Summary
Vi rapporterar om en process av in situ förändring av HF behandlade Si (001) yta i en hydrofil eller hydrofob tillstånd genom att bestråla prover i mikroflödessystem kammare fyllda med H 2 O 2 / H 2 O-lösning (0,01% -0,5%) eller metanollösningar med hjälp av pulsad UV-laser av en relativt låg puls fluens.
Abstract
Vätbarheten hos kisel (Si) är ett av de viktiga parametrarna i tekniken för ytfunktionalisering av detta material och tillverkning av biosensing anordningar. Vi rapporterar om ett protokoll för att använda KrF och ArF lasrar bestrålar Si (001) prover nedsänkta i en flytande miljö med lågt antal pulser och arbetar vid måttligt låga puls fluenser att inducera Si vätbarhet modifiering. Wafers nedsänktes i upp till 4 h i en 0,01% H2O 2 / H2O-lösning visade inte mätbar förändring i deras initiala kontaktvinkeln (CA), ~ 75 °. Emellertid 500-pulsen KrF och ArF laser bestrålning av sådana skivor i en mikrokammare fylld med 0,01% H2O 2 / H2O-lösning vid 250 och 65 mJ / cm 2, respektive, har minskat CA till nära 15 °, vilket indikerar bildning av en superhydrofil yta. Bildningen av OH-terminerad Si (001), utan någon mätbar förändring av skivan yta morfologi, harbekräftats genom röntgenfotoelektronspektroskopi och atom mätningar kraft mikroskopi. De selektiva område bestrålade proverna nedsänktes sedan i en biotin-konjugerad fluorescein-färgade nanospheres lösning under 2 timmar, vilket resulterar i en framgångsrik immobilisering av nanosfärer i det icke-bestrålade området. Detta illustrerar potentialen av metoden för selektiv område biofunctionalization och tillverkning av avancerade Si-baserade biosensing arkitekturer. Vi beskriver också ett liknande protokoll för bestrålning av wafers nedsänkta i metanol (CH3OH) använder ArF laser som arbetar vid puls fluens av 65 mJ / cm 2 och bildning in situ av en starkt hydrofob yta Si (001) med CA 103 °. XPS resultat indikerar ArF laserinducerad bildning av Si- (OCH3) X-föreningar som ansvarar för den observerade hydrofobiciteten. Dock inga sådana föreningar som har hittats av XPS på Si ytan bestrålas av KrF laser i metanol, vilket visaroförmåga KrF laser för att photodissociate metanol och skapa -OCH3 radikaler.
Introduction
De anmärkningsvärda elektroniska och kemiska egenskaper samt dess hög mekanisk hållfasthet har gjort kisel (Si) ett perfekt val för mikroelektronik och biomedicinska chips 1. Selektiv områdeskontroll av Si ytan har fått stor uppmärksamhet i tillämpningar där mikroflödessystem och lab-on-chip enheter 2,3 .Detta ofta erhållas antingen genom nanoskala modifiering av ytan ojämnheter eller genom kemisk behandling av ytan 4. Ytan uppruggning eller mönstring för att producera oordnade eller beställda ytstrukturer på Si ytan innefattar fotolitografi 5, ion strålelitografi 6 och laserteknik 7. Jämfört med dessa metoder är laser yttexturering process rapporterades vara mindre komplicerat med potential att producera mikro med hög rumslig upplösning 8. Men som Si har en förhöjd texture tröskel kräver bestrålning med puls fluens tillframkalla yttexturering utöver sin ablation tröskel (~ 500 mJ / cm 2) 9, har texturering av Si yta ofta fått stöd genom att använda reaktiva gasatmosfärer, såsom den med högspänning SF 6 miljö 4,7,8. Följaktligen att modifiera vätbarheten av Si ytan, har ett stort antal verk fokuserat på kemisk behandling genom att deponera organiskt 10 och oorganiska filmerna 2, eller med hjälp av plasma eller elektronstråle ytbehandling 11,12. Det inses att hydrofiliciteten Si som härrör från förekomsten av singular och associerade OH-grupper på dess yta kan uppnås genom att koka den i en H2O 2-lösning vid 100 ° C under flera minuter 13. Men de hydrofoba Si yttillstånd, varav de flesta är på grund av närvaron av Si-H eller Si-O-CH 3 grupper, skulle kunna uppnås genom våt kemikaliehantering innebär etsning med HF-lösning eller beläggning med fotoresist 13-15. För att uppnå selektiv områdeskontroll av vätbarhet Si, är komplexa mönstringssteg vanligtvis krävs, inklusive behandling i kemiska lösningar 16. Den höga kemiska reaktiviteten hos UV-laser-strålning har också använts för att selektiv område process organiska film belagda fasta substrat och modifiera deras vätbarhet 17. Men det är en begränsad mängd data som finns på laserassisterad modifiering av Si vätbarhet genom bestrålning av prover nedsänkta i olika kemiska lösningar.
I vår tidigare forskning, var UV-laserbestrålning av III-V-halvledare i luft 18 till 20 och NH 3 21 framgångsrikt användas för att förändra ytan kemiska sammansättningen av GaAs, InGaAs och InP. Vi konstaterade att UV-laser bestrålning av III-V halvledare i avjoniserat (DI) vatten minskar oxider och karbider yta, medan vattnet adsorberat på halvledarytan ökar 22. Ett starkt hydrofoba Si-yta (CA ~ 103 °) erhölls genom ArF laser bestrålning av Si prover i metanol i vårt senaste arbete 23. Såsom anges med röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), detta främst på grund av förmågan hos den ArF-laser för att photodissociate CH3OH. Vi har också använt KrF och ArF laser för att bestråla Si (001) i en 0,01% av H2O 2 i DI-vatten. Detta tillät oss att uppnå selektiv område bildandet av superhydrofil yta Si (001) kännetecknas av CA av nära 15 °. XPS Resultaten tyder på att detta beror på genereringen av Si-OH-bindningar på den bestrålade ytan 24.
En detaljerad beskrivning av denna nya teknik som använder KrF och ArF lasrar för selektiv område in situ modifiering av den hydrofila / hydrofoba ytan av Si yta i låg koncentration av H2O 2 / H2O och metanollösningar demonstreras i den här artikeln. De uppgifter som lämnas här ska vara tillräckligtatt tillåta liknande experiment som ska utföras av intresserade forskare.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Provframställning
- Använd en diamode rits att klyva ett n-typ (P-dopade) en-sida polerad Si-skiva (resistivitet 3,1 ~ 4,8 Ω.m) som är tre tum i diameter, 380 | im tjock, in prover av 12 mm x 6 mm; rengöra proverna i OptiClear, aceton och isopropylalkohol (5 min för varje steg).
- Etch prover i en ~ 0,9% HF-lösning under 1 minut för att etsa bort inledande oxid; Skölj i avjoniserat vatten och torka i hög renhet (99,999%) kväve (N 2).
- Förvara beredda prover i N 2 väska att tygla sin oxidation i luft.
2. bestråla Prover från ArF (λ = 193 nm) och KrF (λ = 248 nm) Laser.
- Placera prover i en 0,74 mm hög kammare och sedan försegla kammaren med en smält fönster kiseldioxid som har hög överföringskapacitet i UV (≥90%). Fylla kammaren med H2O 2 / H2O-lösning i området från 0,01 till 0,2% eller med avgasad metainle med användning av en mikroflödeskanal.
- Bestråla prover med homogeniserade ArF eller KrF lasrar på förstoringsreduktion på 2,6 och 1,8, respektive. Bestråla endast två ställen på varje prov genom att öka laserpulser från 100 till 600 i steg av 100 pulser genom ett cirkulärt mask (4 mm i diameter). Bestråla proven på samma sätt med en "lönnlöv" (9 mm x 7,2 mm) mask.
- Skölj prov i avjoniserat vatten, torka med N2 spolning; placera proven i en förseglad behållare, sedan snabbt fylla denna behållare med N 2, i syfte att undvika exponering för luft före ytterligare experiment.
3. Immobilisering av Bio-konjugerade Nanospheres
- Späd nanosfärer 40-nm diameter biotin-konjugerad och fluorescein färgas i en pH 7,4 fosfatbuffrad saltlösning (PBS, 1 x) lösning till 10 12 partiklar / ml vid RT (~ 25 ° C). Sänk ArF eller KrF laserbestrålade prover för 2 &# 160; h i denna lösning vid rumstemperatur.
- Tvätta prov med PBS för att eliminera fysiskt bundna fluorescein färgade nanosfärer på ytan.
4. Yta Karakterisering
- Kontaktvinkel (CA), mätning
- Genomför statiska CA mätningar med en goniometer i en miljö av RT och luftfuktighet.
- Anställa hög renhet DI vatten (resistivitet 17,95 MQ · cm) i en mikrospruta; generera liknande volym (~ 5 ul) faller på provytan genom att sänka mikro-spruta till en liknande höjd för varje mätning.
- Fånga och spara vattendroppar profilbilder från CCD-kamera med programvara. Mät oberoende 4 olika platser med samma strålningsförhållanden.
- Uppskattning och genomsnitt CA värden i drop analysmodul från ImageJ programvara; ladda bilden och ändra den till gråskala; starta plugin Dropsnake; Placera ungefär några knutar på drop konturen (~ 10 knop) från vänster tillrätt att initiera orm; acceptera kurvan som förbinder dessa knutar och utvecklas kurvan genom att trycka på ormen knappen. Obs: kontaktvinklar visas i bilden och tabellen.
- XPS-mätningar
- Undersök ytan kemisk modifiering med en XPS-spektrometer (1x10 -9 torr bastryck) utrustad med en Al Ka källa som arbetar på 150 W:
- Ladda proverna in i vakuumkammaren.
- Förvärva ytan enkätdata i fasta energilägen 50 eV passera energi från en yta på 220 pm x 220 pm.
- Förvärva högupplösta skannar data från samma analyserade område på 20 eV passerar energi.
- Process XPS spektra data med XPS spektra kvantifiering programvara, som refereras 25,26.
- Undersök ytan kemisk modifiering med en XPS-spektrometer (1x10 -9 torr bastryck) utrustad med en Al Ka källa som arbetar på 150 W:
- Fluorescensmikroskop avbildning
- Excite prover, som bestrålades genom "lönnlöv" mask och utsätts för fluorescein färgade nanospheres, med hjälp aven blå ljuskälla (λ = 450 ~ 490 nm).
- Observera fluorescerande bilder, som emitterar vid 515 nm, med en fluorescens inverterat mikroskop i förstoring av 4X.
- Karakterisera ytmorfologin av dessa prover med AFM, som hänvisas till 27.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Dessa representativa resultat har presenterats i vårt tidigare publicerade verk 23,24. Figur 1 visar CA vs. N (antal pulser) på platser bestrålas med KrF laser vid 250 mJ / cm 2 i DI H2O för olika koncentrationer av H 2 O 2 / H2O lösningar (t.ex.., 0,01, 0,02, 0,05 och 0,2%). CA minskar med ökande pulstal för alla H2O två lösningar. Minimi CA (~ 15 °) för de 0,02 och 0,01% H2O 2 lösningar erhålls vid 500 pulser. En ganska större CA har observerats för 0,05 och 0,2% H2O 2 lösningar vid större pulstal (N≥500). Samtidigt har det visat sig att CA av provet utan bestrålning (N = 0) minskade med 32 ° från 75 ° som i H 2 O 2 koncentration ökade från ,02 till 0,2%. Dessa resultat, som förvärvats efter i genomsnitt 10 min exponering för H 2 2 lösningar, sannolikt representerar CA mättnadsvärden erhållas vid respektive H 2 O 2 koncentrationer. Det är emellertid viktigt att notera att exponering av prov till 0,01% H2O 2-lösning, för upp till 4 h inte har resulterat i en mätbar förändring av CA karakterisera den initiala ytan.
Figur 2 illustrerar CA vs pulstal för platserna efter KrF (Figur 2A) och ArF (Figur 2B) laserbestrålning i en 0,01% H2O 2 / H2O-lösning. Figur 2a visar att CA minskar kontinuerligt med pulstalet upp till 600 pulser av KrF vid 183 mJ / cm2. Liknande resultat hittades på prover bestrålas av ArF-laser vid 44 mJ / cm 2, såsom visas i fig 2B. När platserna bestrålades av KrF laser med 300 pulser vid 320 mJ / cm2 och 500 pulser vid 250 mJ / cm
Figur 3 visar O 1s XPS-spektrum för Si yta nyligen etsas med HF (figur 3A), exponerades för 0,01% H2O 2 / H2O-lösning under ca 10 min utan laserbestrålning ((figur 3B), och exponerades för 0,01% H2O 2 / H2O-lösning och 500-puls KrF laserbestrålning vid 250 mJ / cm 2 (figur 3C). Topparna vid 531,8 ± 0,1, 532,6 ± 0,1 och 533,7 ± 0,1 eV har tilldelats SiOx, SiO 2 och SiOH, respektive 28,29. Figur 3B visar att exponering för en HF-lösning har undanröjt de flesta av SiO 2 och SiOx från ytan. De kvantiteter av SiO 2 & #160; och SiOH på webbplatsen bestrålas av KrF laser är större (figur 3C) än de på den icke-bestrålade (Figur 3B). Si ytor belagda med SiO 2 alltid rapporteras ha minimi CA värden av 45 ° -55 °, såsom refereras 11, beroende på O / Si-förhållandet. Dock täckte en superhydrofil SiOH monoskikt Si yta rapporterades med en minsta CA 13 °, som refereras 30. Således, är CA = 14 ° som erhålls med 500 pulser främst på grund av ökad ytkoncentration av SiOH. Vi observerade också att SiOH / SiO 2 förhållandet ökade från 0,10 (100-puls bestrålning, data visas ej) till 0,17 för 500-pulsen bestrålas webbplats. De streckade linjerna i spektra representerar kol (C) adsorbat på ytan. Mängderna av dessa adsorbater är bestäms beroende på fasta förhållanden mellan O / C CO, C = O och OC = O obligationer i C 1s spektra 31. Vi har funnit att det finns merC på den icke-bestrålade ytan exponeras för H2O 2 / H2O lösning, än på provet nyligen etsas med fluorvätesyra. Figur 3C visar att de kvantiteter C absorbates minskade med pulstal på grund av excimerlaser rengöringseffekt 9. Eftersom C absorbates på ytan rapporterades att öka hydrofobiciteten hos Si 15, den laserinducerad avlägsnandet av C-adsorbat förbättrar också den hydrofila naturen hos ytan.
Figur 4A visar en fluorescens mikroskopisk bild av Si ytan selektivt belagd med fluorescein färgade nanosfärer. Provet först bestrålats i en H 2 O 2 / H 2 O-lösning (0,01%) genom att projicera en "lönnlöv" mask med KrF laser levererar 400 pulser vid 250 mJ / cm2. Hög ytkoncentration av nanosfärer finns på den icke-bestrålade delen av provet. Resultatet illustrerar FORMATIOn av en laser-inducerad zon av ett starkt hydrofilt material som förhindrar bindning av nanosfärer. Närvaron av vissa nanosfärer som observerats i denna zon kunde relateras till ytdefekten inducerad oxidation av Si och tillhörande minskning av dess hydrofilicitet. Figur 4B visar en AFM bild av ett fragment av den icke-bestrålade ytan tätt täckt med immobiliserade nanosfärer.
Figur 5 visar de CA värden som uppmätts för Si prover som nedsänktes i metanol och bestrålades med ArF-laser vid 30, 65 och 80 mJ / cm 2. Det kan ses att CA av provet bestrålades med 800 pulser vid 65 mJ / cm 2 ökade från sitt initiala värde av 75 ° till 103 °, och det är jämförbart med det CA för 1000-pulsen bestrålat prov. Detta tyder på att den laserbaserade kemisk förändring av Si ytan mättas vid dessa laser fluenser. Mer intensiva dynamik CA ökat sjse har observerats för 80 mJ / cm 2 och lågt antal laserpulser (N <200), såsom indikeras av de full cirkel symboler. Men bildandet av bubblor på prover bestrålade med N> 200 pulser och en relaterad okontrollerad modifiering av provytan morfologi hindrat oss från att samla in tillförlitliga uppgifter under sådana förhållanden. Med användning av ett tillvägagångssätt som beskrivs på annan plats 22,32, uppskattade vi att en ArF-laserbestrålning vid 65 mJ / cm 2 inducerar topptemperatur på ytan av Si jämförbar till metanol kokpunkten, dvs., 65 ° C, såsom refereras 33. Således är bestrålning med större laser fluenser förväntas inducera bildningen av bubblor. I överensstämmelse med detta var vår oförmåga att tillverka Si prover av tillfredsställande egenskaper med laser fluens på 80 mJ / cm 2 och N> 200 pulser. I motsats, bestrålning vid 30 mJ / cm2 visade endast en svag ökning av CA till 78 ° för 1000-puls irradiated prover.
Figur 6 visar XPS-spektrum för Si 2p och O 1s för webbplatser nedsänkta i metanol som var icke-bestrålade (figurerna 6A och 6B), och bestrålades med 500 pulser av ArF-laser vid 65 mJ / cm 2 (Figur 6C och 6D). En svag funktion i Si 2p spektrumet för den icke-bestrålade stället (figur 6A) kan ses runt BE = 102,7 eV. Denna funktion har rapporterats härstamma från Si- (OCH3) x obligation 34. Atom koncentrationen av denna förening har beräknats till 0,7%, vilket är något underskattat på grund av den relativt lilla (60 °) take-off vinkel (TOF) tillämpas samtidigt samla XPS data. Men på det bestrålade stället (Figur 6C), varvid atomprocentandelen Si (OCH3) x-bindning ökade med 5 gånger till 3,5% vid TOF av 60 °. I O 1s spektra (figur 6B Och 6D), kan man se att koncentrationen av Si-O-CH 3 topp (BE = 532,6 eV) ökade från en till 2,5% för de icke-bestrålade och bestrålade platser, respektive. Som Si- (OCH3) x har rapporterats vara ansvariga för bildningen av en hydrofob yta Si, som hänvisas till 15,35,36, en ökning av ytkoncentrationen av Si- (OCH3) x verkar vara den huvudsakliga Anledningen till de observerade hydrofoba egenskaperna hos ArF bestrålade Si prover. I O 1s spektra, förutom Si-OC och CO, det finns SiOx och OH toppar. Ökningen av SiOx toppen vid BE = 531,5 ± 0,2 eV är eventuellt orsakats av CH 3 O bindning till SiO x underoxider (SiOx + 1-CH 3) 34. Eftersom HF behandlade Si prov inte visa närvaro av OH (ej visad här), är det här inlägget OH topp eventuellt från CH3OH fysiskt absorberas till Si ytan.
Figur 1. Kontaktvinkel kontra pulstal på Si (001) yta bestrålas med KrF-laser vid 250 mJ / cm 2 i avjoniserat H2O och olika koncentrationer H2O 2 / H2O lösningar (t.ex., 0,01, 0,02, 0,05 och 0,2%). Kontaktvinkeln värde standardavvikelse (SD) är 2,5 °. Siffran har ändrats från 24. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Kontaktvinkel kontra puls antal prover nedsänkta i 0,01% H2O 2 / H2O-lösning och bestrålats med KrF (Figur 2A) och ArF (Figur 2B) Lasrar. SD kontaktvinkelvärde angavs till 2,2 °. Siffran har ändrats från 24. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. O 1s XPS-spektrum för Si yta nyligen etsas i HF (A), exponerades för 0,01% H2O 2 / H2O-lösning under ca 10 min utan laserbestrålning (B), och bestrålades med 500 pulser av KrF laser vid 250 mJ / cm2 medan utsätts för 0,01% H 2 O 2 / H 2 O-lösning (C). har Siffran ändrats från 24. Klicka här för att se en större version av dennafigur.
Figur 4. Fluorescens mikroskopisk bild av ett prov som var först, bestrålas med 400 pulser av en KrF laser som arbetar vid 250 mJ / cm 2 och som avger ett "lönnlöv" mask på ytan, dels utsätts för en lösning av fluorescein färgade nanosfärer (A). AFM bild av ett fragment av den icke-bestrålade delen av provet som visar immobiliserade nanosfärer (B). Siffran har ändrats från 24. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. Kontakta vinkel på Si (001) prover I mmersed i metanol och bestrålades med en ArF laser vid 30 mJ / cm 2 (▲), 65 mJ / cm 2 (■) och 80 mJ / cm 2 (●). är Felgränserna beräknas baserat på mätningar av 3 oberoende platser . En kontaktvinkelvärdet SD 2,0 ° rapporterades. Siffran har ändrats från 23. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. Si 2p och O 1s XPS-spektrum av en referens (obestrålad) prov (A och B), och ett prov bestrålas av en ArF-laser i metanol med 500 pulser av på 65mJ / cm 2 (C och D). Siffran har ändrats från 23.ad / 52720 / 52720fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har föreslagit ett protokoll av UV-laser bestrålning av Si-skiva i en mikroflödessystem kammare fylld med låg koncentration av H2O 2 lösning för att framkalla en superhydrofil Si yta, vilket främst beror på genereringen av Si-OH. UV-laser fotolys av H2O 2 var tänkt att bilda negativt laddade OH - radikaler. Dessutom leder UV-laser fotoelektriska effekten till bildandet av en positivt laddad yta 37. Därför interaktionen av dessa negativa OH - leder radikaler med en positivt laddad yta till genereringen av Si-OH på ytan. Så, kan vi öka hydrofilicitet genom att öka laserpulstalet och öka koncentrationen av OH - omsättning med Si 15. Men hydrofiliciteten upphört att öka eller ens minska vid större pulsnummer under processen eftersom H2O 2 är termodynamiskt instabil, och dess sönderfall är described av 2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 38, vilket resulterar i överdrivet bildad O 2 i en nära ytregionen Si. Även om denna process skulle potentiellt leda till bildning av SiO 2 att förbättra ytan hydrofilicitet, genereringen av O 2-molekyler kan också vara orsaken till bubblor formation nära den bestrålade ytan. Signifikant ökad bubbelbildning genom ArF-laser vid 65 mJ / cm 2 och KrF-laser vid 320 mJ / cm 2, överensstämmer med den ökade möjligheten av termiskt driven nedbrytning av H2O 2. Eftersom den minsta CA för SiO 2 belagd Si är känt för att vara nära 45 °, bildandet SiO 2 anrikad Si kan orsaka en ökning av CA som observerades för de platser som bestrålats med ett stort pulstal.
Beräkningen av temperaturen inducerad genom laserbestrålning är också en kritisk aspekt, eftersom det är important till oxidationen av Si i H2O 2 / H2O-lösning och den ökade vätbarheten. Använda COMSOL beräkningarna fastställdes ytan topptemperaturerna beräknas vara 88 och 95 ° C vid bestrålning med KrF laserpuls av 250 och 320 mJ / cm 2, respektive. I jämförelse, är ytan topptemperaturen uppskattades till 40 ° C, när den bestrålades med ArF-laserpuls av 65 mJ / cm 2. Dessa topptemperaturer sjönk till den ursprungliga temperaturen i 10 -5 s. Det finns ingen värme ackumulering mellan två på varandra följande pulser när KrF och ArF lasrar arbetar vid en repetitionsfrekvens på 2 Hz (ett fall undersöks i detta meddelande). Baserat på beräkningstemperatur resultat, kan laserparametrar optimeras i framtida experiment.
Vi föreslog också att använda ArF laser för att inducera hydrofob Si-ytan genom att bestråla Si provet i metanollösning på ett liknande mikrokammare, vilket beror på att laSer inducerad bildning av Si-O-CH 3 på den bestrålade ytan, såsom visas i figurerna 5 och 6. Det har rapporterats att UV-laser-ljus (105-200 nm) dissociation av metanolånga kan beskrivas genom reaktionen: CH3OH → CH3O + H 39. Ju högre temperaturen är, desto CH3O adsorberar på Si ytan 40. Sålunda genom bestrålning vid lägre laser fluens (t ex., 30 mJ / cm 2), finns det ingen metanol kokning och ingen uppenbar vätbarhet ändring till följd av laserinducerad lägre temperatur. Även KrF laserbestrålning av provet i metanollösning producerar ingen signifikant CA inkrement på grund av dess längre våglängd och lägre tvärsnitt absorptionskoefficient (<0.1x10 -20 / cm 2) än ArF laser (25 x10 -20 / cm 2) 41. Absorptionskoefficienten av KrF laser i metanol är också mycket lägre än för ArF (61x10 -20 / cm 2) och KrF laser (9x10 -20 / cm2) i H2O 2 42 .Det mättnad av CA omkring 103 ° är relaterad till CH 3 ytenergi, som är dominerande för vätbarheten 15. Ju lägre ytenergin, desto högre hydrofobicitet. Den lägsta ytenergin (CF 3) rapporterades ha maximal CA 120 °, medan det för en CH x obligation med högre ytenergi, är CA på 110 ° 43 alltid lägre.
Därför, jämfört med andra välkända förfaranden för laserinducerad modifiering av Si, såsom laserinducerad ytmorfologi modifiering, processen och steg som beskrivs i denna rapport är enklare, behöver de inte en hög kostnad och hög effekt lasersystem, men är effektiva i in situ-reglering av Si-ytan vätbarhet. Denna teknik kan ofta används för selektiv område inducera modifiering av vätbarhet för mikro / nano Si-baserade biosensor enILLÄMPNING i framtiden. Det finns emellertid begränsningar av denna teknik, särskilt för UV-laserinducerad hydrofobicitet, t.ex. högsta hydrofobicitet (CA), begränsas av laserfotonenergin och CH x ytenergi. De kritiska steg under denna teknik främst innefattar lagra provet i N 2 behållare för att undvika oxidation före bestrålning och styra bubblorna generationen på Si ytan under laserstrålning, t ex. Med hjälp av mikroflödessystem kanal.
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).
