Summary
Vi rapporterer om en proces med in situ ændring af HF behandlet Si (001) overflade i en hydrofil eller hydrofob tilstand ved at bestråle prøver i mikrofluide kamre fyldt med H 2 O 2 / H 2 O opløsning (0,01% -0,5%) eller methanol-løsninger hjælp pulserende UV-laser af en slægtning lav puls indflydelse.
Abstract
Befugteligheden af silicium (Si) er en af de vigtige parametre i teknologien af overfladevand funktionalisering af dette materiale og fremstilling af biosensorer enheder. Vi rapporterer om en protokol for at bruge KrF og ARF lasere bestråler Si (001) prøver nedsænket i en væske miljø med lavt antal impulser og arbejder ved moderat lav puls fluenser at fremkalde Si befugteligheden modifikation. Vafler nedsænket i op til 4 timer i en 0,01% H 2 O 2 / H2O-opløsning udviste ikke målelig ændring i deres første kontakt vinkel (CA) ~ 75 °. Men den 500-puls KrF og ARF lasere bestråling af sådanne skiver i et mikrokammer fyldt med 0,01% H 2 O 2 / H2O-opløsning ved 250 og 65 mJ / cm2, henholdsvis er faldet CA til nær 15 °, angiver dannelsen af en super-hydrofil overflade. Dannelsen af OH-termineret Si (001), uden målelig ændring i skivens overflade morfologi, harblevet bekræftet ved røntgen fotoelektronspektroskopi og atomic force mikroskopi målinger. Den selektive område bestrålede prøver blev derefter nedsænket i en biotin-konjugeret fluorescein-farvede nanosfærer opløsning i 2 timer, hvilket resulterer i en vellykket immobilisering af nanokuglerne i ikke-bestrålede område. Dette illustrerer potentialet for fremgangsmåden til selektiv område biofunctionalization og fremstilling af avancerede Si-baserede biosensorer arkitekturer. Vi beskriver også en lignende protokol bestråling af skiver nedsænket i methanol (CH3OH) ved hjælp ArF laser, som fungerer på pulsen fluens på 65 mJ / cm2 og in situ dannelse af en stærkt hydrofob overflade af Si (001) med CA 103 °. XPS resultater indikerer ArF laser induceret dannelse af Si- (OCH3) x forbindelser er ansvarlig for den observerede hydrofobicitet. Der blev imidlertid ikke sådanne forbindelser findes ved XPS på Si overflade bestrålet med KrF-laser i methanol, hvilket visermanglende evne til KrF laser til photodissociate methanol og skabe -OCH3 radikaler.
Introduction
De bemærkelsesværdige elektroniske og kemiske egenskaber samt dens høj mekanisk styrke har gjort silicium (Si) et ideelt valg for mikroelektroniske anordninger og biomedicinske chips 1. Selektiv område kontrol af Si overfladen har fået betydelig opmærksomhed til applikationer, der involverer mikrofluide og lab-on-chip-enheder 2,3 .Dette er ofte opnås enten ved nanoskala modifikation af overfladen ruhed eller ved kemisk behandling af overfladen 4. Overfladen ru eller mønster til at producere uordnede eller ordnede overfladestrukturer på Si overfladen omfatter fotolitografi 5, ionstråler litografi 6 og laser teknikker 7. Sammenlignet med disse metoder, er laser overfladestruktur processen rapporteret at være mindre kompliceret med potentiale til at producere mikrostrukturer med høj rumlig opløsning 8. Men som Si har en forhøjet teksturering tærskelværdi, kræver bestråling med puls indflydelse påfremkalde overflade teksturering, der overstiger dens ablation tærskel (~ 500 mJ / cm2) 9, har teksturering af Si overfladen ofte blevet bistået af ansætte reaktive gasatmosfærer, såsom at et højt tryk SF 6 miljø 4,7,8. Derfor at ændre befugteligheden af Si overfladen, har mange værker fokuseret på kemisk behandling ved at deponere organiske 10 og uorganiske film 2, eller ved hjælp af plasma eller elektronstråle overfladebehandling 11,12. Det erkendes, at hydrofiliciteten af Si, der hidrører fra tilstedeværelsen af ental og associerede OH-grupper på sin overflade kan opnås ved kogning i en H2O 2-opløsning ved 100 ° C i flere minutter 13. Men de hydrofobe Si overfladetilstande, hvoraf de fleste er på grund af tilstedeværelsen af Si-H eller Si-O-CH 3 grupper, kunne opnås ved vådkemisk håndtering involverer ætsning med HF syreopløsning eller coating med fotoresist 13-15. For at opnå selektiv område kontrol over befugtningsevne Si, er komplekse mønsterdannende trin normalt kræves, herunder behandling i kemiske løsninger 16. Den høje kemiske reaktivitet UV laserstråling er også blevet anvendt til selektiv område proces organiske filmcoatede faste substrater og ændre deres befugtelighed 17. Men en begrænset mængde data er tilgængelig på laser-assisteret modifikation af Si befugtningsevne ved bestråling af prøver nedsænket i forskellige kemiske opløsninger.
I vores tidligere forskning, blev UV laser bestråling af III-V halvledere i luft 18-20 og NH3 21 held anvendt til at ændre overfladen kemiske sammensætning af GaAs, InGaAs og InP. Vi konstaterede, at UV laser bestråling af III-V halvledere i deioniseret vand (DI) falder overfladeoxider og carbider, mens vandet adsorberet på halvlederoverfladen øger 22. En stærkt hydrofob Si overflade (CA ~ 103 °) blev opnået ved ArF laserbestråling af Si prøver i methanol i vores nylige arbejde 23. Som angivet ved X-fotoelektronspektroskopi (XPS), dette skyldes primært evne ARF laser til photodissociate CH3OH. Vi har også brugt KrF og ARF lasere til at bestråle Si (001) i en 0,01% H 2 O 2 i DI vand. Dette tillod os at opnå selektiv område dannelsen af super-hydrofil overflade Si (001), kendetegnet ved CA i nærheden af 15 °. XPS resultater tyder på, at dette skyldes dannelsen af Si-OH bindinger på den bestrålede overflade 24.
En detaljeret beskrivelse af denne nye teknik ved hjælp KrF og ARF lasere til selektiv område situ modifikation af den hydrofile / hydrofobe overflade Si overflade i lav koncentration af H 2 O 2 / H2O og methanolopløsninger er påvist i denne artikel. De oplysninger, der her bør være tilstrækkeligat tillade lignende forsøg, der skal udføres af interesserede forskere.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Prøvefremstilling
- Brug en diamode skrift til at spalte et n-type (P-doteret) ensidigt poleret Si wafer (resistivitet 3.1 ~ 4.8 Ω.m), som er 3 tommer i diameter, 380 um tyk, i prøver af 12 mm x 6 mm; Rengør prøverne i OptiClear, acetone og isopropylalkohol (5 min for hvert trin).
- Etch prøver i en ~ 0,9% HF opløsningen i 1 min at ætse væk oprindelige oxid; skylles i demineraliseret vand og tørres i høj renhed (99,999%) nitrogen (N2).
- Opbevar forberedt prøver i N2 pose til at dæmme op for deres oxidation i luften.
2. bestråle prøver ved ArF (λ = 193 nm) og KrF (λ = 248 nm) lasere.
- Anbring prøverne i en 0,74 mm høj kammer og derefter forsegle kammeret med en smeltet silica vindue, der har høj transmission i UV (≥90%). Fylde kammeret med H 2 O 2 / H2O-opløsning i intervallet 0,01-0,2% eller med afgasset Methanol ved hjælp af en mikrofluid kanal.
- Bestråle prøver med homogeniserede ARF eller KrF lasere ved demagnification på 2,6 og 1,8 hhv. Bestråle kun 2 steder på hver prøve ved at øge laserimpulser 100-600 i trin på 100 impulser gennem en cirkulær maske (4 mm i diameter). Bestråle prøverne på samme måde med en "ahorn blad" (9 mm x 7,2 mm) maske.
- Skyl prøver i DI vand, tør med N 2 flush; placere prøverne i en forseglet beholder, derefter hurtigt fylde denne beholder med N2, med henblik på at undgå udsættelse for luft før yderligere forsøg.
3. Immobilisering af Bio-konjugerede Nanospheres
- Fortynd nanosfærer 40-nm-diameter biotinkonjugeret og fluorescein farves i en pH 7,4 phosphatpufret saltvand (PBS, 1 x) opløsning til 10 12 partikler / ml ved stuetemperatur (~ 25 ° C). Fordyb ARF eller KrF laser bestrålede prøver til 2 &# 160; HR i denne opløsning ved stuetemperatur.
- Vask prøver med PBS for at fjerne fysisk bundne fluorescein- farvede nanosfærer på overfladen.
4. Overflade Karakterisering
- Kontaktvinkel (CA) måling
- Udfør statisk CA målinger med en vinkelmåler i et miljø med RT og luftfugtighed.
- Ansæt høj renhed DI vand (resistivitet 17.95 MOhm · cm) i en mikro-sprøjte; generere tilsvarende volumen (~ 5 pi) dråber på prøveoverfladen ved at sænke mikro-sprøjte til en tilsvarende højde for hvert sæt målinger.
- Optag og gem vanddråber profil billeder ved CCD-kamera med software. Mål uafhængigt 4 forskellige steder med samme bestråling betingelser.
- Skøn og gennemsnittet af CA værdier i drop analyse modul fra ImageJ software; indlæse billedet og ændre det til gråtoner; lancere plugin Dropsnake; placere omkring et par knuder på drop kontur (~ 10 knob) fra venstre tilret til at initialisere slange; acceptere kurven forbinder disse knuder og udvikle kurven ved at trykke slange knappen. Bemærk: kontaktvinkler vises i billedet og tabellen.
- XPS måling
- Undersøg overfladen kemisk modifikation med en XPS spektrometer (1x10 -9 Torr basen tryk) udstyret med en Al Ka kilde arbejder på 150 W:
- Indlæs prøverne ind i vakuumkammeret.
- Erhverve overfladen undersøgelsens data i faste energi transportformer 50 eV pass energi fra et område på 220 um x 220 um.
- Anskaf høj opløsning scanner data fra det samme analyserede område ved 20 eV passere energi.
- Proces XPS-spektre data med XPS-spektre kvantificering software, der henvises 25,26.
- Undersøg overfladen kemisk modifikation med en XPS spektrometer (1x10 -9 Torr basen tryk) udstyret med en Al Ka kilde arbejder på 150 W:
- Fluorescensmikroskop imaging
- Excite prøver, som blev bestrålet igennem "ahorn blade" maske og udsat for fluorescein farvede nanosfærer, hjælpen blå lyskilde (λ = 450 ~ 490 nm).
- Overhold fluorescerende billeder, der udsender ved 515 nm, med en fluorescens omvendt mikroskop i forstørrelse på 4X.
- Karakterisere overfladen morfologi af disse prøver med AFM, der henvises 27.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Disse repræsentative resultater er blevet præsenteret i vores tidligere offentliggjorte arbejde 23,24. Figur 1 viser CA vs N (antal impulser) på websteder bestrålet med KrF-laser ved 250 mJ / cm2 i DI H2O for forskellige koncentrationer af H 2 O 2 / H2O opløsninger (f.eks., 0,01, 0,02, 0,05 og 0,2%). CA falder med stigende pulsantal for alle H 2 O 2 løsninger. Den mindste CA (~ 15 ° C) i 0,02 og 0,01% H2O 2 opløsninger opnås ved 500 impulser. En lidt større CA er blevet observeret for 0,05 og 0,2% H 2 O 2 løsninger på større pulstal (N≥500). Samtidig er det konstateret, at CA i prøven uden bestråling (N = 0) faldt med 32 ° fra 75 ° som H 2 O 2 koncentration steg fra 0,02 til 0,2%. Disse resultater, der er erhvervet efter gennemsnitligt 10 min udsættelse for H2 2 løsninger, sandsynligvis repræsenterer CA mætningsværdier opnåelige ved respektive H 2 O 2 koncentrationer. Det er imidlertid vigtigt at bemærke, at eksponeringen af prøver til 0,01% H 2 O 2 opløsning i op til 4 timer ikke har resulteret i en målbar ændring af CA karakteriserer den oprindelige overflade.
Figur 2 illustrerer CA vs. pulsantal for lokaliteterne efter KrF (figur 2A) og ArF (figur 2B) laserbestråling i en 0,01% H 2 O 2 / H2O-opløsning. Figur 2a viser, at CA aftager kontinuerligt med impulstallet op til 600 pulser af KrF på 183 mJ / cm2. Lignende resultater blev fundet på prøver bestrålet med ArF laser ved 44 mJ / cm2, som vist i figur 2B. Når de steder blev bestrålet med KrF-laser med 300 pulser ved 320 mJ / cm2 og 500 pulser ved 250 mJ / cm
Figur 3 viser O 1s XPS spektre af Si overfladen frisk ætset af HF (figur 3A), udsat for 0,01% H 2 O 2 / H2O-opløsning i ca. 10 min uden laserbestråling ((figur 3B), og eksponeret for 0,01% H 2 O 2 / H2O-opløsning og 500-puls KrF-laser bestråling ved 250 mJ / cm2 (figur 3C). De toppe ved 531,8 ± 0,1, 532,6 ± 0,1 og 533,7 ± 0,1 eV blev tildelt SiO x, SiO2 og SiOH henholdsvis 28,29. Figur 3B viser, at eksponering for en HF løsning har fjernet det meste af SiO2 og SiO x fra overfladen. Mængderne af SiO2 & #160; og SiOH på sitet bestrålet med KrF-laser er større (figur 3C) end dem på den ikke-bestrålede (figur 3B). Si overflader belagt med SiO2 var altid rapporteret at have minimum CA værdier på 45 ° -55 °, der henvises 11, afhængigt af O / Si-forholdet. Imidlertid dækkede en super-hydrofil SiOH monolag Si overfladen blev rapporteret med et minimum CA på 13 °, som refereres 30. Således CA = 14 ° opnået med 500 pulser skyldes hovedsagelig øget koncentration af SiOH overflade. Vi har også observeret, at SiOH / SiO2-forholdet steg fra 0,10 (100-puls bestråling, data ikke vist) til 0,17 for 500-impuls bestrålet site. De punkterede linier i spektrene repræsenterer carbon (C) adsorbaterne på overfladen. Mængderne af disse adsorbater bestemmes afhængigt af faste forhold mellem O / C CO, C = O og OC = O-bindinger i C 1s spektre 31. Vi har fundet, at der er mereC på ikke bestrålet overflade udsættes for H 2 O 2 / H2O løsning, end på prøven frisk ætset med HF syre. Figur 3C viser, at mængderne af C-absorbates faldt med puls nummer på grund af excimerlaser rengøring effekt 9. Da C absorbates på overfladen blev rapporteret at øge hydrofobiciteten af Si 15, laser induceret fjernelse af C adsorbater forbedrer også den hydrofile karakter af overfladen.
Figur 4A viser et fluorescens-mikroskopisk billede af Si overfladen selektivt coatet med fluorescein farvede nanosfærer. Prøven blev først bestrålet i en H 2 O 2 / H2O-opløsning (0,01%) ved at projicere "ahorn blad" maske med KrF-laser leverer 400 pulser ved 250 mJ / cm2. Koncentration af nanokugler høj overflade findes på den ikke-bestrålede del af prøven. Resultatet viser GERn af en laser-induceret zone af en stærkt hydrofilt materiale, der forhindrer binding af nanokuglerne. Tilstedeværelsen af nogle nanospheres observeret i denne zone kunne relateres til overfladen defekten induceret oxidation af Si og heraf følgende reduktion i sin hydrofilicitet. Figur 4B viser en AFM billede af et fragment af det ikke-bestrålede overflade tæt dækket med immobiliserede nanosfærer.
Figur 5 viser CA målt for Si prøver, der blev nedsænket i methanol og bestrålet med ARF laser ved 30, 65 og 80 mJ / cm2. Det kan ses, at CA af prøven bestrålet med 800 pulser ved 65 mJ / cm2 steg fra sin oprindelige værdi på 75 ° til 103 °, og det er sammenlignelig med den CA for 1000-impuls bestrålet prøve. Dette antyder, at laserbaseret kemisk ændring af overfladen Si mætter på disse laser fluenser. Mere intense dynamik CA increaSE er blevet iagttaget for 80 mJ / cm2 og lavt antal laserpulser (N <200), som angivet ved den fulde cirkel symboler. Men dannelsen af bobler på prøver bestrålet med N> 200 pulser, og en beslægtet ukontrolleret ændring af prøvens overflade morfologi forhindret, os i at indsamle pålidelige data under sådanne forhold. Ved anvendelse af en fremgangsmåde beskrevet andetsteds 22,32, anslås det, at en ArF laser bestråling ved 65 mJ / cm2 inducerer spidstemperatur på overfladen af Si sammenlignes med methanol kogepunkt, dvs.., 65 ° C, som der henvises til 33. Således forventes bestråling med større laser fluenser til at inducere dannelse af bobler. I overensstemmelse med dette var vores manglende evne til at fremstille Si prøver af tilfredsstillende egenskaber med laserfluensen på 80 mJ / cm2 og N> 200 pulser. I modsætning hertil bestråling ved 30 mJ / cm2 viste kun en svag stigning i CA til 78 ° for 1000-impuls irradiated prøver.
Figur 6 viser XPS-spektre for Si 2p og O 1s for sites nedsænket i methanol, der var ikke-bestrålede (figur 6A og 6B) og bestrålet med 500 pulser af ARF laser ved 65 mJ / cm2 (figur 6C og 6D). En svag funktion i Si 2p spektret af det ikke-bestrålede (figur 6A) kan ses omkring BE = 102,7 eV. Denne funktion er blevet rapporteret at stamme fra Si- (OCH 3) x obligation 34. Den atomare koncentration af dette stof er blevet anslået til 0,7%, hvilket er lidt undervurderet på grund af den relativt lille (60 °) take-off vinkel (TOF) anvendt samtidig med at indsamle XPS data. Men på den bestrålede (figur 6C), atomprocentdelen af Si- (OCH3) x binding steg med 5 gange til 3,5% ved TOF på 60 °. I O-1s spektre (figur 6B 6D), kan det ses, at koncentrationen af Si-O-CH3 top (BE = 532,6 eV) steg fra 1 til 2,5% for de ikke-bestrålede og bestrålede steder, henholdsvis. Som Si- (OCH3) x er blevet rapporteret at være ansvarlig for dannelsen af en hydrofob overflade Si, der henvises 15,35,36, forøgelse af koncentrationen overflade Si- (OCH3) x synes at være den vigtigste Grunden til de observerede hydrofobe karakteristika ARF bestrålet Si prøver. I O 1s spektre, udover Si-OC og CO, der er SiO x og OH-toppe. Forøgelsen af SiO x top ved BE = 531,5 ± 0,2 eV er eventuelt forårsaget af CH3 O binding til SiO x suboxider (SiO x + 1-CH3) 34. Som HF behandlet Si prøve udviste ikke tilstedeværelsen af OH (ikke vist her), dette OH-spidsen er muligvis fra CH3OH fysisk absorberet til overfladen Si.
Figur 1. Kontakt vinkel vs. puls nummer på Si (001) overflade bestrålet med KrF-laser ved 250 mJ / cm2 i DI H2O og forskellige koncentrationer H 2 O 2 / H2O løsninger (f.eks, 0,01, 0,02, 0,05 og 0,2%). Kontaktvinklen værdi standardafvigelse (SD) er 2,5 °. Tallet har været ændret siden 24. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Kontakt vinkel vs. puls antal prøver nedsænket i 0,01% H 2 O 2 / H2O-opløsning og bestrålet med KrF (figur 2A) og ArF (figur 2B) Lasere. SD kontakt vinkel værdi blev rapporteret til at være 2,2 °. Tallet har været ændret siden 24. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. O 1s XPS spektre af Si overflade frisk ætset i HF (A), udsættes for 0,01% H 2 O 2 / H2O-opløsning i ca. 10 min uden laserbestråling (B), og bestrålet med 500 pulser af KrF laser ved 250 mJ / cm2, mens de udsættes for 0,01% H 2 O 2 / H2O opløsning (C). er Tallet er ændret fra 24. Klik her for at se en større version af dennefigur.
Figur 4. Fluorescens mikroskopisk billede af en prøve, der var det første, bestrålet med 400 pulser af en KrF laser, som fungerer ved 250 mJ / cm2 og projicere et "ahorn blad" maske på overfladen, dels udsat for en opløsning af fluorescein farvede nanosfærer (A). AFM billede af et fragment af den ikke-bestrålede del af prøven viser immobiliserede nanosfærer (B). Tallet har været ændret siden 24. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. Kontakt vinkel af Si (001) prøver I mmersed i methanol og bestråles med en ArF laser ved 30 mJ / cm2 (▲), 65 mJ / cm2 (■) og 80 mJ / cm2 (●). er Fejlsøjlerne beregnet på baggrund af målinger af 3 uafhængige sites . En kontakt vinkel værdi SD på 2,0 ° blev rapporteret. Tallet har været ændret siden 23. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. Si 2p og O 1S XPS spektre af en reference (ikke bestrålet) prøve (A og B), og en prøve bestråles med en laser ArF i methanol med 500 pulser af på 65mJ / cm2 (C og D). Tallet har været ændret siden 23.annonce / 52720 / 52720fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har foreslået en protokol af UV laser bestråling af Si wafer i en mikrofluid kammer fyldt med lav koncentration af H 2 O 2-opløsning for at fremkalde en super-hydrofil Si overflade, som hovedsagelig skyldes dannelsen af Si-OH. UV-laser fotolyse af H 2 O 2 skulle danne negativt ladede OH - radikaler. Også, UV laser fotoelektriske effekt fører til dannelse af en positivt ladet overflade 37. Derfor er interaktion af disse negative OH - grupper med en positivt ladet overflade fører til dannelsen af Si-OH på overfladen. Så kan vi øge hydrofilicitet ved at øge laser pulse antal og øge koncentrationen af OH - reagerer med Si 15. Ophørte imidlertid hydrofilitet at øge eller endda falde på større puls nummer under processen, fordi H 2 O 2 er termodynamisk ustabilt, og dens nedbrydning er described ved 2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 38, hvilket resulterer i overdrevent dannet O 2 i den nærmeste fladeområde Si. Selv om denne procedure, der kan føre til dannelsen af SiO2 at forbedre overfladehydrofilicitet, dannelsen af O 2 molekyler kan også være årsag til dannelsen bobler nær bestrålede overflade. Signifikant øget boble dannelse ved ArF laser ved 65 mJ / cm2 og KrF-laser ved 320 mJ / cm2, er i overensstemmelse med den øgede mulighed for termisk drevne nedbrydning af H 2 O 2. Som minimum CA for SiO2 belagt Si er kendt for at være nær 45 °, dannelsen SiO2 beriget Si kunne medføre en forøgelse af CA observeret for de steder, der er bestrålet med en stor impuls nummer.
Beregningen af temperaturen induceret af laserbestråling er også et kritisk aspekt, som det er important til oxidation af Si i H 2 O 2 / H2O-opløsning og den øgede befugtelighed. Brug af COMSOL beregninger blev overfladen spidstemperaturer skønnes at være 88 og 95 ° C, når de bestråles med KrF-laser puls på 250 og 320 mJ / cm2, henholdsvis. Til sammenligning er overfladen toptemperatur anslås til 40 ° C, da den blev bestrålet med ArF laserimpuls på 65 mJ / cm2. Disse peak temperaturer faldt til den oprindelige temperatur i 10 -5 s. Der er ingen varme akkumulering mellem to på hinanden følgende impulser, når KrF og ARF lasere opererer på en gentagelse på 2 Hz (en sag undersøgt i denne meddelelse). Baseret på de beregnede resultater temperatur, kan laserparametre optimeres i fremtidige forsøg.
Vi foreslog også anvendelse af ArF laser til at inducere hydrofob Si overfladen ved bestråling Si prøve i methanolopløsning i en lignende mikrokammer, hvilket skyldes laSer induceret dannelse af Si-O-CH3 på bestrålede overflade, som vist i figur 5 og 6. Det er blevet rapporteret, at UV laserlys (105-200 nm) dissociation methanol damp kan beskrives ved omsætning: CH3OH → CH3 O + H 39. Jo højere temperaturen er, desto mere CH3 O adsorberer på Si overflade 40. Således ved bestråling ved lavere laserfluensen (f.eks., 30 mJ / cm2), er der ingen methanol kogning og ingen indlysende befugtelighed ændring som følge af laserinduceret lavere temperatur. Også den KrF laserbestråling af prøven i methanol opløsning frembringer ingen signifikant CA tilvækst på grund af dens længere bølgelængde og nedre tværsnit absorptionskoefficient (<0.1x10 -20 / cm2) end ArF laser (25 x10 -20 / cm2) 41. Absorptionskoefficienten for KrF-laser i methanol er også langt lavere end ArF (61x10 -20 / Cm 2) og KrF-laser (9x10 -20 / cm2) i H 2 O 2 42 .Den mætning af CA omkring 103 ° er relateret til CH3 overfladeenergi, som er dominerende for befugtningsevne 15. Jo lavere overfladeenergi, jo højere hydrofobicitet. Den laveste overfladeenergi (CF3) blev rapporteret at have den maksimale CA på 120 °, mens den for CH x binding med højere overfladeenergi, CA på 110 ° 43 er altid lavere.
Derfor sammenlignet med andre kendte fremgangsmåder til laserinduceret modifikation af Si, såsom laser-induceret overflademorfologi modifikation processen og der er beskrevet i denne rapport, er enklere, behøver de ikke en høj pris og høj effekt lasersystemer, men er effektive i in situ styring af Si overfladebefugtelighed. Denne teknik kan i vid udstrækning anvendes til selektiv område inducerer ændring af befugtelighed for mikro / nano Si baseret biosensor ennvendelsen i fremtiden. Der er dog begrænsninger i denne teknik, især for UV laserinduceret hydrofobicitet, såsom maksimal hydrofobicitet (CA) er begrænset af laseren fotonenergi og CH x overfladeenergi. De kritiske trin i denne teknik omfatter primært opbevaring af prøven i N2 beholder for at undgå oxidation inden bestrålingen og styring af bobler generation på Si overfladen under laserbestråling, f.eks. Ved hjælp af mikrofluid 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).
