Summary
אנו מדווחים על תהליך של שינוי באתרו של HF טופל סי פני (001) למצב הידרופילי או הידרופובי על ידי הקרנת דגימות בתאי microfluidic המלא H 2 O 2 פתרונות מתנול 2 O פתרון (0.01% -0.5%) או / H באמצעות לייזר UV פעמו של שטף דופק נמוך יחסית.
Abstract
יכולת הרטיבות של סיליקון (Si) היא אחד הפרמטרים החשובים בטכנולוגיה של functionalization של חומר וייצור זה של מכשירי biosensing פני השטח. אנו מדווחים על פרוטוקול של שימוש בלייזרי KRF וARF הקרנת Si (001) דגימות שקועים בסביבה נוזלית עם מספר נמוך של קטניות ופועלים בfluences דופק בינוני הנמוך כדי לגרום לשינוי יכולת רטיבות סי. הוופלים שקועים עד 4 שעות בH 0.01% 2 O 2 פתרון 2 O / H לא הראו שינוי מדיד בזווית המגע הראשונית שלהם (CA) ~ 75 מעלות. עם זאת, ל- 500 דופק הקרנת KRF ולייזרי ARF של הוופלים כאלה בmicrochamber מלאה H 0.01% 2 O 2 / H 2 O פתרון ב 250 ו 65 mJ / 2 סנטימטר, בהתאמה, ירד CA לקרוב 15 °, המציין את הקמתה של משטח סופר-הידרופילית. ההיווצרות של Si הופסק-OH (001), ללא שינוי מדיד של מורפולוגיה פני השטח של פרוסות סיליקון, ישאושר על ידי ספקטרוסקופיה Photoelectron רנטגן ומדידות מיקרוסקופי כוח אטומיות. דגימות אזור סלקטיבית מוקרנים אז היו שקועה בפתרון nanospheres מוכתם והעמסת ביוטין מצומדות- לשעה 2, וכתוצאה מכך חוסר תנועה מוצלחת של nanospheres באזור שאינו מוקרן. זה ממחיש את הפוטנציאל של השיטה לbiofunctionalization אזור סלקטיבית וייצור של ארכיטקטורות biosensing מבוססות Si מתקדמים. כמו כן, אנו מתארים פרוטוקול דומה של קרינה של הוופלים שקועים במתנול (CH 3 OH) באמצעות לייזר ARF פועלים בשטף דופק של 65 mJ / 2 סנטימטר ובהיווצרות באתרו של משטח חזק הידרופובי של Si (001) עם CA 103 מעלות. התוצאות מצביעות על היווצרות XPS לייזר מושרה ARF של סיקיירוס (och 3) x תרכובות אחראים להידרופוביות נצפתה. עם זאת, לא תרכובות כגון נמצאו על ידי XPS על פני השטח סי מוקרנים בלייזר KRF במתנול, מפגינותחוסר היכולת של לייזר KRF לphotodissociate מתנול וליצור -OCH 3 רדיקלים.
Introduction
המאפיינים אלקטרוניים וכימיים יוצא דופן, כמו גם החוזק המכני הגבוה שלה הפכו סיליקון (Si) בחירה אידיאלית עבור התקני מייקרו-אלקטרוניים וצ'יפס ביו-רפואי 1. שליטת אזור סלקטיבית של פני השטח סי זכתה לתשומת לב משמעותית עבור יישומים הכוללים 2,3 .זה microfluidic ומכשירי מעבדה-על-שבב לעתים קרובות מתקבלת גם על ידי שינוי בקנה מידה ננו של חספוס פני השטח או על ידי טיפול כימי של פני השטח 4. חספוס פני השטח או הדפוסים לייצר מבני משטח מסודרים או הורה על פני השטח סי כוללים photolithography 5, ליתוגרפיה אלומת היונים 6 וטכניקות לייזר 7. בהשוואה לשיטות אלה, הוא דיווח תהליך טקסטורות משטח לייזר להיות פחות מסובך עם הפוטנציאל לייצר microstructures עם רזולוציה מרחבית גבוהה 8. עם זאת, כפי שSi יש סף מוגבה טקסטורות, הקרנה דורשת עם שטף דופק ללגרום למרקם פני השטח העולה על סף אבלציה (~ 500 mJ / 2 סנטימטר) 9, טקסטורות של פני השטח סי יש לעתים קרובות נעזרה בהעסקת אטמוספרות גז תגובתי, כמו זה של לחץ גבוה SF 6 סביבה 4,7,8. כתוצאה מכך, לשנות יכולת רטיבות של משטח סי, עבודות רבות שהתמקדו בטיפול כימי על ידי הפקדת סרטים אורגניים ואי-אורגניים 10 2, או באמצעות טיפול פני השטח פלזמה או קרן אלקטרונים 11,12. הוא הכיר בhydrophilicity של Si מקורם קיומן של קבוצות OH יחידים ונלוות על פני השטח שלו יכול להיות מושגת על ידי רותח זה בפתרון H 2 O 2 ב 100 מעלות צלזיוס במשך 13 דקות אחדויות. עם זאת, המדינות הידרופובי סי פני, שרובם בשל נוכחותם של Si-H או Si-O-CH 3 קבוצות, יכולות להיות מושגת על ידי הטיפול כימי רטוב מעורב תחריט עם פתרון חומצת HF או ציפוי עם photoresist 13-15. כדי להשיג שליטה באזור סלקטיבית של יכולת רטיבות של Si, צעדי דפוסים מורכבים נדרשים בדרך כלל, כוללים טיפול בתמיסות כימיות 16. התגובה הכימית הגבוהה של קרינת לייזר UV שימשה גם למצעים מוצקים מצופים סרט אורגני תהליך סלקטיבי האזור ולשנות יכולת הרטיבות שלהם 17. עם זאת, כמות מוגבלת של נתונים נגיש בשינוי בסיוע לייזר של יכולת רטיבות סי על ידי הקרנה של דגימות שקועים בפתרונות כימיים שונים.
במחקר הקודם שלנו, קרינת לייזר UV של מוליכים למחצה III-V באוויר 18-20 וNH 3 21 הייתה הצלחה בשימוש כדי לשנות את ההרכב הכימי של פני השטח GaAs, InGaAs וInP. אנחנו קבענו כי קרינת לייזר UV של מוליכים למחצה III-V בdeionized מים (DI) יורד תחמוצות משטח וקרבידים, ואילו המים נספגים על פני השטח של מוליכים למחצה מגדילים 22. משטח Si מאוד הידרופובי (CA ~ 103 מעלות) הושגו על ידי הקרנת לייזר ARF של דגימות סי במתנול בעבודה האחרונה שלנו 23. כפי שצוין על ידי ספקטרוסקופיה רנטגן Photoelectron (XPS), זה נובע בעיקר מהיכולת של לייזר ARF לphotodissociate CH 3 OH. יש לנו גם משמשים KRF ולייזרי ARF כדי להקרין Si (001) ב0.01% של H 2 O 2 במי DI. זה אפשר לנו להשיג היווצרות אזור סלקטיבית של המשטח סופר-הידרופילית של Si (001) המאופיין בCA של 15 מעלות קרובים. התוצאות מצביעות על כך שXPS זה נובע דור של אג"ח Si-OH על פני השטח המוקרנים 24.
תיאור מפורט של טכניקה חדשה זו באמצעות KRF ולייזרי ARF לאזור סלקטיבית בשינוי באתרו של משטח הידרופילי / הידרופובי של פני השטח סי בריכוז נמוך של H 2 O 2 / H 2 O ופתרונות מתנול בא לידי ביטוי במאמר זה. הפרטים שמסרו כאן צריכים להיות מספיקכדי לאפשר ניסויים דומים שבוצעו על ידי חוקרים מעוניינים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
הכנת 1. לדוגמא
- השתמש בסופר diamode לדבוק מסוג n (מסומם P-) אחד בצד מלוטש Si רקיק (התנגדות 3.1 ~ 4.8 Ω.m) שהוא 3 אינץ 'קוטר, 380 מיקרומטר עבה, לדגימות של 12 מ"מ x 6 מ"מ; לנקות את הדגימות בOptiClear, אצטון ואלכוהול איזופרופיל (5 דקות לכל שלב).
- דגימות לחרוט בשיעור של 0.9% פתרון HF ~ 1 דקות כדי לחרוט משם תחמוצת ראשונית; לשטוף במי DI ויבש בטוהר גבוה (99.999%) חנקן (N 2).
- דגימות שהוכנו בחנות N 2 שקית לרסן החמצון שלהם באוויר.
2. דוגמאות להקרין על ידי ARF (= 193 ננומטר λ) וKRF לייזרים (λ = 248 ננומטר).
- דגימות מקום בתא גבוה 0.74 מ"מ ולאחר מכן לאטום את החדר עם חלון סיליקה התמזגה שיש שידור גבוה בUV (≥90%). למלא את התא עם H 2 O 2 / H 2 O פתרון בטווח של 0.01-.2% או עם מהטה degassedנול באמצעות ערוץ microfluidic.
- מכשיר את דגימות עם לייזרי ARF או KRF הומוגני בdemagnification של 2.6 ו -1.8 בהתאמה. להקרין רק 2 אתרים בכל דגימה על ידי הגדלת פעימות לייזר 100-600 בצעד של 100 פעימות במסכה עגולה (4 מ"מ קוטר). מכשיר את הדגימות באותו אופן עם "עלה אדר" מסכה (9 מ"מ x 7.2 מ"מ).
- דגימות שטיפה במי DI, יבשות עם N 2 סומק; למקם את הדגימות במכל אטום, ואז למלא במהירות את מיכל עם N 2, על מנת להימנע מחשיפה לאוויר לפני ניסויים נוספים.
3. nanospheres קיבוע של יו-מצומדות
- לדלל nanospheres 40 ננומטר בקוטר מוכתם ביוטין-מצומדות וההעמסה בפוספט 7.4 pH שנאגרו (PBS, 1X) פתרון עד 10 12 מיליליטר / חלקיקים בRT (~ 25 מעלות צלזיוס). לטבול את דגימות לייזר מוקרן ARF או KRF עבור 2 ו# 160; שעות בפתרון זה על RT.
- לשטוף דגימות עם PBS לחסל nanospheres כבול פיזי והעמסת מוכתמת על פני השטח.
אפיון 4. Surface
- זווית מגע מדידה (CA)
- לבצע מדידות CA סטטי עם מד זוית בסביבה של RT ולחות סביבה.
- להעסיק מים טוהר גבוה DI (התנגדות 17.95 MΩ · סנטימטרים) במייקרו-מזרק; ליצור נפח דומה (~ 5 μl) יורד על פני השטח המדגם ידי הורדת מיקרו המזרק לגובה דומה לכל מדידה.
- ללכוד ולשמור את טיפות המים תמונות פרופיל על ידי מצלמת CCD עם תוכנה. למדוד באופן עצמאי 4 אתרים שונים באותם תנאי הקרנה.
- הערכה וממוצע ערכי CA במודול ניתוח ירידה מהתוכנה ImageJ; לטעון את התמונה ולשנות אותו לגוונים אפורים; השקת התוסף Dropsnake; מקום בערך כמה קשרים בגובה הירידה (~ 10 קשר) משמאל לזכות לאתחל נחש; קיבל את עקומת חיבור קשרים אלה ולהתפתח עקום על ידי לחיצה על כפתור נחש. הערה: זוויות מגע מוצגות בתמונה והשולחן.
- מדידת XPS
- לחקור שינוי כימי משטח עם ספקטרומטר XPS (לחץ בסיס 1x10 -9 Torr) לבוש עם מקור אל Kα עובד ב 150 W:
- טען את הדגימות לתוך תא הוואקום.
- לרכוש את נתוני סקר שטח במצבי אנרגיה מתמידים של אנרגיה לעבור 50 eV משטח של 220 מיקרומטר x 220 מיקרומטר.
- רוכשים את נתוני סריקות ברזולוציה גבוהות מאותו האזור מנותח בשעה 20 eV לעבור אנרגיה.
- תהליך XPS נתוני ספקטרום עם תוכנת כימות ספקטרום XPS, כהפנית 25,26.
- לחקור שינוי כימי משטח עם ספקטרומטר XPS (לחץ בסיס 1x10 -9 Torr) לבוש עם מקור אל Kα עובד ב 150 W:
- הדמיה מיקרוסקופ פלואורסצנטי
- Excite דגימות, שהיו מוקרנים באמצעות מסכת "Maple Leaf" ונחשפו להעמסת nanospheres צבעוני, תוך שימוש במקור אור כחול (λ = 450 ~ 490 ננומטר).
- שים לב תמונות ניאון, פולטות ב515 ננומטר, עם מיקרוסקופ פלואורסצנטי הפוך בהגדלה של 4X.
- לאפיין את המורפולוגיה של דגימות אלה עם AFM המשטח, כהפנית 27.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
תוצאות נציג אלו הוצגו בעבודת 23,24 פרסמה הקודמת. איור 1 מציגה את CA לעומת N (מספר הפעימות) באתרים מוקרנים בלייזר KRF ב 250 mJ / 2 סנטימטר בDI H 2 O לריכוזים שונים של H 2 2 O פתרונות O 2 / H (למשל., 0.01, 0.02, 0.05 ו -0.2%). CA יורד עם עליית מספר דופק לכל H 2 O 2 פתרונות. CA המינימום (~ 15 מעלות) במשך 2 O 2 פתרונות H 0.02 0.01% ומתקבל על 500 פעימות. CA ולא גדול יותר נצפה לפתרונות 2 O 2 H 0.05 ו -0.2% במספרים גדולים יותר דופק (N≥500). במקביל, נמצא כי CA של המדגם ללא קרינה (N = 0) ירד ב 32 מעלות 75 מעלות כמH 2 O 2 ריכוז מוגבר 0.02-0.2%. תוצאות אלו, שנרכשו לאחר חשיפת 10 דקות ממוצעת לH 2 2, סביר להניח מייצגים את ערכי הרוויה CA זמינים ב- H בהתאמה 2 O 2 ריכוזים. עם זאת, חשוב לשים לב כי החשיפה של דוגמאות לH 0.01% 2 O 2 פתרון, לתקופה של עד 4 שעות לא הביאה לשינוי מדיד של CA המאפיין את המשטח הראשוני.
איור 2 מדגים CA לעומת מספר דופק לאתרים אחרי KRF (איור 2 א) וARF (איור 2) קרינת לייזר בH 0.01% 2 O 2 / H 2 O פתרון. איור 2 א מוכיח כי CA יורד ברציפות עם המספר עד דופק 600 פעימות של KRF ב183 mJ / 2 סנטימטר. תוצאות דומות נמצאו בדגימות מוקרנים בלייזר ARF על 44 mJ / 2 סנטימטר, כפי שמוצגות באיור 2. כאשר האתרים היו מוקרנים בלייזר KRF עם 300 פעימות ב 320 mJ / 2 סנטימטר וקטניות 500 ב 250 mJ / סנטימטר
איור 3 מראה O 1s ספקטרום XPS של פני השטח סי חקוקים טרי על ידי HF (איור 3 א), נחשף לH 0.01% 2 O 2 פתרון 2 O / H לכ 10 דקות ללא קרינת לייזר ((איור 3), ונחשף ל0.01% H 2 O 2 / H 2 O פתרון ו- 500 דופק קרינת לייזר KRF ב 250 mJ / 2 סנטימטר (איור 3 ג). הפסגות ב531.8 ± 0.1, 532.6 ± 0.1 ו533.7 ± 0.1 eV חולקו לx SiO, SiO 2 וSiOH, בהתאמה 28,29. איור 3 מראה כי החשיפה לפתרון HF הסירה ביותר של SiO 2 ו- x SiO מפני השטח. הכמויות של SiO 2 & #160; וSiOH באתר מוקרן בלייזר KRF גדולים יותר (איור 3 ג) מאלו שבאינם מוקרן (איור 3). Si משטחים מצופה עם SiO 2 תמיד דווחו לערכי CA מינימום של 45 מעלות -55 °, כהפניה 11, בהתאם לO / יחס סי. משטח Si עם זאת, monolayer SiOH סופר-הידרופילית מכוסה דווח עם CA מינימאלי של 13 מעלות, כמו בהפניה 30. לפיכך, CA = 14 ° הושגו עם 500 פעימות הוא בעיקר בשל ריכוז מוגבר של משטח SiOH. אנחנו גם ציינו כי יחס SiOH / SiO 2 עלה מ 0.10 (הקרנת 100 דופק, מידע לא מוצג) ל0.17 לאתר מוקרן 500 הדופק. הקווים מקווקווים בספקטרום מייצגים את פחמן (C) adsorbates על פני השטח. הכמויות של adsorbates אלה נקבעים בהתאם ליחס קבוע של O / C של CO, C = O וOC = O אג"ח בספקטרום 1s C 31. מצאנו כי יש יותרC על פני השטח שאינו מוקרן נחשף לH 2 O 2 2 O פתרון / H, מאשר על המדגם חקוק טרי על ידי חומצת HF. איור 3 ג מראה כי הכמויות של absorbates C ירד עם מספר דופק בשל השפעת ניקוי לייזר אקסימר 9. מאז absorbates C על פני השטח דווח להגדיל הידרופוביות של 15 Si, ההסרה המושרית הלייזר של adsorbates C גם משפרת את הטבע הידרופילי של פני השטח.
איור 4 א מציג תמונה מיקרוסקופית הקרינה של פני השטח סי באופן סלקטיבי מצופים nanospheres והעמסת מוכתם. המדגם היה מוקרן הראשון בH 2 O 2 / H 2 O פתרון (0.01%) על ידי הקרנת מסכה "עלה אדר" עם לייזר KRF מספק 400 פעימות ב 250 mJ / 2 סנטימטר. ריכוז של nanospheres משטח גבוה נמצא בחלק הלא-המוקרן של המדגם. התוצאה ממחישה formation של אזור מושרה לייזר של חומר הידרופילי מאוד שמונע מחייב של nanospheres. נוכחותם של כמה nanospheres נצפה באזור זה יכול להיות קשור לחמצון פגם משטח המושרה של Si והפחתה קשורה בhydrophilicity. איור 4 מציגה תמונת AFM של שבר של המשטח שאינו מוקרן מכוסה בצפיפות nanospheres המשותק.
איור 5 מראה את ערכי CA נמדדו עבור דגימות סי שהיו שקועים במתנול ומוקרן בלייזר ARF בגיל 30, 65 ו- 80 mJ / 2 סנטימטר. ניתן לראות כי CA של המדגם מוקרן עם 800 פעימות ב 65 mJ / 2 סנטימטר עלה מ הערך הראשוני של 75 מעלות ל 103 מעלות, וזה דומה לCA למדגם מוקרן 1,000 הדופק. הדבר מצביע על כך השינוי הכימי הלייזר מבוסס של פני השטח סי מרווה בfluences הלייזר אלה. דינמיקה אינטנסיבית יותר של increa CAse נצפה 80 mJ / 2 סנטימטר ומספר נמוך של פעימות לייזר (N <200), כפי שעולה מסימני המעגל. עם זאת, ההיווצרות של בועות על דגימות מוקרנים עם N> 200 פעימות, ושינוי לא מבוקר הקשורים למורפולוגיה פני השטח המדגם מנעו מאיתנו איסוף נתונים אמין בתנאים כאלה. שימוש בגישה מתוארת במקום אחר 22,32, אנו מעריכים כי קרינת לייזר ARF על 65 mJ / 2 סנטימטר גורם טמפרטורת שיא על פני השטח של Si הדומה לנקודת רתיחת מתנול, כלומר., 65 מעלות צלזיוס, שבסימוכין 33. לפיכך, הקרנה עם fluences לייזר גדול יותר צפויה לגרום להיווצרות של בועות. עולה בקנה אחד עם זה היה חוסר היכולת שלנו לייצר דגימות Si של מאפיינים משביעות רצון עם שטף הלייזר של 80 mJ / 2 סנטימטר ו- N> 200 פעימות. לעומת זאת, קרינה ב 30 mJ / 2 סנטימטר הראתה עלייה רק חלשה של CA ל -78 מעלות במשך irrad 1,000 הדופקדגימות iated.
איור 6 מציג ספקטרום XPS של 1s Si 2p וO לאתרים שקועים במתנול שהיו מוקרן אינם (6A דמויות ו6B), ומוקרן עם 500 פולסים של לייזר ARF על 65 mJ / 2 סנטימטר (איור 6 ג ו6D). תכונה חלשה בספקטרום Si 2p של (איור 6 א) האתר שאינו מוקרן ניתן לראות סביב BE = 102.7 eV. תכונה זו דווחה למקורן סיקיירוס (och 3) x האג"ח 34. הריכוז האטומי של מתחם זה כבר נאמד בשיעור של 0.7%, שהמעיט מעט בשל קטן יחסית (60 מעלות) הזווית (TOF) ההמראה מיושם תוך איסוף נתונים XPS. עם זאת, באתר המוקרן (איור 6 ג), אחוז האטומי של סיקיירוס (och 3) איגרות חוב x גדל ב 5 פעמים לרמה של 3.5% בTOF של 60 מעלות. בספקטרום 1s O (6B דמויות > ו6D), ניתן לראות כי ריכוז שיא Si-O-CH 3 (BE = 532.6 eV) עלה 1-2.5% לאתרים שאינם מוקרנים ומוקרנים, בהתאמה. כסיקיירוס (och 3) x דווח להיות אחראי להיווצרות של משטח הידרופובי של Si, כהפניה 15,35,36, הגידול של ריכוז פני השטח של סיקיירוס (och 3) x נראה העיקרי סיבה למאפיינים הידרופובי נצפו של ARF מוקרן דגימות סי. בO 1s ספקטרום, מלבד סי-אלוף ומפקד, יש x SiO ופסגות OH. הגידול של שיא x SiO בBE = 531.5 ± 0.2 eV נגרם ככל הנראה על ידי CH 3 O מחייב תת-תחמוצות x SiO (SiO x + 1 -CH 3) 34. כHF טופל מדגם סי לא הראה נוכחות של OH (לא מוצג כאן), שיא OH זה אולי מCH 3 OH נקלט פיזי אל פני השטח סי.
ss = "jove_content" FO: לשמור-together.within עמודים = "תמיד"> 
איור 1. זווית לתקשר לעומת מספר דופק על Si (001) משטח מוקרן בלייזר KRF ב 250 mJ / 2 סנטימטר בDI H 2 O וריכוזים שונים H 2 O 2 / H 2 O פתרונות (למשל, 0.01, 0.02, 0.05 ושל 0.2%). סטיית ערך זווית המגע סטנדרטית (SD) היא 2.5 מעלות. הדמות שונה מ24. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2. זווית לתקשר לעומת מספר דופק של דגימות שקועים בH 0.01% 2 O 2 / H 2 O פתרון ומוקרנים על ידי KRF (איור 2 א) וARF (איור 2לייזרים). SD של ערך זווית מגע נמסר להיות 2.2 מעלות. הדמות שונה מ24. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
ספקטרום איור 3. O 1s XPS של פני השטח סי טריות חקוקים בHF (), נחשף לH 0.01% 2 O 2 פתרון 2 O / H לכ 10 דקות ללא קרינת לייזר (B), ומוקרן עם 500 פעימות של KRF לייזר ב 250 mJ / 2 סנטימטר בחשיפה H 0.01% 2 O 2 2 O פתרון / H (C). הדמות שונה מ24. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של זהדמות.
תמונת איור 4. הקרינה מיקרוסקופית של דגימה שהייתה, ראשון, מוקרן עם 400 פולסים של לייזר KRF פועל ב 250 mJ / 2 סנטימטר ותכנון מסכה "עלה מייפל" על פני השטח ו, שני, נחשפה לפתרון של והעמסת nanospheres צבעוני (). תמונת AFM של שבר של החלק הלא המוקרן של המדגם מראה nanospheres המשותק (B). הדמות שונה מ24. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 5. זווית מגע של Si (001) דגימות ש mmersed במתנול ומוקרן עם לייזר ARF ליום 30 בmJ / 2 סנטימטר (▲), 65 mJ / 2 סנטימטר (■) ו -80 mJ / 2 סנטימטר (●). הברים השגיאה מחושבים על בסיס המדידות של 3 אתרים עצמאיים . SD ערך זווית מגע של 2.0 מעלות דווח. הדמות שונה מ23. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 6. Si 2p וספקטרום 1s O XPS של מדגם התייחסות (לא מוקרן) (A ו- B), ומדגם מוקרן על ידי לייזר ARF במתנול עם 500 פעימות של ב65mJ / 2 סנטימטר (C ו- D). הדמות שונה מ23.מודעה / 52,720 52720fig6large.jpg "target =" / _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
יש לנו הצעת פרוטוקול של קרינת לייזר UV של Si רקיק בתא microfluidic המלא בריכוז נמוך של H 2 O 2 פתרון כדי לגרום למשטח סופר-הידרופילית Si, שנובע בעיקר מהדור של Si-OH. photolysis לייזר UV של H 2 O 2 היה אמור ליצור טעון השלילי OH - רדיקלים. כמו כן, אפקט הפוטואלקטרי לייזר UV מוביל להיווצרות של משטח מטען חשמלי חיובי 37. לכן, האינטראקציה של OH השלילי אלה - רדיקלים עם משטח מטען חשמלי חיובי מובילה לדור של Si-OH על פני השטח. לכן, אנו יכולים להגדיל hydrophilicity על ידי הגדלת מספר דופק הלייזר ולהגביר את הריכוז של OH - מגיבים עם 15 Si. עם זאת, hydrophilicity חדל כדי להגדיל או להקטין גם במספר גדול יותר דופק במהלך התהליך כי H 2 O 2 הוא לא יציב thermodynamically, ופירוקה הוא describאד על ידי 2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 38, וכתוצאה מכך נוצר O מוגזם 2 באזור המשטח ליד של Si. למרות שתהליך זה היה פוטנציאל להוביל להיווצרות של SiO 2 כדי לשפר את hydrophilicity המשטח, הדור של O 2 מולקולות יכולות גם להיות הגורם להיווצרות בועות קרובים לפני השטח המוקרן. גדילה משמעותית היווצרות בועה בלייזר ARF על 65 mJ / 2 סנטימטר ולייזר KRF ב 320 mJ / 2 סנטימטר, עולה בקנה אחד עם האפשרות המוגברת של פירוק מונע תרמית של H 2 O 2. כCA המינימום לSi SiO 2 מצופה ידוע להיות ליד 45 מעלות, ההיווצרות SiO 2 מועשרת סי עלולה לגרום לגידול של CA נצפה לאתרים מוקרנים עם מספר דופק גדול.
חישוב הנגרמת על ידי קרינת לייזר הטמפרטורה הוא גם היבט קריטי, כפי שהוא יבואנמלה לחמצון של Si בH 2 O 2 / H 2 O פתרון ויכולת הרטיבות המוגברת. באמצעות חישובי COMSOL, טמפרטורות שיא המשטח נאמדו להיות 88 ו -95 מעלות צלזיוס כאשר מוקרן עם דופק KRF לייזר של 250 ו 320 mJ / 2 סנטימטר, בהתאמה. לשם השוואה, טמפרטורת פני השטח השיא מוערכת של 40 מעלות צלזיוס, כאשר הוא היה מוקרן על ידי דופק לייזר ARF של 65 mJ / 2 סנטימטר. טמפרטורות שיא אלה ירד לטמפרטורה המקורית ב 10 -5 של. אין הצטברות חום בין שתי פעימות רצופות כאשר לייזרי KRF וARF לפעול בשיעור החזרה של 2 הרץ (מקרה נחקר בתקשורת זה). בהתבסס על תוצאות חישוב הטמפרטורה, יכולים להיות מותאמים הפרמטרים הלייזר בניסויים עתידיים.
אנחנו גם הצענו באמצעות לייזר ARF לגרום למשטח Si הידרופובי על ידי הקרנת מדגם סי בפתרון מתנול בmicrochamber דומה, שאמור להser מושרה היווצרות של Si-O-CH 3 על פני השטח המוקרנים, כפי שמוצג באיורים 5 ו -6. זה כבר דווח כי אור לייזר UV (105-200 ננומטר) מושרה דיסוציאציה של אדי מתנול יכולה להיות מתוארת על ידי התגובה: CH 3 OH → CH 3 O + H 39. הטמפרטורה גבוהה יותר, יותר CH 3 O adsorbs על פני השטח סי 40. כך, על ידי הקרנה בשטף לייזר נמוך (למשל., 30 mJ / 2 סנטימטר), אין רתיחת מתנול ולא חלנו שינוי יכולת רטיבות ברור בשל הלייזר מושרה טמפרטורה נמוכה יותר. כמו כן, קרינת לייזר KRF של המדגם בפתרון מתנול לא מייצרת תוספת CA משמעותית בשל אורך הגל הארוך יותר שלה ומקדם קליטת חתך נמוך (<0.1x10 -20 / 2 סנטימטר) מאשר לייזר ARF (25 x10 -20 / 2 סנטימטר) 41. מקדם הספיגה של לייזר KRF במתנול הוא גם נמוך בהרבה מאלה של ARF (61x10 -20 / גמ '2) ולייזר KRF (9x10 -20 / 2 סנטימטר) בH 2 O 2 42 הרוויה .the של CA סביב 103 מעלות קשורה לאנרגיית משטח CH 3, שהיא דומיננטי ליכולת הרטיבות 15. אנרגיית המשטח נמוך יותר, גבוהה יותר הידרופוביות. האנרגיה הנמוכה ביותר פני השטח (CF 3) דווחה לי CA המרבי של 120 מעלות, ואילו עבור אג"ח x CH עם אנרגיית שטח גבוהה יותר, CA של 110 מעלות 43 הוא תמיד נמוך יותר.
לכן, בהשוואה לשיטות ידועות אחרות של שינוי הלייזר המושרה של Si, כגון שינוי מורפולוגיה משטח לייזר מושרה, התהליך והשלבים המתוארים בדו"ח זה הם פשוטים, הם לא צריכים עלות גבוהה ומערכות לייזר בהספק גבוהות, אבל הם באפקטיבי בשליטה באתרו של יכולת רטיבות משטח סי. טכניקה זו יכולה להיות בשימוש נרחב לאזור סלקטיבית לגרום שינוי של יכולת רטיבות לbiosensor מבוסס מיקרו / ננו סיpplication בעתיד. עם זאת, יש מגבלות של טכניקה זו, במיוחד להידרופוביות מושרה לייזר UV, כגון הידרופוביות המרבית (CA) הוא מוגבל על ידי אנרגיית פוטון הלייזר והאנרגיה משטח x CH. השלבים הקריטיים במהלך זה טכניקות כוללת בעיקר אחסון המדגם בN 2 מיכל כדי למנוע חמצון לפני ההקרנה ושליטה דור הבועות על פני השטח סי במהלך הקרנת לייזר, למשל., באמצעות ערוץ microfluidic.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zorba, V., et al. Making silicon hydrophobic: wettability control by two-lengthscale simultaneous patterning with femtosecond laser irradiation. Nanotechnology. 17, 3234 (2006).
- 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).
- 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).
- Chasse, M., Ross, G. Effect of aging on wettability of silicon surfaces modified by Ar implantation. J. Appl. Phys. 92, 5872-5877 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Li, Y., et al. Selective surface modification in silicon microfluidic channels for micromanipulation of biological macromolecules. Biomed. Microdevices. 3, 239-244 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mizuno, K., Maeda, S., Suzuki, K. Photoelectron emission from silicon wafer surface with adsorption of organic molecules. Anal. Sci. 7, 345 (1991).
- Swift, J. L., Cramb, D. T. Nanoparticles as Fluorescence Labels: Is Size All that Matters? Biophys. J. 95, 865-876 (2008).
- 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).
- 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).
- Heo, J., Kim, H. J. Effects of annealing condition on low-k a-SiOC: H thin films. Electrochem. Solid-st. 10, G11 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- Westwater, J. W., Santangelo, J. G. Photographic Study of Boiling. Ind. Eng. Chem. 47, 1605-1610 (1955).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Rice, F., Reiff, O. The thermal decomposition of hydrogen peroxide. J. Phys. Chem. 31, 1352-1356 (1927).
- Quickenden, T. I., Irvin, J. A. The ultraviolet absorption spectrum of liquid water. J. Chem. Phys. 72, 4416-4428 (1980).
- Andre, T. Product pair correlation in CH3OH photodissociation at 157 nm: the OH+ CH3 channel. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 2350-2355 (2011).
- 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).
- 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).
- Nishino, T., Meguro, M., Nakamae, K., Matsushita, M., Ueda, Y. The Lowest Surface Free Energy Based on -CF3 Alignment. Langmuir. 15, 4321-4323 (1999).
