambiente durante 1 hora y luego enjuaga con agua y el etanol.
  2. Incubar los sustratos en 50 mM NiSO4 solución durante 5 minutos a temperatura ambiente.
  3. Enjuague los sustratos quelados excesivamente wagua ITH y tampón de unión (20 NaP mM, 250 mM NaCl, 10 mM imidazol, pH 7,5) y se sumergen en una solución de filtrado GFP (~ 40 M) durante 1 hora a 0 ° C.
  4. Lavar inmediatamente los sustratos con tampón de unión seguida de PBS (pH 7,4).
  5. Mantener hidratado sustratos en PBS a 0 º C hasta que estuvieran listos para el análisis de microscopía de fluorescencia.

8. Los resultados representativos:

Un ejemplo de soft-litográfica patrón nano catalizador se muestra en la Figura 7. El enfoque crea patrones en quimioselectiva libre de óxido de silicio y germanio, que puede ser ortogonalmente funcionalizados con diferentes productos químicos y restos biológicos. La reacción entre el sustrato NHS-functioanlized y el sello estampado catalizador conduce a la hidrólisis de los restos del SNS en las áreas de contacto de conformación, produciendo un patrón regiones bifuncional teniendo sustrato de NHS activa y libre de ácidos carboxílicos. Debido a la diffusla naturaleza de iones libres de nuestro método, conseguir una resolución similar a la de la fotolitografía. Por ejemplo, la figura 7 muestra las características 125 nm, que se reproducen de manera uniforme en la superficie de silicio sustrato. Sorprendentemente, el sello de catalizador puede ser reutilizado varias veces sin perder eficiencia.

Funcionalización quimioselectiva de semiconductores con dibujos de biomoléculas abre la perspectiva de la integración de los materiales tradicionales de electrónica con sustratos biológicos altamente selectiva para aplicaciones en sensores, diagnósticos, y las áreas de análisis de la investigación. Un ejemplo de funcionalización como se muestra en la Figura 8, donde el NHS patrón de silicio se funcionalizados selectivamente con las moléculas de proteínas. Mediante la explotación de la reactividad diferencial de los ácidos carboxílicos activados y libre, en primer lugar fijado nitrilotriacético terminado ácido (NTA) enlazadores heterobifuncionales a las regiones NHS-funcionalizados, y luego se usa el resultadoNTA-con dibujos de superficie como una plantilla para la fijación selectiva de 8b hexa-histidina de etiquetado GFP. Figura muestra claramente la intensidad de fluorescencia diferencial entre GFP-modificado y se hidroliza regiones libres de ácido carboxílico. El tamaño y la forma de replicar las características son consistentes entre ambos NHS superficie modelada (Figura 8) y GFP-modificado la superficie (Figura 8b), lo que confirma la notable estabilidad de pasivado de carbono-las superficies y la selectividad del método de estampado. El protocolo no se limita a Su-etiquetados proteínas, y puede ser utilizado para otros biomoléculas como el ADN patrón y los anticuerpos.

Figura 1
Figura 1. Esquema general que representa la impresión microcontacto catalítico

Figura 2
Figura 2. Estructura de la bi-capa msistema olecular en Ge y el Si. Primaria monocapa alquilo formas estables Ge-C o C-Si los bonos con el sustrato y ofrece un sistema químicamente inerte y lleno de cierre que protege la superficie subyacente de la degradación. (B) sobrecapa secundaria forma enlaces estables CC con capa de protección primaria y proporciona terminales funcionales grupos

Figura 3
Figura 3. Esquemas de reacción que representa la formación de monocapas de primaria de protección sobre el Si (A) y Ge (B)

Figura 4
Figura 4. Funcionalización química de la monocapa de protección primaria con un donante carbeno heterobifuncionales

Figura 5
Esquema de la figura 5. Reacción demuestra modificaciones de moléculas pequeñas de NHS-funcionalizados subsustratos y los correspondientes espectros de XPS

Figura 6
Figura 6. Composición del catalizador pre-mezcla polimérica, condiciones de polimerización, y las imágenes de SEM de los patrones de ácido sulfónico modificada sello y el maestro correspondiente de PMMA-Si

Figura 7
Figura 7. SEM y AFM imágenes de fricción de SAMs patrón de Si y Ge, con un sello de ácido

Figura 8
Figura 8 Soft-litográfica patrones y funcionalización de silicio pasivado con moléculas orgánicas y biológicas a:.. La imagen SEM de la NHS patrón modificado con sustrato b:. Micrografía fluorescente GFP de sustrato modificado.

Discussion

El protocolo presentado es una forma o de impresión por microcontacto sin tinta que puede aplicarse universalmente a cualquier sustrato capaz de soportar simples y bien ordenado monocapas. En este método, un sello inmovilizada catalizador de transferencia de un patrón para una superficie de apoyo correspondientes grupos funcionales. Debido a que el proceso no se basa en la transferencia de la tinta de sello a la superficie de la limitación de resolución difusivo de μCP tradicionales y reactivos se obvia, lo que permite la fabricación de rutina de los objetos a nanoescala. La incorporación de una primaria muy ordenado sistema molecular proporciona una protección completa de los semiconductores subyacente de los daños de oxidación. Al mismo tiempo, el método es compatible con la inmovilización de los voluminosos grupos reactivos mediante la utilización de una sobrecapa reactiva secundaria, que en conjunto el sistema alcanza la protección y funcionalización.

La técnica comienza con la formación de la superficie estable enlaces carbono-que permite químicamente inerte Primarmonocapa y que sirve como una barrera efectiva a la formación de óxido. Formación de una sobrecapa reactiva secundaria ofrece grupos terminales NHS funcionales que sirven como puntos de anclaje para una variedad de grupos químicos y biológicos. Esta estabilidad del sistema molecular de dos capas es posteriormente modelado utilizando nuestro enfoque μCP catalítico. El enfoque presentado en este estudio ofrece un método general para sustratos semiconductores patrón con una amplia gama de materiales orgánicos y biológicos. La capacidad para crear patrones orgánicos semiconductores interfaces sin instrumentación costoso, complejo ofrece numerosas oportunidades en campos como la electrónica, la nanotecnología, la bioquímica y la biofísica.

Disclosures

No tenemos nada que revelar

Acknowledgments

Queremos agradecer el apoyo financiero de la concesión del 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

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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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