Summary
Vi rapporterer om en fremgangsmåte for in situ endring av HF-behandlet Si (001) overflate i et hydrofile eller hydrofobe tilstand ved bestråling av prøvene i microfluidic kamre fylt med H 2 O 2 / H 2 O-løsning (0,01% -0,5%) eller metanol oppløsninger ved hjelp av pulserende UV laser av en relativ lav puls innflytelse.
Abstract
Fuktbarheten av silisium (Si) er et av de viktige parametre i teknologien av overflatefunksjonalisering av dette materialet og fabrikasjon av biosensing enheter. Vi rapporterer om en protokoll for å bruke KrF og ARF lasere bestråling Si (001) prøver nedsenket i en væske miljø med lavt antall pulser og drift ved moderat lav puls fluences å indusere Si fukting modifisering. Wafers nedsenket i opp til fire timer i en 0,01% H 2 O 2 / H 2 O løsning viste ingen målbar endring i sin første kontakt vinkel (CA) ~ 75 °. Imidlertid er 500-pulsen KrF og ARF lasere bestråling av slike wafere i et mikrokammeret er fylt med 0,01% H 2 O 2 / H 2 O-oppløsning ved 250 og 65 mJ / cm 2, henholdsvis, har redusert CA til nær 15 ° C, noe som indikerer dannelsen av et superhydrophilic overflate. Dannelsen av OH-terminert Si (001), uten noen målbar endring av skivens overflate morfologi, harer bekreftet av X-ray fotoelektron spektroskopi og atomkraftmikroskopi målinger. Den selektive område bestrålte prøver ble deretter nedsenket i et biotin-konjugert fluorescein-farget nanospheres løsning i 2 timer, noe som resulterer i en vellykket immobilisering av nanosfærer i den ikke-bestrålte området. Dette illustrerer potensialet av fremgangsmåten for selektiv område biofunctionalization og fabrikasjon av avanserte Si-baserte arkitekturer biosensing. Vi beskriver også en lignende protokoll for bestråling av wafere nedsenket i metanol (CH 3 OH) ved hjelp av ArF laser som drives ved puls fluens på 65 mJ / cm 2, og in situ-dannelse av en sterkt hydrofob overflate av Si (001) med CA fra 103 °. XPS Resultatene indikerer ArF laserinduserte dannelse av Si- (OCH3) x-forbindelser er ansvarlig for den observerte hydrofobi. Det ble imidlertid ikke slike forbindelser finnes ved XPS på Si overflaten bestrålt med KrF laser i methanol, visermanglende evne til KrF laser til photodissociate metanol og skape -OCH3 radikaler.
Introduction
Den bemerkelsesverdige elektroniske og kjemiske egenskaper samt dens høy mekanisk styrke har gjort silisium (Si) et ideelt valg for mikroelektroniske enheter og biomedisinske chips 1. Selektiv område kontroll av Si overflate har fått betydelig oppmerksomhet for anvendelser som innbefatter microfluidic og lab-på-chip-enheter 2,3 .Dette er ofte oppnås enten ved nano-skala modifikasjon av overflateruhet, eller ved kjemisk behandling av overflaten 4. Overflaten stryke eller mønster for å produsere uordnede eller bestilt overflatestrukturer på Si overflaten inkludere fotolitografi 5, ionestråle litografi 6 og laser teknikker 7. Sammenlignet med disse metodene, er laseroverflateteksturering prosessen rapportert å være mindre komplisert med potensial for å frembringe mikrostrukturer med høy romlig oppløsning 8. Imidlertid, som Si har en forhøyet teksture terskel, som krever bestråling med puls til fluensindusere overflateteksturering som overstiger dets ablasjon terskel (~ 500 mJ / cm 2) 9, og teksturering av Si overflate ofte blitt hjulpet ved å anvende reaktive gass, som for eksempel det av et høyt trykk SF 6 miljø 4,7,8. Følgelig, for å endre fuktbarheten av Si overflaten, har en rekke arbeider fokusert på kjemisk behandling ved avsetning av organiske 10 og uorganiske filmer 2, eller ved hjelp av plasma eller elektronstråle overflatebehandling 11,12. Det er anerkjent at hydrofilisiteten av Si som stammer fra tilstedeværelsen av entall og tilhørende OH-grupper på overflaten kan oppnås ved å koke det i et H 2 O 2-løsning ved 100 ° C i flere minutter 13. Men de hydrofobe Si overflatetilstander, hvorav de fleste er på grunn av tilstedeværelsen av Si-H eller Si-O-CH 3 grupper, kan oppnås ved våt kjemisk behandling som involverer etsing med HF-syreløsning eller belegg med fotoresist 13-15. For å oppnå selektiv område kontroll av fuktbarheten av Si, er kompliserte mønstringstrinn vanligvis nødvendig, inkludert behandling i 16 kjemiske oppløsninger. Den høye kjemiske reaktivitet av UV-laserstråling har også blitt brukt til selektiv område prosess organisk film-belagte faste substrater og modifisere deres fuktbarhet 17. Imidlertid er en begrenset mengde av data er tilgjengelig på laserassistert modifikasjon av Si fuktbarheten ved bestråling av prøvene neddykket i forskjellige kjemiske oppløsninger.
I vår tidligere forskning, ble UV-laserbestråling av III-V halvledere i luft 18-20 og NH3 21 med hell anvendes for å endre den kjemiske sammensetningen overflaten av GaAs, InGaAs og InP. Vi har fastslått at UV-laserbestråling av III-V halvledere i deionisert (DI) vann reduserer overflate oksyder og karbider, mens vannet adsorberes på halvlederoverflaten 22 øker. En sterkt hydrofobe Si overflate (CA ~ 103 °) ble oppnådd ved ArF laserbestråling av Si-prøver i metanol i vår siste arbeid 23. Som indikert ved røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), er dette i første rekke på grunn av evnen til ArF laser til photodissociate CH3OH. Vi har også benyttet KrF og ARF lasere for å bestråle Si (001) i en 0,01% H 2 O 2 i DI-vann. Dette tillot oss å oppnå selektiv område dannelsen av superhydrophilic overflaten av Si (001) preget av CA av nær 15 °. XPS Resultatene tyder på at dette er på grunn av genereringen av Si-OH-bindinger på den bestrålte overflate 24.
En detaljert beskrivelse av denne nye teknikk med KrF og ARF lasere for selektiv område in situ modifikasjon av den hydrofile / hydrofobe overflate Si overflate i lav konsentrasjon av H 2 O 2 / H 2 O og metanolløsninger er vist i denne artikkelen. De opplysninger som gis her bør være tilstrekkeligfor å tillate tilsvarende forsøk som skal utføres av interesserte forskere.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Prøvepreparering
- Bruk en diamode skriftlærd å kløyve en n-type (P-dopet) one-side polert Si wafer (resistivitet 3,1 ~ 4,8 Ω.m) som er tre tommer i diameter, 380 mikrometer tykt, inn prøver av 12 mm x 6 mm; rense prøvene i OptiClear, aceton og isopropylalkohol (5 min for hvert trinn).
- Etse prøver i en ~ 0,9% HF løsning for 1 min å etse bort innledende oksid; skyll i DI vann og tørk i høy renhet (99,999%) nitrogen (N 2).
- Oppbevar forberedt prøver i N 2 pose til å dempe deres oksidasjon i luften.
2. bestråle prøver ved ArF (λ = 193 nm) og KrF (λ = 248 nm) lasere.
- Plasser prøver i en 0,74 mm høye kammer og deretter forsegle kammeret med en smeltet silisiumdioksid vindu som har høy overføring i UV (≥90%). Fylle kammeret med H 2 O 2 / H 2 O-løsning i området fra 0,01 til 0,2%, eller med avgasset MethaNol bruker en microfluidic kanal.
- Bestråle prøver med homogenis ARF eller KrF lasere på demagnification på 2,6 og 1,8, henholdsvis. Bestråle bare to steder på hver prøve ved å øke laserpulser 100-600 i trinn på 100 pulser gjennom en sirkulær maske (4 mm i diameter). Bestråle prøvene på samme måte med en "Maple Leaf" (9 mm x 7,2 mm) maske.
- Skyll prøver i DI vann og tørk med N 2 flush; plassere prøvene i en forseglet beholder, så raskt fylle emballasjen med N2, for å unngå eksponering for luft før ytterligere eksperimenter.
3. Immobilisering av Bio-konjugerte Nanospheres
- Fortynn biotin-konjugert og fluorescein farget 40-nm-diameter nanosfærer i en pH 7,4 fosfatbufret saltløsning (PBS, 1X) løsning for å 10 12 partikler / ml ved romtemperatur (~ 25 ° C). Fordype ARF eller KrF laser bestrålt prøvene for 2 &# 160; hr i denne løsningen ved RT.
- Vask prøver med PBS for å fjerne fysisk bundet fluorescein farget nanokuler på overflaten.
4. Surface Karakterisering
- Kontakt vinkel (CA) måling
- Utføre statiske CA målinger med et goniometer i et miljø av RT og omgivelsesfuktighet.
- Ansett høy renhet DI vann (resistivitet 17.95 Megohm · cm) i en mikro-sprøyte; generere tilsvarende volum (~ 5 mL) dråper på prøveoverflaten ved senkning av mikro-sprøyte til en tilsvarende høyde for hver måling.
- Fange og lagre vannet synker profilbilder av CCD kamera med programvare. Mål uavhengig fire forskjellige nettsteder med samme bestrålings forhold.
- Estimat og gjennomsnittlig CA-verdier i rulle analyse modulen fra ImageJ programvare; laste bildet og endre det til gråtoner; lansere plugin Dropsnake; plassere omtrent et par knop på rulle kontur (~ 10 knop) fra venstre tilretten til å initial slange; godta kurven koble disse knop og utvikle seg kurven ved å trykke slange knappen. Merk: kontaktvinkler vises i bildet og tabellen.
- XPS måling
- Undersøke overflaten kjemisk modifisering med en XPS spektrometer (1x10 -9 Torr basen trykk) utstyrt med en Al Ka kilde arbeider på 150 W:
- Laster prøvene inn i vakuumkammeret.
- Erverve overflateundersøkelsesdata i konstant energiformer 50 eV innlegg energi fra et område på 220 um x 220 um.
- Tilegne seg høy oppløsning skanner data fra samme analysert område på 20 eV passere energi.
- Prosess XPS spektra data med XPS spektra kvantifisering programvare, som refererte 25,26.
- Undersøke overflaten kjemisk modifisering med en XPS spektrometer (1x10 -9 Torr basen trykk) utstyrt med en Al Ka kilde arbeider på 150 W:
- Fluorescens mikroskop bildebehandling
- Opphisse prøvene, som ble bestrålt gjennom "Maple Leaf" maske og utsatt for fluorescein farget nanospheres, ved hjelpen blå lyskilde (λ = 450 ~ 490 nm).
- Observere fluorescerende bilder, utslipp på 515 nm, med en fluorescens invertert mikroskop i forstørrelse på 4X.
- Karakteriserer overflatemorfologi av disse prøver med AFM som refereres 27.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Disse representative resultatene er presentert i vår forrige publiserte arbeidet 23,24. Figur 1 viser CA vs. N (antall pulser) på nettsteder bestrålt av KrF laser på 250 mJ / cm 2 i DI H 2 O for ulike konsentrasjoner av H 2 O 2 / H 2 O-løsninger (f.eks., 0,01, 0,02, 0,05 og 0,2%). Den CA avtar med økende puls nummer for alle H 2 O to løsninger. Den minste CA (~ 15 °) for å få 0,02 og 0,01% H-O 2 2 løsninger blir oppnådd på 500 pulser. En heller større CA har blitt observert for 0,05 og 0,2% H 2 O 2 løsninger på større puls tall (N≥500). Samtidig er det funnet at CAen av prøven uten bestråling (N = 0) ble redusert med 32 ° C fra 75 ° som H 2 O 2-konsentrasjonen øket fra ,02 til 0,2%. Disse resultatene, ervervet etter en gjennomsnittlig 10 min eksponering mot H 2 to løsninger, sannsynligvis representerer CA metningsverdier oppnåelig på respektive H 2 O 2 konsentrasjoner. Det er imidlertid viktig å merke seg at eksponering av prøvene for 0,01% H-O 2 2-løsning, for opp til fire timer ikke har ført til en målbar endring av CA karakteriserer den opprinnelige overflaten.
Figur 2 illustrerer CA vs. pulsantall for de områder etter KrF (figur 2A) og ArF (figur 2B) laserbestråling i en 0,01% H 2 O 2 / H 2 O-løsning. Figur 2a viser at CA avtar kontinuerlig med puls tall opp til 600 pulser av KrF på 183 mJ / cm 2. Lignende resultater ble funnet på prøver bestrålt ved ArF laser på 44 mJ / cm 2, som vist i figur 2B. Når nettstedene ble bestrålt av KrF laser med 300 pulser på 320 MJ / cm 2 og 500 pulser på 250 mJ / cm
Figur 3 viser O 1s XPS-spektra av Si overflate ferskt etset ved HF (figur 3A), eksponert for 0,01% H 2 O 2 / H 2 O-løsning i ca. 10 minutter uten laserbestråling ((figur 3B), og eksponert for 0,01% H 2 O 2 / H 2 O-løsning og 500-puls KrF laserbestråling ved 250 mJ / cm 2 (figur 3C). De topper ved 531,8 ± 0,1, 532,6 ± 0,1 og 533,7 ± 0,1 eV ble tildelt SiO x, SiO 2 og SiOH, henholdsvis 28,29. Figur 3B viser at eksponering til en HF-oppløsning har fjernet det meste av SiO SiO 2 og x fra overflaten. Mengdene av SiO 2 & #160; og SiOH på området bestrålt med KrF laser er større (figur 3C) enn de på den ikke-bestrålte (figur 3B). Si overflater belagt med SiO 2 alltid ble rapportert å ha minimum CA verdier på 45 ° -55 °, som det refereres til 11, avhengig av O / Si-forhold. Men en superhydrophilic SiOH monolag dekket Si overflate ble rapportert med et minimum av CA 13 °, som det refereres til 30. Dermed blir CA = 14 ° er oppnådd med 500 pulser er hovedsakelig på grunn av øket overflatekonsentrasjon av SiOH. Vi har også observert at det SiOH / SiO2-forholdet øket fra 0,10 (100-puls bestråling, data ikke vist) til 0,17 for 500-pulsen bestrålt område. De stiplede linjer i spektra representerer karbon (C) adsorbater på overflaten. Mengdene av disse adsorbater bestemmes avhengig av faste prosenter av O / C av CO, C = O og OC = O bindinger i C 1s spektra 31. Vi har funnet at det er merC på den ikke-bestrålte overflate eksponert for H 2 O 2 / H 2 O-løsning, for på prøven ferskt etset ved HF-syre. Figur 3C viser at mengdene av C absorbates redusert med pulsantall på grunn av den excimer laser renseeffekt 9. Siden ble rapportert C absorbates på overflaten for å øke hydrofobisiteten til Si 15, laser-indusert fjerning av C-adsorbater forbedrer også den hydrofile natur av overflaten.
Figur 4A viser et fluorescens mikroskopbilde av Si overflaten selektivt belagt med fluorescein farget nanosfærer. Prøven ble først bestrålt i en H 2 O 2 / H 2 O-løsning (0,01%) ved å projisere en "Maple Leaf" maske med KrF laser som leverer 400 pulser ved 250 mJ / cm 2. Høy overflatekonsentrasjon av nanosfærer er funnet på den ikke-bestrålte del av prøven. Resultatet illustrerer formation av en laser-indusert sone av et sterkt hydrofilt materiale som forhindrer binding av nanosfærer. Tilstedeværelsen av noen nanosfærer ble observert i denne sonen kan være relatert til overflatefeil indusert oksydasjon av Si og tilhørende reduksjon i dets hydrofilitet. Figur 4B viser et AFM bilde av et fragment av det ikke-bestrålte overflate tett dekket med immobiliserte nanosfærer.
Figur 5 viser de målte verdier for CA Si prøvene som ble nedsenket i metanol og bestrålt med ArF laser ved 30, 65 og 80 mJ / cm 2. Det kan sees at CAen av prøven bestråles med 800 pulser med 65 mJ / cm 2 øket fra den opprinnelige verdi på 75 ° til 103 °, og det er sammenlignbar med den til CA 1000-puls bestrålt prøve. Dette tyder på at laserbasert kjemisk endring av Si overflaten metter på disse laser fluences. Mer intense dynamikken i CA increase er blitt observert for 80 mJ / cm 2 og lavt antall laserpulser (N <200), som indikert av de fulle sirkelsymboler. Men dannelsen av bobler på prøver bestrålt med N> 200 pulser, og en relatert ukontrollert endring av prøvens overflate morfologi hindret fra å samle oss pålitelige data under slike forhold. Ved anvendelse av en metode som er beskrevet andre steder 22,32, beregnet vi at en ArF laserbestråling ved 65 mJ / cm 2 induserer topptemperaturen på overflaten av Si sammenlignbar med metanol kokepunktet, det vil si., 65 ° C, som det refereres til 33. Dermed er bestråling med større laser fluences forventes å indusere dannelsen av bobler. I samsvar med dette var vår manglende evne til å dikte Si prøver av tilfredsstillende egenskaper med laseren fluence på 80 mJ / cm 2 og n> 200 pulser. I motsetning til dette, bestråling med 30 mJ / cm 2 viste bare en svak økning av CA til 78 ° for den 1000-puls irradiated prøver.
Figur 6 viser XPS-spektra av Si 2p og O 1s for områder nedsenket i metanol som var ikke-bestrålt (Figurene 6A og 6B), og bestrålt med 500 pulser av ArF laser ved 65 mJ / cm 2 (figur 6C og 6D). Et svakt trekk i Si 2p spekteret for det ikke-bestrålte område (figur 6A) kan ses rundt BE = 102,7 eV. Denne funksjonen har blitt rapportert å stamme fra Si- (OCH 3) x bond 34. Atom Konsentrasjonen av denne forbindelsen er beregnet til 0,7%, som er litt undervurdert på grunn av den relativt lille (60 °) take-off vinkel (TOF) påføres samtidig samle XPS data. Men på den bestrålte området (figur 6C), atomprosentandelen av Si- (OCH3) x binding økt med 5 ganger til 3,5% ved TOF på 60 °. I O-1s spektra (Tall 6B 6D), kan man se at konsentrasjonen av Si-O-CH 3-toppen (BE = 532,6 eV) økte 1 til 2,5% for de ikke-bestrålte og bestrålte områder, henholdsvis. Som Si- (OCH3) x har blitt rapportert å være ansvarlig for dannelsen av en hydrofob overflate Si som refereres 15,35,36, økningen av overflatekonsentrasjon av Si- (OCH3) x synes å være den viktigste Grunnen for den observerte hydrofobe egenskapene til ArF bestråles Si prøver. I O 1s spektra, i tillegg til Si-OC og CO, er SiOx og OH-toppene. Økningen av SiOx-toppen ved BE = 531,5 ± 0,2 eV er muligens forårsaket av CH 3 O-binding til SiO x sub-oksyder (SiO + x 1-CH3) 34. Som HF-behandlede Si prøven viste ikke nærvær av OH (ikke vist her), er dette OH peak muligens fra CH3OH fysisk absorbert til Si overflaten.
Figur 1. Kontaktvinkel vs. pulsantall på Si (001) overflate bestrålt med KrF laser på 250 mJ / cm 2 i DI H2O og forskjellige konsentrasjoner H 2 O 2 / H 2 O løsninger (for eksempel 0,01, 0,02, 0,05 og 0,2%). Kontaktvinkelen verdi standardavvik (SD) er 2,5 °. Figuren har blitt forandret fra 24. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Kontaktvinkel vs. puls antall prøver nedsenket i 0,01% H 2 O 2 / H 2 O oppløsning og bestrålt med KrF (figur 2A) og ArF (figur 2BLasere). SD kontaktvinkelverdi ble rapportert å være 2,2 °. Figuren har blitt forandret fra 24. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. O 1s XPS-spektra av Si overflate friskt etset i HF (A), eksponert for 0,01% H-O 2 2 / H 2 O-løsning i ca. 10 minutter uten laserbestråling (B), og bestrålt med 500 pulser av KrF laser på 250 mJ / cm 2, mens utsatt til 0,01% H 2 O 2 / H 2 O-løsning (C). Figuren er modifisert fra 24. Klikk her for å se en større versjon av dennefigur.
Figur 4. Fluorescens mikroskopisk bilde av en prøve som var først bestrålt med 400 pulser med en KrF-laser som opererer ved 250 mJ / cm 2 og som stikker en "Maple Leaf" maske på overflaten og, andre, eksponert til en oppløsning av fluorescein farget nanosfærer (A). AFM bilde av et fragment av det ikke-bestrålte deler av prøven viser immobiliserte nanosfærer (b). Figuren har blitt forandret fra 24. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. kontaktvinkel på Si (001) prøver jeg mmersed i metanol og bestrålt med en ArF laser på 30 mJ / cm 2 (▲), 65 mJ / cm 2 (■) og 80 mJ / cm 2 (●). Feilstolpene er beregnet basert på målinger av 3 uavhengige nettsteder . En kontaktvinkelverdi SD på 2,0 ° ble rapportert. Figuren har blitt forandret fra 23. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6. Si 2p og O 1s XPS-spektra for en referanse (ubestrålt) prøve (A og B), og en prøve bestrålt med en ArF laser i metanol med 500 pulser av på 65mJ / cm 2 (C og D). Figuren er modifisert fra 23.ad / 52720 / 52720fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har foreslått en protokoll av UV-laserbestråling av Si platen i et mikrofluidkammer fylt med lav konsentrasjon av H to O to løsning for å indusere en superhydrophilic Si overflate, som er hovedsakelig på grunn av genereringen av Si-OH. UV laser fotolyse av H 2 O 2 var ment for å danne negativt ladede OH - radikaler. Dessuten fører UV laser fotoelektrisk effekt til dannelse av et positivt ladet overflate 37. Derfor er interaksjonen av disse negative OH - radikaler med en positivt ladet overflate fører til genereringen av Si-OH på overflaten. Derfor kan vi øke hydrofiliteten ved å øke laserpulsantall og øke konsentrasjonen av OH - å reagere med Si 15. Imidlertid sluttet hydrofiliteten for å øke eller redusere i det større pulsantall i løpet av prosessen, fordi H 2 O 2 er termodynamisk ustabilt, og dets nedbrytning er described av O 2 H 2 2 2 H 2 → O + O 2 38, noe som resulterer i overdrevet utformet O 2 i nær overflateområde av Si. Selv om denne prosessen ville potensielt føre til dannelse av SiO 2 for å forbedre overflaten hydrofilitet, genereringen av O-2-molekyler kan også være årsak til dannelsen bobler nær den bestrålte overflate. Betydelig øket bobledannelse ved ArF laser på 65 mJ / cm 2 og KrF laser på 320 mJ / cm 2, er konsistent med den økte muligheten for termisk nedbrytning av drevet H 2 O 2. Som minimum CA for SiO 2 belagt Si er kjent for å være i nærheten av 45 °, dannelse SiO 2 anriket Si kan føre til økning av CA observert for de områder bestrålt med et stort antall puls.
Beregningen av temperatur indusert av laser-bestråling er også et viktig aspekt, som det er importmaur til oksidasjonen av Si i H 2 O 2 / H 2 O-oppløsning og øket fuktbarhet. Ved hjelp av COMSOL beregninger, ble overflate topp temperaturer estimert til å være 88 og 95 ° C når de bestråles med KrF laser puls på 250 og 320 mJ / cm 2, henholdsvis. Til sammenligning er overflaten topptemperaturen beregnet til å være 40 ° C, da det ble bestrålt med ArF laserpuls på 65 mJ / cm 2. Disse topp temperaturer nede i den opprinnelige temperaturen i 10 -5 s. Det er ingen varme akkumulering mellom to påfølgende pulser når KrF og ARF lasere opererer med en repetisjonsfrekvens på 2 Hz (et tilfelle undersøkt i denne kommunikasjon). Basert på temperatur beregningsresultatene, kan laserparametrene skal optimaliseres i fremtidige eksperimenter.
Vi har også foreslått å bruke ArF laser for å indusere hydrofobe Si overflate ved bestråling Si prøven i metanoloppløsning på en lignende mikrokammeret, noe som skyldes laser indusert dannelse av Si-O-CH 3 på den bestrålte overflate, som vist i figurene 5 og 6. Det har blitt rapportert at UV-laser-lys (105-200 nm) indusert dissosiasjon av metanoldamp kan beskrives ved følgende reaksjon: CH 3 OH → CH 3 O + H 39. Jo høyere temperatur, absorberer den mer CH 3 O på Si overflaten 40. Således, ved bestråling ved lavere laser fluens (f.eks., 30 mJ / cm 2), er det ingen metanol koking, og ingen åpenbare fuktbarhet forandring på grunn av laserinduserte lavere temperatur. Også, KrF laserbestråling av prøven i metanol-løsning gir ingen signifikant CA tilvekst på grunn av sin lengre bølgelengde og lavere tverrsnitt absorpsjonskoeffisient (<0.1x10 -20 / cm 2) enn ArF laser (25 x10 -20 / cm 2) 41. Absorpsjonskoeffisienten KrF laser i metanol er også mye lavere enn de av ArF (61x10 -20 / cm 2) og KrF laser (9x10 -20 / cm 2) i H 2 O 2 42 sikret metning av CA omkring 103 ° er knyttet til CH3 overflateenergi, som er dominerende for fuktbarheten 15. Den nedre overflateenergi, jo høyere hydrofobi. Det laveste overflateenergi (CF3) ble rapportert å ha maksimal CA 120 °, mens for en CH-X-binding med høyere overflateenergi, CA 110 ° 43 alltid er lavere.
Derfor, sammenlignet med andre kjente metoder for laserinduserte modifikasjon av Si, slik som laser-indusert overflatemorfologi modifikasjon, fremgangsmåten og fremgangsmåten som er beskrevet i denne rapport er enklere, har de ikke trenger en høy pris og høye strømlasersystemer, men er effektive i in situ kontroll av Si overflaten fukting. Denne teknikken kan brukes til selektiv område indusere modifisering av fukting for mikro / nano Si basert biosensor enPROGRAM i fremtiden. Det er imidlertid begrensninger i denne teknikk, spesielt for UV-laser indusert hydrofobitet, slik som det maksimale hydrofobi (CA) er begrenset av laser fotonenergi og CH x overflate-energi. De kritiske trinn i løpet av denne teknikker hovedsakelig omfatter lagring av prøven i N2 beholder for å unngå oksidering før bestråling og kontrollere bobler generasjon på Si overflaten under laserbestråling, f.eks., Ved hjelp av mikrofluidkanalen.
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).
