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Engineering

Selective Area Modification de la Silicon mouillabilité de surface par irradiation laser pulsé UV en milieu liquide

Published: November 9, 2015 doi: 10.3791/52720
Automatic Translation
1, 1, 1
1Laboratory for Quantum Semiconductors and Photon-based BioNanotechnology, Interdisciplinary Institute for Technological Innovation, Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes (LN2)- CNRS UMI-3463, Faculty of Engineering, Université de Sherbrooke

Summary

Nous rapportons un processus d'une altération in situ de HF traitée Si surface (001) dans un état ​​hydrophile ou hydrophobe en irradiant les échantillons dans des chambres microfluidiques remplis de H 2 O 2 / H 2 O solution (0,01% -0,5%) ou des solutions de méthanol en utilisant pulsé laser UV d'une faible fluence rapport d'impulsions.

Abstract

La mouillabilité de silicium (Si) est un des paramètres importants de la technologie de fonctionnalisation de surface de ce matériau et de fabrication de dispositifs de biodétection. Nous rapportons un protocole à l'aide de lasers KrF et ArF irradiation de Si (001) échantillons immergés dans un milieu liquide avec un faible nombre d'impulsions et fonctionnant à des fluences d'impulsions modérément basses pour induire une modification de la mouillabilité de Si. Wafers immergés jusqu'à 4 h dans un 0,01% de H 2 O 2 / H 2 O solution ne montrent pas de changement mesurable dans leur angle de contact initial (CA) ~ 75 °. Cependant, le 500 impulsions KrF et lasers ArF irradiation de ces pastilles dans une microchambre rempli avec 0,01% de H 2 O 2 / H 2 O solution à 250 et 65 mJ / cm 2, respectivement, a diminué le CA à près de 15 °, indiquant la formation d'une surface superhydrophile. La formation de Si à terminaison OH (001), sans changement mesurable de la morphologie de surface de la tranche, aété confirmée par rayons X et la spectroscopie photoélectronique des mesures de force microscopie atomique. Les échantillons irradiés zone désignée ont ensuite été immergées dans une solution de biotine-conjugué à la fluorescéine nanosphères taché pendant 2 heures, ce qui entraîne une immobilisation réussie des nanosphères dans la zone non irradiée. Ceci illustre le potentiel de la méthode pour biofonctionnalisation de zone désignée et de fabrication de pointe de biodétection architectures à base de Si. Nous décrivons également un protocole similaire d'irradiation de plaquettes immergées dans du méthanol (CH 3 OH) à l'aide de laser ArF fonctionnant à impulsion fluence de 65 mJ / cm 2 et la formation in situ d'une surface fortement hydrophobe de Si (001) avec l'AC de 103 °. Les résultats indiquent XPS induite par laser ArF formation de Si- (OCH 3) x composés responsables de l'hydrophobie observé. Cependant, aucun de ces composés ont été trouvés par XPS sur la surface irradiée par laser Si KrF dans du methanol, ce qui démontrel'incapacité du laser KrF à photodissociate methanol et de créer des radicaux -OCH 3.

Introduction

Les propriétés électroniques et chimiques remarquables ainsi que sa haute résistance mécanique ont fait silicium (Si) un choix idéal pour les dispositifs microélectroniques et biomédicales puces 1. Le contrôle de zone désignée de la surface Si a reçu beaucoup d'attention pour les applications impliquant microfluidiques et des appareils de laboratoire sur puce 2,3 .Cet est souvent obtenu soit par modification nano-échelle de la rugosité de surface ou par traitement chimique de la surface 4. La rugosité de surface ou de motifs pour produire des structures de surface désordonnés ou commandés sur la surface Si comprennent la photolithographie 5, faisceau d'ions lithographie 6 et 7 techniques laser. Par rapport à ces méthodes, processus de texturation de surface laser est signalé à être moins compliqué avec le potentiel de produire des microstructures à haute résolution spatiale 8. Cependant, comme Si a un seuil de texturation élevée, nécessitant une irradiation par impulsions à la fluenceinduisent texturation de surface au-delà de son seuil d'ablation (~ 500 MJ / cm 2) 9, la texturation de surface Si a souvent été aidé en employant des atmosphères de gaz réactifs, tels que celui d'une haute pression SF 6 environnement 4,7,8. Par conséquent, pour modifier la mouillabilité de la surface de Si, de nombreux travaux ont porté sur le traitement chimique par dépôt de couches organiques 10 et inorganiques 2, ou l'utilisation de plasma ou faisceau d'électrons traitement de surface 11,12. Il est admis que le caractère hydrophile de Si provenant de l'existence de groupes OH singulier et associés sur sa surface pourrait être réalisé en le faisant bouillir dans une solution de H 2 O 2 à 100 ° C pendant 13 plusieurs minutes. Cependant, les hydrophobes états de surface de silicium, dont la plupart sont dus à la présence de liaisons Si-H ou Si-O-CH 3 groupes, peuvent être obtenus par traitement chimique par voie humide impliquant la gravure avec une solution d'acide fluorhydrique ou de revêtement avec photoresist 13-15. Pour obtenir un contrôle sélectif de la zone de mouillabilité de Si, étapes de structuration complexes sont généralement nécessaires, y compris le traitement dans des solutions chimiques 16. La réactivité chimique élevée d'UV rayonnement laser a également été utilisé pour traiter la zone sélective organique film substrats solides enrobés et modifier leur mouillabilité 17. Cependant, une quantité limitée de données est disponible sur la modification assistée par laser de Si mouillabilité par irradiation d'échantillons immergés dans des solutions chimiques différentes.

Dans notre recherche précédente, UV irradiation laser de semi-conducteurs III-V dans l'air 18-20 et NH 3 21 a été utilisé avec succès pour modifier la composition chimique de la surface de GaAs, InP et InGaAs. Nous avons établi que l'irradiation laser UV de semiconducteurs III-V en désionisée (DI) de l'eau diminue les oxydes et carbures de surface, tandis que l'eau adsorbée sur la surface de semi-conducteur augmente 22. Une surface de Si fortement hydrophobe (AR ~ 103 °) a été obtenu par ArF irradiation laser d'échantillons Si dans le méthanol dans notre récent travail 23. Comme cela est indiqué par la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), ceci est principalement dû à la capacité du laser ArF à photodissociate CH 3 OH. Nous avons également utilisé des lasers KrF et ArF à irradier Si (001) dans un 0,01% de H 2 O 2 dans de l'eau DI. Cela nous a permis d'atteindre formation de zone sélective de la surface superhydrophile de Si (001) caractérisé par le CA de près de 15 °. Les résultats XPS suggèrent que ceci est dû à la génération de liaisons Si-OH sur la surface irradiée 24.

Une description détaillée de cette nouvelle technique utilisant KrF et lasers ArF pour zone sélectif modification in situ de la surface hydrophile / hydrophobe de surface de Si dans une faible concentration de H 2 O 2 / H 2 O et des solutions de methanol est mise en évidence dans cet article. Les détails fournis ici devraient être suffisantespour permettre à des expériences similaires à exécuter par les chercheurs intéressés.

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Protocol

1. Préparation de l'échantillon

  1. Utilisez un scribe de diamode pour cliver un type n (dopé P-) d'un côté brillant tranche de silicium (résistivité 3,1 ~ 4,8 .m), qui est de 3 pouces de diamètre, 380 um d'épaisseur, dans des échantillons de 12 mm x 6 mm; nettoyer les échantillons dans OptiClear, l'acétone et l'alcool isopropylique (5 min à chaque étape).
  2. Échantillons gravure dans une solution de HF ~ 0,9% pendant 1 min à une distance de graver l'oxyde initial; rincer à l'eau DI et sec en haute pureté (99,999%) d'azote (N 2).
  3. Entreposer les échantillons préparés en N 2 sac de freiner leur oxydation à l'air.

2. irradier les échantillons par ArF (λ = 193 nm) et KrF (λ = 248 nm) lasers.

  1. Placer les échantillons dans une grande chambre de 0,74 mm et puis sceller la chambre avec une fenêtre en verre de silice qui a une forte transmission dans l'UV (≥90%). Remplir la chambre avec H 2 O 2 / H 2 O solution dans la gamme de 0,01 à 0,2% avec ou métha dégazénol en utilisant un canal microfluidique.
  2. Irradier les échantillons avec des lasers ArF ou KrF homogénéisé à démagnification de 2,6 et 1,8, respectivement. Irradier seulement deux sites sur chaque échantillon en augmentant impulsions laser de 100 à 600 à l'étape 100 impulsions à travers un masque circulaire (4 mm de diamètre). Irradier les échantillons de la même manière avec une "feuille d'érable" (9 mm x 7,2 mm) de masque.
  3. Échantillons rincer à l'eau DI et secs, N 2 ras; placer les échantillons dans un récipient fermé, puis remplir rapidement ce conteneur avec N 2, afin d'éviter l'exposition à l'air avant d'autres expériences.

3. nanosphères Immobilisation de Bio-conjugués

  1. Diluer nanosphères de biotine conjugué à la fluorescéine et colorées 40 nm de diamètre dans une solution saline tamponnée au phosphate pH 7,4 (PBS, 1X) solution à 10 12 particules / ml à la température ambiante (~ 25 ° C). Immerger des échantillons de laser KrF ou ArF est irradié pendant 2 &# 160; h dans cette solution à la température ambiante.
  2. Échantillons Laver avec du PBS pour éliminer physiquement reliés fluorescéine nanosphères colorées sur la surface.

Caractérisation 4. Surface

  1. L'angle de contact (CA) mesure
    1. Effectuer des mesures de CA statiques avec un goniomètre dans un environnement de température ambiante et de l'humidité ambiante.
    2. Employer de l'eau de haute pureté de DI (résistivité 17,95 MQ · cm) dans une micro-seringue; générer un volume similaire (~ 5 pi) tombe sur la surface de l'échantillon par l'abaissement de la micro-seringue à une hauteur similaire pour chaque mesure.
    3. Capturer et enregistrer les gouttes d'eau profil images par caméra CCD avec un logiciel. Mesurer indépendamment 4 différents sites ayant les mêmes conditions d'irradiation.
    4. Estimation et la moyenne des valeurs de CA en baisse module d'analyse à partir du logiciel ImageJ; charger l'image et le changer en niveaux de gris; lancer le plugin Dropsnake; placer environ quelques noeuds sur le contour de la goutte (~ 10 noeuds) de gauche àdroit à initialiser serpent; accepter la courbe reliant ces nœuds et évoluer la courbe en appuyant sur le bouton de serpent. Remarque: des angles de contact sont affichés dans l'image et de la table.
  2. Mesure XPS
    1. Examiner modification chimique de la surface avec un spectromètre de XPS (pression de base 1x10 -9 Torr) équipé d'une source de Al Ka de travail à 150 W:
      1. Charger les échantillons dans la chambre à vide.
      2. Acquérir les données de l'enquête de surface dans les modes d'énergie constants de 50 eV l'énergie de passer d'une zone de 220 um x 220 um.
      3. Acquérir des données de haute scans de résolution de la même zone analysée à 20 eV passent énergie.
    2. Processus XPS données spectres avec le logiciel de quantification de spectres XPS, comme référencé 25,26.
  3. Microscope à fluorescence imagerie
    1. Excite échantillons, qui ont été irradiés par "feuille d'érable" masque et exposés à la fluorescéine nanosphères colorés, à l'aideune source de lumière bleue (λ = 450 ~ 490 nm).
    2. Respecter les images fluorescentes, émettant à 515 nm, avec un microscope inversé à fluorescence à un grossissement de 4X.
    3. Caractériser la morphologie de surface de ces échantillons avec l'AFM, comme référencé 27.

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Representative Results

Ces résultats représentatifs ont été présentés dans notre travail publié précédente 23,24. La figure 1 montre le CA vs N (nombre d'impulsions) sur les sites irradiée par laser KrF à 250 mJ / cm 2 en DI H 2 O pour différentes concentrations de H 2 O 2 / H 2 O solutions (par ex., 0,01, 0,02, 0,05 et 0,2%). L'AC diminue avec l'augmentation du nombre d'impulsions pour tout le H 2 O 2 solutions. Le CA minimum (~ 15 °) pour l'H 2 O 2 solutions 0,02 et 0,01% est obtenu à 500 impulsions. Un peu plus gros CA a été observée pour 0,05 et 0,2% H 2 O 2 solutions à nombres d'impulsions plus grandes (N≥500). En même temps, on constate que l'autorité de certification de l'échantillon sans irradiation (N = 0) a diminué de 32 ° de 75 °, comme la concentration H 2 O 2 est passé de 0,02 à 0,2%. Ces résultats, acquis après une exposition moyenne de 10 min à 2 H 2, sont susceptibles de représenter les valeurs de saturation CA obtenu au H 2 O 2 respective des concentrations. Cependant, il est important de noter que l'exposition des échantillons à 0,01% H 2 O 2 solution, pour un maximum de 4 heures n'a pas entraîné un changement mesurable de l'autorité de certification caractériser la surface initiale.

La figure 2 illustre CA par rapport au nombre d'impulsions pour les sites après KrF (figure 2A) et ArF (figure 2B) de rayonnement laser dans un 0,01% H 2 O 2 / H 2 O solution. La figure 2a montre que le CA diminue de façon continue avec le nombre d'impulsions jusqu'à 600 impulsions du KrF à 183 mJ / cm 2. Des résultats similaires ont été trouvés sur des échantillons irradiés par laser ArF à 44 mJ / cm 2, tel que représenté sur la figure 2B. Lorsque les sites ont été irradiées par laser KrF à 300 impulsions à 320 mJ / cm2 et 500 impulsions à 250 mJ / cm 2, l'autorité de certification similaire ~ 15 ° a été atteint.

La figure 3 représente O 1s spectres XPS de la surface de Si fraîchement gravée par HF (figure 3A), exposée à 0,01% de H 2 O 2 / H 2 O solution pendant environ 10 min sans irradiation laser ((figure 3B), et exposées à 0,01% H 2 O 2 / H 2 O solution et 500 impulsions KrF irradiation laser de 250 mJ / cm 2 (figure 3C). Les pics à 531,8 ± 0,1, 532,6 ± 0,1 et 533,7 ± 0,1 eV ont été affectés à SiO x, SiO 2 et SiOH, respectivement 28,29. La figure 3B montre que l'exposition à une solution de HF a supprimé plus de SiO 2 et de SiO x à partir de la surface. Les quantités de SiO 2 & #160; et SiOH sur le site irradié par laser KrF sont supérieurs (figure 3C) que ceux de la non-irradié (figure 3B). Les surfaces revêtues de silicium SiO 2 sont toujours rapportées à des valeurs minimales de CA de 45 ° -55 °, tel que référencé 11, en ​​fonction du rapport O / Si. Cependant, une monocouche SiOH superhydrophile couvert surface Si a été signalé avec un CA minimum de 13 °, comme référencé 30. Ainsi, les CA = 14 ° obtenus avec 500 impulsions est principalement due à l'augmentation de la concentration de surface SiOH. Nous avons également observé que le rapport SiOH / SiO 2 est passé de 0,10 (100-impulsion irradiation, données non représentées) à 0,17 pour le site irradié de 500 impulsions. Les lignes pointillées représentent dans le spectre du carbone (C) sur la surface adsorbats. Les quantités de ces adsorbats sont déterminés en fonction des ratios fixes d'O / C de CO, C = O et OC = O obligations dans le C spectres 1s 31. Nous avons trouvé qu'il n'y a plusC sur la surface non-irradiée exposé au H 2 O 2 / H 2 O solution, que sur l'échantillon fraîchement gravé par l'acide HF. La figure 3C montre que les quantités de C absorbats diminué avec le nombre d'impulsions due à l'effet de nettoyage de laser à excimère 9. Étant donné que les absorbats de C sur la surface ont été signalés pour augmenter l'hydrophobicité de Si 15, la suppression induite par laser de C adsorbats améliore également la nature hydrophile de la surface.

La figure 4A montre une image microscopique de fluorescence de la surface Si revêtement sélectif avec de la fluorescéine teinté nanosphères. L'échantillon a été irradié dans un premier H 2 O 2 / H 2 O solution (0,01%) en projetant une "feuille d'érable" masque avec le laser KrF 400 délivrant des impulsions à 250 mJ / cm 2. Une forte concentration de surface de nanosphères se trouve sur la partie non irradiée de l'échantillon. Le résultat illustre formation d'une zone induite par laser d'un matériau fortement hydrophile qui empêche la liaison des nanosphères. La présence de quelques nanosphères observées dans cette zone pourrait être lié à l'oxydation défaut de surface induite de Si et de réduction associée à son caractère hydrophile. La figure 4B montre une image AFM d'un fragment de la surface non-irradiée densément couvert de nanosphères immobilisées.

La figure 5 montre les valeurs mesurées de l'AC pour les échantillons de Si qui ont été immergés dans du methanol et irradiées avec un laser ArF à 30, 65 et 80 mJ / cm 2. On peut voir que l'autorité de certification de l'échantillon irradié par des impulsions à 65 800 mJ / cm 2 est passée de sa valeur initiale de 75 ° à 103 °, et il est comparable à l'autorité de certification pour le 1000-impulsion échantillon irradié. Ceci suggère que le laser sur la base de la modification chimique de la surface de Si sature à ces fluences laser. La dynamique plus intenses de la Increa CASE a été observée pour 80 mJ / cm 2 et un faible nombre d'impulsions laser (N <200), comme indiqué par les symboles de la boucle. Cependant, la formation de bulles sur des échantillons irradiés avec N> 200 impulsions, et une modification non contrôlée liée de la morphologie de surface de l'échantillon nous ont empêchés de collecte de données fiables dans de telles conditions. En utilisant une approche décrite ailleurs 22,32, nous avons estimé que l'irradiation laser ArF à 65 mJ / cm 2 induit pic de température à la surface de Si comparables au point d'ébullition du méthanol, ie., 65 ° C, comme référencé 33. Ainsi, l'irradiation avec de plus grandes fluences laser est prévu pour induire la formation de bulles. Conformément à cette était notre incapacité à fabriquer des échantillons Si des caractéristiques satisfaisantes à la fluence du laser de 80 mJ / cm 2 et N> 200 impulsions. Par contre, l'irradiation à 30 mJ / cm 2 a montré qu'une augmentation de la faible CA à 78 ° C pendant la IRRAD 1000-impulsioniated échantillons.

La figure 6 représente les spectres XPS de 1s Si 2p et O pour les sites immergés dans du méthanol qui étaient non-irradiée (figures 6A et 6B), et irradiée avec 500 impulsions du laser ArF à 65 mJ / cm 2 (Figure 6C et 6D). Une caractéristique faible dans le spectre du site non irradié (figure 6A) Si 2p peut être vu autour BE = 102,7 eV. Cette fonctionnalité a été signalé à provenir de la Si- (OCH 3) x 34 obligataire. La concentration atomique de ce composé a été estimée à 0,7%, ce qui est légèrement sous-estimé en raison de la relativement faible (60 °) de renvoi d'angle (TOF) appliqué lors de la collecte des données XPS. Cependant, sur le site irradié (figure 6C), le pourcentage atomique de Si- (OCH 3) x liaison augmenté de 5 fois de 3,5% à TOF de 60 °. Dans les spectres 1s S (figures 6B 6D), on peut voir que la concentration de la Si-O-CH 3 pic (BE = 532,6 eV) est passé de 1 à 2,5% pour les sites non irradiées et irradiées, respectivement. Comme Si- (OCH 3) x a été rapportée comme étant responsable de la formation d'une surface hydrophobe de Si, tel que référencé 15,35,36, l'augmentation de la concentration de surface de Si- (OCH 3) x semble être le principal raison pour laquelle les caractéristiques hydrophobes observées de l'ARF échantillons irradiés Si. Dans le O 1s spectres, outre Si-OC et le CO, il ya SiO x et pics OH. L'augmentation du SiO x pic à 531,5 ± BE = 0,2 eV est peut-être due à la liaison CH 3 O de sous-oxydes SiO x (SiO x + 1 -CH 3) 34. Comme l'échantillon traité HF Si n'a pas montré présence de OH (non représenté ici), ce pic OH est peut-être de CH 3 OH physiquement absorbé à la surface Si.


Figure angle 1. de contact par rapport au nombre d'impulsions de Si (001) surface irradiée par laser KrF à 250 mJ / cm 2 à DI H 2 O et différentes concentrations de H 2 O 2 / H 2 O solutions (par exemple, 0,01, 0,02, 0,05 et 0,2%). L'écart-type de la valeur de l'angle de contact (SD) est de 2,5 °. Le chiffre a été modifié depuis 24. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. angle de contact par rapport au nombre d'impulsions d'échantillons immergés dans 0,01% de H 2 O 2 / H 2 O solution et irradiés par KrF (figure 2A) et ArF (figure 2BLasers). Le SD de la valeur de l'angle de contact a été signalé à 2,2 °. Le chiffre a été modifié depuis 24. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. O 1s spectres XPS de la surface de Si fraîchement gravé dans HF (A), exposée à 0,01% de H 2 O 2 / H 2 O solution pendant environ 10 min sans irradiation par laser (B), et irradiée avec 500 impulsions du KrF laser à 250 mJ / cm 2 alors exposé à 0,01% de H 2 O 2 / H 2 O solution (C). Le chiffre a été modifié depuis 24. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cettefigure.

Figure 4
Figure 4. La fluorescence image microscopique d'un échantillon qui a été tout d'abord irradié avec 400 impulsions d'un laser KrF fonctionnant à 250 mJ / cm 2 et en saillie une "feuille d'érable" masque sur la surface et, d'autre part, exposée à une solution de fluorescéine nanosphères colorées (A). de l'image AFM d'un fragment de la partie non irradiée de l'échantillon montrant nanosphères immobilisés (B). Le chiffre a été modifié depuis 24. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5. angle de Si de contact (001) échantillons i mmersed dans le méthanol et irradié avec un laser ArF à 30 mJ / cm 2 (▲), 65 mJ / cm 2 (■) et 80 mJ / cm 2 (●). Les barres d'erreur sont calculées sur la base des mesures de 3 sites indépendants . Une valeur d'angle de contact SD de 2,0 ° a été signalé. Le chiffre a été modifié depuis 23. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
Figure 6. Si 2p et O 1s spectres XPS d'un échantillon de référence (non irradié) (A et B), et un échantillon irradié par un laser ArF à 500 dans du methanol à des impulsions de 65mJ / cm 2 (C et D). Le chiffre a été modifié depuis 23.AD / 52720 / 52720fig6large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

Nous avons proposé un protocole d'irradiation UV de laser de tranche de Si dans une chambre remplie de microfluidique faible concentration en H 2 O 2 solution pour induire une surface de Si superhydrophile, ce qui est principalement dû à la génération de liaisons Si-OH. Photolyse UV de laser de H 2 O 2 était censé former chargés négativement OH - les radicaux. En outre, l'effet photoélectrique laser UV conduit à la formation d'une surface 37 chargée positivement. Par conséquent, l'interaction de ces OH négatif - des radicaux avec une surface chargée positivement conduit à la génération de liaisons Si-OH sur la surface. Donc, nous pouvons augmenter le caractère hydrophile en augmentant le nombre d'impulsions laser et augmenter la concentration de OH - Si réagir avec 15. Cependant, le caractère hydrophile cessé d'augmenter ou même diminuer au plus grand nombre d'impulsion pendant le processus parce que H 2 O 2 est thermodynamiquement instable, et sa décomposition est described par 2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 38, ce qui entraîne excessivement O 2 formé dans la région proche de la surface de Si. Bien que ce procédé serait potentiellement conduire à la formation de SiO 2 pour améliorer l'hydrophilie de surface, la génération de molécules de O 2 peut aussi être la cause de la formation de bulles près de la surface irradiée. Une augmentation significative de la formation de bulles par laser ArF à 65 mJ / cm 2 et laser KrF à 320 mJ / cm 2, est compatible avec la possibilité accrue de décomposition entraînée thermiquement de H 2 O 2. Comme le CA minimum de SiO 2 revêtue de Si est connu pour être proche de 45 °, la formation de SiO 2 enrichi en Si peut provoquer l'augmentation de CA observé pour les sites irradiés avec un grand nombre d'impulsions.

Le calcul de la température induite par l'irradiation par laser est également un aspect critique, car il est importationant de l'oxydation de Si dans le H 2 O 2 / H 2 O et la solution mouillabilité accrue. En utilisant des calculs de COMSOL, on a estimé les températures de surface des pics à 88 et 95 ° C lorsqu'il est irradié par laser KrF impulsion de 250 et de 320 mJ / cm 2, respectivement. A titre de comparaison, on estime la température de pic de surface à 40 ° C, lorsqu'il a été irradié par ArF impulsion laser de 65 mJ / cm 2. Ces pics de température a chuté à la température initiale de 10 -5 s. Il n'y a pas d'accumulation de chaleur entre deux impulsions consécutives lorsque KrF et ArF lasers fonctionnant à un débit de 2 Hz (cas étudié dans cette communication) de répétition. Sur la base des résultats de calcul de la température, les paramètres du laser peuvent être optimisés dans des expériences ultérieures.

Nous avons également proposé l'aide de laser ArF à induire surface Si hydrophobe en irradiant l'échantillon Si dans une solution de méthanol dans une microchambre similaire, qui est due à laser induit la formation de liaisons Si-O-CH 3 sur la surface irradiée, comme représenté sur les figures 5 et 6. Il a été rapporté que la lumière laser UV (105-200 nm) induit la dissociation de la vapeur de méthanol peut être décrit par la réaction: CH 3 OH CH 3 O → H + 39. Plus la température, plus un groupe CH 3 O adsorbé sur la surface de Si 40. Ainsi, par irradiation au laser de faible fluence (par ex., 30 mJ / cm 2), il n'y a pas de méthanol bouillant et aucun changement de mouillabilité évident en raison de laser basse température induite. En outre, l'irradiation par laser KrF de l'échantillon dans une solution de methanol produit aucun accroissement significatif de CA en raison de sa longueur d'onde et le coefficient d'absorption de la section inférieure (<0.1x10 -20 / cm 2) de laser ArF (25 x 10 -20 / cm 2) 41. Le coefficient d'absorption de laser KrF dans le methanol est également beaucoup plus faible que ceux de ArF (61x10 -20 / cm 2) et KrF laser (9x10 -20 / cm 2) dans H 2 O 2 42 .Le saturation du CA autour de 103 ° est liée à l'énergie de surface CH 3, qui est dominante pour 15 la mouillabilité. La partie inférieure l'énergie de surface est élevée, plus le caractère hydrophobe. L'énergie de surface plus faible (CF 3) a été signalé pour avoir le CA maximale de 120 °, tandis que pour un CH x lien avec plus d'énergie de surface, le CA de 110 ° 43 est toujours inférieure.

Par conséquent, par rapport à d'autres méthodes bien connues de modification induite par laser de Si, comme le laser induit la modification de la morphologie de surface, le processus et les étapes décrites dans ce rapport sont plus simples, ils ne nécessitent pas un coût élevé et les systèmes laser de haute puissance, mais sont dans le contrôle effectif in situ de la surface Si mouillabilité. Cette technique peut être largement utilisé pour induire une modification sélective zone de mouillabilité de base micro / nano Si un biocapteurpplication à l'avenir. Cependant, il existe des limitations de cette technique, en particulier pour laser UV induite par l'hydrophobicité, telles que l'hydrophobie maximale (AR) est limitée par l'énergie du photon laser et x CH énergie de surface. Les étapes critiques au cours de cette principalement des techniques consiste à stocker l'échantillon en N 2 contenant afin d'éviter l'oxydation avant l'irradiation et de contrôler la génération des bulles à la surface Si pendant l'irradiation laser, par exemple., En utilisant le canal microfluidique.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
fluorescein stained nanospheres Invitrogen F8795
OptiClear National Diagnostics OE-101
ArF laser (λ=193 nm) Lumonics pulse master 800
KrF laser (λ=248 nm) Lumonics pulse master 800
XPS Kratos Analytical AXIS Ultra DLD
Fluorescence microscope Olympus IX71
XPS quantitification software CasaXPS 2.3.15

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Liu, X., Fu, R. K. Y., Ding, C., Chu, P. K. Hydrogen plasma surface activation of silicon for biomedical applications. Biomol. Eng. 24, 113-117 (2007).
  2. Bayiati, P., Tserepi, A., Petrou, P. S., Kakabakos, S. E., Misiakos, K., Gogolides, E. Electrowetting on plasma-deposited fluorocarbon hydrophobic films for biofluid transport in microfluidics. J. Appl. Phys. 101, 103306-103309 (2007).
  3. Daniel, S., Chaudhury, M. K., Chen, J. C. Fast Drop Movements Resulting from the Phase Change on a Gradient Surface. Science. 291, 633-636 (2001).
  4. Sun, C., Zhao, X. W., Han, Y. H., Gu, Z. Z. Control of water droplet motion by alteration of roughness gradient on silicon wafer by laser surface treatment. Thin Solid Films. 516, 4059-4063 (2008).
  5. Krupenkin, T. N., Taylor, J. A., Schneider, T. M., Yang, S. From Rolling Ball to Complete Wetting:The Dynamic Tuning of Liquids on Nanostructured Surfaces. Langmuir. 20, 3824-3827 (2004).
  6. Martines, E., Seunarine, K., Morgan, H., Gadegaard, N., Wilkinson, C. D. W., Riehle, M. O. Superhydrophobicity and Superhydrophilicity of Regular Nanopatterns. Nano Lett. 5, 2097-2103 (2005).
  7. Ranella, A., Barberoglou, M., Bakogianni, S., Fotakis, C., Stratakis, E. Tuning cell adhesion by controlling the roughness and wettability of 3D micro/nano silicon structures. Acta Biomater. 6, 2711-2720 (2010).
  8. Zorba, V., et al. Making silicon hydrophobic: wettability control by two-lengthscale simultaneous patterning with femtosecond laser irradiation. Nanotechnology. 17, 3234 (2006).
  9. Tsu, R., Lubben, D., Bramblett, T., Greene, J. Mechanisms of excimer laser cleaning of airexposed Si(100) surfaces studied by Auger electron spectroscopy, electron energyloss spectroscopy, reflection highenergy electron diffraction, and secondaryion mass spectrometry. J. Vac. Sci. Technol. A. 9 (100), 223-227 (1991).
  10. Miramond, C., Vuillaume, D. 1-octadecene monolayers on Si (111) hydrogen-terminated surfaces: Effect of substrate doping. J. Appl. Phys. 96 (111), 1529-1536 (2004).
  11. Chasse, M., Ross, G. Effect of aging on wettability of silicon surfaces modified by Ar implantation. J. Appl. Phys. 92, 5872-5877 (2002).
  12. Aronov, D., Rosenman, G., Barkay, Z. Wettability study of modified silicon dioxide surface using environmental scanning electron microscopy. J. Appl. Phys. 101, 084901-084905 (2007).
  13. Bal, J. K., Kundu, S., Hazra, S. Growth and stability of langmuir-blodgett films on OH-, H-, or Br-terminated Si(001). Phys. Rev. B. 81, 045404 (2010).
  14. Bal, J., Kundu, S., Hazra, S. Hydrophobic to hydrophilic transition of HF-treated Si surface during Langmuir lodgett film deposition. Chem. Phys. Lett. 500, 90-95 (2010).
  15. Grundner, M., Jacob, H. Investigations on hydrophilic and hydrophobic silicon (100) wafer surfaces by X-ray photoelectron and high-resolution electron energy loss-spectroscopy. Appl. Phys. A. 39 (100), 73-82 (1986).
  16. Li, Y., et al. Selective surface modification in silicon microfluidic channels for micromanipulation of biological macromolecules. Biomed. Microdevices. 3, 239-244 (2001).
  17. Li, X. M., Reinhoudt, D., Crego-Calama, M. What do we need for a superhydrophobic surface? A review on the recent progress in the preparation of superhydrophobic surfaces. Chem. Soc. Rev. 36, 1350-1368 (2007).
  18. Dubowski, J., et al. Enhanced quantum-well photoluminescence in InGaAs/InGaAsP heterostructures following excimer-laser-assisted surface processing. Appl. Phys. A. 69, 299-303 (1999).
  19. Genest, J., Beal, R., Aimez, V., Dubowski, J. J. ArF laser-based quantum well intermixing in InGaAs/InGaAsP heterostructures. Appl. Phys. Lett. 93, 071106 (2008).
  20. Genest, J., Dubowski, J., Aimez, V. Suppressed intermixing in InAlGaAs/AlGaAs/GaAs and AlGaAs/GaAs quantum well heterostructures irradiated with a KrF excimer laser. Appl. Phys. A. 89, 423-426 (2007).
  21. Wrobel, J. M., Moffitt, C. E., Wieliczka, D. M., Dubowski, J. J., Fraser, J. W. XPS study of XeCl excimer-laser-etched InP. Appl. Surf. Sci. 127-129, 805-809 (1998).
  22. Liu, N., Dubowski, J. J. Chemical evolution of InP/InGaAs/InGaAsP microstructures irradiated in air and deionized water with ArF and KrF lasers. Appl. Surf. Sci. 270, 16-24 (2013).
  23. Liu, N., Hassen, W. M., Dubowski, J. J. Excimer laser-assisted chemical process for formation of hydrophobic surface of Si (001). Appl. Phys. A. , 1-5 (2014).
  24. Liu, N., Huang, X., Dubowski, J. J. Selective area in situ conversion of Si (0 0 1) hydrophobic to hydrophilic surface by excimer laser irradiation in hydrogen peroxide. J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 385106 (2014).
  25. Mizuno, K., Maeda, S., Suzuki, K. Photoelectron emission from silicon wafer surface with adsorption of organic molecules. Anal. Sci. 7, 345 (1991).
  26. Swift, J. L., Cramb, D. T. Nanoparticles as Fluorescence Labels: Is Size All that Matters? Biophys. J. 95, 865-876 (2008).
  27. Liu, N., Kh Moumanis,, Dubowski, J. J. Self-organized Nano-cone Arrays in InP/InGaAs/InGaAsP Microstructures by Irradiation with ArF and KrF Excimer Lasers. JLMN. 7, 130 (2012).
  28. Grunthaner, P. J., Hecht, M. H., Grunthaner, F. J., Johnson, N. M. The localization and crystallographic dependence of Si suboxide species at the SiO2/Si interface. J. Appl. Phys. 61, 629-638 (1987).
  29. Heo, J., Kim, H. J. Effects of annealing condition on low-k a-SiOC: H thin films. Electrochem. Solid-st. 10, G11 (2007).
  30. Chen, Y., Helm, C., Israelachvili, J. Molecular mechanisms associated with adhesion and contact angle hysteresis of monolayer surfaces. J. Phys. Chem. 95, 10736-10747 (1991).
  31. Miller, D., Biesinger, M., McIntyre, N. Interactions of CO2 and CO at fractional atmosphere pressures with iron and iron oxide surfaces: one possible mechanism for surface contamination? Surf Interface Anal. 33, 299-305 (2002).
  32. Stanowski, R., Voznyy, O., Dubowski, J. J. Finite element model calculations of temperature profiles in Nd:YAG laser annealed GaAs/AlGaAs quantum well microstructures. JLMN. 1, 17-21 (2006).
  33. Westwater, J. W., Santangelo, J. G. Photographic Study of Boiling. Ind. Eng. Chem. 47, 1605-1610 (1955).
  34. Kim, J. W., Kim, H. B., Hwang, C. S. Correlation Study on the Low-Dielectric Characteristics of a SiOC (-H) Thin Film from a BTMSM/O2 Precursor. J. Korean Phys. Soc. 56, 89-95 (2010).
  35. Ishizaki, T., Saito, N., Inoue, Y., Bekke, M., Takai, O. Fabrication and characterization of ultra-water-repellent alumina-silica composite films. J. Phys. D: Appl. Phys. 40, 192 (2006).
  36. Almásy, L., Borbély, S., Rosta, L. Memory of silica aggregates dispersed in smectic liquid crystals: Effect of the interface properties. EPJ B. 10, 509-513 (1999).
  37. Chen, L., Liberman, V., O'Neill, J. A., Wu, Z., Osgood, R. M. Ultraviolet laser-induced ion emission from silicon. J. Vac. Sci. Technol. A. 6, 1426-1427 (1988).
  38. Rice, F., Reiff, O. The thermal decomposition of hydrogen peroxide. J. Phys. Chem. 31, 1352-1356 (1927).
  39. Quickenden, T. I., Irvin, J. A. The ultraviolet absorption spectrum of liquid water. J. Chem. Phys. 72, 4416-4428 (1980).
  40. Andre, T. Product pair correlation in CH3OH photodissociation at 157 nm: the OH+ CH3 channel. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 2350-2355 (2011).
  41. Cheng, B. M., Bahou, M., Chen, W. C., Yui, C. H., Lee, Y. P., Lee, L. C. Experimental and theoretical studies on vacuum ultraviolet absorption cross sections and photodissociation of CH3OH, CH3OD, CD3OH, and CD3OD. J. Chem. Phys.. 117, 1633-1640 (2002).
  42. Schiffman, A., Nelson, D. D. Jr, Nesbitt, D. J. Quantum yields for OH production from 193 and 248 nm photolysis of HNO3 and H2O2. J. Chem. Phys.. 98, 6935-6946 (1993).
  43. Nishino, T., Meguro, M., Nakamae, K., Matsushita, M., Ueda, Y. The Lowest Surface Free Energy Based on -CF3 Alignment. Langmuir. 15, 4321-4323 (1999).

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Ingénierie Numéro 105 Silicon mouillabilité de surface l'interaction laser-surface le traitement de zone désignée laser excimer la spectroscopie de photoélectrons X angle de contact
Selective Area Modification de la Silicon mouillabilité de surface par irradiation laser pulsé UV en milieu liquide
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Liu, N., Moumanis, K., Dubowski, J.… More

Liu, N., Moumanis, K., Dubowski, J. J. Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment. J. Vis. Exp. (105), e52720, doi:10.3791/52720 (2015).

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