Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Bioengineering

Mjuk Litografiska funktionalisering och mönstring oxid-fri Silicon och germanium

doi: 10.3791/3478 Published: December 16, 2011

Summary

Här beskriver vi en enkel metod för mönstring oxid-fri kisel och germanium med reaktiva organiska monolager och visa funktionalisering av mönstrade substrat med små molekyler och proteiner. Den strategi som skyddar helt ytor från kemisk oxidation, ger exakt kontroll över funktionen morfologi, och ger god tillgång till kemiskt diskriminerad mönster.

Abstract

Utvecklingen av hybrid elektroniska enheter förlitar sig till stor del om integration av (bio) organiska material och oorganiska halvledare genom en stabil gränssnitt som möjliggör effektiv elektrontransport och skyddar underliggande substrat från oxidativ nedbrytning. Grupp IV halvledare effektivt kan skyddas med högt beställt själv-monterade monolager (SAMS) består av enkla alkylkedjor som fungerar som ogenomträngliga hinder för både organiska och vattenlösningar. Enkel alkyl Sams, dock är inert och inte mottagliga för traditionell mönstring tekniker. Motivet för immobilisera organiska molekylära system på halvledare är att ge nya funktioner till ytan som kan ge optiska, elektroniska och mekaniska funktion, samt kemiska och biologiska aktivitet.

Microcontact utskrift CP) är en mjuk-litografiska tekniken för mönstring SAMs på otaliga ytor. 1-9 Trots simplicity och mångsidighet, har strategin varit i stort sett begränsade till ädla metallytor och har inte välutvecklad för mönster överföring till tekniskt viktiga substrat som oxid-fri kisel och germanium. Dessutom, eftersom denna teknik bygger på att bläcket spridning för att överföra mönster från elastomer till underlaget, är upplösningen på sådana traditionella utskrifter i huvudsak begränsad till nära 1 μ m. 10-16

I motsats till traditionella utskrift, beroende inkless μ CP mönster på en specifik reaktion mellan en yta immobiliserade-substrat och en stämpel-bunden katalysator. Eftersom tekniken inte förlitar sig på diffusionsprovtagare SAM bildas, expanderar kraftigt mångfald patternable ytor. Dessutom undanröjer inkless tekniken begränsningar karaktäristisk storlek som följer av molekylär diffusion, som underlättar replikering av mycket små (<200 nm) funktioner. 17-23 Men fram tills nu, inkless μ CP har främst använts för mönstring relativt oordnat molekylära system, som inte skyddar underliggande ytor från nedbrytning.

Här rapporterar vi en enkel, pålitlig hög genomströmning metod för mönstring passiveras kisel och germanium med reaktiva organiska monolager och visa selektiv funktionalisering av mönstrade substrat med både små molekyler och proteiner. Tekniken använder en förformade NHS-reaktivt tvåskiktade system på oxid-fri kisel och germanium. NHS fraktion hydrolyseras i ett mönster-specifikt sätt med en sulfonsyra-modifierat akrylat stämpel för att producera kemiskt distinkta mönster av NHS aktiveras och fri karboxylsyror. En betydande begränsning av resolutionen av många tekniker μ CP är användning av PDMS material som saknar mekanisk styvhet som behövs för high fidelity överföring. För att lindra denna begränsning har vi använt en polyuretan akrylatpolymer, ett relativt styvt material som kanlätt functionalized med olika organiska beståndsdelarna. Vår mönstring tillvägagångssätt skyddar helt både kisel och germanium från kemisk oxidation, ger exakt kontroll över formen och storleken på det mönstrade funktioner och ger god tillgång till kemiskt diskriminerade mönster som kan ytterligare functionalized med både organiska och biologiska molekyler. Den metod som är generell och gäller för andra tekniskt-relevanta ytor.

Protocol

1A. Primär cellslager Bildning på Silicon

  1. Skär kiselskiva i 1 cm 2 substrat, damm och skölj med vatten och filtreras etanol.
  2. Ta bort organiska föroreningar genom att sänka ned kisel substrat i en glasskål som innehåller Nano band vid 75 º C. Efter 15 minuter, skölj varje substrat med avjoniserat filtrerat vatten.
  3. Placera varje substrat i en 5% HF lösning (Varning: HF är ett mycket farligt material) för att ta bort de infödda oxidskikt. Efter 5 minuter torka oxid-fri kisel med kväve
  4. Att producera ett klorerat substrat, omedelbart sänkas ned varje oxid-fri kisel styck i scintillation injektionsflaska innehållande 2 ml mättad PCL 5 i klorbensen. Denna lösning bör filtreras till 0,2 ìm.
  5. Montera en injektionsflaska kondensor på toppen av varje flaska och placera dem i en heatblock satt till 112 ° C i en timme.
  6. När reaktionen är klar, låt rören svalna och skölj varje surface med klorbensen och torr under filtreras kväve.
  7. Att bilda en propenyl-upphör substrat, placera varje klorerade kisel yta i ett tryck injektionsflaska innehållande 4 ml propenyl magnesiumklorid. Placera varje tryck flaskan i en heatblock vid 130 ° C i 24 timmar.
  8. Ta varje tryck flaskan ur heatblock och låt svalna.
  9. Skölj varje yta snabbt med DCM och etanol och torr under filtreras kväve.

1B. Primär cellslager Bildning på germanium

  1. Skär germanium rån i 1cm2 substrat, damm och skölj med vatten och filtreras etanol.
  2. Ta bort organiska föroreningar genom att sänka ytorna i en glasskål som innehåller aceton i 20 minuter
  3. Placera varje yta i en 10% HCl-lösning i 15 minuter. Denna process tar bort samtidigt de infödda oxidskikt och chlorinates ytan. Efter 5 minuter torka substrat med kväve.
  4. Att bilda en oktyl-terminerad substrat, PLAce varje klorerade germanium yta i ett tryck injektionsflaska innehållande 4 ml Octyl magnesiumklorid (2 mm). Placera varje tryck flaskan i en heatblock vid 130 ° C i 48 timmar.
  5. Ta varje tryck flaskan ur heatblock och låt svalna till rumstemperatur.
  6. Skölj varje yta snabbt med DCM och etanol och torr under filtreras kväve.

2. NHS Substrat funktionalisering på kisel och germanium

  1. Förbered en filtrerad 0,1 M NHS-diazirine lösning i koltetraklorid. Varning: Håll ljus exponering till ett minimum.
  2. Pipettera några droppar av lösningen på metylterminerat ytor. Låt lösningen spridda över hela ytan.
  3. Placera ytor under en UV-lampa (☐ = 254 nm, 4400/cm2 på 0,74 inches). Låt ytorna att reagera under UV-ljus i 30 minuter, tillsätt sedan mer NHS-diazirine till ytan och låt reaktionen fortsätta i ytterligare 30 minuter.
  4. Skölj NHS ändrade surfaces med DCM och etanol och torr under filtreras kväve.

3. Småmolekylära funktionalisering

  1. Reagera NHS-modifierade substrat i en 20 mM tert-butyl karbamoyl (Boc-) etylendiamin lösning i diklormetan (DCM) i två timmar i rumstemperatur.
  2. Efter reaktionen, skölj Boc-modifierade substrat med DCM och etanol.
  3. Deprotect BOC ändrade underlaget med 25% trifluorättiksyra (TFA) i DCM under en timme i rumstemperatur.
  4. Skölj den resulterande ytan med DCM, etanol och 10% (w / v) kaliumbikarbonat i vatten och torr under filtreras kväve.
  5. Analysera alla ytor med XPS för att bestämma grundämnessammansättning.

4. Sura Polyuretan Acrylate Stamp (PUA) Förberedelse

  1. Späd akrylat A med 30% med trimetylolpropan etoxilat triacrylate B för att minska viskositeten. Lägg fotoinitiatorer C och D till reaktionsblandningen (Figure 6).
  2. Lägg till natrium-2-mercaptoethanesulfonate (0,2 g, 1,22 mmol) till en 4N HCl lösning i dioxan (10 ml) och rör i rumstemperatur i 2 minuter.
  3. Filtrera bort natriumklorid först genom ett fint glas filter och sedan genom en 0,2 μ m PTFE membran sprutfilter att ha råd med en klar lösning av 2-mercaptoethanesulfonic syra i dioxan.
  4. Avdunsta dioxan under reducerat tryck
  5. Reagera den resulterande sulfonsyra med 2 ml av polyuretan-akrylat prepolymeric blandning vid rumstemperatur och sedan i vakuum vid 50 ° C. Var noga med att helt fri blandningen från luftbubblor.
  6. Kyl den resulterande lösningen till rumstemperatur och polymerisera mellan två bilder glas mikroskop eller en glasplatta och en mästare av exponering för UV-ljus i 2 timmar i rumstemperatur.
  7. Efter polymerisering, Dra försiktigt stämpeln av befälhavaren och tvätta stämpel med etanol och vatten och torka med filtrerad nitrogen.

5. Katalytisk Utskrift och SEM / AFM Analys

  1. Placera motsvarande polyuretan-akrylat stämpel på toppen av NHS-modifierade substrat i rumstemperatur i en minut utan yttre last att hålla ihop dem.
  2. Efter reaktionen, separat stämpel och substrat.
  3. Skölj substrat med etanol, vatten och etanol torka med filtrerat kväve.
  4. Skölj stämpeln med etanol, vatten och etanol torka med filtrerat kväve.
  5. Håll frimärken i rumstemperatur innan nästa ansökan.
  6. Analysera fram mönster med hjälp av kontakt-läge i sidled atomic force microsopy (AFM) och svepelektronmikroskop (SEM)

6. Protein Mönstring och fluorescerande Mikroskopi

  1. Sänk NHS-mönstrade bifunktionell substrat i Lysin-N, N-diacetic syra (20 mm) och Et 3 N (100 mm) i DMF: H20 (1:1) i rumstemperatur i 1 timme och sedan sköljs medvatten och etanol.
  2. Inkubera substrat i en 50 mM NiSO4 lösning för 5 minuter i rumstemperatur.
  3. Skölj kelaterats substrat med stora mängder vatten och bindande buffert (20 mM NaP, 250 mM NaCl, 10 mM imidazol, pH 7,5) och dränka i en filtrerad GFP lösning (~ 40 μ M) för en timme vid 0 ° C.
  4. Skölj omedelbart substrat med bindande buffert följt av PBS (pH 7,4).
  5. Håll substrat hydrerad i PBS vid 0 ° C tills de var redo för fluorescensmikroskopi analys.

7. Protein Mönstring och fluorescerande Mikroskopi

  1. Sänk NHS-mönstrade bifunktionell substrat i Lysin-N, N-diacetic syra (20 mm) och Et 3 N (100 mm) i DMF: H 2 0 (1:1) i rumstemperatur i 1 timme och sedan sköljas med vatten och etanol.
  2. Inkubera substrat i en 50 mM NISO 4-lösning i 5 minuter vid rumstemperatur.
  3. Skölj kelaterade substrat alltför wed vatten och bindande buffert (20 mM NaP, 250 mM NaCl, 10 mM imidazol, pH 7,5) och dränka i en filtrerad GFP lösning (~ 40 mikroM) i 1 timme vid 0 ° C.
  4. Skölj omedelbart substrat med bindande buffert följt av PBS (pH 7,4).
  5. Håll substrat hydrerad i PBS vid 0 ° C tills de var redo för fluorescensmikroskopi analys.

8. Representativa resultat:

Ett exempel på mjuk-litografisk katalytisk nano mönster visas i Figur 7. Den strategi som skapar chemoselective mönster på oxid-fri kisel och germanium, som kan ortogonalt functionalized med olika kemiska och biologiska metaboliterna. Reaktionen mellan NHS-functioanlized substrat och katalytiska mönstrade stämpel leder till hydrolys av NHS beståndsdelarna i områden med konforma kontakt, vilket ger en mönstrad bifunktionell regioner substrat bäring NHS aktiveras och fria karboxylsyror. På grund av donion fria natur vår metod får vi upplösningen nära den i fotolitografi. Till exempel visar Figur 7 125 nm funktioner, som samtliga var reproduceras över hela kiselsubstratet yta. Anmärkningsvärt kan katalytiska stämpeln återanvändas flera gånger utan att förlora effektivitet.

Chemoselective funktionalisering av mönstrade halvledare med biomolekyler öppnar möjligheten att integrera traditionella elektroniska material med selektiva biologiska substrat för applikationer inom avkänning, diagnostiska och analytiska forskningsområden. Ett exempel på sådana funktionalisering visas i Figur 8, där NHS-mönstrade kisel selektivt functionalized med protein molekyler. Genom att utnyttja skillnaden reaktivitet av aktiverade och fria karboxylsyror, placeras vi först nitrilotriättiksyra-terminerad (NTA) heterobifunctional linkers till NHS-functionalized regioner, och använde sedan den resulterandeNTA-mönstrad yta som mall för selektiv fastsättning av hexa-histidin-märkt GFP. Figur 8b visar tydligt skillnaden fluorescensintensiteten mellan GFP modifierad och hydrolyseras fri karboxylsyra regioner syra. Storleken och formen på den replikerade funktioner överensstämmer mellan de båda NHS mönstrad yta (Figur 8a) och GFP-modifierad yta (figur 8b), vilket bekräftar den anmärkningsvärda stabiliteten för kol-passiverade ytor och selektivitet stämpling strategi. Protokollet är inte begränsad till Hans-märkta protein, och kan användas för att mönstret andra biomolekyler inklusive DNA och antikroppar.

Figur 1
Figur 1. Allmänt system representerar katalytisk microcontact utskrift

Figur 2
Figur 2. Struktur bi-lager molecular system på GE och Si. Primär alkyl cellslager bildar stabila Ge-C eller Si-C obligationer med underlaget och ger ett kemiskt inert och nära packade system som skyddar underlaget från nedbrytning. (B) Sekundär overlayer bildar stabila CC obligationer med primär skyddande skikt och ger terminal funktionella grupper

Figur 3
Figur 3. Reaktion system representerar bildandet av primära skyddande monolager på Si (A) och GE (B)

Figur 4
Figur 4. Kemisk funktionalisering av de primära skyddande cellslager med en heterobifunctional carbene donator

Figur 5
Figur 5. REAKTIONER visar lågmolekylär modifieringar av NHS-functionalized substruktioner och motsvarande XPS Spectra

Figur 6
Figur 6. Sammansättning katalytisk före blandning med polymerer, villkor polymerisation, och SEM bilder av mönstrade sulfonsyra modifierade stämpel och motsvarande PMMA-Si mästare

Figur 7
Figur 7. SEM och AFM-bilder friktion mönstrade SAMs på Si och Ge med en sur stämpel

Figur 8
Figur 8 Soft-litografisk mönstring och funktionalisering av passiviserade kisel med organiska och biologiska molekyler en..: SEM-bild av det mönstrade NHS-modifierade substrat B:. Fluorescerande mikroskop av GFP modifierad substrat.

Discussion

Den presenterade protokollet är en form eller inkless microcontact utskrift som kan allmänt tillämpas på alla underlag som kan stödja enkla välordnade monolager. I denna metod, överför en stämpel-immobiliserade katalysator ett mönster på en yta med motsvarande funktionella grupper. Eftersom processen inte är beroende av bläck överföring från stämpeln till ytan diffusiv upplösningen begränsning av traditionella och reaktiva μCP är undanröjd, tillåter rutinmässig tillverkning av nanoskala objekt. Införlivandet av en primär högt beställt molekylära system som ger fullständigt skydd av den underliggande halvledare från oxidering skador. Samtidigt stöder metoden fixering av skrymmande reaktiva grupper genom att använda en sekundär reaktiv overlayer, tillsammans systemet uppnår både skydd och funktionalisering.

Tekniken börjar med bildandet av stabila kol-yta obligationer möjliggör kemiskt inert priy cellslager som fungerar som en effektiv barriär mot oxid bildas. Bildande av ett sekundärt reaktiv overlayer ger terminalen NHS funktionella grupper som fungerar som fästpunkter för olika kemiska och biologiska metaboliterna. Denna stabila tvåskiktade molekylära system är sedan mönstrade använda vår katalytisk μCP strategi. Den metod som presenteras i denna studie ger en generell metod för substrat mönstring halvledare med ett brett utbud av ekologiska och biologiska material. Möjligheten att skapa mönstrade organiska-halvledare gränssnitt utan dyra, komplicerade instrument erbjuder många möjligheter inom områden som elektronik, nanoteknik, biokemi och biofysik.

Disclosures

Vi har inget att lämna ut

Acknowledgments

Vi erkänner ekonomiskt stöd från NSF utmärkelsen CMMI-1.000.724.

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).
Mjuk Litografiska funktionalisering och mönstring oxid-fri Silicon och germanium
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