Summary
Riportiamo un processo di alterazione in situ di HF trattata Si (001) superficie in uno stato idrofilo o idrofobo irradiando campioni in camere microfluidica riempiti con H 2 O 2 / H 2 O soluzione (0,01% -0,5%) o soluzioni di metanolo per mezzo del laser pulsato UV di un parente a bassa fluenza impulso.
Abstract
La bagnabilità di silicio (Si) è uno dei parametri importanti nella tecnologia di funzionalizzazione superficiale di questo materiale e fabbricazione di biosensori. Segnaliamo su un protocollo di utilizzo KrF e ARF laser irradiano Si (001) campioni immersi in un ambiente liquido a basso numero di impulsi e di operare a fluenze impulsi moderatamente bassi per indurre Si modifica bagnabilità. Wafer immersi per un massimo di 4 ore in un 0,01% di H 2 / H soluzione O 2 O 2 non ha mostrato cambiamento misurabile nel loro angolo di contatto iniziale (CA) ~ 75 °. Tuttavia, il 500-pulse KrF e laser ARF irradiazione di tali wafer in una microcamera riempito con 0,01% H 2 O 2 / H 2 O soluzione a 250 e 65 mJ / cm 2, rispettivamente, è diminuito il CA a quasi 15 °, indicanti la formazione di una superficie superidrofilia. La formazione di OH-terminato Si (001), con nessuna variazione misurabile totali morfologia del wafer, hastata confermata mediante spettroscopia fotoelettronica a raggi X e le misure di microscopia forza atomica. I campioni sono stati irradiati area selettiva poi immersi in una soluzione fluoresceina nanosfere macchiate biotina-coniugato per 2 ore, con un conseguente immobilizzazione successo delle nanosfere della zona non irradiato. Questo illustra il potenziale del metodo di selettiva biofunzionalizzazione area e realizzazione di architetture avanzate biosensori basati-Si. Descriviamo un protocollo simile di irradiazione di wafer immerse in metanolo (CH 3 OH) con laser ArF operante a impulsi fluenza di 65 mJ / cm 2 e formazione in situ di una superficie fortemente idrofobica di Si (001) con il CA di 103 °. I risultati indicano XPS laser indotta formazione ArF di Si- (OCH 3) x composti responsabili del idrofobicità osservato. Tuttavia, tali composti sono stati trovati da XPS sulla superficie di Si irradiato da KrF laser in metanolo, dimostrandol'incapacità del laser a KrF photodissociate metanolo e creare -OCH 3 radicali.
Introduction
Le notevoli proprietà elettroniche e chimiche, nonché la sua elevata resistenza meccanica hanno fatto silicio (Si) la scelta ideale per i dispositivi microelettronici e chip biomedicali 1. Controllo area selettiva della superficie di Si ha ricevuto notevole attenzione per le applicazioni che coinvolgono microfluidica e dispositivi lab-on-chip 2,3 .Questo è spesso ottenuta o da modifiche nano-scala della rugosità superficiale o trattamento chimico della superficie 4. L'irruvidimento superficie o patterning per produrre strutture di superficie disordinati o ordinati sulla superficie di Si includono fotolitografia 5, agli ioni di litografia a fascio 6 e tecniche laser 7. Rispetto a questi metodi, laser processo ruvido di superficie è segnalato per essere meno complicato con il potenziale di produrre microstrutture ad alta risoluzione spaziale 8. Tuttavia, come Si ha una soglia texturing elevata, richiedendo irraggiamento con impulsi di fluenzaindurre texturing superficiale supera la soglia di ablazione (~ 500 mJ / cm 2) 9, texturing di superficie Si è spesso stata assistita impiegando atmosfere gassose reattive, come quella di alta pressione SF6 ambiente 4,7,8. Di conseguenza, di modificare la bagnabilità della superficie di Si, numerosi lavori si sono concentrati sul trattamento chimico depositando organici ed inorganici 10 film 2, o usando plasma o fascio elettronico trattamento superficiale 11,12. Si riconosce che idrofilia di Si proveniente dalla presenza di gruppi OH e singolari associati sulla sua superficie potrebbe essere realizzato mediante ebollizione in una soluzione H 2 O 2 a 100 ° C per alcuni minuti 13. Tuttavia, le idrofobiche stati superficiali Si, la maggior parte dei quali sono dovuti alla presenza di Si-H o Si-O-CH 3 gruppi, possono essere raggiunti mediante manipolazione chimica umida coinvolge attacco con soluzione di acido HF o rivestimento con fotoresist 13-15. Per ottenere il controllo area selettiva di bagnabilità di Si, passi patterning complessi sono solitamente richiesti, compreso il trattamento in soluzioni chimiche 16. L'elevata reattività chimica della radiazione laser UV è stato utilizzato anche per rivestite substrati solidi processo area selettiva pellicola organica e modificare la loro bagnabilità 17. Tuttavia, una quantità limitata di dati è accessibile laser assistita modifica di Si bagnabilità mediante irradiazione di campioni immersi in diverse soluzioni chimiche.
Nella nostra precedente ricerca, irraggiamento laser UV di semiconduttori III-V in aria 18-20 e NH 3 21 è stato utilizzato con successo per alterare la composizione chimica della superficie di GaAs, InGaAs e InP. Abbiamo stabilito che l'irradiazione laser UV di semiconduttori III-V in deionizzata (DI) diminuisce ossidi superficiali e carburi, mentre l'acqua adsorbita sulla superficie del semiconduttore aumenta 22. Una superficie fortemente idrofobica Si (CA ~ 103 °) è stato ottenuto da ArF laser irradiazione di campioni di Si in metanolo nel nostro lavoro recente 23. Come indicato dalla spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), ciò è dovuto principalmente alla capacità del laser ArF a photodissociate CH 3 OH. Abbiamo usato anche KrF e laser ARF irradiare Si (001) in un 0,01% di H 2 O 2 in acqua deionizzata. Questo ci ha permesso di ottenere la formazione area selettiva di superficiale superidrofilia di Si (001) caratterizzato dalla CA di quasi 15 °. I risultati suggeriscono che XPS questo è dovuto alla generazione di legami Si-OH sulla superficie irradiata 24.
Una descrizione dettagliata di questa nuova tecnica usando KrF e laser ARF per area selettiva in situ modificazione della superficie idrofila / idrofobica superficie Si in bassa concentrazione di H 2 O 2 / H 2 O e soluzioni di metanolo è dimostrato in questo articolo. I dati forniti qui dovrebbero essere sufficientiper consentire esperimenti simili di essere effettuati da ricercatori interessati.
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Protocol
Preparazione 1. campione
- Utilizzare uno scriba diamode per fendere un tipo n (drogato P-) un lato lucido Si wafer (resistività 3.1 ~ 4.8 Ω.m) che è 3 pollici di diametro, 380 micron di spessore, in campioni da 12 mm x 6 mm; pulire i campioni in OptiClear, acetone e alcool isopropilico (5 min per ogni passo).
- Etch campioni in una soluzione di HF ~ 0,9% per 1 min a etch via ossido iniziale; risciacquo in acqua deionizzata e asciugare elevata purezza (99,999%) di azoto (N 2).
- Conservare i campioni preparati in N 2 borsa per frenare la loro ossidazione in aria.
2. irradiano Sample per ArF (λ = 193 nm) e KrF (λ = 248 nm) Laser.
- I campioni in una camera alto 0,74 millimetri e quindi sigillare la camera con una finestra di silice fusa che ha alta trasmissione UV (≥90%). Riempire la camera con H 2 O 2 / H 2 O soluzione nell'intervallo 0.01-0.2% o con metha degasatonol utilizzando un canale microfluidica.
- Irradiare campioni con omogeneizzati laser ARF o KrF a demagnification di 2,6 e 1,8, rispettivamente. Irradiare solo 2 siti su ogni campione aumentando impulsi laser da 100 a 600 in fase di 100 impulsi attraverso una maschera circolare (4 mm di diametro). Irradiare i campioni nello stesso modo con una "foglia di acero" (9 mm x 7.2 mm) maschera.
- Campioni Sciacquare in acqua deionizzata, asciugare con N 2 a filo; Porre i campioni in un contenitore sigillato, quindi riempire rapidamente questo contenitore con N 2, al fine di evitare l'esposizione all'aria prima ulteriori esperimenti.
3. Nanosfere immobilizzazione di Bio-coniugati
- Diluire nanosfere 40 nm di diametro biotina-coniugato con fluoresceina e tinto in una soluzione salina tamponata con fosfato pH 7,4 (PBS, 1X), soluzione al 10 12 particelle / ml a temperatura ambiente (~ 25 ° C). Immergere i campioni laser irradiati ARF o KrF per 2 &# 160; hr in questa soluzione a temperatura ambiente.
- Lavare i campioni con PBS per eliminare fisicamente rilegati fluoresceina nanosfere colorate sulla superficie.
Caratterizzazione 4. Superficie
- Angolo di contatto (CA) di misura
- Effettuare misure CA statiche con un goniometro in un ambiente di RT e umidità ambiente.
- Impiegare acqua ad elevata purezza DI (resistività 17,95 MW · cm) in un micro-siringa; generare volume analogo (~ 5 microlitri) gocce sulla superficie del campione abbassando il micro-siringa per un'altezza simile per ogni misurazione.
- Catturare e salvare le gocce d'acqua immagini del profilo di camera CCD con il software. Misura indipendente 4 siti diversi con condizioni di irraggiamento stessi.
- Stima e la media dei valori di CA nel modulo di analisi goccia da software ImageJ; caricare l'immagine e cambiare in scala di grigi; lanciare il plugin Dropsnake; collocare circa un paio di nodi sul contorno goccia (~ 10 nodi) da sinistra agiusto per inizializzare serpente; accettare la curva che collega questi nodi ed evolvere la curva premendo il tasto serpente. Nota: angoli di contatto sono visualizzate nell'immagine e la tabella.
- Misurazione XPS
- Indagare superficie modificazione chimica con uno spettrometro XPS (1x10 -9 Torr pressione di base) dotato di una fonte di Al Kα lavoro a 150 W:
- Caricare i campioni nella camera a vuoto.
- Acquisire i dati dell'indagine superficie in modalità di energia costante di 50 eV passaggio di energia da una zona di 220 micron x 220 micron.
- Acquisire dati ad alta risoluzione scansioni dalla stessa zona analizzata a 20 eV passano energia.
- Processo XPS dati spettri con il software di quantificazione spettri XPS, come riferito 25,26.
- Indagare superficie modificazione chimica con uno spettrometro XPS (1x10 -9 Torr pressione di base) dotato di una fonte di Al Kα lavoro a 150 W:
- Imaging di fluorescenza microscopio
- Excite campioni, che sono stati irradiati attraverso la "foglia d'acero" maschera e esposti a fluoresceina nanosfere macchiati, utilizzandouna sorgente di luce blu (λ = 450 ~ 490 nm).
- Osservare immagini fluorescenti, che emette a 515 nm, con un microscopio a fluorescenza invertito in 4x.
- Caratterizzare la morfologia superficiale di questi campioni con AFM, come riferimento 27.
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Representative Results
Questi risultati rappresentativi sono stati presentati nella precedente lavoro pubblicato 23,24. La figura 1 mostra il CA vs. N (numero di impulsi) di siti irradiata dal laser KrF a 250 mJ / cm 2 in DI H 2 O per diverse concentrazioni di H 2 O 2 / H 2 O soluzioni (ad es., 0,01, 0,02, 0,05 e 0,2%). Il CA diminuisce all'aumentare numero di impulsi per tutti gli H 2 O 2 soluzioni. Il CA minima (~ 15 °) per i H 2 O 2 soluzioni 0,02 e 0,01% si ottiene a 500 impulsi. Una CA piuttosto grande è stata osservata per 0,05 e 0,2% H 2 O 2 soluzioni a numeri di impulsi grandi (N≥500). Contemporaneamente, si è constatato che la CA del campione senza irradiazione (N = 0) è diminuita di 32 ° da 75 ° come la concentrazione di H 2 O 2 è aumentato da 0.02 a 0.2%. Questi risultati, acquisiti dopo un'esposizione media di 10 minuti per H 2 2, probabilmente rappresentano i valori di saturazione CA ottenibili presso rispettiva H 2 O 2 concentrazioni. Tuttavia, è importante notare che l'esposizione di campioni al 0,01% H 2 O 2 soluzione, per un massimo di 4 ore non ha comportato una variazione misurabile della CA caratterizzare la superficie iniziale.
Figura 2 illustra CA rispetto al numero di impulsi per i siti dopo KrF (Figura 2A) e ArF (Figura 2B) irradiazione laser in un 0.01% H 2 O 2 O 2 soluzione / H. Figura 2a mostra che la CA diminuisce continuamente con il numero di impulsi fino a 600 impulsi del KrF a 183 mJ / cm 2. Risultati simili sono stati trovati su campioni irradiati da ArF laser a 44 mJ / cm 2, come mostrato nella Figura 2B. Quando i siti sono stati irradiati da KrF laser con 300 impulsi a 320 mJ / cm 2 e 500 impulsi a 250 mJ / cm
Figura 3 mostra O 1s XPS spettri totali Si appena impressi tramite HF (Figura 3A), esposta al 0,01% H / H soluzione 2 O 2 2 O per circa 10 minuti senza irradiazione laser ((figura 3B), ed esposti a 0,01% H 2 O 2 / H 2 O soluzione e 500 impulsi irradiazione laser KrF a 250 mJ / cm 2 (Figura 3C). I picchi a 531,8 ± 0,1, 532,6 ± 0,1 e 533,7 ± 0,1 eV sono stati assegnati a SiO x, SiO 2 e SiOH rispettivamente 28,29. La Figura 3B mostra che l'esposizione ad una soluzione di HF ha rimosso più di SiO 2 e SiO x dalla superficie. Le quantità di SiO 2 e #160; e SiOH sul sito irradiato da KrF laser sono maggiori (Figura 3C) che quelli sul non irradiati (Figura 3B). Il Si superfici rivestite con SiO 2 sono stati sempre segnalato per avere valori minimi CA di 45 ° -55 °, come riferimento 11, a seconda del / rapporto Si O. Tuttavia, un superidrofilia SiOH monostrato coperto superficie di Si è stato segnalato con una CA minima di 13 °, come riferimento 30. Così, i CA = 14 ° ottenuti con 500 impulsi è dovuto principalmente alla maggiore concentrazione superficiale di SiOH. Abbiamo anche osservato che il rapporto SiOH / SiO 2 è aumentata da 0,10 (irradiazione 100 impulsi, dati non mostrati) per 0,17 per il sito irradiato 500 impulsi. Le linee tratteggiate nel spettri rappresentano il carbonio (C) adsorbati sulla superficie. Le quantità di queste adsorbati sono determinati in funzione sui rapporti fissi di O / C del CO, C = O e OC = O obbligazioni in C spettri 1s 31. Abbiamo scoperto che vi è piùC sulla superficie non irradiati esposto al H 2 soluzione O 2 / H 2 O, che sul campione fresco incisa da acido HF. Figura 3C mostra che i quantitativi di C absorbates diminuiti con numero di impulsi dovuto al laser effetto di pulizia eccimeri 9. Poiché le absorbates C sulla superficie sono stati segnalati per aumentare idrofobicità di Si 15, il laser rimozione indotta C adsorbati migliora anche la natura idrofila della superficie.
Figura 4A mostra un'immagine di fluorescenza microscopica della superficie di Si selettivamente rivestito con fluoresceina nanosfere tinto. Il campione è stato irradiato in H 2 O 2 / H 2 O soluzione (0,01%) proiettando una maschera "foglia d'acero" con il laser KrF fornire 400 impulsi a 250 mJ / cm 2. Concentrazione superficiale di nanosfere si trova sulla porzione non irradiati del campione. Il risultato illustra formation di una zona indotta da laser di un materiale fortemente idrofilico che previene il legame delle nanosfere. La presenza di alcuni nanosfere osservati in questa zona potrebbe essere legato all'ossidazione difetto superficiale indotta di Si e relativa riduzione nella sua idrofilia. Figura 4B mostra un'immagine AFM di un frammento della superficie non irradiati densamente coperto con nanosfere immobilizzati.
La Figura 5 mostra i valori misurati per CA campioni che sono stati immersi Si in metanolo e irradiata con laser ArF a 30, 65 e 80 mJ / cm 2. Si può notare che la CA del campione irradiato con 800 impulsi a 65 mJ / cm 2 aumentato dal suo valore iniziale di 75 ° a 103 °, ed è paragonabile alla CA per il campione irradiato 1.000 impulsi. Ciò suggerisce che il laser a base chimica alterazione della superficie di Si satura questi fluenza laser. Più intense dinamiche del Increa CAse è stato osservato per 80 mJ / cm 2 e basso numero di impulsi laser (N <200), come indicato dai simboli cerchio completo. Tuttavia, la formazione di bolle su campioni irradiati con N> 200 impulsi, e una modifica incontrollata correlato della morfologia superficiale del campione ci ha impedito di raccogliere dati affidabili in tali condizioni. Usando un approccio descritto altrove 22,32, abbiamo stimato che un irraggiamento laser ArF a 65 mJ / cm 2 induce temperatura di picco sulla superficie di Si paragonabile al punto di ebollizione del metanolo, cioè., 65 ° C, come riferimento 33. Così, l'irradiazione con maggiori fluenza laser dovrebbe indurre la formazione di bolle. Coerentemente con questa è stata la nostra incapacità di fabbricare campioni di Si di caratteristiche soddisfacenti con la fluenza laser di 80 mJ / cm 2 e N> 200 impulsi. Al contrario, irradiazione a 30 mJ / cm 2 mostrato solo un debole aumento del CA a 78 ° per il IRRAD 1.000 impulsiCampioni IATED.
Figura 6 mostra XPS spettri di 1s Si 2p e O per siti immerse in metanolo che erano non irradiati (figure 6A e 6B), e irradiato con 500 impulsi del laser ArF a 65 mJ / cm 2 (Figura 6C e 6D). Una caratteristica debole nel Si 2p spettro del sito non irradiata (figura 6A) può essere visto in giro BE = 102.7 eV. Questa caratteristica è stato segnalato a provenire dal Si- (OCH 3) x 34 legame. La concentrazione atomica di questo composto è stato stimato al 0,7%, che è leggermente sottostimato a causa del relativamente piccolo (60 °) decollo angolo (TOF) applicato, mentre la raccolta dei dati XPS. Tuttavia, sul sito irradiata (figura 6C), la percentuale atomica di Si- (OCH 3) x legame aumentata di 5 volte al 3,5% a TOF di 60 °. Negli spettri O 1s (figure 6B 6D), si può notare che la concentrazione di Si-O-CH 3 picco (BE = 532,6 eV) è aumentato da 1 al 2,5% per i siti irradiate e non irradiate, rispettivamente. Come Si- (OCH 3) x è stato segnalato per essere responsabile per la formazione di una superficie idrofobica di Si, come riferito 15,35,36, l'aumento della concentrazione superficiale di Si- (OCH 3) x sembra essere il principale ragione per le caratteristiche idrofobiche osservati del ArF irradiato campioni di Si. Nella O 1s spettri, oltre Si-OC e CO, esistono SiO x e picchi OH. L'aumento del picco di SiO x a BE = 531,5 ± 0,2 eV è probabilmente causato dalla CH 3 O legame SiO x sub-ossidi (SiO x + 1 -CH 3) 34. Come HF trattata campione Si non mostravano presenza di OH (non illustrata), questo picco OH è probabilmente da CH 3 OH fisicamente assorbita sulla superficie di Si.
Figura 1. Angolo di contatto rispetto al numero di impulsi su Si (001) superficie irradiata dal laser KrF a 250 mJ / cm 2 in DI H 2 O e diverse concentrazioni di H 2 O 2 / H 2 O soluzioni (ad esempio, 0.01, 0.02, 0.05 e 0,2%). La deviazione standard valore di angolo di contatto (SD) è di 2,5 °. La cifra è stata modificata dal 24. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. angolo di contatto rispetto al numero di impulsi di campioni immersi in 0,01% H 2 O 2 / H 2 O soluzione e irradiati da KrF (Figura 2A) e ArF (Figura 2B) Laser. La SD valore dell'angolo di contatto è stato segnalato per essere 2.2 °. La cifra è stata modificata dal 24. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. O 1s XPS spettri totali Si appena inciso in HF (A), esposta al 0,01% H / H 2 O 2 Soluzione 2 O per circa 10 minuti senza irradiazione laser (B), e irradiato con 500 impulsi del KrF laser a 250 mJ / cm 2 mentre esposto al 0,01% di H 2 O 2 soluzione / H 2 O (C). Il dato è stato modificato da 24. Clicca qui per vedere una versione più grande di questofigura.
Figura 4. Fluorescenza immagine microscopica di un campione che era, prima, irradiato con 400 impulsi di un laser KrF operante a 250 mJ / cm 2 e che proietta un maschera "foglia di acero" sulla superficie e, dall'altro, esposto ad una soluzione di fluoresceina AFM immagine di un frammento della parte non irradiata del campione non nanosfere immobilizzati (B) nanosfere macchiati (A).. La cifra è stata modificata dal 24. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5. Angolo di contatto di Si (001) campioni i mmersed in metanolo e irradiata con un laser ArF a 30 MJ / cm 2 (▲), 65 mJ / cm 2 (■) e 80 mJ / cm 2 (●). Le barre di errore sono calcolate sulla base delle misurazioni dei 3 siti indipendenti . È stato segnalato un valore angolo di contatto SD di 2,0 °. La cifra è stata modificata a partire dal 23. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 6. Si 2p e O 1s XPS spettri di un campione di riferimento (non irradiato) (A e B), e un campione irradiato da un laser ArF in metanolo con 500 impulsi a 65mJ / cm 2 (C e D). La cifra è stata modificata a partire dal 23.annuncio / 52720 / 52720fig6large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Abbiamo proposto un protocollo di irradiazione laser UV wafer di Si in una camera riempita con microfluidica bassa concentrazione di H 2 O 2 soluzione per indurre una superficie Si superidrofilia, che è principalmente dovuta alla generazione di Si-OH. Fotolisi laser UV di H 2 O 2 doveva formare carica negativa OH - radicali. Inoltre, laser UV effetto fotoelettrico porta alla formazione di una superficie carica positiva 37. Quindi, l'interazione di questi OH negativo - radicali con una superficie carica positivamente porta alla generazione di Si-OH sulla superficie. Quindi, possiamo aumentare idrofilia aumentando il numero di impulsi laser e aumentare la concentrazione di OH - reagire con Si 15. Tuttavia, l'idrofilia cessato di aumentare o addirittura diminuire in numero maggiore impulso durante il processo perché H 2 O 2 è termodinamicamente instabile, e la sua decomposizione è describcato da 2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 38, che si traduce in O 2 eccessivamente formata nella regione vicino alla superficie di Si. Sebbene questo processo potrebbe potenzialmente portare alla formazione di SiO 2 per migliorare l'idrofilicità superficiale, la generazione di O 2 molecole potrebbe anche essere la causa di bolle formazione in prossimità della superficie irradiata. Significativamente aumentato la formazione di bolle da ArF laser a 65 mJ / cm 2 e KrF laser a 320 mJ / cm 2, è coerente con la maggiore possibilità di decomposizione alimentato termicamente di H 2 O 2. Poiché il CA minima per Si SiO 2 rivestito è noto per essere vicino 45 °, la formazione SiO 2 arricchito Si potrebbe causare l'aumento di CA osservato per i siti irradiati con un gran numero di impulsi.
Il calcolo della temperatura indotta da irradiazione laser è anche un aspetto critico, in quanto è important all'ossidazione di Si nella H 2 O soluzione 2 O 2 / H e la maggiore bagnabilità. Utilizzando calcoli COMSOL, le temperature massime della superficie sono stati stimati a 88 e 95 ° C quando irradiati con impulso KrF laser di 250 e 320 mJ / cm 2, rispettivamente. In confronto, la temperatura di picco di superficie è stimata essere 40 ° C, quando è stato irradiato da impulso laser ArF di 65 mJ / cm 2. Queste temperature di picco è sceso alla temperatura originale in 10 -5 s. Non vi è un accumulo di calore tra due impulsi consecutivi quando KrF e ARF laser operano a una frequenza di ripetizione di 2 Hz (un caso studiato in questa comunicazione). Sulla base dei risultati di calcolo della temperatura, i parametri laser possono essere ottimizzati in esperimenti futuri.
Abbiamo anche proposto utilizzando laser ArF per indurre idrofobica superficie di Si irradiando campione Si in soluzione di metanolo in una microcamera simile, che è la causaser indotto formazione di Si-O-CH 3 sulla superficie irradiata, come illustrato nelle figure 5 e 6. E 'stato riportato che la luce laser UV (105-200 nm) indotta dissociazione di vapori di metanolo può essere descritto dalla reazione: CH 3 OH → CH 3 O + H 39. Più alta è la temperatura, più CH 3 O adsorbe sulla superficie di Si 40. Così, irradiazione a bassa fluenza laser (ad es., 30 mJ / cm 2), non c'è ebollizione metanolo e non ovvio cambiamento bagnabilità causa laser indotta temperatura inferiore. Inoltre, il laser irradiazione KrF del campione in soluzione metanolica produce alcun significativo incremento CA a causa della sua lunghezza d'onda più lunga e coefficiente di assorbimento sezione inferiore (<0.1x10 -20 / cm 2) rispetto ArF laser (25 x10 -20 / cm 2) 41. Il coefficiente di assorbimento di KrF laser in metanolo è anche molto inferiori a quelli di ArF (61x10 -20 / cm 2) e KrF laser (9x10 -20 / cm 2) in H 2 O 2 42 .Il saturazione del CA circa 103 ° è correlato all'energia CH 3 superficiale, che è dominante per la bagnabilità 15. Minore è l'energia superficiale, maggiore è la idrofobicità. L'energia superficiale più bassa (CF 3) è stato segnalato per avere la CA massima di 120 °, mentre per un legame CH x con una maggiore energia superficiale, la CA di 110 ° 43 è sempre inferiore.
Pertanto, rispetto ad altri metodi ben noti di laser indotta modifica di Si, come il laser indotta morfologia superficiale modifica, il processo e passaggi descritti in questa relazione sono più semplici, non hanno bisogno di sistemi ad alta potenza laser costo elevato e, ma sono in efficace nel controllo situ di Si superficiale bagnabilità. Questa tecnica può essere ampiamente utilizzato per area selettiva indurre modifica bagnabilità per base micro / nano Si biosensore unpplicazione in futuro. Tuttavia, vi sono limitazioni di questa tecnica, in particolare per laser UV idrofobicità indotta, come l'idrofobicità massima (CA) è limitato dall'energia dei fotoni laser e CH energia x superficiale. I passaggi critici durante questa tecnica comprende principalmente stoccaggio del campione in N 2 contenitore per evitare l'ossidazione prima dell'irraggiamento e controllare la generazione di bolle sulla superficie di Si durante l'irradiazione del laser, per es., Utilizzando il canale microfluidico.
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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 |
References
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