Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Селективный Площадь Модификация поверхности кремния смачиваемости импульсным УФ лазерного облучения в жидкой среде

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

Мы сообщаем о процессе в Ситу изменение HF лечение Si (001) в гидрофильной или гидрофобной государства путем облучения образцов в микрофлюидных камерах, наполненных H 2 O 2 / H 2 O раствор (0,01% -0,5%) или метанол решения с помощью импульсного УФ лазер относительно низкой плотности энергии импульса.

Abstract

Смачиваемость кремния (Si), является одним из важных параметров в технологии поверхностного функционализации этого материала и изготовления биодат- устройств. Мы сообщаем о протоколе использования KRF и АРФ лазеры облучения Si (001) образцов, погруженных в жидкой среде с низким числом импульсов и работать при умеренно низких плотностях энергии импульса, чтобы вызвать Si смачиваемость модификации. Вафли погружается до 4 часов в 0,01% H 2 / H 2 O раствора 2 O не показать измеримое изменение в их первоначальном углом контакта (CA) ~ 75 °. Тем не менее, 500-импульсный КгР и АРФ лазеры облучение таких пластин в микрокамеры заполнено с 0,01% H 2 O 2 / H решение 2 O при 250 и 65 мДж / см 2, соответственно, снизилась ЦС Рядом 15 °, что указывает на образование в superhydrophilic поверхности. Формирование ОН концевыми Si (001), без каких-либо измеримых изменений морфологии поверхности пластины, в имеетбыло подтверждено с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и измерения атомно-силовой микроскопии. Селективное площадь облученных образцов были затем погружали в биотин-конъюгированные флуоресцеина наносфер окрашенных раствором в течение 2 ч, в результате чего успешно иммобилизации наносфер в необлученной области. Это иллюстрирует возможности метода селективного области biofunctionalization и изготовления усовершенствованных биодат- архитектур Si-основе. Мы также описать аналогичный протокол облучения пластин, погруженных в метаноле (CH 3 OH) с использованием ArF лазер работает при импульсном флюенса 65 мДж / см 2 и в формировании месте в сильно гидрофобной поверхности Si (001) с СА 103 °. Результаты показывают, XPS ArF лазер индуцированной формирование Si- (ОСН 3) х соединений, ответственных за наблюдаемую гидрофобности. Однако такие соединения не были найдены XPS на поверхности Si при облучении лазером KrF в метаноле, демонстрируянеспособность лазера KrF с фотодиссоциация метанола и создать -ОСН3 радикалы.

Introduction

Замечательные электронные и химические свойства, а также его высокая механическая прочность сделали кремний (Si) является идеальным выбором для микроэлектронных устройств и биомедицинских чипов 1. Выборочный контроль площадь поверхности Si получил значительное внимание для приложений, связанных микрофлюидных и лаборатории-на-чипе устройства 2,3 .Это часто получают либо нано-модификации поверхности шероховатости или путем химической обработки поверхности 4. Поверхность шероховатости или рисунка, чтобы произвести беспорядочные или заказанные поверхностные структуры на поверхности Si включают фотолитографии 5, ионно-лучевая литография 6 и лазерные методы 7. По сравнению с этими методами, процесс текстурирования лазерная поверхность, как сообщается, менее сложной с потенциалом для получения микроструктур с высоким пространственным разрешением 8. Однако, как Si имеет повышенный порог текстурирования, требующий облучение импульсным флюенса кпобудить поверхности текстурирования превышает его абляции порога (~ 500 мДж / см 2) 9, текстурирования поверхности кремния часто помогали с использованием газовых атмосфер реактивные, такие как, что высокого давления SF 6 окружающей 4,7,8. Следовательно, для изменения смачиваемости поверхности Si, многочисленные произведения были сосредоточены на химической обработке путем нанесения органических и неорганических 10 фильмов 2, или с помощью плазмы или пучка электронов обработку поверхности 11,12. Он признал, что гидрофильность Si, происходящих из существования единственного и связанных с ними групп ОН на его поверхности может быть достигнуто путем кипячения его в Н решения 2 O 2 при 100 ° С в течение нескольких минут 13. Тем не менее, гидрофобные поверхностные состояния Si, большинство из которых связано с наличием Si-H или Si-O-СН 3 группы, может быть достигнуто путем мокрого химического травления с участием обработки раствором фтористоводородной кислоты или покрытия фоторезистом 13-15. Для достижения выборочный контроль области смачиваемости Si, сложные шаги паттерна, как правило, требуется, в том числе лечения в химических растворах 16. Высокая химическая активность УФ лазерного излучения также были использованы для селективного процесс площадь органической пленкой, покрытых твердых подложках и изменять их смачиваемость 17. Тем не менее, ограниченное количество данных доступно на лазерной помощь модификации Si смачиваемость облучения образцов, погруженных в различных химических растворов.

В нашем предыдущем исследовании, УФ лазерное облучение III-V полупроводников в воздухе 18-20 и NH 3 21 был успешно использован для изменения поверхности химический состав GaAs, InGaAs и InP. Мы установили, что УФ лазерное облучение III-V полупроводников в деионизированной (DI) воды снижается поверхностные оксиды и карбиды, в то время как вода адсорбируется на поверхности полупроводника увеличивается 22. Сильно гидрофобная поверхность Si (Калифорния ~ 103 °) был получен ArF лазерного облучения образцов Si в метаноле в нашей недавней работе 23. Как указано с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), это, прежде всего, из-за способности АРФ лазера фотодиссоциация CH 3 OH. Мы также использовали KrF и АРФД лазеры для облучения Si (001) в 0,01% H 2 O 2 в деионизированной воде. Это позволило нам достичь селективного образования области superhydrophilic поверхности Si (001) характеризуются АС вблизи 15 °. Результаты XPS предполагают, что это из-за образования связей Si-OH в облучаемой поверхности 24.

Подробное описание этой новой техники с использованием KrF и АРФД лазеры для селективной области в модификации месте гидрофильного / гидрофобного поверхности Si поверхности в низкой концентрации H 2 O 2 / H 2 O и метанола решений показано в этой статье. Подробности, приведенные здесь, должно быть достаточнымчтобы подобные эксперименты должны быть выполнены заинтересованными исследователями.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Подготовка образцов

  1. Используйте diamode писца расщеплять п-типа (Р-легированных) с одной стороны полированной кремниевой пластины (удельное сопротивление 3,1 ~ 4,8 Ω.m), который находится в 3 дюйма в диаметре, 380 мкм, в образцах 12 мм х 6 мм; очистить образцы в OptiClear, ацетона и изопропилового спирта (5 мин для каждого шага).
  2. Etch образцы в ~ 0,9% HF решения от 1 мин до стравливают исходного оксида; промыть в дистиллированной водой и сушат в высокой чистоты (99,999%) азота (N 2).
  3. Храните подготовленные образцы в Н 2 сумки, чтобы обуздать их окисление в воздухе.

2. облучать образцы АРФ (λ = 193 нм) и KrF (λ = 248 нм) лазеров.

  1. Образцы Место в 0,74 мм высотой камеры, а затем запечатать камеру с плавленого кварцевого окна, что имеет высокую передачу в УФ (≥90%). Заполните камеру с H 2 O 2 / H 2 O решение в диапазоне 0,01-0,2% или с дегазированной Метанол, используя микрожидкостных канал.
  2. Облучают образцы с гомогенизированных ArF KrF лазеров или на уменьшения, 2,6 и 1,8, соответственно. Облучают только 2 сайтов в каждом образце путем увеличения лазерных импульсов от 100 до 600 на шаге 100 импульсов через круглое маски (4 мм в диаметре). Облучать образцы таким же образом, с "кленового листа" (9 мм х 7,2 мм) маски.
  3. Промыть образцы в дистиллированной водой, насухо N 2; флеша разместить образцы в герметичном контейнере, а затем быстро заполнить этот контейнер с N 2, с тем чтобы избежать воздействия воздуха до дальнейших экспериментов.

3. Иммобилизация Bio-сопряженные Наносферы

  1. Развести наносферы 40 нм диаметра биотин-конъюгированные и флуоресцеина окрашивали в рН 7,4 фосфатным буферным солевым раствором (PBS, 1X) раствор 10 12 частиц / мл при комнатной температуре (~ 25 ° С). Погрузитесь лазерные облученных образцов ArF KrF или для 2-# 160; ч в этот раствор при комнатной температуре.
  2. Образцы Вымойте с PBS, чтобы устранить физически связанные флуоресцеина окрашенных наносферы на поверхности.

4. Характеристика поверхности

  1. Угол Контактная информация (Калифорния) измерение
    1. Провести измерения статических CA гониометром в среде РТ и влажности окружающей среды.
    2. Применять высокой чистоты DI воды (удельное сопротивление 17.95 МОм · см) в микро-шприца; генерируют аналогичного объема (~ 5 мкл) падает на поверхность образца за счет снижения микро-шприц с аналогичной высоты для каждого измерения.
    3. Захват и сохранение капли воды профильное изображения от камеры CCD с программным обеспечением. Измерьте самостоятельно 4 различных сайтов с тех же условиях облучения.
    4. Оценка и средние значения CA в модуле анализа раскрывающемся от программного обеспечения ImageJ; загрузить изображение и изменить его в оттенках серого; запустить плагин Dropsnake; разместить примерно несколько узлов на раскрывающемся контура (~ 10 узлов) слеваПраво инициализации змею; принять кривую, соединяющую эти узлы и развиваться кривую, нажав на кнопку змея. Примечание: углы контактные отображаются на изображении и в таблице.
  2. Измерение XPS
    1. Исследовать поверхности химическую модификацию с XPS-спектрометра (базовый давления 1x10 -9 Торр), оснащенного источником Аль Kα, работающих на 150 Вт:
      1. Загрузка образцов в вакуумную камеру.
      2. Приобретать данные обследования поверхности в постоянных режимах энергии 50 эВ энергии переходить от области 220 мкм х 220 мкм.
      3. Приобретать высокие данные сканы разрешения из той же анализируемой области на 20 эВ пройти энергию.
    2. Процесс XPS спектры со спектрами данных XPS количественного программного обеспечения, как указано 25,26.
  3. Микроскоп флуоресценции
    1. Excite образцы, которые были облучены через "кленовый лист" маски и открытых флуоресцеина окрашенных наносферы, используясиний источник света (λ = 450 ~ 490 нм).
    2. Заметим, флуоресцентные изображения, излучающий на 515 нм, с помощью флуоресцентного микроскопа в перевернутом увеличении 4X.
    3. Охарактеризуйте морфологии поверхности этих образцов с AFM, как указано 27.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Эти представительные результаты были представлены в нашей предыдущей работе, опубликованной 23,24. Рисунок 1 показывает CA против N (количество импульсов) на сайтах облученного KrF лазера на 250 мДж / см 2 в DI H 2 O при разных концентрациях Н 2 О 2 / H 2 O растворы (например., 0,01, 0,02, 0,05 и 0,2%). СА уменьшается с увеличением числа импульсов для всех H 2 O 2 решения. Минимальная Калифорния (~ 15 °) для H 2 O 2 решения 0,02 и 0,01% получается при 500 импульсов. Довольно большая СА наблюдается в течение 0,05 и 0,2% H 2 O 2 решения при больших числах импульсов (N≥500). Одновременно, было обнаружено, что СА образца без облучения (N = 0) снизилась на 32 ° от 75 °, как H 2 O 2 Концентрация повышенной от 0,02 до 0,2%. Эти результаты, приобретенные после средней экспозиции 10 мин до H 2 2, скорее всего, представляют собой значения насыщения CA имеющихся на соответствующей H 2 O 2 концентрации. Тем не менее, важно отметить, что облучение образцов 0,01% H 2 O 2 раствор, до 4 часов не привело к измеримым изменения CA, характеризующей исходную поверхность.

Рисунок 2 иллюстрирует CA против ряда импульсов для сайтов после KrF (рис 2А) и АРФ (рис 2B) лазерного облучения в 0,01% H 2 O 2 / H 2 O раствора. 2а показывает, что CA непрерывно уменьшается с числом импульсов до 600 импульсов в KrF 183 мДж / см 2. Аналогичные результаты были получены на образцах, облученных лазером на ArF при 44 мДж / см 2, как показано на фиг.2В. Когда сайты были облучены KrF лазера с 300 импульсов на 320 мДж / см 2 и 500 импульсов на 250 мДж / см см 2, аналогичным CA ~ 15 ° была достигнута.

3 показана O 1s XPS спектров Si поверхности свежей травлению HF (фиг.3А), подвергается 0,01% H / H раствора 2 O 2 2 О в течение приблизительно 10 мин, без лазерного облучения ((фиг.3В), и подвергали воздействию 0,01% H 2 O 2 / H решение 2 О и 500-импульса KrF лазерного облучения при 250 мДж / см 2 (рис 3C). Пики в 531,8 ± 0,1, 532,6 ± 0,1 и 533,7 ± 0,1 эВ, назначенные SiO х, SiO 2 и SiOH соответственно 28,29. 3В показывает, что воздействие ВЧ растворе большинстве SiO 2 и SiO х удаляется с поверхности. Количества SiO 2 и #160; и SiOH на месте с помощью KrF облученной лазером больше, (3С), чем те, на необлученной (фиг.3В). СИ поверхность которых покрыта SiO 2 всегда сообщается, минимальные значения CA 45 ° -55 °, как указано 11, в зависимости от соотношения Si / O. Тем не менее, superhydrophilic SiOH монослой покрыта поверхность Si сообщалось с минимальным CA 13 °, как указано 30. Таким образом, CA = 14 °, полученные с 500 импульсов в основном за счет увеличения поверхностной концентрации SiOH. Мы также отметили, что отношение SiOH / SiO 2 увеличилась с 0,10 (100-импульсном облучении, данные не показаны) до 0,17 для 500 импульсов при облучении сайта. Пунктирные линии в спектрах представляют углерод (С) адсорбатов на поверхности. Величины этих адсорбатов определяются в зависимости от фиксированных отношений O / C СО, C = O и OC = O облигаций в C 1s-спектров 31. Мы обнаружили, что есть большеС на не-облученной поверхности подвергаются H 2 O 2 / H решение 2 O, чем на образце недавно травлению фтористоводородной кислоты. 3С показывает, что количество C absorbates снизился с номером импульса из-за эксимерного лазерного воздействия чистящего 9. Поскольку C absorbates на поверхности, как сообщалось, увеличивают гидрофобность Si 15, лазер индуцированной удаление C адсорбатов также улучшает гидрофильную природу поверхности.

Фиг.4А показывает флуоресценции микроскопическое изображение поверхности Si избирательно покрытием из класса флуоресцеина наносфер окрашивали. Образец был впервые облучении в H 2 O 2 / H 2 O раствор (0,01%), проецируя "кленовых листьев" маску с лазером KrF доставки 400 импульсов на 250 мДж / см 2. Высокая концентрация поверхность наносфер находится на необлученной части образца. Результат показан формирования кп индуцированного лазерным излучением зоны сильно гидрофильным материалом, что предотвращает связывание наносфер. Наличие некоторых наносфер, наблюдаемых в этой зоне может быть связано с индуцированной дефектами поверхности окисления Si и связанной с уменьшением его гидрофильности. 4В показан АСМ-изображение фрагмента необлученной поверхности густо с иммобилизованными наносфер.

Рисунок 5 показывает значения, измеренные для CA образцов Si, которые были погружены в метаноле и облученных ArF лазера на 30, 65 и 80 мДж / см 2. Видно, что СА образца, облученного 800 импульсов при 65 мДж / см 2 увеличена от своего первоначального значения 75 ° до 103 °, и это сопоставимо с СА на 1000 импульсов облучаемого образца. Это говорит о том, что лазер на основе химических изменений поверхности Si насыщается при этих лазерных флюенсах. Более интенсивные динамика increa CASE наблюдалось в течение 80 мДж / см 2 и низкого количества лазерных импульсов (N <200), как показано на полные символы круга. Тем не менее, образование пузырьков на образцах, облученных N> 200 импульсов, а связанные с неконтролируемым модификация поверхности образца морфологии помешало нам собирать достоверные данные при таких условиях. Использование подхода, описанного в другом месте 22,32, по нашим оценкам, АРФ лазерное облучение при 65 мДж / см 2 вызывает пиковую температуру на поверхности Si, сравнимого с точки кипения метанола, то есть., 65 ° C, как указано 33. Таким образом, облучение с плотностью энергии лазерного больших ожидается, чтобы вызвать образование пузырьков. В соответствии с этим была наша неспособность изготовления образцов Si удовлетворительных характеристик с лазерной энергии 80 мДж в / см 2 и N> 200 импульсов. В отличие от этого, облучение на 30 мДж / см 2 показали лишь слабую увеличение CA 78 ° для 1000-импульса IRRADОбразцы занного.

На фиг.6 показан XPS спектры Si 2р и О 1s для сайтов, погруженных в метаноле, которые были необлученные (6А и 6В) и облучали 500 импульсов лазера ArF при 65 мДж / см 2 (6С и 6D). Слабая функция в Си 2р спектра необлученным сайта (6А) можно увидеть вокруг BE = 102,7 эВ. Эта функция, как сообщается, происходят из Si-(ОСН 3) х 34 облигаций. Атомная концентрация этого соединения была оценена в 0,7%, что немного заниженной из-за относительно небольшой (60 °) взлета угол (TOF) применяется во время сбора данных XPS. Тем не менее, на облучаемой месте (6С), атомный процент Si- (ОСН 3) х связью возрос в 5 раз до 3,5% по TOF 60 °. В спектрах 1s O (рис 6В И 6D), можно видеть, что концентрация пика Si-O-CH 3 (BE = 532,6 эВ) увеличилось с 1 до 2,5% по необлученных и облученных участков, соответственно. В Si- (ОСН 3) х, как сообщается, будет отвечать за формирование гидрофобной поверхности Si, как указано 15,35,36, увеличение поверхностной концентрации Si- (ОСН 3) х, как представляется, главным причиной наблюдаемых гидрофобными свойствами АРФ облученных образцов Si. В О 1s спектры, кроме Si-OC и СО, есть SiO х и ОН пики. Увеличение SiO х пика при ВЕ = 531,5 ± 0,2 эВ, возможно, вызваны CH 3 O связывания SiO х суб-оксидов (SiO х + 1 -CH 3) 34. В ВЧ обработанного образца Si не показали наличие OH (не показан), этот пик ОН, возможно из CH 3 OH физически поглощенного на поверхности Si.


Рисунок 1. Краевой угол против ряда импульсов на Si (001) облучается KrF лазером при 250 мДж / см 2 в DI Н 2 О и различных концентрациях Н 2 О 2 / H 2 O растворы (например, 0,01, 0,02, 0,05 и 0,2%). Стандартное отклонение угол контакта значение (SD) 2,5 °. На рисунке был изменен с 24. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2
Рисунок 2. Краевой угол против импульса количества образцов, погруженных в 0,01% H 2 O 2 / H 2 O и решение облученных KrF (рис 2А) и АРФ (рис 2B) Лазеры. SD-значения угла контакта, как сообщается, составит 2,2 °. На рисунке был изменен с 24. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3. О 1s XPS спектры Si поверхности свеже протравленной в HF (A), подвергается 0,01% Н / Н раствора 2 О 2 2 О примерно 10 мин без лазерного облучения (B) и облучали 500 импульсов KrF лазер на 250 мДж / см 2, а подвергается 0,01% H 2 O 2 / H 2 O раствора (C). На рисунке был изменен с 24. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этогофигура.

Рисунок 4
Рисунок 4. Флуоресцентный микроскопическая картина образца, который, во-первых, при облучении 400 импульсов лазера KrF с работающей при 250 мДж / см 2 и проектирование "кленового листа" маску на поверхности и, во-вторых, выдерживают в растворе флуоресцеина окрашенные наносфер (а). АСМ изображение фрагмента необлученной части образца, показывающий иммобилизованных наносферы (б). На рисунке был изменен с 24. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 5
Рисунок 5. контактный угол Si (001) образцов I mmersed в метаноле и облучают с ArF лазер на 30 мДж / см 2 (▲), 65 мДж / см 2 (■) и 80 мДж / см 2 (●). Столбики ошибок вычисляются на основе измерений 3-х независимых сайтов , Сообщалось Значение угол контакта SD 2,0 °. На рисунке был изменен с 23. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 6
Рисунок 6. Si 2p и 1s O РФЭС-спектры опорного (необлученный) образец (А и В), и образец облучается ArF лазер в метаноле с 500 импульсов в 65mJ / см 2 (C и D). На рисунке был изменен с 23.объявления / 52720 / 52720fig6large.jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Мы предложили протокол УФ лазерного облучения кремниевой пластины в микрожидкостных камере, наполненной низкой концентрации H 2 O 2 решения, чтобы вызвать superhydrophilic Si поверхность, которая в основном за счет генерации Si-ОН. УФ лазерного фотолиза Н 2 О 2 должен был сформировать отрицательно заряженные ОН - радикалы. Кроме того, УФ-лазера фотоэффект приводит к образованию положительно заряженной поверхности 37. Таким образом, взаимодействие этих негативных ОН - радикалы с положительно заряженной поверхности приводит к образованию Si-OH на поверхности. Таким образом, можно повысить гидрофильность путем увеличения количества лазерного импульса увеличивают концентрацию ОН - в реакцию с Si 15. Однако гидрофильность прекратили, чтобы увеличить или уменьшить, даже при большем количестве импульсов в процессе, потому что H 2 O 2 термодинамически неустойчивы, и его разложение describред 2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 38, что приводит к чрезмерно образованной O 2 в приповерхностной области Si. Хотя этот процесс будет потенциально привести к образованию SiO 2 для улучшения гидрофильности поверхности, генерация O 2 молекулы могут также быть причиной образования пузырьков вблизи облучаемой поверхности. Значительно увеличилось образование пузырьков АРФ лазера на 65 мДж / см 2 и KrF лазера на 320 мДж / см 2, согласуется с увеличением возможности термически приводом разложения Н 2 О 2. В минимальной CA для Si SiO 2, покрытой, как известно, недалеко от 45 °, формирование SiO 2, обогащенный Si, может вызвать увеличение CA наблюдали за сайты, облученных с большим количеством импульсов.

Расчет температуры индуцированного лазерным излучением также является важным аспектом, как это импортамуравей окисления Si в H 2 O 2 / H 2 O раствора и увеличенной смачиваемости. Использование расчетов COMSOL, пиковые температуры поверхности, по оценкам, 88 и 95 ° C при облучении лазерным импульсом KrF 250 и 320 мДж / см 2, соответственно. Для сравнения, пиковая температура поверхности, по оценкам, 40 ° С, когда она облучалась ArF лазерного импульса 65 мДж / см 2. Эти пиковые температуры упали до первоначального температуре в 10 -5 сек. Там нет аккумуляция тепла между двумя последовательными импульсами, когда KrF и ArF лазеры работают при частоте повторения 2 Гц (случай исследован в этом сообщении). На основании результатов расчета температуры, параметры лазера могут быть оптимизированы в будущих экспериментов.

Мы также предложил использовать лазер ArF, чтобы вызвать гидрофобную поверхность Si путем облучения образца Si в растворе метанола в аналогичной микрокамеры, что обусловлено в Лос-АнджелесSer индуцированной формирование Si-O-CH 3 на облучаемой поверхности, как показано на рисунках 5 и 6. Было сообщено, что УФ-свет лазера (105-200 нм), индуцированного диссоциации паров метанола может быть описано с помощью реакции: CH 3 OH → CH 3 O + H 39. Чем выше температура, тем больше СН 3 О адсорбирует на поверхности Si 40. Таким образом, при облучении в нижней плотности энергии лазерного излучения (например., 30 мДж / см 2), не существует метанол кипения и не очевидное изменение смачиваемости за счет индуцированного лазером низкой температуре. Кроме того, на KrF лазерное облучение образца в растворе метанола не приводит к значительным приращение CA из-за его большей длиной волны и коэффициента поглощения нижнего сечения (<0.1x10 -20 / см 2), чем ArF лазер (25 x10 -20 / см 2) 41. Коэффициент поглощения KrF лазера в метаноле также значительно ниже, чем те, АРФ (61x10 -20 / см 2) и KrF лазера (9x10 -20 / см 2) в Н 2 О 2 42 .Отель насыщения ЦС вокруг 103 ° связано с поверхностной энергией СН 3, который является доминирующим для смачиваемости 15. Чем ниже поверхностной энергии, тем выше гидрофобность. Самая низкая поверхностная энергия (CF 3), как сообщается, имеют максимальную CA 120 °, а для СН х облигации с более высокой поверхностной энергией, СА 110 ° 43 всегда ниже.

Таким образом, по сравнению с другими известными методами лазерной индуцированной модификации Si, таких как лазерного индуцированной модификации морфологии поверхности, процесс и действия, описанные в этом докладе, проще, они не нуждаются в высокой стоимости и высоких лазерных систем питания, но эффективным в месте под контролем ГУ смачиваемости поверхности. Этот метод может быть широко используется для селективной индукции области модификации смачиваемости для основе микро / нано Si биосенсора аРИМЕНЕНИЕ в будущем. Тем не менее, существуют ограничения этой техники, особенно для лазерного УФ индуцированного гидрофобности, такие как максимальное гидрофобности (CA) ограничена энергии лазерного фотона и CH х поверхностной энергии. Критические шаги во время этой техники, главным образом, включает в себя сохранение образца в N 2 контейнера, чтобы избежать окисления до облучения и контроля пузыри поколения на поверхности кремния при лазерном облучении, например., Используя микрожидкостных канал.

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

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).

Tags

Инженерная выпуск 105 кремний поверхность смачивания лазерной поверхность взаимодействия селективное обработка площадь эксимер-лазерная рентген фотоэлектронной спектроскопии контактный угол
Селективный Площадь Модификация поверхности кремния смачиваемости импульсным УФ лазерного облучения в жидкой среде
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter