Waiting
Login processing...

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

Engineering

Sıvı Ortamda Darbeli UV Lazer Radyasyonla Silikon Yüzey Islanabilirliği Seçici Alan Değişikliği

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

Biz HF yerinde değişiklik 2 O 2 / H2O çözeltisi (% 0.01% -0.5) ya da metanol solüsyonları H dolu mikroakışkan odaları örnekleri ışınlanması ile hidrofilik veya hidrofobik duruma Si (001) yüzeyi ile tedavi edilmiş bir süreci rapor göreceli düşük nabız akıcılığa darbeli UV lazer kullanarak.

Abstract

Silikon ıslanabilirlik (Si) biyo-algılayıcı cihazların bu malzeme ve üretim yüzeyi işlevsellik teknolojisinde önemli parametrelerden biridir. Biz Si ​​ıslatımlılık değişiklik yaratmak için orta düşük nabız akıcılıklarda darbe sayısı düşük olan bir sıvı ortamda dalmış Si (001) örnekleri aydınlatarak KrF ve ArF lazerler kullanarak ve işletim bir protokol rapor. Gofret başlangıç ​​temas açısı (CA) ~ 75 ° ölçülebilir değişiklik göstermemiştir bir% 0.01 H 2 O 2 / H 2 O çözeltisi fazla 4 saat dalmış. Ancak, microchamber tür gofret 500 nabız KrF ve ArF lazerler ışınlama% 0.01 H ile dolu 2 2 O çözelti 250 ve 65 mJ / cm 2, sırasıyla, yakın 15 ° CA ​​azalmıştır / H O 2, süperhidrofil bir yüzey oluşumunu göstermektedir. Ince bisküvinin yüzeyi morfolojisinin ölçülebilir bir değişiklik ile OH-grubu, Si (001), oluşumu, varX-ışını fotoelektron spektroskopisi ve atomik kuvvet mikroskopisi ölçümleri ile teyit edilmiştir. Seçici alanı ışınlanmış numuneler daha sonra ışınlanmamış alanda nanoküre başarılı bir immobilizasyon ile sonuçlanan, 2 saat süre ile, bir biyotin-konjuge floresan lekeli nanosferler çözelti içine daldırılmıştır. Bu seçici alan biofunctionalization ve gelişmiş Si tabanlı biyoalgı mimarileri imalatı için yöntemin potansiyelini göstermektedir. Ayrıca 65 mJ darbe akıcılığa çalışan ArF lazer kullanarak metanol (CH3OH), batırılmış gofret ışınlama benzer bir protokol açıklar / cm2 ve 103 CA ile Si (001) arasında güçlü bir hidrofobik yüzey in situ oluşumu °. XPS sonuçları Si ve ArF lazer kaynaklı oluşumunu göstermektedir (OCH3) gözlenen hidrofobisite x bileşikler sorumlu. Ancak, bu tür bileşikler gösteren, metanol içinde KrF lazerle ışınlanan Si yüzeyinde XPS tarafından bulunduKrF lazer yetersizlik metanol photodissociate ve -OCH3 radikalleri oluşturmak için.

Introduction

Dikkat çekici elektronik ve kimyasal özellikleri yanı sıra yüksek mekanik mukavemet silikon (Si) mikroelektronik cihazlar ve biyomedikal yongaları 1 için ideal bir seçim yaptık. Si yüzeyin seçici alan kontrolü mikroakışkan ve laboratuvar-on-chip cihazlar 2,3 .Bu genellikle elde ya yüzey sertliği nano ölçekli modifikasyonu ile veya yüzeye 4 kimyasal tedavi ile olan içeren uygulamalar için önemli dikkat çekmiştir. Si yüzeyinde düzensiz ya da düzenli yüzey yapıları üretmek için yüzey pürüzlendirme veya desenlendirme fotolitografi 5, iyon demeti litografi 6 ve lazer teknikleri 7 arasındadır. Bu yöntemler ile karşılaştırıldığında, lazer yüzey dokuma işlemi, yüksek uzaysal çözünürlüğü 8 mikro üretme potansiyeline sahip daha az karmaşık olduğu bildirilmiştir. Ancak, Si darbe akıcılığa karşı olan yüksek bir tekstüre eşiğini gerektiren ışınlama olduğu gibionun ablasyon eşiği (~ 500 mJ / cm 2) 9 aşan yüzey dokusunu neden, Si yüzey tekstüre sıklıkla böyle bir yüksek basınç SF 6 çevre 4,7,8 olduğu gibi reaktif gaz atmosferleri, istihdam yardımcı olmuştur. Sonuç olarak, Si sathının ıslatılabilme kabiliyetinin daha değiştirmek için sayısız çalışmalar 10 organik ve inorganik film 2 biriktirilmesi, ya da plazma ya da elektron ışını yüzey muamelesi 11,12 ile kimyasal muamele üzerine odaklanmıştır. Birkaç dakika 13, 100 ° C de bir H2 O 2 çözeltisi içinde kaynatılarak elde edilebilir yüzeyi üzerinde tek ve ilişkili OH gruplarının varlığından kaynaklanan Si, hidrofilisite kabul edilmektedir. Bununla birlikte, Si-H ya da Si-O-CH3 grupların varlığı nedeniyle, çoğu olan hidrofobik Si yüzey durumları, ışığa 13 HF asit çözeltisi ya da kaplama ile dağlama içeren yaş kimyasal işleme ile elde edilebilir-15. Si ıslanabilirlik seçici alan kontrolü sağlamak için, karmaşık desen adımlar genellikle kimyasal solüsyonlar 16 tedavi de dahil olmak üzere, gereklidir. UV lazer radyasyonunun yüksek kimyasal tepkime de seçici alan süreci, organik film kaplı katı yüzeylerde kullanılan ve onların ıslatılabilirliğini 17 modifiye edilmiştir. Bununla birlikte, sınırlı bir veri miktarı, farklı kimyasal Çözeltilerin bekletilen numunelerin irradyasyonu ile Si ıslanabilirlik lazer destekli modifikasyon mevcuttur.

Daha önceki araştırmalarda, hava 18-20 ve NH 3 21 III-V yarı iletkenler UV lazer ışını başarıyla GaAs, InGaAs ve InP yüzey kimyasal bileşimini değiştirmek için kullanılmıştır. Yarı iletken yüzey emdiği suyun, 22 artar ederken deiyonize III-V yarı iletkenlerinin UV içinde lazer kurulan (Dİ) su, yüzey oksitleri ve karbürler azaltır. Bir güçlü hidrofobik Si yüzey (CA ~ 103 °) son çalışma 23 metanol içinde Si örneklerinin ArF lazer ışını ile elde edilmiştir. X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ile gösterildiği gibi, bu temel nedeni CH3 OH photodissociate için ArF lazer yeteneği sağlamaktır. Biz de DI suda H 2 O 2 bir% 0.01 olarak (001) Si ışın tedavisi için kRf ve ArF lazerler kullandım. Bu bize yakın 15 ° CA ile karakterize Si süperhidrofilik yüzeyine (001) selektif alan oluşumunu sağlamak için izin verdi. XPS sonuçları bu ışınlanmış yüzeyi 24 Si-OH bağlarının oluşumuna bağlı olduğunu göstermektedir.

H2O 2 / H2O ve metanol solüsyonları düşük konsantrasyonda Si yüzeyinin hidrofilik / hidrofobik yüzey yerinde modifikasyon seçici alanı için kRf ve ArF lazer kullanarak bu tekniğin ayrıntılı bir açıklaması, bu makalede gösterilmiştir. Burada sağlanan ayrıntıları yeterli olmalıdırizin benzer deneyler ilgilenen araştırmacılar tarafından yapılmalıdır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Numune Hazırlama

  1. (P-katkılı), bir tarafı Si gofreti cilalı bir n-tipi yanlması için bir diamode bir çubuk kullanarak (direncine 3,1 ~ 4,8 Ω.m) çapı 3 inç, 12 mm x 6 mm numuneler halinde, 380 mikron kalınlığında; OptiClear, aseton ve izopropil alkol (her adım için 5 dakika) örnekleri temizleyin.
  2. 1 dk İlk oksit uzak etch için ~% 0.9 HF çözeltisi içinde aşındırma örnekler; (N2) DI su ile durulayın ve yüksek saflıkta (% 99.999), azot kuru.
  3. N 2 torbada saklayın hazırlanan numuneler havada kendi oksidasyonu frenlemek için.

ArF (λ = 193 nm) ve KrF (λ = 248 nm) Lazerler ile 2. ışın tedavisi Örnekleri.

  1. Place 0.74 mm uzunluğunda odasında örnekler ve daha sonra UV yüksek iletim (≥90%) sahip bir erimiş silika pencere ile odasını mühür. H% 0.01-0.2 aralığı içinde ya da gazı giderilmiş Metha 2 O 2 / H2O çözeltisi bölmesini doldurmaknol mikroakışkan kanal kullanılarak.
  2. Sırasıyla 2.6 ve 1.8 demagnification de homojenize ArF veya KrF lazerler ile örnekleri ışın tedavisi. Dairesel bir maske (çapı 4 mm) ile 100 darbe aşama 600 100'den lazer impulslarından arttırarak her bir numune, sadece 2 mahalline ışın tedavisi. Bir "akçaağaç yaprağı" (9 mm x 7.2 mm) maske ile aynı şekilde örnekleri ışın tedavisi.
  3. N 2 floş kuru DI suda durulayın örnekleri; daha sonra hızlı bir şekilde daha fazla deney öncesinde havaya maruz kalmasını önlemek amacıyla, N2 ile doldurun, ağzı kapalı bir kap içinde örnekleri yer.

3. Hareketsizleştirme Bio-konjuge nanosferler

  1. PH 7,4 fosfat tamponlu tuzlu su (PBS, 1X) oda sıcaklığında 10 12 parçacık / ml solüsyon, biyotin-konjuge ve floresein lekeli 40-mil çaplı nanoküre seyreltin (~ 25 ° C). 2 için ArF veya KrF lazer ışınlanmış örnekler daldırın# 160; oda sıcaklığında, bu çözelti içinde sa.
  2. PBS ile yıkayın örnekleri yüzeyde fiziksel olarak bağlı floresein lekeli nanokürecikler ortadan kaldırmak için.

4. Yüzey Karakterizasyonu

  1. Temas açısı (CA) ölçümü
    1. RT ve ortamdaki nem ortamında bir gonyometre ile statik CA ölçümleri yapın.
    2. Bir mikro şırınga yüksek saflıkta DI su (özdirenç 17.95 M? · Cm) İstihdam; Benzer hacmi oluşturmak (~ 5 ul), her ölçüm için de benzer bir yüksekliğe mikro şırınga düşürerek numune üzerindeki düşer.
    3. Yakalama ve su yazılımı ile CCD kamera tarafından profil görüntüleri damla kaydedin. Aynı ışınlama şartlarına bağımsız 4 farklı sitelere ölçün.
    4. Tahmin ve ImageJ yazılım açılan analiz modülü CA değerleri ortalama; resim yüklemek ve gri tonlama içine değiştirmek; eklenti Dropsnake başlatmak; soldan açılan kontür (~ 10 knot) kabaca birkaç knot yerleştirmekSağ yılanı başlatmak için; Bu knot bağlayan eğri kabul ve yılan düğmesine basarak eğriyi gelişmeye. Not: temas açıları görüntü ve tabloda görüntülenir.
  2. XPS ölçümü
    1. 150 W çalışan bir Al Ka kaynağı ile donatılmış bir XPS spektrometre (1x10 -9 Torr taban basıncı) ile yüzey kimyasal modifikasyon araştırın:
      1. Vakum odasına örnekleri yükleyin.
      2. 220 mikron x 220 mikron bir alanda 50 eV geçiş enerjisinin sürekli enerji modlarında yüzey araştırması verilerini edinin.
      3. 20 eV enerji geçmesi aynı analiz alandan yüksek çözünürlüklü taramalar veri elde.
    2. 25,26 başvurulan olarak Süreç, XPS spektrumları ölçümü yazılımı ile spektrumları verileri XPS.
  3. Floresan mikroskop görüntüleme
    1. "Akçaağaç yaprağı" maske aracılığıyla ışınlanmış ve lekeli nanokürecikler flourescein maruz kaldıkları örnekleri Excite kullanarakmavi ışık kaynağı (λ = 450 ~ 490 nm).
    2. 4X büyütme bir floresan ters mikroskop ile, 515 nm'de yayan floresan görüntüleri gözlemleyin.
    3. 27 başvurulan olarak, AFM ile bu örneklerin yüzey morfolojisi karakterize eder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bu temsilci sonuçlar Şekil 1. Bizim daha önce yayınlanmış çalışmaları 23,24 sunulan H farklı konsantrasyonlarda H 2 O DI 250 mJ / cm 2 de KrF lazer tarafından ışınlanmış sitelerde N (darbe sayısı) vs CA gösterir edilmiştir 2 O 2 / H2O çözeltiler (örn., 0.01, 0.02, 0.05, ve% 0.2). CA tüm H 2 O 2 çözümleri için nabız sayısının artması ile azalmaktadır. 0,02 ve% 0.01 H2O 2 çözeltiler için minimum CA (~ 15 °) 500 darbe olarak elde edilir. Oldukça geniş CA daha büyük darbe numaraları (N≥500) 0.05 ve% 0.2 H2O 2 çözümler için gözlenmiştir. Aynı zamanda, bu ışınlama olmadan örnek CA (n = 0) 2, O 2 konsantrasyonu 0.2% 0.02 yükselmiştir H gibi 75 ° 'den 32 °' azaldığı bulunmuştur. H 2 ortalama 10 dakika maruz kaldıktan sonra edinilen bu sonuçlar, O 2 çözümleri, büyük olasılıkla ilgili H 2 O 2 konsantrasyonları CA doygunluk değerleri elde etmektedir. Bununla birlikte,% 0.01 H, numunelerin maruz kadar 4 saat boyunca 2 O 2 çözeltisi, ilk yüzeyi karakterize CA ölçülebilir bir değişimine neden olmadığını belirtmek önemlidir.

Şekil 2, KrF (Şekil 2A) ve ArF (Şekil 2B), bir% 0.01 H2O 2 / H2O çözeltisi lazer ışınlama sonrası sitelerinin darbe sayısına karşı CA görüntülemektedir. Şekil 2a CA 183 mJ / cm 2 KrF 600 bakliyat kadar darbe numarası ile sürekli azaldığı gösterilmiştir. Şekil 2B'de gösterildiği gibi, benzer sonuçlar, 44 mJ / cm2'de ArF lazerle ışınlandı örneklerde bulunmuştur. Siteleri 250 mJ / cm 320 mJ / cm2 ve 500 pals 300 darbeleri ile KrF lazerle ışınlandı edildiğinde 2, 15 ° sağlandı ~ benzer CA 500 ​​ArF lazer darbeleri ile ışınlandı zaman.

Şekil 3, lazer ışınları ((Şekil 3B) olmadan, yaklaşık 10 dakika boyunca% 0.01 H2O 2 / H2O çözeltisi maruz bırakılır ve% 0.01 maruz taze HF (Şekil 3A) ile kabartma Si yüzeyinin XPS spektrumları 1s O gösterir H2O 2 / H2O çözeltisi ve 2 (Şekil 3C). 531.8 ± 0.1 tepe, 532,6 ± 0,1 ve 533,7 ± 0,1 eV SiO x ayrıldı, SiO2 250 mJ / cm 500 darbeli KrF, lazer ışınlama ve SiOH sırasıyla 28,29. Şekil 3B, bir HF solüsyonuna maruz yüzeyinden SiO 2 ve SiO x en kaldırıldı olduğunu göstermektedir. SiO 2 ve # miktarları160; KrF lazerle ışınlandı sahada ve SiOH ışınlanmamış (Şekil 3B'de) hakkında daha (Şekil 3C) daha fazladır. O / Si oranına bağlı olarak, 11 başvurulan olarak Si SiO 2 ile kaplanmış yüzeyleri her zaman 45 ° -55 ° asgari CA değerlerine sahip bildirildi. 30 başvurulan Ancak, bir süperhidrofilik SiOH tek tabakalı kaplı Si yüzey 13 ° minimum CA ile bildirilmiştir. Bu durumda, 500 darbeleri ile elde edilen CA = 14 ° esas olarak SiOH ve artan yüzey konsantrasyonuna bağlıdır. Ayrıca SiOH / SiO2 oranı 500 darbeli ışınlanmış site için 0.17 0.10 (100 darbe ışınlama, veriler gösterilmemiştir) gelen arttığı görülmektedir. Spektrumları kesikli çizgiler karbon (C) yüzey üzerinde adsorbatlar temsil etmektedir. Bu adsorbatlarının miktarları CO, C 1s spektrumları 31 C = O ve OC = O bağları O / C sabit oranlar bağlı belirlenir edilir. Biz daha fazla olduğunu buldukOlmayan ışınlanmış yüzeyde C taze HF asit kazınmış örnek üzerinde daha H 2 O 2 / H 2 O çözümünü gözler önüne serdi. Şekil 3C C absorbates miktarları nedeniyle excimer lazer temizleme etkisi nabız sayısı ile azaldığını göstermektedir 9. Yüzeye Cı absorbates Si 15 hidrofobikliğini geliştirmek için rapor edilmiştir yana, Cı adsorbatlarının lazerle indüklenen giderilmesi aynı zamanda yüzeyin hidrofilik doğaya artırır.

Şekil 4A seçici floresein lekeli nanokürecikler ile kaplanmış Si yüzeyinin bir floresan mikroskobik görüntü gösterir. Örnek ilk olarak bir H ışınlandı 2 O 2 / H 250 mJ / cm2'de 400 dalgaların gönderilmesi KrF lazer ile "akçaağaç yaprağı" maske yansıtarak 2 O solüsyonu (% 0.01). Nanoküre Yüksek yüzey konsantrasyonu, numunenin ışınlanmamış bölümü üzerinde bulunmaktadır. Sonuç Formatio göstermektedirnanoküre bağlanmasını engelleyen bir kuvvetli şekilde hidrofilik bir malzemeden bir lazer kaynaklı bölge şeklinde olabilir. Bu bölgede görülen bazı nanoküre varlığı, hidrofiliklik, Si yüzey defekti bağlı oksidasyon ve ilgili azalma ile ilişkili olabilir. Şekil 4B, yoğun immobilize nanokürecikler kaplı ışınlanmamış yüzeyinin bir fragmanının bir AFM görüntüsünü göstermektedir.

Şekil 5, metanol içinde daldırılır ve 30, 65 ve 80 mJ / cm2'de ArF lazer ile ışınlandı Si örnekleri için ölçülen CA değerlerini gösterir. Bu 65 mJ 800 darbeleri ile ışınlanmış numunenin CA / cm 2 103 ° 75 ° 'lik başlangıç ​​değerinden arttığı görülebilir ve 1000 darbeli ışınlanmış numune için CA karşılaştırılabilir. Bu Si yüzeyi lazer bazlı kimyasal değişikliği bu lazer akıcılıklarda doyurur olduğunu göstermektedir. CA increa Daha yoğun dinamikleritam bir daire semboller ile belirtildiği gibi se, 80 mJ / cm2 ve lazer atımlarının sayısı düşük (N <200) için gözlenmiştir. Ancak, N> 200 darbeleri ile ışınlanmış örnekler üzerinde kabarcıkların oluşması ve örnek yüzey morfolojisi ilgili bir kontrolsüz değişiklik bu koşullarda güvenilir veri toplama bizi engelledi. Başka 22,32 açıklanan yaklaşımı kullanarak, 33 referanslı bir ArF lazer ışını 65 mJ'de / cm2, metanol kaynama noktasına benzer Si yüzeyi, yani., 65 ° C ile ilgili pik sıcaklığının indükler tahmin edilmektedir. Bu nedenle, daha fazla lazer akızamanları ile radyasyon kabarcık oluşumunu teşvik etmesi beklenmektedir. Buna uygun olarak 80 mJ / cm2 ve N> 200 darbe lazer akıcılığa tatmin edici özelliklerin Si örnekleri imal yapamamamızdı. Bunun aksine, ışık 30 mJ'de / cm2 1000 darbe irrad 78 ° CA ​​sadece zayıf bir artış gösterdiiated örnekler.

Şekil 6, ışınlanmamış olan metanol içinde daldırılmış siteler için Si 2p ve O 1s XPS spektrumlarını göstermektedir (Şekiller 6A ve 6B) ve 65 mJ / cm2 (Şekil 6C ve 6 D) en ArF lazer 500 darbeleri ile ışınlanmıştır. Işınlanmamış Alanı (Şekil 6A) arasında Si 2p spektrumunda zayıf bir özelliği, yaklaşık BE = 102.7 eV görülebilir. Bu özellik Si (OCH3) x bağ 34 kaynaklandığı bildirilmiştir. Bu bileşiğin atom konsantrasyonu nedeniyle nispeten küçük (60 °) take-off açı (TOF) biraz hafife% 0.7 olarak tahmin XPS verileri toplarken uygulanmıştır. Ancak, 60 ° TOF% 3,5 5 kat artarak ışınlanmış sitede (Şekil 6C), Si atom yüzdesi (OCH3) x bağ üzerinde. O 1s spektrumları (Şekil 6B 6 D), Si-O-CH3 zirve konsantrasyonu (sırasıyla,-ışınlanmamış ve ışınlanmış siteleri için% 2.5 1 olmuştur) = 532.6 eV BE olduğu görülebilir. 15,35,36 değinildiği gibi Si (OCH3), X, Si, hidrofobik bir yüzeyde oluşumu için sorumlu olduğu Si (OCH3) yüzey konsantrasyonu x ana görünmektedir artışını bildirilmiştir ArF gözlenen hidrofobik özellikleri nedeni Si örnekleri ışınlanmış. O 1s spektrumları, Si-OC ve CO yanı sıra, SiO x ve OH zirveleri vardır. BE de SiO x tepe artış = 531,5 ± 0,2 eV muhtemelen SiO x alt-oksitlere bağlanma CH 3 O (SiO, x + 1-CH3), 34 kaynaklanır. HF OH (burada gösterilmemiştir) varlığını göstermek vermedi Si örneği tedavi gibi, bu OH OH zirve fiziksel Si yüzeyine absorbe CH 3 olasılıkla olduğunu.


Si nabız sayısı vs Şekil 1. İletişim açısı (001) yüzey 250 mJ / DI cm 2 H 2 O ve farklı konsantrasyonlarda H at KrF lazer tarafından ışınlanmış 2 O 2 / H 2 O çözümleri (örneğin, 0.01, 0.02, 0.05 ve% 0.2). kontakt açısı değeri standart sapma (SD) 2.5 ° 'dir. Şekil 24 modifiye edilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 2,
KrF (Şekil 2A) ve ArF (Şekil 2B tarafından 2 O 2 / H 2% 0,01 H Ç çözüm dalmış ve ışınlanmış örneklerin darbe sayısı vs Şekil 2. İletişim açısı) Lazerler. Temas açısı değeri SD 2.2 ° olduğu bildirildi. Şekil 24 modifiye edilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Lazer ışınları (B) olmadan, yaklaşık 10 dakika boyunca% 0.01 H2O 2 / H2O çözeltisi maruz bırakılır ve KrF 500 darbeleri ile ışımaya taze HF (A) kazınmış Si yüzeyinin Şekil 3. O 1s XPS spektrumları, 250 mJ'de lazer / cm 2% 0,01 H 2 O 2 / H 2 O çözeltisi (C) maruz iken. Şekil 24 modifiye edilmiştir. Bu büyük halini görmek için tıklayınızrakam.

Şekil 4,
Fluoresein içeren bir çözeltiye maruz 250 mJ / cm2'de yapan ve ikinci olarak, yüzeyi üzerinde bir "akçaağaç yaprağı" maske çıkıntı yapan ve KrF lazer 400 darbeleri ile ışımaya önce bir numune, Şekil 4. Floresan mikroskopik görüntü, lekeli nanosferler (A). immobilize nanosferler (B) gösteren örnek ışınlanmamış kısmının bir fragmanının AFM görüntüsü. Şekil 24 modifiye edilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 5,
Si Şekil 5. İletişim açısı (001) numuneleri i metanol içinde mmersed ve 30 mJ / cm2 (▲), 65 mJ / cm2 (■) ve 80 mJ / cm2 (●) bir ArF lazerle ışınlandı. Hata çubukları, 3 bağımsız sitelerinin ölçümlerine dayanarak hesaplanır . 2.0 ° 'lik bir temas açısı değeri SD bildirildi. Şekil 23 ile modifiye edilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 6,
Şekil 6. Si 2p ve bir referans (ışınlanmamış) numunenin O 1s XPS spektrumları (A ve B) ve 65mJ / cm2 (C ve D), 500 darbeleri ile metanol içinde bir ArF lazerle ışınlandı örnek. Şekil 23 ile modifiye edilmiştir.reklam / 52720 / 52720fig6large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu yazıda Si-OH üretimine esas olan bir PE kaplama Si yüzey indükleme H2O 2 çözeltinin düşük konsantrasyonda dolu mikro-akışkan odası içinde silisyum UV lazer ışınlamasının bir protokol önermişlerdir. Radikalleri - H 2 O 2 UV, lazer fotoliz negatif yüklü OH oluşturmak gerekiyordu. Ayrıca, UV fotoelektrik etkisi, pozitif yüklü bir yüzey 37 oluşumuna yol açar. Bu nedenle, bu negatif bir OH etkileşimi - pozitif yüklü bir yüzeye sahip kökleri yüzeye Si-OH oluşmasına sebep olur. Si 15 ile reaksiyona - Yani, biz lazer darbe sayısını artırarak hidrofilikliğinin artırmak ve OH konsantrasyonunu artırabilir. H2O 2 termodinamik açıdan kararsız ve ayrışma describ olduğundan, ancak hidrofiliklik geliştirmek ya da işlem sırasında daha büyük bir puls numarasından azaltmak için kesildiSi yüzeye yakın bölgede aşırı oluşmuş O 2 sonuçlanır 2H → 2H 2 O + O 2 38 2 O 2 ile ed. Bu işlem potansiyel yüzeyi hidrofilikliğinin geliştirmek için SiO 2 oluşumuna neden olur, ancak, O üretilmesi 2 molekülleri ayrıca ışınlanmış yüzeyine yakın kabarcıklar oluşmasına neden olabilir. Önemli ölçüde 65 mJ / 320 mJ / cm2'de cm2 ve KrF lazere ArF lazer ile kabarcık oluşumunu artış, H2O 2 termal olarak tahrik edilen ayrışma artış ihtimali ile tutarlıdır. SiO2 kaplanmış Si için minimum CA olarak 45 ° civarındaki olduğu bilinmektedir, oluşum SiO2 Si CA artışı büyük darbe sayısı ile ışınlanan alan için gözlemlenen neden olabilir zenginleştirilmiş.

Ithalatın olduğu gibi lazer ışınlama ile uyarılan sıcaklığının hesaplanması da kritik bir yönüdürH Si oksidasyonu 2 O 2 / H 2 O çözeltisi ve artan ıslanabilirlik karınca. COMSOL hesaplamalar kullanılarak, yüzey tepe sıcaklıkları sırasıyla 250 ve 320 mJ KrF lazer ışını / cm2 ile ışınlanması 88 ve 95 ° C olduğu tahmin edilmiştir. Bu 65 mJ / cm2 'lik ArF lazer ışınıyla ışınlandı Kıyaslama olarak, yüzey doruk sıcaklığı, 40 ° C olduğu tahmin edilmektedir. Bu tepe sıcaklıkları 10 -5 s orijinal sıcaklığa düştü. KrF ve ArF lazerler 2 Hz (bu iletişimde incelenen bir durumda) bir yineleme hızında çalışmak iki ardışık darbe arasındaki ısı birikimi yoktur. Sıcaklık hesaplama sonuçlarına dayanarak, lazer parametreleri gelecek deneylerde optimize edilebilir.

Ayrıca la nedeniyle benzer microchamber, metanol çözeltisi içinde Si örnek ışınlanması hidrofobik Si yüzey indükleme ArF lazer kullanarak önerilenŞekiller 5 ve 6'da gösterildiği gibi ser, ışınlanmış bir yüzeye Si-O-CH3 oluşumunu uyarmıştır. Bu metanol buharı UV lazer ışığı (105-200 nm) neden olduğu ayırma tepkimesi ile tarif edilebilir bildirilmiştir: O + H 39 CH3 OH → CH3. Sıcaklık arttıkça, daha fazla CH 3 O Si yüzeyinde 40 adsorbe. Bu nedenle, daha düşük bir lazer akıcılığa de ışınlama yoluyla (örn.,, 30 mJ / cm2), herhangi bir sıcak metanol ve daha düşük sıcaklıklar, lazerin yolaçtığı nedeniyle belirgin bir ıslanabilirlik değişiklik yoktur. Ayrıca, metanol çözeltisi içinde numunenin KrF lazer ışını nedeniyle uzun dalga boyu ve alt kesit emme katsayısı önemli bir artış üretmektedir CA (<0.1x10 -20 / cm2) ArF lazerden daha (25 x10 -20 / cm2) 41. Metanol KrF lazerin emme katsayısı ArF kişilerce (61x10 -20 / C daha düşüktürm 2) ve H 2 civarında 103 ° ıslatılabilme 15 baskın olan CH 3 yüzey enerjisi ile ilgilidir CA O 2 42 hayranlarıyla doygunluk içinde KrF lazer (9x10 ebatındaki -20 / cm 2). Hidrofobisite yüksek yüzey enerjisi düşük. Düşük yüzey enerjisi (CF3) yüksek yüzey enerjisine sahip bir CH x bağ için, 110 ° 43 CA her zaman daha düşük ise, 120 ° en fazla CA olduğu bildirilmiştir.

Bu nedenle, lazer kaynaklı yüzey morfolojisi modifikasyonu olarak Si, lazer kaynaklı modifikasyon diğer iyi bilinen yöntemlerle karşılaştırıldığında, proses ve bu raporda tarif edilen adım basit hale gelir, bunlar yüksek maliyet ve yüksek güçlü lazer sistemlerine ihtiyaç vardır, fakat bunlar yok Si yüzey ıslatılabilirlik yerinde kontrolünde etkili olarak. Bu teknik yaygın mikro / nano Si bazlı biyosensör a için ıslanabilirlik değişiklik yaratmak seçici alana kullanılabilirGelecekte pplication. Ancak, lazer foton enerjisi ve CH x yüzey enerjisi ile sınırlı maksimum hidrofobisite (CA), özellikle UV lazer kaynaklı hidrofobiklik bu sınırlamaları, vardır. Özellikle N 2 kapta numune saklama içeren bu teknikler sırasında kritik adımlar ışınlama öncesi oksidasyonu önlemek ve lazer ışınlama, örneğin sırasında Si yüzeyinde kabarcıklar nesil kontrol etmek., Mikroakışkan kanal kullanılarak.

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

Mühendislik Sayı 105 Silikon yüzey ıslanabilirlik lazer yüzey etkileşimi seçici alan işleme excimer laser X-ışını fotoelektron spektroskopisi temas açısı
Sıvı Ortamda Darbeli UV Lazer Radyasyonla Silikon Yüzey Islanabilirliği Seçici Alan Değişikliği
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