Waiting
Login processing...

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

Engineering

Área selectivo Modificación de humectabilidad de la superficie del silicio por pulsos láser UV irradiación en Ambiente Líquido

Published: November 9, 2015 doi: 10.3791/52720

Summary

Se presenta en un proceso de alteración in situ de la IC tratada Si (001) de superficie en un estado hidrófilo o hidrófobo irradiando muestras en cámaras de microfluidos llenos 2 O 2 / H 2 O solución (0,01% -0,5%) o soluciones de metanol H mediante láser UV pulsada de un familiar fluencia bajo pulso.

Abstract

La humectabilidad de silicio (Si) es uno de los parámetros importantes en la tecnología de funcionalización de la superficie de este material y la fabricación de dispositivos biosensores. Se presenta en un protocolo de utilizar KrF y ArF láseres irradiación de Si (001) muestras sumergidas en un medio líquido con un bajo número de impulsos y operando a influencias moderadamente bajas pulso para inducir modificaciones humectabilidad Si. Obleas sumergen durante un máximo de 4 horas en un 0,01% de H 2 O 2 / H2O solución no mostró cambio mensurable en su ángulo de contacto inicial (CA) ~ 75 °. Sin embargo, el 500-pulso KrF y láseres ArF irradiación de tales obleas en una microcámara llena con 0,01% de H 2 O 2 / H 2 O disolución a 250 y 65 mJ / cm 2, respectivamente, ha disminuido la CA a cerca de 15 °, indicando la formación de una superficie superhidrófila. La formación de enlaces Si-OH terminado (001), sin cambio medible de la morfología de la superficie de la oblea, tienesido confirmada por espectroscopia de fotoelectrones de rayos X y microscopía de fuerza atómica mediciones. Las muestras de área selectiva irradiadas se sumergieron en una solución de nanoesferas con fluoresceína conjugado con biotina manchado durante 2 horas, dando como resultado una inmovilización con éxito de las nanoesferas en la zona no irradiada. Esto ilustra el potencial del método para biofuncionalización área selectiva y la fabricación de biosensores arquitecturas avanzadas basadas-Si. También se describe un protocolo similar de la irradiación de las obleas inmersos en metanol (CH3OH) utilizando láser de ArF que opera a fluencia de pulso de 65 mJ / cm 2 y la formación in situ de una superficie fuertemente hidrófobo de Si (001) con el CA de 103 °. Los resultados XPS indican la formación inducida por láser ArF de Si- (OCH 3) x compuestos responsable de la hidrofobicidad observado. Sin embargo, no hay tales compuestos fueron encontrados por XPS en la superficie de Si irradiado por láser KrF en metanol, lo que demuestrala incapacidad del láser KrF a photodissociate metanol y crear -OCH3 radicales.

Introduction

Las propiedades electrónicas y químicas notables, así como su alta resistencia mecánica han hecho de silicio (Si) en una opción ideal para los dispositivos microelectrónicos y chips biomédicas 1. Selectivo de control de área de la superficie de Si ha recibido mucha atención para aplicaciones que implican microfluidos y dispositivos lab-on-chip de 2,3 .Este a menudo se obtiene ya sea mediante la modificación de nano-escala de la rugosidad superficial o por tratamiento químico de la superficie 4. La rugosidad superficial o patrones para producir estructuras superficiales desordenados u ordenados en la superficie de Si incluyen fotolitografía 5, litografía por haz de iones 6 y 7 técnicas láser. En comparación con estos métodos, se informó proceso de texturado superficial con láser a ser menos complicada con el potencial para producir microestructuras con alta resolución espacial 8. Sin embargo, como Si tiene un umbral de texturización elevada, lo que requiere irradiación con fluencia de pulso parainducir la textura de la superficie por encima de su umbral de ablación (~ 500 mJ / cm 2) 9, la texturización de la superficie de Si con frecuencia se ha asistido mediante el empleo de atmósferas de gas reactivos, tales como el de un entorno de SF 6 4,7,8 alta presión. En consecuencia, para modificar la humectabilidad de la superficie de Si, numerosos trabajos se han centrado en el tratamiento químico mediante el depósito 10 orgánicos e inorgánicos películas 2, o el uso de plasma de haz de electrones o tratamiento de superficie 11,12. Se reconoce que la hidrofilicidad de Si procedente de la existencia de grupos singulares asociados y OH en su superficie podría lograrse mediante ebullición en una solución de H 2 O 2 a 100 ° C durante varios minutos 13. Sin embargo, los estados superficiales hidrofóbicas de Si, la mayoría de los cuales son debidos a la presencia de Si-H o Si-O-CH 3 grupos, podrían lograrse por manipulación de productos químicos en húmedo que implica grabar al agua fuerte con solución de ácido HF o recubrimiento con resina fotosensible 13-15. Para lograr selectiva de control de área de humectabilidad de Si, suelen ser necesarios pasos de modelado complejas, incluyendo el tratamiento de soluciones químicas 16. La alta reactividad química de radiación láser UV también se ha utilizado para sustratos sólidos recubiertos con película orgánica proceso de área selectiva y modificar su humectabilidad 17. Sin embargo, una cantidad limitada de datos está disponible en la modificación asistida por láser de Si humectabilidad por irradiación de muestras sumergidas en diferentes soluciones químicas.

En nuestra investigación anterior, UV irradiación con láser de semiconductores III-V en el aire de 18-20 y NH 3 21 se utilizó con éxito para alterar la composición química de la superficie de GaAs, InGaAs y InP. Hemos establecido que la irradiación con láser UV de los semiconductores III-V en desionizada (DI) de agua disminuye óxidos superficiales y carburos, mientras que el agua adsorbida en la superficie del semiconductor aumenta 22. Una superficie de Si fuertemente hidrófobo (CA 10 ~3 °) se obtuvo por ArF irradiación láser de muestras de Si en metanol en nuestro trabajo reciente 23. Como se indica por espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), esto es principalmente debido a la capacidad del láser de ArF a photodissociate CH 3 OH. También hemos utilizado KrF y láseres ArF para irradiar Si (001) en un 0,01% de H 2 O 2 en agua DI. Esto nos permitió lograr la formación de área selectiva de la superficie superhidrófila de Si (001) se caracteriza por la CA de cerca de 15 °. Los resultados XPS sugieren que esto es debido a la generación de enlaces Si-OH en la superficie irradiada 24.

Una descripción detallada de esta nueva técnica usando láseres KrF y ArF de área selectiva en la modificación in situ de la superficie hidrófilo / hidrófobo de la superficie de Si en baja concentración de H 2 O 2 / H 2 O y soluciones de metanol se demuestra en este artículo. Los detalles proporcionados aquí debería ser suficientepara permitir experimentos similares a ser realizadas por los investigadores interesados.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Preparación 1. Muestra

  1. Utilice un escriba diamode para escindir una de tipo n (dopado P-) por un lado pulido oblea de Si (resistividad 3,1 ~ 4,8 Ω.m), que es de 3 pulgadas de diámetro, 380 m de espesor, en muestras de 12 mm x 6 mm; limpiar las muestras en OptiClear, acetona y alcohol isopropílico (5 minutos por cada paso).
  2. Etch muestras en una solución de HF ~ 0,9% durante 1 min a etch distancia óxido inicial; enjuague con agua DI y seco en gran pureza (99,999%) de nitrógeno (N 2).
  3. Almacene las muestras preparadas en N 2 bolsa para frenar su oxidación en el aire.

2. irradiar muestras por ArF (λ = 193 nm) y KrF (λ = 248 nm) láser.

  1. Colocar las muestras en un 0,74 mm de cámara de altura y luego sellar la cámara con una ventana de sílice fundida que tiene una alta transmisión de UV (≥90%). Llene la cámara con H 2 O 2 / H2O solución en el rango de 0,01 a 0,2% o con met desgasificadonol utilizando un canal microfluídico.
  2. Irradiar muestras homogeneizadas con láseres ArF o KrF en desmagnificación de 2,6 y 1,8, respectivamente. Irradiar sólo 2 sitios en cada muestra mediante el aumento de pulsos de láser de 100 a 600 en el paso de 100 pulsos a través de una máscara circular (4 mm de diámetro). Irradiar las muestras de la misma manera con una "hoja de arce" (9 mm x 7,2 mm) máscara.
  3. Muestras de enjuague con agua DI y secos con N 2 al ras; Colocar las muestras en un recipiente sellado, a continuación, llenar rápidamente este contenedor con N 2, con el fin de evitar la exposición al aire antes de experimentos adicionales.

3. Nanoesferas Inmovilización de Bio-conjugados

  1. Diluir nanoesferas conjugados con biotina y fluoresceína manchado-40 nm de diámetro en una solución salina tamponada con fosfato pH 7,4 solución al 10 12 partículas / ml a temperatura ambiente (PBS, 1X) (~ 25 ° C). Sumerja muestras láser irradiado ArF o KrF para 2 &# 160; hr en esta solución a temperatura ambiente.
  2. Lávese las muestras con PBS para eliminar físicamente unidos fluoresceína nanoesferas manchadas en la superficie.

Caracterización 4. Superficie

  1. El ángulo de contacto (CA) de medición
    1. Realizar mediciones CA estáticas con un goniómetro en un ambiente de temperatura ambiente y la humedad ambiental.
    2. Emplear agua de alta pureza DI (resistividad 17.95 mO · cm) en un micro-jeringa; generar volumen similar (~ 5 l) gotas en la superficie de la muestra mediante la reducción de la micro-jeringa a una altura similar para cada medición.
    3. Capturar y guardar el agua cae por imágenes de perfil de cámara CCD con el software. Medir de forma independiente 4 sitios diferentes con mismas condiciones de irradiación.
    4. Estimar y promediar los valores de CA en caída módulo de análisis de software ImageJ; cargar la imagen y convertirla en escala de grises; lanzar el plugin Dropsnake; colocar aproximadamente unos nudos en el contorno de caída (~ 10 nudos) de izquierda aderecho a inicializar la serpiente; aceptar la curva que conecta estos nudos y evolucionar la curva pulsando el botón serpiente. Nota: Los ángulos de contacto se muestran en la imagen y la mesa.
  2. Medición de XPS
    1. Investigar modificación química de superficie con un espectrómetro de XPS (presión base de 1x10 -9 Torr) equipado con una fuente de Al Ka trabajo a 150 W:
      1. Cargue las muestras en la cámara de vacío.
      2. Adquirir los datos de la encuesta de superficie en los modos de energía constantes de la energía pase 50 eV de un área de 220 micras x 220 micras.
      3. Adquirir datos de alta resolución de las exploraciones de la misma área analizada en 20 eV pasan energía.
    2. Proceso de datos de los espectros XPS con el software de cuantificación espectros XPS, como referencia 25,26.
  3. Formación de imágenes microscopio de fluorescencia
    1. Excite muestras, que fueron irradiados a través de "la hoja de arce" máscara y expuestos a fluoresceína nanoesferas manchadas, utilizandouna fuente de luz azul (λ = 450 ~ 490 nm).
    2. Observar imágenes fluorescentes, que emite a 515 nm, con un microscopio de fluorescencia invertido en magnificación de 4X.
    3. Caracterizar la morfología de la superficie de estas muestras con AFM, como se indica 27.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Estos resultados representativos se han presentado en nuestro anterior trabajo publicado 23,24. La figura 1 muestra la CA vs. N (número de pulsos) en los sitios irradiados por láser KrF a 250 mJ / cm 2 en DI H2O para diferentes concentraciones de H 2 O 2 / H 2 O soluciones (por ejemplo., 0,01, 0,02, 0,05 y 0,2%). El CA disminuye al aumentar el número de impulsos por todo el H 2 O 2 soluciones. El CA mínimo (~ 15 °) para los H 2 O 2 soluciones 0,02 y 0,01% se obtiene a 500 pulsos. A CA bastante más grande se ha observado para 0,05 y 0,2% de H 2 O 2 soluciones en los números de impulsos más grandes (N≥500). Al mismo tiempo, se encuentra que la CA de la muestra sin irradiación (N = 0) se redujo en 32 ° desde 75 ° como el H 2 O 2 concentración aumentó de 0.02 a 0.2%. Estos resultados, adquiridos después de una exposición promedio de 10 minutos de H 2 2, probablemente representan los valores de saturación de CA obtenible en respectiva H 2 O 2 concentraciones. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la exposición de las muestras a 0,01% H 2 O 2 solución, para un máximo de 4 hr no se ha traducido en un cambio medible de la CA caracterización de la superficie inicial.

La Figura 2 ilustra CA vs. número de impulsos para los sitios después de KrF (Figura 2A) y ArF (Figura 2B) la irradiación con láser en un 0,01% H 2 O 2 / H 2 O solución. La Figura 2a muestra que la CA disminuye continuamente con el número de impulsos hasta 600 impulsos de la KrF a 183 mJ / cm 2. Se encontraron resultados similares en muestras irradiados por láser ArF a 44 mJ / cm 2, como se muestra en la Figura 2B. Cuando los sitios fueron irradiados por láser KrF con 300 pulsos a 320 mJ / cm2 y 500 pulsos a 250 mJ / cm 2, la CA similares ~ 15 ° se logró.

La Figura 3 muestra O 1s espectros XPS de la superficie de Si recién grabado por HF (Figura 3A), expuestos a 0,01% H 2 O 2 / H 2 O solución durante aproximadamente 10 min sin irradiación láser ((Figura 3B), y expuesto a 0,01% H 2 O 2 / H 2 O solución y 500 pulsos KrF irradiación láser a 250 mJ / cm 2 (Figura 3C). Los picos a 531,8 ± 0,1, 532,6 ± 0,1 y 533,7 ± 0,1 eV fueron asignados a SiO x, SiO 2 y SiOH, respectivamente 28,29. La Figura 3B muestra que la exposición a una solución de HF ha eliminado la mayor parte de SiO 2 y SiO x de la superficie. Las cantidades de SiO 2 & #160; y SiOH en el sitio irradiado por láser KrF son mayores (Figura 3C) que las de los no irradiados (Figura 3B). El Si superficies recubiertas con SiO 2 se informaron tener siempre los valores mínimos de CA 45 ° -55 °, como se indica 11, dependiendo de la relación O / Si. Sin embargo, una monocapa SiOH superhidrófila cubierto la superficie de Si se reportó con una CA mínima de 13 °, como se indica 30. De este modo, los CA = 14 ° obtenidos con 500 pulsos se debe principalmente a una mayor concentración superficial de SiOH. También se observó que la relación SiOH / SiO 2 se incrementó de 0,10 (irradiación 100 pulsos, datos no mostrados) a 0,17 para el sitio irradiado 500-pulso. Las líneas discontinuas en los espectros representan el carbono (C) adsorbatos en la superficie. Las cantidades de estos adsorbatos se determinan en función de coeficientes fijos de O / C de CO, C = O y OC = O bonos en el C espectros 1s 31. Hemos encontrado que hay másC en la superficie no irradiada expuesto al H 2 / H 2 O solución de O 2, que en la muestra recién grabada por el ácido HF. La Figura 3C muestra que las cantidades de C absorbatos disminuyeron con el número de impulsos debido al efecto de limpieza con láser excimer 9. Dado que se informaron los absorbatos C en la superficie para aumentar la hidrofobicidad de Si 15, la eliminación inducida por láser de adsorbatos C también mejora la naturaleza hidrófila de la superficie.

La Figura 4A muestra una imagen microscópica de la fluorescencia de la superficie de Si recubierto selectivamente con fluoresceína manchado nanoesferas. La muestra se irradió en una primera H 2 O 2 / H 2 O solución (0,01%) mediante la proyección de una máscara "hoja de arce" con el láser KrF la entrega de 400 pulsos a 250 mJ / cm 2. La alta concentración de superficie de nanoesferas se encuentra en la porción no irradiada de la muestra. El resultado ilustra formation de una zona inducida por láser de un material fuertemente hidrófilo que previene la unión de las nanoesferas. La presencia de algunos nanoesferas observados en esta zona podría estar relacionado con la oxidación inducida por defecto de la superficie de Si y la reducción relacionada en su hidrofilia. La Figura 4B muestra una imagen AFM de un fragmento de la superficie no irradiada densamente cubierta con nanoesferas inmovilizados.

La Figura 5 muestra los valores medidos para las muestras de CA de Si que se sumergieron en metanol y se irradió con láser ArF a los 30, 65 y 80 mJ / cm 2. Se puede observar que la CA de la muestra irradiada con 800 pulsos a 65 mJ / cm 2 aumentó de su valor inicial de 75 ° a 103 °, y es comparable a la CA para la muestra irradiada 1000-pulso. Esto sugiere que el láser basado en la alteración química de la superficie de Si satura en estos fluencias láser. Más intensa dinámica de la Increa CAse ha observado para 80 mJ / cm 2 y bajo número de pulsos de láser (N <200), como se indica por los símbolos completos de círculo. Sin embargo, la formación de burbujas en las muestras irradiadas con N> 200 pulsos, y una modificación incontrolada relacionados con la morfología de superficie de la muestra nos impidieron la recogida de datos fiables en tales condiciones. Utilizando un enfoque descrito en otra parte 22,32, se estimó que una irradiación láser ArF a 65 mJ / cm 2 induce la temperatura máxima en la superficie de Si comparable al punto de ebullición del metanol, es decir., 65 ° C, como se indica 33. Por lo tanto, se espera que la irradiación con mayores fluencias láser para inducir la formación de burbujas. En consonancia con esta era nuestra incapacidad para fabricar muestras de Si de características satisfactorias con la fluencia del láser de 80 mJ / cm 2 y N> 200 pulsos. En contraste, la irradiación a 30 mJ / cm 2 mostró sólo un aumento débil de la CA a 78 ° para la irrad 1000-pulsomuestras iated.

La Figura 6 muestra los espectros de XPS de Si 2p y O 1s para los sitios sumergidos en metanol que eran no irradiadas (Figuras 6A y 6B), y se irradió con 500 pulsos del láser de ArF a 65 mJ / cm 2 (Figura 6C y 6D). Una característica débil en el espectro de Si 2p del sitio no irradiado (Figura 6A) se puede ver alrededor de BE = 102,7 eV. Esta característica se ha descrito que se originan en el Si- (OCH 3) x 34 bond. La concentración atómica de este compuesto se ha estimado en el 0,7%, que es un poco subestimado debido a la relativamente pequeña (60 °) de despegue ángulo (TOF) aplicado mientras que la recogida de datos XPS. Sin embargo, en el sitio irradiado (Figura 6C), el porcentaje atómico de Si- (OCH 3) x enlace aumentado en 5 veces a 3,5% en TOF de 60 °. En los espectros 1s S (Figuras 6B Y 6D), se puede observar que la concentración del pico de Si-O-CH 3 (BE = 532,6 eV) aumentó de 1 a 2,5% para los sitios no irradiados y irradiados, respectivamente. Como Si- (OCH 3) x Se ha informado que es responsable de la formación de una superficie hidrófoba de Si, como se indica 15,35,36, el aumento de la concentración superficial de Si- (OCH 3) x parece ser el principal razón de las características hidrofóbicas observadas del ArF irradiado muestras de Si. En el O 1s espectros, además de Si-OC y CO, hay SiOx y picos OH. El aumento del pico x SiO al BE = 531,5 ± 0,2 eV ha podido ser causado por el CH 3 O unión a SiO x sub-óxidos (SiO x + 1 CH 3) 34. A medida que la muestra tratada con HF Si no mostró presencia de OH (no mostrado aquí), este pico es posiblemente de OH CH 3 OH absorbe físicamente a la superficie de Si.


Figura 1. ángulo de contacto en función del número de impulsos de Si (001) de superficie irradiada por láser KrF a 250 mJ / cm 2 en DI H2O y diferentes concentraciones de H 2 O 2 / H2O soluciones (por ejemplo, 0,01, 0,02, 0,05 y 0,2%). La desviación estándar valor de ángulo de contacto (SD) es 2,5 °. La cifra se ha modificado desde el 24. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2. ángulo de contacto en función del número de impulsos de las muestras sumergidas en el 0,01% de H 2 O 2 / H2O solución y irradiados por KrF (Figura 2A) y ArF (Figura 2B) Láseres. Se informó La SD de valor de ángulo de contacto para ser 2.2 °. La cifra se ha modificado desde el 24. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3
Figura 3. O 1s espectros XPS de la superficie de Si recién grabado en HF (A), expuestos a 0,01% H 2 O 2 / H 2 O solución durante aproximadamente 10 min sin irradiación láser (B), y se irradió con 500 impulsos de la KrF láser a 250 mJ / cm 2 mientras expuesto a 0,01% de H 2 / H 2 O solución de O 2 (C). La cifra se ha modificado desde el 24. Haga clic aquí para ver una versión más grande de estacifra.

Figura 4
Figura 4. fluorescencia imagen microscópica de una muestra que fue, primero, se irradia con 400 pulsos de un láser KrF que opera a 250 mJ / cm 2 y la proyección de una máscara "hoja de arce" en la superficie y, segundo, se expone a una solución de fluoresceína nanoesferas manchadas (A). imagen AFM de un fragmento de la parte no irradiada de la muestra que muestra nanoesferas inmovilizados (B). La cifra se ha modificado desde el 24. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5
Figura 5. ángulo de contacto de Si (001) muestras I mmersed en metanol y se irradia con un láser ArF a 30 mJ / cm 2 (▲), 65 mJ / cm 2 (■) y 80 mJ / cm 2 (●). Las barras de error se calculan basándose en las mediciones de los 3 sitios independientes . Se informó una SD valor del ángulo de contacto de 2,0 °. La cifra se ha modificado a partir del 23. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6
Figura 6. Si 2p y O 1s espectros XPS de una referencia (no irradiado) de la muestra (A y B), y una muestra irradiada por un láser de ArF en metanol con 500 pulsos de al 65mJ / cm 2 (C y D). La cifra se ha modificado a partir del 23.ad / 52720 / 52720fig6large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Hemos propuesto un protocolo de UV irradiación con láser de oblea de Si en una cámara de microfluidos lleno de baja concentración de H 2 O 2 solución para inducir una superficie de Si superhidrófilo, que se debe principalmente a la generación de Si-OH. Se suponía UV láser fotolisis de H 2 O 2 para formar cargados negativamente OH - radicales. También, efecto fotoeléctrico láser UV conduce a la formación de una superficie cargada positivamente 37. Por lo tanto, la interacción de estas OH negativo - radicales con una superficie cargada positivamente conduce a la generación de Si-OH en la superficie. Así, podemos aumentar la hidrofilia por el aumento del número de impulsos láser y aumentar la concentración de OH - reaccionar con Si 15. Sin embargo, el carácter hidrófilo dejó de aumentar o incluso disminuir en mayor número de impulsos durante el proceso debido a H 2 O 2 es termodinámicamente inestable, y su descomposición es described por 2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 38, lo que resulta en O excesivamente formado 2 en la región cerca de la superficie de Si. Aunque este proceso podría potencialmente conducir a la formación de SiO 2 para mejorar la hidrofilia de la superficie, la generación de moléculas de O 2 también podría ser la causa de la formación de burbujas cerca de la superficie irradiada. Aumento significativo de la formación de burbujas por láser ArF a 65 mJ / cm 2 y el láser KrF a 320 mJ / cm 2, es consistente con la mayor posibilidad de descomposición térmicamente accionada de H 2 O 2. A medida que el CA mínimo para Si SiO 2 recubierto se sabe que es cerca de 45 °, la formación SiO 2 enriquecido Si podría causar el aumento de CA observó para los sitios irradiados con un número de impulsos de gran tamaño.

El cálculo de inducida por la irradiación con láser de temperatura es también un aspecto crítico, ya que es de importaciónANT para la oxidación de Si en el H 2 O 2 / H 2 O solución y el aumento de la humectabilidad. Usando cálculos COMSOL, las temperaturas máximas de superficie se estimaron en 88 y 95 ° C cuando se irradia con KrF pulso de láser de 250 y 320 mJ / cm 2, respectivamente. En comparación, la temperatura máxima de superficie se estima en 40 ° C, cuando se irradió por ArF pulso de láser de 65 mJ / cm 2. Estas temperaturas de pico se redujo a la temperatura original en 10 -5 s. No hay acumulación de calor entre dos pulsos consecutivos cuando KrF y ArF láseres operan a una frecuencia de repetición de 2 Hz (un caso investigado en esta comunicación). Basado en los resultados del cálculo de la temperatura, los parámetros del láser pueden ser optimizadas en experimentos futuros.

También propusimos con láser ArF para inducir la superficie de Si hidrofóbica irradiando la muestra Si en solución de metanol en una microcámara similar, que se debe a laSer indujo la formación de Si-O-CH 3 en la superficie irradiada, como se muestra en las figuras 5 y 6. Se ha informado de que la luz láser UV (105-200 nm) inducida por la disociación del vapor de metanol podría ser descrita por la reacción: CH 3 CH 3 OH → O + H 39. Cuanto mayor sea la temperatura, más CH 3 O adsorbe en la superficie de Si 40. De este modo, por irradiación a un menor fluencia del láser (por ejemplo., 30 mJ / cm 2), no hay ningún punto de ebullición metanol y ningún cambio humectabilidad obvio debido a la inducida por la temperatura más baja del láser. Además, la irradiación con láser KrF de la muestra en solución de metanol no produce ningún incremento significativo CA debido a su longitud de onda mayor y coeficiente de absorción de sección transversal inferior (<0.1x10 -20 / cm 2) que el láser ArF (25 x10 -20 / cm 2) 41. El coeficiente de absorción de láser KrF en metanol es también mucho menor que los de ArF (61x10 -20 / cm 2) y KrF láser (9x10 -20 / cm 2) en H 2 O 2 42 .La saturación del CA alrededor de 103 ° está relacionado con la energía superficial CH 3, que es dominante para la humectabilidad 15. Cuanto menor sea la energía de superficie, mayor es la hidrofobicidad. Se informó que la energía superficial más baja (CF 3) tener la CA máxima de 120 °, mientras que para un CH x vínculo con energía superficial más alta, el CA de 110 ° 43 es siempre inferior.

Por lo tanto, en comparación con otros métodos bien conocidos de modificación inducida por láser de Si, tales como la modificación morfología de la superficie inducida por láser, el proceso y los pasos descritos en este informe son más simples, que no necesitan un sistemas de láser de alta potencia alto costo y, pero son en efectivo en el control in situ de Si humectabilidad de la superficie. Esta técnica puede ser ampliamente utilizado para inducir el área selectiva modificación de humectabilidad de biosensor basado en un micro / nano Siplicación en el futuro. Sin embargo, hay limitaciones de esta técnica, especialmente para la hidrofobicidad inducida por láser UV, tales como la hidrofobicidad máxima (CA) está restringido por la energía del fotón láser y la energía x CH superficie. Los pasos críticos durante estas técnicas principalmente incluye el almacenamiento de la muestra en N 2 contenedores para evitar la oxidación antes de la irradiación y el control de la generación de burbujas en la superficie de Si durante la irradiación láser, por ejemplo., Utilizando el canal de microfluidos.

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

Ingeniería No. 105 Silicon humectabilidad de la superficie la interacción láser de la superficie el procesamiento de área selectiva láser excimer la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X el ángulo de contacto
Área selectivo Modificación de humectabilidad de la superficie del silicio por pulsos láser UV irradiación en Ambiente Líquido
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