Waiting
Login processing...

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

Engineering

Gjengivelse av SiO2/Si Overflater Omniphobic ved carving gass-entrapping mikroteksturer bestående av reentrant og doubly reentrant cavities eller søyler

Published: February 11, 2020 doi: 10.3791/60403
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 2, 1
1Water Desalination and Reuse Center (WDRC), Biological and Environmental Science and Engineering (BESE) Division, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), 2Core Labs, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)

Summary

Dette arbeidet presenterer mikrofabrikasjonsprotokoller for å oppnå hulrom og søyler med reentrant og dobbelt reentrant profiler på SiO2/ Si wafers ved hjelp av fotolitografi og tørr etsing. Resulterende mikroteksturerte overflater viser bemerkelsesverdig flytende avstøting, preget av robust langsiktig entrapment av luft under fuktevæsker, til tross for den iboende våtheten av silika.

Abstract

Vi presenterer mikrofabrikasjonsprotokoller for gjengivelse av iboende fukting av materialer til væsker (omnifobe) ved å lage gass-entrapping mikroteksturer (GEMs) på dem bestående av hulrom og søyler med reentrant og dobbelt reentrant funksjoner. Spesielt bruker vi SiO2/Si som modellsystem og deler protokoller for todimensjonal (2D) designing, fotolitografi, isotropiske/anisotropiske etsingteknikker, termisk oksidvekst, piranharengjøring og lagring mot å oppnå disse mikroteksturene. Selv om den konvensjonelle visdom indikerer at roughening iboende fukteoverflater (θo < 90°) gjør dem enda mer fukting(θr < θo < 90°), GEMs demonstrere flytende avstøtende til tross for iboende fuktbarhet av substratet. For eksempel, til tross for den iboende våtheten av silika θo ‰ 40° for vann/luftsystem, og θo ‰ 20° for sekskant/luftsystem, gems bestående av hulrom entrap luft robust på nedsenking i disse væskene, og de tilsynelatende kontaktvinkler for dråpene er θr > 90°. De reentrant og dobbelt reentrant funksjoner i GEMs stabilisere den inntrengende flytende menisken dermed fange væske-solid-damp system i metastabile luftfylte tilstander (Cassie stater) og forsinke fukte overganger til termodynamisk stabil fullfylt tilstand (Wenzel tilstand) ved for eksempel timer til måneder. På samme måte viser SiO2/Si overflater med arrayer av reentrant og dobbelt reentrant mikropillærer ekstremt høye kontaktvinkler(θr ‰ 150 °–160°) og lav kontaktvinkel hysterese for sondevæskene, og dermed karakterisert som superomnifobe. Men på nedsenking i de samme væskene, mister disse overflatene dramatisk sin overomniofbiitet og blir fullt fylt innenfor <1 s. For å løse denne utfordringen presenterer vi protokoller for hybriddesign som består av matriser av dobbelt reentrant søyler omgitt av vegger med dobbelt reentrant profiler. Faktisk, hybrid mikroteksturer entrap luft på nedsenking i sonde væsker. For å oppsummere, bør protokollene som er beskrevet her, muliggjøre undersøkelse av GEMer i sammenheng med å oppnå omniphobicity uten kjemiske belegg, for eksempel perfluorkarboner, som kan låse opp omfanget av billige vanlige materialer for applikasjoner som omnifobe materialer. Silika mikroteksturer kan også tjene som maler for myke materialer.

Introduction

Faste overflater som viser tilsynelatende kontaktvinkler, θr > 90° for polare og ikke-polare væsker, som vann og sekskant, kalles omnifobe1. Disse overflatene tjener mange praktiske bruksområder, inkludert vannavsalting2,3,oljevannseparasjon4,5,antibiofouling6,og redusere hydrodynamisk dra7. Vanligvis krever omniphobicity perfluorerte kjemikalier og tilfeldige tomografier8,9,10,11,12. Imidlertid utgjør kostnaden, ikke-biologisk nedbrytbarhet og sårbarhet av disse materialene / beleggene et mylder av begrensninger, for eksempel perfluorerte avsaltingsmembraner som forringes etter hvert som fôrsidetemperaturene heves, noe som fører til porefukting13,14og perfluorerte/hydrokarbonbelegg blir også abraded15,16 og degradert av siltpartikler i strømningsstrømmene og rengjøringsprotokollene. Dermed er det behov for alternative strategier for å oppnå funksjonene til perfluorerte belegg (dvs. fange luft på nedsenking i væsker uten å bruke vannavstøtende belegg). Derfor har forskere foreslått overflatetopografier bestående av overhengende (reentrant) funksjoner som kan fange luft på nedsenking ved mikrotexturing alene17,18,19,20,21,22,23,24,25. Disse mikroteksturer kommer i tre typer: hulrom26, søyler27,og fibrøse matter8. Deretter vil vi referere til reentrant funksjoner med enkle overheng som reentrant (Figur 1A-B og figur 1E-F) og reentrant funksjoner med overheng som gjør en 90 ° sving mot basen som dobbelt reentrant (figur 1C-D og figur 1G-H).

I sitt banebrytende arbeid, Werner et al.22,28,29,30,31 preget cutikler av springtails (Collembola), jord-bolig leddyr, og forklarte betydningen av sopp-formet (reentrant) funksjoner i sammenheng med fukting. Andre har også undersøkt rollen som soppformede hår i sjøløpere32,33 mot å legge til rette for ekstrem vannavstøting. Werner og kolleger demonstrerte omniphobicity av iboende fukte polymere overflater ved carving biomimetiske strukturer gjennom omvendt avtrykk litografi29. Liu og Kim rapporterte på silikaoverflater utsmykket med arrayer av dobbelt reentrant søyler som kunne avvise dråper væsker med overflatespenninger så lavt som γLV = 10 mN / m, preget av tilsynelatende kontaktvinkler, θr ‰ 150 ° og ekstremt lav kontaktvinkel hysterese27. Inspirert av disse fantastiske utviklingene fulgte vi Liu og Kims oppskrifter for å reprodusere sine resultater. Vi oppdaget imidlertid at disse mikroteksturene ville katastrofalt miste sin superomniofbicity, det vil si θr → 0°, hvis fukting av væskedråper rørte kanten av mikroteksturen eller hvis det var lokalisert fysisk skade34. Disse funnene viste at søylebaserte mikroteksturer var uegnet for applikasjoner som krevde omniphobicity på nedsenking, og de stilte også spørsmål ved kriteriene for å vurdere omniphobicity (dvs. bør de være begrenset til å kontakte vinkler alene, eller hvis det er behov for flere kriterier).

Som svar, ved hjelp av SiO2/Si wafers, vi utarbeidet arrays av mikroskala hulrom med dobbelt reentrant inlets og, og ved hjelp av vann og sekskant som den representative polare og ikke-polare væsker, vi demonstrerte at (i) disse mikroteksturer hindre væsker fra å komme inn i dem ved å fange luft, og (ii) compartmentalized arkitektur av hulrom hindrer tap av fanget luft av lokale defekter34. Dermed har vi kalt disse mikroteksturene som "gass-entrapping mikroteksturer" (GEMs). Som neste trinn mikrofabrikkerte vi GEMs med varierende former (sirkulære, firkantede, sekskantede) og profiler (enkel, reentrant og dobbelt reentrant) for systematisk å sammenligne ytelsen under nedsenking i fukting av væsker26. Vi opprettet også en hybrid mikrotekstur bestående av matriser av dobbelt reentrant søyler omgitt av vegger med dobbelt reentrant profiler, som hindret væsker fra å berøre stilkene av søylene og robust fanget luft på nedsenking35. Nedenfor presenterer vi detaljerte protokoller for produksjon av GEMer på SiO2/Si overflater gjennom fotolitografi og etsing teknikker sammen med designparametere. Vi presenterer også representative resultater av å karakterisere deres fukting ved kontaktvinkel goniometry (fremme / receding / as-placed vinkler) og nedsenking i sekskant og vann.

Protocol

MERK: Matriser av reentrant og dobbelt reentrant hulrom og søyler ble mikrofabrikkert ved å tilpasse multistep protokollen for søyler rapportert av Liu og Kim27. Forholdsregler ble tatt for å minimere dannelsen av pinrester eller partikler på overflatene våre som kunne forstyrre fuktende overganger36.

MIKROFABRIKASJON AV HULROM
Generelt består protokollene for mikrofabrikasjon av reentrant og dobbelt reentrant hulrom (RCer og DRCs) av todimensjonal layout designing, photolithography, generell silika etsning, og spesifikk silisium etsning, avhengig av den endelige funksjonen som kreves37,38,39,40,41.

1. Design

  1. Start mikrofabrikasjonsprosessen ved å utforme det nødvendige mønsteret i en layoutprogramvare42. Et eksempel på en slik programvare er oppført i materiallisten.
  2. Ved hjelp av programvaren, opprett en ny fil. Tegn en enhetscelle bestående av en sirkel av diameter, D = 200 μm. Kopier og lim inn denne sirkelen med en midt-til-senter avstand (tonehøyde) av L = 212 μm for å lage en rekke sirkler i en firkantet av området 1 cm2 (Figur 2).
  3. Tegn en sirkel av diameter 100 mm (4 inches). Plasser 1 cm2 kvadratmatrisen inne i sirkelen, og repliker den for å opprette et 4 x 4 rutenett med firkantede matriser. Funksjoner inne i sirkelen vil bli overført til 4-tommers wafers (Figur 2).
  4. Eksporter designfilen til ønsket format for maskeskrivingssystemet (f.eks. GDSII-format).

2. Rengjøring av Wafers

  1. Rengjør en silisium wafer 4 inches i diameter, <100> orientering, og med en 2,4 μm tykk termisk oksid lag (se materiallisten),i piranha løsning for 10 min. Piranha løsning består svovelsyre (H2SO4, 96%): hydrogenperoksid (H2O2, 30%) i et 3:1 volumetrisk forhold og vedlikeholdt ved T = 388 K.
  2. Skyll waferen med deionisert vann og tørk under nitrogen (N2) miljø.

3. Fotolitografi

  1. Coat wafer med hexamethyldisilazane (HMDS) ved hjelp av dampfase deponering for å forbedre vedhemsning med photoresist. Se tabell 1 for prosessdetaljene.
  2. Monter waferen på en 4-tommers vakuumchuck i spincoateren. Dekk wafer med AZ-5214E photoresist. Bruk spincoateren til å spre fotoresistens jevnt på overflaten som et 1,6 μm tykt lag. Se tabell 2 for spin-beleggparametere.
  3. Stek den fotoresistbelagte waferen på en kokeplate som vedlikeholdes ved 110 °C i 120 s.
  4. Overfør wafer til et direkteskrivende system og utsett wafer en UV-stråling for 55 ms (defokus: +5). Dette trinnet overfører ønsket design på AZ-5214E (brukes i positiv tone; se Materiallist) (Figur 2).
  5. Plasser UV-eksponert wafer i et glass Petri parabolen som inneholder AZ-726 utvikleren for 60 s for funksjonene å utvikle. Se Materialliste for mer informasjon.
  6. Fjern wafer fra utvikleren løsning og skyll med deionisert (DI) vann forsiktig for å fjerne overflødig utvikler. Tørk waferen i et N 2-miljø. Disse trinnene presenteres i figur 3A–C.

MERK: På slutten av dette trinnet kan designmønstre på wafer ses under et standard optisk mikroskop.

4. Anisotropisk etsning av Silika (SiO2) Lag

MERK: Målet med dette trinnet er å fullstendig etse bort silikalaget (2,4 μm tykke) som ble utsatt under fotoliitografi for å eksponere silisiumlaget under.

  1. Etter fotolitografi, overføre wafer til en induktivt koblet plasma (ICP) reaktiv-ion etsing (RIE) system som benytter en blanding av oktafluorocyclobutan (C4F 8) og oksygen (O2) gasser for å etse silika vertikalt nedover (anisotropisk etsing).
  2. Kjør ICP-RIE-prosessen i ca. 13 min for å etse det eksponerte silikalaget. Se ICP-RIE-parameterne i tabell 3. I løpet av dette trinnet blir fotoresistlaget også helt etset bort (Figur 3C–D).
  3. For å sikre at silikalagtykkelsen inne i de ønskede mønstrene reduseres til null, slik at silisiumlaget blir eksponert, bør du måle tykkelsen på den gjenværende silikaen ved hjelp av et reflektor. Juster varigheten av den påfølgende etsningsperioden basert på tykkelsene på silikalagene (spesielt i og rundt mønstrene).

MERK: Et reflektorble brukt til å måle tykkelsen på det gjenværende silikalaget43. Alternativt kan andre verktøy, for eksempel ellipsometer eller et interaktivt fargediagram for å forutsi fargen på SiO2 og tykkelse også brukes44,45.

Prosedyrene som er beskrevet i trinn 1 og 4 er vanlige for både reentrant og dobbelt reentrant hulrom. Etsingprotokollene for silisiumlaget er imidlertid forskjellige og er beskrevet nedenfor:

5. Reentrant Cavities

  1. Anisotropisk silisium etsing
    1. Etter etsing silikalaget, overføre wafer til en dyp ICP-RIE system for å etse silisium. Det første trinnet består av en fluorbasert anisotropisk etsningsmetode kjent som Bosch-prosessen som etser silisium vertikalt nedover, og skaper en rett vegg.
      MERK: Bosch-prosessen bruker C4F8 og svovelheksafluorid (SF6) gasser i reaksjonskammeret: C4F8-avsetningen skaper et passivasjonslag, mens SF6 etser silisium vertikalt nedover. Dermed gjør Bosch-prosessen mikrofabrikasjon av dype grøfter i silisium med høye sideforhold.
    2. Kjør denne prosessen i fem sykluser, noe som tilsvarer en etsningdybde for silisium tilsvarende ‰ 2 μm. Prosessparametere er oppført i tabell 4.
    3. Rengjør waferen i piranha-oppløsning en 10 min for å fjerne eventuelle rester av Bosch-prosessen. Skyll waferen med DI vann og tørk i et N2-miljø (Figur 3E).
  2. Isotropisk silisiumetsning: For å opprette reentrant-funksjonen, utfør isotropisk etsing som ville skape et undersnitt under silikalaget. En overheng på 5 μm kan oppnås ved å etse silisiumlaget med SF6 i 2 min 45 s (figur 3F). Se tabell 5 for prosessparameterne.
  3. Anisotropisk silisium etsning: Når reentrant-funksjonene er opprettet, stiller du inn dybden av hulrommene ved Bosch-prosessen (trinn 5.1).
    MERK: For å mikrofabrikathuler med en dybde på hc ➞ 50 μm, er det nødvendig med 160 sykluser av Bosch-prosessen ( figur3G, tabell 4).
  4. Rengjøring og oppbevaring av Wafer
    1. Rengjør waferen med piranhaoppløsning som beskrevet i trinn 2. Etter dette trinnet blir wafer superhydrofile, preget av kontaktvinkler av vann, θo ‰ 0°.
    2. Oppbevar waferen i et glass Petriskål og plasser inne i en ren vakuumovn som opprettholdes ved T = 323 K og vakuumtrykk PVac = 3,3 kPa i 48 timer, hvorpå den indre kontaktvinkelen på silikalaget stabiliserer seg til θo ‰ 40°.
    3. Oppbevar prøvene i et rent skap utstyrt med et ytre nitrogen (99 %) strømning, klar for ytterligere karakterisering.

6. Dobbelt reentrant Kavities

  1. Anisotropisk silisium etsning: Hvis du vil opprette dobbeltredeltagerhulrom, følger du trinn 1, 2, 3, 4 og 5.1 (se Figur 4A–E).
  2. Isotropisk silisiumetsing
    For å opprette dobbelt reentrant-funksjoner må reentrant-funksjoner opprettes først. For å oppnå det, utfør isotropisk etsing for å skape et undersnitt under silikalaget. Etch silisiumlaget med SF6 for 25 s (Figur 4F). Se tabell 5 for prosessparameterne. Rengjør deretter waferen ved hjelp av piranhaoppløsningen som beskrevet i trinn 2.
  3. Vekst i termisk oksid
    1. For å oppnå dobbelt reentrant funksjoner, vokse en 500 nm lag av termisk oksid på wafer, ved hjelp av en høy temperatur ovn system (Figur 4G).
    2. Mål tykkelsen på oksidlaget ved hjelp av et reflektor.
      MERK: Oksidasjonen ble utført ved å utsette prøvene for et miljø bestående av oksygen (O2)og vanndamp, noe som førte til våt oksidasjon av silisium i et lukket miljø ved temperaturer fra 800–1200 °C.
  4. Silikaetsning: Utfør den samme prosessen som beskrevet i trinn 4 for å etse silika vertikalt nedover i 3 min. Som et resultat av den anisotropiske etsningen, er terminoksidet (500 nm tykt silikalag) etset vekk fra hulrommet, men det etterlater et "overheng" langs sideveggene som ville danne den doble reentrant kanten til slutt (Figur 4H, Tabell 3).
  5. Anisotropisk silisium etsning: Gjenta fem sykluser av Bosch-prosessen for å utdype hulrommene ved å ➞ 2 μm (Figur 4I, Tabell 5). Dette trinnet er nødvendig for å fjerne silisiumen bak den doble reentrant-funksjonen i neste trinn. Rengjør waferen ved hjelp av piranha-løsningen.
  6. Isotropisk silisiumetsning: Utfør isotropisk etsing av silisium i 2 min og 30 s ved hjelp av prosessparametrene som er beskrevet i tabell 4. Dette trinnet skaper en tom plass (2 μm) bak det termisk dyrkede oksidet ved munningen av hulrommet, noe som fører til den doble reentrant kanten(Figur 4J).
  7. Anisotropisk silisium etsning: Bruk Bosch-prosessoppskriften (trinn 5.1) i 160 sykluser for å øke dybden av hulrommene til hc ‰ 50 μm,(figur 4K, tabell 5).
  8. Wafer rengjøring og lagring: Rengjør waferen med piranhaoppløsning og oppbevar som beskrevet i trinn 5.4 ovenfor.

MIKROFABRIKASJON AV SØYLES
Designprotokollen for å fabrikkere reentrant og dobbelt reentrant søyler og "hybrider" (bestående av dobbelt reentrant søyler omgitt av vegger) består av tre viktige trinn: wafer forberedelse, silika etsning, og spesifikk silisium etsning. Figur 5A–C viser øverste visning av layoutdesignen for reentrant og dobbelt reentrant søyler, mens figur 5D-F representerer utformingen av hybridmatrisene. Velg alternativet for uv-eksponering for mørkfelt for å eksponere hele waferen, med unntak av mønsteret ved hjelp av samme fotoresist (AZ5214E) (figur 6A–C og figur 7A–C). I tillegg til disse spesifisitetene er prosessene for rengjøring av wafer (trinn 2) og etsing silika (trinn 4) identiske.

7. Reentrant Søyler

  1. Anisotropisk silisium etsning: Etter fotlitografi, UV-eksponering, utvikling og etsing silika med spesifisiteter for søyler beskrevet ovenfor (trinn 1-4), overføre wafer til et dypt ICP-RIE-system for å etse silisiumlaget ved hjelp av Bosch-prosessen. Dette trinnet styrer høyden på søylene. Bruk 160 sykluser av Bosch-prosessen for å oppnå søyler av høyde, hP ‰ 30 μm ( Figur6E, Tabell 5). Rengjør waferen som beskrevet i trinn 2.
  2. Isotropisk silisiumetsning: Utfør isotropisk etsing ved hjelp av SF6 i 5 min for å lage reentrant kanten på søylene (Figur 6F, Tabell 4). Den resulterende lengden på overhenget er 5 μm.
  3. Piranha rengjøring og lagring: Rengjør waferen med piranhaoppløsning og oppbevar som beskrevet i trinn 5.4 ovenfor.

8. Dobbelt reentrant søyler og hybrider

  1. Anisotropisk silisium etsning: Etter etsing SiO2, overføre wafer til en dyp ICP-RIE system for å etse Si under SiO2 lag. Utfør fem sykluser av Bosch-prosessen som tilsvarer en etsingdybde på ‰ 2 μm (Figur 7E, Tabell 4). Rengjør deretter waferen som beskrevet i trinn (2).
  2. Isotropisk silisiumetsning: Utfør isotropisk etsing ved hjelp av SF6 for 16 s for å opprette reentrant kanten (Tabell 5, Figur 7F). Rengjør waferen som beskrevet i trinn 2.
  3. Termisk oksid vekst: Vokse 500 nm lag av termisk oksid over hele wafer ved hjelp av en høy temperatur ovn system som beskrevet i trinn 6.3 (Figur 7G).
  4. Silikaetsning: Etch det termisk dyrkede oksidlaget (500 nm tykk) i 3 min som beskrevet i trinn 6.4 (Figur 7H, Tabell 3).
  5. Anisotropisk silisium etsning: Gjenta 160 sykluser av Bosch-prosessen (tabell 4) for å øke høyden på søylene (figur 7I). Rengjør waferen som beskrevet i trinn 2 ovenfor.
  6. Isotropisk silisiumetsning: Utfør isotropisk etsing av silisium i 5 min ved hjelp av prosessparametrene som beskrevet i tabell 4. Dette trinnet skaper dobbelt reentrant kanten (Figur 7J). Avstanden mellom søylestammen og dobbelt reentrant kanten er ‰2 μm.
  7. Wafer rengjøring og lagring: Rengjør waferen med piranhaoppløsning og oppbevar som beskrevet i trinn 5.4 ovenfor.

Figur 8 representerer listen over prosesser som brukes i mikrofabrikasjon reentrant og dobbelt reentrant hulrom og søyler.

Representative Results

I denne delen viser vi reentrant og dobbelt reentrant hulrom (RCs og DRCs, Figur 9) og reentrant og dobbelt reentrant pilarer (RPs og DRPs, Figur 10) mikrofabrikkert ved hjelp av protokollene beskrevet ovenfor. Alle hulrommene har diameter, DC = 200 μm, dybden, hC ‰ 50 μm, og den midtre avstanden (eller tonehøyden) mellom tilstøtende hulrom til å være LC = DC + 12 μm. Ved hjelp av de samme fabrikasjonsprotokollene kan hulrom av ikke-sirkulære former også tilberedes, som rapportert tidligere26.

Diameteren på hetten på toppen av søylene var DP = 20 μm, og deres høyde og tonehøyde var henholdsvis hp ‰ 30 μm og LP = 100 μm ( figur10).

Fukte atferd av gass-entrapping mikroteksturer (GEMs)
Flat silika (SiO2) fukter seg i seg selv mot de fleste polare og ikke-polare væsker. For eksempel var de indre kontaktvinklene av dråper av sekskant (γLV = 20 mN/m ved 20 °C) og vann (overflatespenningγLV = henholdsvis 72,8 mN/m ved 20 °C) på silika og θo ‰ 20° og θo ‰ 40°. Men etter mikrofabrikasjon reentrant og dobbelt reentrant hulrom (DRCs) og søyler, kontaktvinkler endret seg dramatisk (Tabell 6). Vi målte de fremadstormende/tilbakelente kontaktvinklene ved å dispensere/trekke tilbake væskene med en hastighet på 0,2 μL/s og fant de tilsynelatende kontaktvinklene for begge væsker, θr > 120°, (omniphobic; Figur 11E). Tilbaketrukket kontaktvinkler, θr ‰ 0° på grunn av mangel på diskontinuitet i mikroteksturer, for eksempel i søylebaserte mikroteksturer. På den annen side viste SiO2/Si overflater med arrayer av dobbelt reentrant søyler (DRPs) tilsynelatende kontaktvinkler, θr > 150° for både væsker og kontaktvinkel hysterese var minimal (superomnifobe, Figur 11A og Filmer S1 og S2). Merkelig, når de samme SiO2/ Si overflater med matriser av søyler ble nedsenket i de samme væskene de fikk inntrengt øyeblikkelig, t < 1 s, det vil si ingen luft ble festet (Figur 10A-D, Movie S3). Så, mens søylene syntes å være superomnifobe når det gjelder kontaktvinkler, klarte de ikke å fange luft på nedsenking. Faktisk forstyrrer fuktevæsker fra grensen til mikroteksturen (eller fra lokaliserte defekter) og fortrenger eventuell fanget luft øyeblikkelig (figur 11A–D og Movie S3). I motsetning, DRCs fanget luft ved nedsenking i begge væsker (Figur 11E-H og S1, Tabell 1); for hexadecane, var den innfestede luften intakt selv etter 1 måned26. Våre konfokale mikroskopieksperimenter viste at de overhengende funksjonene stabiliserer de inntrengende væskene og fanger luft inni dem (figur 12A–B).

Deretter, for å fange luft i rekker av DRPs, brukte vi de samme mikrofabrikasjonsprotokollene for å oppnå matriser av søyler omgitt av vegger av dobbelt reentrant profil (Figur 10G-I). Denne strategien isolerte stilkene til DRPs fra fuktevæsker. Som et resultat opptrådte hybridmikroteksturene som GEMs, som bekreftet av konfokal mikroskopi (figur 12C–D) og Movie S4, Tabell 6). Dermed viste silikaoverflater med hybridmikroteksturer omniphobicity på nedsenking ved å fange luft og demonstrerte kontaktvinkler, θr > 120°, (omniphobic), og viste seg omnifobe i sann forstand, det vil si når det gjelder kontaktvinkler og inntropping av luft på nedsenking. I tabell 6vurderer vi omniphobicity av SiO2/ Si overflater med en rekke mikroteksturer hulrom-baserte, søylebaserte og hybrider ved kontaktvinkler og nedsenking.

Figure 1

Figur 1: Skjemaer av mikrostrukturer. -B) Reentrant hulrom, (C–D) dobbelt reentrant hulrom, (E–F) reentrant søyler, (G–H) dobbelt reentrant søyler. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 2

Figur 2: Designmønstre for hulrom. Designmønstre for reentrant og dobbelt reentrant hulrom generert ved hjelp av layout programvare. Mønsteret ble overført til wafer ved hjelp av fotolitografi. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

   

Figure 3

Figur 3: Mikrofabrikasjonsprotokoll for reentrant hulrom. (A) Rengjør silisiumwaferen med 2,4 μm tykk silika på toppen. (B) Spin-coat wafer med photoresist og utsette for UV-lys. (C) Utvikle UV-eksponert fotoresist for å oppnå designmønsteret. (D) Etsning av det eksponerte toppsilikalaget vertikalt nedover (anisotropisk etsing) ved hjelp av induktivt koblet plasma (ICP) reaktiv-ion etsing (RIE). (E) Grunne anisotropisk etsing av eksponert silisiumlag ved hjelp av dyp ICP-RIE. (F) Isotropisk etsing av silisium for å skape reentrant kanten. (G) Dyp anisotropisk silisium etsning for å øke dybden av hulrommene. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

   

Figure 4

Figur 4: Mikrofabrikasjonsprotokoll for dobbelt reentrant hulrom. (A) Rengjør silisiumwaferen med 2,4 μm tykk silika på toppen. (B) Spin-coat wafer med photoresist og utsette for UV-lys. (C) Utvikle UV-eksponert fotoresist for å oppnå designmønsteret. (D) Etsning av det eksponerte toppsilikalaget vertikalt nedover (anisotropisk etsing) ved hjelp av induktivt koblet plasma (ICP) reaktiv-ion etsing (RIE). (E) Grunne anisotropisk etsing av eksponert silisiumlag ved hjelp av dyp ICP-RIE. (F) Grunne isotropisk etsing av silisium for å skape undersnitt ved hjelp av dyp ICP-RIE. (G) Termisk oksid vekst. (H) Anisotropisk etsing av topp og bunn silika lag. (I) Grunne anisotropisk etsing av silisium. (J) Isotropisk silisium etse for å skape den doble reentrant kanten. (K) Dyp anisotropisk silisium etsning for å øke dybden av hulrommene. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 5

Figur 5: Designmønstre for søyler. Designmønstre for reentrant, dobbelt reentrant, og hybrid søyler generert ved hjelp av layout programvare. Mønsteret ble overført til wafer ved hjelp av fotolitografi. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 6

Figur 6: Mikrofabrikasjonsprotokoll for reentrantsøyler. (A) Rengjør silisiumwaferen med 2,4 μm tykk silika på toppen. (B) Spin-coat wafer med photoresist og utsette for UV-lys. (C) Utvikle UV-eksponert fotoresist for å oppnå designmønsteret. (D) Etsning av det eksponerte toppsilikalaget vertikalt nedover (anisotropisk etsing) ved hjelp av induktivt koblet plasma (ICP) reaktiv-ion etsing (RIE). (E) Dyp anisotropisk silisium etsning for å øke høyden på søylene. (F) Isotropisk silisium etsning for å skape reentrant kanten. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 7

Figur 7: Mikrofabrikasjonsprotokoll for dobbelt reentrant søyler. (A) Rengjør silisiumwaferen med 2,4 μm tykk silika på toppen. (B) Spin-coat wafer med photoresist og utsette for UV-lys. (C) Utvikle UV-eksponert fotoresist for å oppnå designmønsteret. (D) Etsning av det eksponerte toppsilikalaget vertikalt nedover (anisotropisk etsing) ved hjelp av induktivt koblet plasma (ICP) reaktiv-ion etsing (RIE). (E) Grunne anisotropisk etsing av eksponert silisiumlag ved hjelp av dyp ICP-RIE. (F) Grunne isotropisk etsing av silisium for å skape undersnitt ved hjelp av dyp ICP-RIE. (G) Termisk oksid vekst. (H) Anisotropisk etsing av toppen og bunnen av silikalag. (I) Anisotropisk silisium etsning for å øke høyden på søylene. (J) Isotropisk silisium etsning for å skape den doble reentrant kanten. Vær oppmerksom på at den eneste forskjellen mellom dobbelt reentrant søyler og "hybrid" er design i begynnelsen. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 8

Figur 8: Mikrofabrikasjonsprotokoll for reentrant og dobbelt reentrant hulrom og søyler. Flytskjemaet viser de viktigste trinnene som er involvert. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 9

Figur 9: Skanne elektronmikrografer av reentrant og dobbelt reentrant hulrom. - Jeg har ikke noe åsi. Tverrsnitts- og isometrisk visning av silikaoverflater med en rekke reentrant hulrom. - Jeg har ikke noe åsi. Tverrsnitt og topp utsikt over dobbelt reentrant hulrom. DC = diameter av hulrommet og LC = den midt-til-sentrum avstand mellom tilstøtende hulrom (eller tonehøyde), og hC = dybden av hulrommet. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 10

Figur 10: Skanne elektronmikrografer av reentrant og dobbelt reentrant søyler. - Jeg har ikke noe åsi. Isometrisk syn på reentrant søyler. - Jeg har ikke noe åsi. Dobbelt reentrant søyler. - Jeg har ikke noe åsi. Hybrid søyler - DRPs omgitt av dobbelt reentrant vegger. DP - diameter på søylehetten og LP - den midtre avstanden mellom tilstøtende søyler (eller tonehøyde), og hP - høyden på søylene. Figur D–Jeg, gjengitt fra Ref.35, Copyright (2019), med tillatelse fra Elsevier. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 11

Figur 11: Fukte atferd. (A) Superomniphobicity av SiO2/ Si overflater utsmykket med arrays dobbelt reentrant søyler, observert ved å plassere flytende dråper på toppen. -Jeg har ikke noe å si. Superomniofbicity går øyeblikkelig tapt, hvis fukting av væsker berører grensen eller lokaliserte defekter. (E) SiO2/ Si overflater utsmykket med arrays dobbelt reentrant hulrom viser omniphobicity. - Jeg har ikke noe åsi. Disse mikroteksturer entrap luft robust og ikke miste den hvis væske berører grensen eller lokalisertdefekter. Gjengitt fra Ref.35, Copyright (2019), med tillatelse fra Elsevier. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figure 12

Figur 12: Konfokal mikroskopi av mikroteksturer nedsenket i væsker. Dataforbedrede 3D-rekonstruksjoner av representative konfokale bilder (isometriske og tverrsnitt langs de stiplede linjene) av fukteoverganger i silikaoverflater med dobbelt reentrant hulrom og hybridsøyler nedsenket under en z ‰ 5 mm kolonne etter 5 min nedsenking av (A,C) vann, og (B,D) heksadekane. De (falske) blå og gule fargene tilsvarer grensesnittene av vann og sekskant med fanget luft. Inntrengerende flytende menisci ble stabilisert ved dobbelt reentrant kanten. (Skalabar = Diameter i hulrommet og søylen 200 μm og 20 μm). Figur 12 ble trykket opp fra Ref.35, Copyright (2019), med tillatelse fra Elsevier. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Trinn 1: Dehydrering og rense oksygen fra kammeret
Trinn Prosesssekvens Tid (min)
1 Vakuum (10 Torr) 1
2 Nitrogen (760 Torr) 3
3 Vakuum (10 Torr) 1
4 Nitrogen (760 Torr) 3
5 Vakuum (10 Torr) 1
6 Nitrogen (760 Torr) 3
Trinn 2: Priming
Prosesssekvens Tid (min)
7 Vakuum (1 Torr) 2
8 HMDS (6 Torr) 5
Trinn 3: Rensing Prime Eksos
Prosesssekvens Tid (min)
9 Vakuum 1
10 Nitrogen 2
11 Vakuum 2
Trinn 4: Gå tilbake til atmosfære (tilbakefylling)
Prosesssekvens Tid (min)
12 Nitrogen 3

Tabell 1: Prosessdetaljer for belegghexamethyldisilazane (HMDS) lag for å forbedre vedhekingen mellom silikaoverflaten og AZ-5214E photoresist.

Trinn Hastighet (rpm) Rampe (rpm/s) Tid (er)
1 800 1000 3
2 1500 1500 3
3 3000 3000 30

Tabell 2: Behandle detaljer for å oppnå 1,6 μm tykke AZ-5214E fotoresist lag på SiO2/Si wafers ved å spin-belegg.

RF-strøm, (W) ICP makt, (W) Etsing trykk, (mTorr) C4F8 strøm (sccm) O2 flyt (sccm) Temperatur, (°C)
100 1500 10 40 5 10

Tabell 3: Parameterinnstillinger for silikaetsing som brukes i induktivt koblet plasma – Reaktiv Ion Etsing (ICP-RIE).

RF-strøm, (W) ICP makt, (W) Etsing trykk, (mTorr) SF6 strømning, (sccm) Temperatur, (°C)
20 1800 35 110 15

Tabell 4: Parameterinnstillinger for silisiumetsing (isotropisk) som brukes i induktivt koblet plasma – dyp reaktiv ionetsing (ICP-DRIE).

Trinn RF-strøm, (W) ICP makt, (W) Etsing trykk, (mTorr) SF6 strømning, (sccm) C4F8 strømning, (sccm) Temperatur, (°C) Avsetning/ Etsning tid, (er)
Passivisering lag 5 1300 30 5 100 15 5
Etsing 30 1300 30 100 5 15 7

Tabell 5: Parameterinnstillinger for silisiumetsing (anisotropisk) som brukes i induktivt koblet plasma – dyp reaktiv ionetsing (ICP-DRIE).

Overflater Kriterium: Kontaktvinkler i luften Kriterium: Nedsenking
Vann Hexadecane (andre) Vann Hexadecane (andre)
DrPs (andre) θr 153°±1° 153° ± 1° Øyeblikkelig penetrasjon Øyeblikkelig penetrasjon
θA 161°±2° 159° ± 1°
θR 139°±1° 132° ± 1°
Vurdering: Superomniphobic (andre) Ikke omniphobic - faktisk, omnifile
DrCs (andre) θr 124° ± 2° 115° ± 3° Fanget luft (omniphobic) Fanget luft (omniphobic)
θA 139° ± 3° 134° ± 5°
θR 0° 0°
Vurdering: Omniphobic (andre) Omniphobic (andre)
Hybrider θr 153°± 2° 153° ± 2° Fanget luft (omniphobic) Fanget luft (omniphobic)
θA 161°± 2° 159° ± 2°
θR 0° 0°
Vurdering: Omniphobic (andre) Omniphobic (andre)

Tabell 6: Kontaktvinkelmålinger – fremadgående (θA),trekker seg tilbake (θR)og tydelig (θr) – og nedsenking i væsker. Denne tabellen trykket opp fra Ref.35, Copyright (2019), med tillatelse fra Elsevier.

Movie S1

Film S1: Høyhastighets bildesekvens (15K fps) av vanndråpe som spretter fra mikroteksturerte overflater bestående av dobbelt reentrant søyler. Denne filmen ble trykket opp fra ref 35. Opphavsrett (2019), med tillatelse fra Elsevier. Vennligst klikk her for å se denne videoen (Høyreklikk for å laste ned).

Movie S2

Film S2: Høyhastighets bildesekvens (19K fps) av heksadekane dråpe spretter fra mikroteksturerte overflater bestående av dobbelt reentrant søyler. Denne filmen ble trykket opp fra ref 35. Opphavsrett (2019), med tillatelse fra Elsevier. Vennligst klikk her for å se denne videoen (Høyreklikk for å laste ned).

Movie S3

Film S3: Bildesekvens (200 fps) vannimbibition til mikrotekstur bestående av dobbelt reentrant søyler. Denne filmen ble trykket opp fra ref 35. Opphavsrett (2019), med tillatelse fra Elsevier. Vennligst klikk her for å se denne videoen (Høyreklikk for å laste ned).

Movie S4

Film S4: Bildesekvens (200 fps) vanndråpe som går videre ved siden av hybrid mikrotekstur. Tilstedeværelse av dobbelt reentrant grensemur hindrer flytende invasjon inn i mikroteksturen, noe som gjør overflaten omnifobe under nedsenking også. Denne filmen ble trykket opp fra ref 35. Opphavsrett (2019), med tillatelse fra Elsevier. Vennligst klikk her for å se denne videoen (Høyreklikk for å laste ned).

Discussion

Her diskuterer vi flere faktorer og designkriterier for å hjelpe leseren med å anvende disse mikrofabrikasjonsprotokollene. For hulrom mikroteksturer (RCer og DRCs) valg av tonehøyde er avgjørende. Tynnere vegger mellom tilstøtende hulrom ville føre til lavt væske-solid interfacial område og høy væske-damp interfacial område, noe som fører til høye tilsynelatende kontaktvinkler34. Imidlertid kan tynne vegger kompromittere mikroteksturens mekaniske integritet, for eksempel under håndtering og karakterisering; litt over-etsing med tynne vegger (f.eks. i trinn 6.6) kan ødelegge hele mikroteksturen; under-etsing med tynne vegger kan også hindre utvikling av dobbelt reentrant funksjoner. Hvis DRC-funksjonene ikke er fullt utviklet, kan deres evne til å fange luft for langsiktig hets, spesielt hvis væsken kondenserer inne i hulrommene26. Av denne grunn valgte vi banen i våre eksperimenter for å være L = D + 12 μm (dvs. den minste veggtykkelsen mellom hulrommene var 12 μm). Vi fabrikkerte også dobbelt reentrant hulrom med en mindre tonehøyde på L = D + 5 μm, men de resulterende overflatene var ikke homogene på grunn av strukturell skade under mikrofabrikasjon.

Under etsning av silikalaget med C4F8 og O2 i trinn 4, kan den tidligere historien om bruk eller rensligheten av reaksjonskammeret gi variable resultater, til tross for å følge de samme trinnene, for eksempel i et felles brukeranlegg som i de fleste universiteter. Dermed anbefales det at dette trinnet utføres i korte tidsperioder, for eksempel ikke mer enn 5 min hver og overvåket tykkelsen på silikalaget med en uavhengig teknikk, for eksempel reflektor. For våre wafers med et 2,4 μm tykt silikalag tok en typisk etsningsrutine 13 min å fjerne silika helt fra de målrettede områdene (Tabell 3). Fordi photoresist også ble etset under prosessen, fjernet dette trinnet 1 μm av silikalaget som først ble maskert av photoresist. Videre, for å sikre at etsningshastigheten var som forventet, og for å unngå krysskontaminering fra tidligere etseprosesser (et vanlig problem i flerbrukeranlegg), ble silikaetsning alltid innledet ved å etse en offerwafer som et forsiktighetstrinn. Under utviklingen av fotoresistens kan den eksponerte overflaten bli forurenset med fotoresistens spor/partikler, som kan fungere som (mikroskopiske) masker som fører til dannelse av pinrester. For å unngå dette bør strenge rengjørings- og lagringsprotokoller følges gjennom mikrofabrikasjonsprosessen36.

På samme måte, under Bosch-prosessen, selv om SiO2-laget fungerer som en maske for Si-laget under, blir det etset under lange etsingsykluser, om enn til langsommere hastigheter. Dermed er dybden av hulrommene eller høyden på søylene begrenset opp til det punktet at reentrant-funksjonene ikke vil bli kompromittert. Passivisering og etsing ganger under Bosch prosessen bør justeres for å få glatte vegger. Dette kan oppnås ved å teste oppskrifter iterativt og observere deres effekter på prøver, for eksempel ved hjelp av elektronmikroskopi.

I tilfelle av RPs og DRPs, jo lengre varigheten av isotropisk etsing, jo mindre diameter på stammen. Hvis diameteren er mindre enn 10 μm, kan det føre til mekanisk skjørhet. Denne begrensningen bør informere utformingen i begynnelsen av mikrofabrikasjonsprosedyren.

Tørr-etsing verktøy som vanligvis er tilgjengelige ved universiteter har ikke industriell klasse toleranser, fører til romlige ikke-ensartethet i form av frekvensen av etsing inne i kammeret. Dermed kan funksjonene som er oppnådd i midten av wafer en kanskje ikke det samme som de på grensen. For å overvinne denne begrensningen brukte vi fire tommers wafers og konsentrertbare i den sentrale regionen.

Vi anbefaler også å bruke direkteskrivende systemer i stedet for å bruke hardkontaktmasker for fotolitografi, noe som gjør det mulig for raske endringer i designparametere, inkludert funksjonsdiametre, plasser og former (sirkulær, sekskantet og firkantet), etc.

Selvfølgelig er verken SiO2/ Si wafers eller fotolitografi de ønskede materialene eller prosessene for masseproduksjon av omnifobe overflater. Men de fungerer som et utmerket modellsystem for å utforske innovative mikroteksturer for engineering omniphobic overflater, for eksempel av biomimetika26,27,34,35,46,47, som kan oversettes til rimelige og skalerbare materialer systemer for applikasjoner. Det forventes at i nær fremtid, design prinsippene for GEMs kan skaleres opp ved hjelp av teknikker som 3-D utskrift48, additiv produksjon49,og laser micromachining50, blant andre. Mikroteksturerte SiO2/Si overflater kan også brukes til å friste myke materialer29,51. Foreløpig undersøker vi anvendelser av våre gass-entrapping overflater for redusere kavitasjon skade47, avsalting46,52, og redusere hydrodynamisk dra.

Disclosures

Forfatterne erklærer at de ikke har konkurrerende interesser.

Acknowledgments

HM anerkjenner finansiering fra Kong Abdullah University of Science and Technology (KAUST).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
AZ-5214 E photoresist Merck DEAA070796-0W59 Photoresist, flammable liquid
AZ-726 MIF developer Merck 10055824960 To develop photoresist
Confocal microscopy Zeiss Zeiss LSM710 Upright confocal microscope to visualize liquid meniscus shape
Deep ICP-RIE Oxford Instruments Plasmalab system100 Silicon etching tool
Direct writer Heidelberg Instruments µPG501 Direct-writing system
Drop shape analyzer KRUSS DSA100 To measure contact angle
Hexadecane Alfa Aesar 544-76-3 Test liquid
Highspeed imaging camera Phantom vision research v1212 To image droplet bouncing
HMDS vapor prime Yield Engineering systems
Hot plate Cost effective equipments Model 1300
Hydrogen peroxide 30% Sigma Aldrich 7722-84-1 To prepare piranha solution
Imaris software Bitplane Version 8 Post process confocal microscopy images
Nile Red Sigma Aldrich 7385-67-3 Fluorescent dye for hexadecane
Nitrogen gas KAUST lab supply To dry the wafer
Petri dish VWR HECH41042036
Reactive-Ion Etching (RIE) Oxford Instruments Plasmalab system100 Silica etching tool
Reflectometer Nanometrics Nanospec 6100 To check remaining oxide layer thickness
Rhodamine B (Acros) Fisher scientific 81-88-9 Fluorescent dye for water
SEM stub Electron Microscopy Sciences 75923-19
SEM-Quanta 3D FEI Quanta 3D FEG Dual Beam
Silicon wafer Silicon Valley Microelectronics Single side polished, 4" diameter, 500 µm thickness, 2.4 µm thick oxide layer
Spin coater Headway Research,Inc PWM32
Spin rinse dryer MicroProcess technology Avenger Ultra -Pure 6 Dry the wafers after piranha clean
Sulfuric acid 96% Technic 764-93-9 To prepare piranha solution
Tanner EDA L-Edit software Tanner EDA, Inc. version15 Layout design
Thermal oxide growth Tystar furnace To grow thermal oxide in patterned silicon wafer
Tweezers Excelta 490-SA-PI Wafer tweezer
Vacuum oven Thermo Scientific 13-258-13
Water Milli-Q Advantage A10 Test liquid

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Butt, H. J., et al. Characterization of super liquid-repellent surfaces. Current Opinion in Colloid & Interface Science. 19 (4), 343-345 (2014).
  2. Lee, J., Laoui, T., Karnik, R. Nanofluidic transport governed by the liquid/vapour interface. Nature Nanotechnology. 9 (4), 317-323 (2014).
  3. Subramanian, N., et al. Evaluating the potential of superhydrophobic nanoporous alumina membranes for direct contact membrane distillation. Journal of Colloid and Interface Science. 533, 723-732 (2019).
  4. Xue, Z. X., Cao, Y. Z., Liu, N., Feng, L., Jiang, L. Special wettable materials for oil/water separation. Journal of Materials Chemistry A. 2 (8), 2445-2460 (2014).
  5. Zhang, L. B., Zhong, Y. J., Cha, D., Wang, P. A self-cleaning underwater superoleophobic mesh for oil-water separation. Scientific Reports. 3, (2013).
  6. Leslie, D. C., et al. A bioinspired omniphobic surface coating on medical devices prevents thrombosis and biofouling. Nature Biotechnology. 32 (11), 1134-1140 (2014).
  7. Lee, C., Choi, C. H., Kim, C. J. Superhydrophobic drag reduction in laminar flows: a critical review. Experiments in Fluids. 57 (176), (2016).
  8. Tuteja, A., Choi, W., Mabry, J. M., McKinley, G. H., Cohen, R. E. Robust omniphobic surfaces. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (47), 18200-18205 (2008).
  9. Brown, P. S., Bhushan, B. Mechanically durable, superoleophobic coatings prepared by layer-by-layer technique for anti-smudge and oil-water separation. Scientific Reports. 5, (2015).
  10. Wong, T. S., et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature. 477 (7365), 443-447 (2011).
  11. Milionis, A., Dang, K., Prato, M., Loth, E., Bayer, I. Liquid repellent nanocomposites obtained from one-step water-based spray. Journal of Materials Chemistry A. 3 (24), 12880-12889 (2015).
  12. Mishra, H., et al. Time-Dependent Wetting Behavior of PDMS Surfaces with Bioinspired, Hierarchical Structures. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (12), 8168-8174 (2016).
  13. Hendren, Z. D., Brant, J., Wiesner, M. R. Surface modification of nanostructured ceramic membranes for direct contact membrane distillation. Journal of Membrane Science. 331 (12), 1-10 (2009).
  14. Rezaei, M., et al. Wetting phenomena in membrane distillation: Mechanisms, reversal, and prevention. Water Research. 139, 329-352 (2018).
  15. Verho, T., et al. Mechanically Durable Superhydrophobic Surfaces. Advanced Materials. 23, 673-678 (2011).
  16. Boinovich, L., Emelyanenko, A. M., Pashinin, A. S. Analysis of Long-Term Durability of Superhydrophobic Properties under Continuous Contact with Water. ACS Applied Materials & Interfaces. 2 (6), 1754-1758 (2010).
  17. Herminghaus, S. Roughness-induced non-wetting. Europhysics Letters. 52 (2), 165-170 (2000).
  18. Abdelsalam, M. E., Bartlett, P. N., Kelf, T., Baumberg, J. Wetting of regularly structured gold surfaces. Langmuir. 21 (5), 1753-1757 (2005).
  19. Liu, J. L., Feng, X. Q., Wang, G. F., Yu, S. W. Mechanisms of superhydrophobicity on hydrophilic substrates. Journal of Physics-Condensed Matter. 19 (35), (2007).
  20. Nosonovsky, M. Multiscale roughness and stability of superhydrophobic biomimetic interfaces. Langmuir. 23 (6), 3157-3161 (2007).
  21. Marmur, A. From hygrophilic to superhygrophobic: Theoretical conditions for making high-contact-angle surfaces from low-contact-angle materials. Langmuir. 24 (14), 7573-7579 (2008).
  22. Hensel, R., et al. Wetting Resistance at Its Topographical Limit: The Benefit of Mushroom and Serif T Structures. Langmuir. 29 (4), 1100-1112 (2013).
  23. Bormashenko, E. Progress in understanding wetting transitions on rough surfaces. Advances in Colloid and Interface Science. 222, 92-103 (2015).
  24. Patankar, N. A. Thermodynamics of trapping gases for underwater superhydrophobicity. Langmuir. 32 (27), 7023-7028 (2016).
  25. Kaufman, Y., et al. Simple-to-Apply Wetting Model to Predict Thermodynamically Stable and Metastable Contact Angles on Textured/Rough/Patterned Surfaces. The Journal of Physical Chemistry C. 121 (10), 5642-5656 (2017).
  26. Domingues, E. M., Arunachalam, S., Nauruzbayeva, J., Mishra, H. Biomimetic coating-free surfaces for long-term entrapment of air under wetting liquids. Nature Communications. 9 (1), 3606 (2018).
  27. Liu, T. Y., Kim, C. J. Turning a surface superrepellent even to completely wetting liquids. Science. 346 (6213), 1096-1100 (2014).
  28. Hensel, R., Neinhuis, C., Werner, C. The springtail cuticle as a blueprint for omniphobic surfaces. Chemical Society Reviews. 45 (2), 323-341 (2016).
  29. Hensel, R., et al. Biologically Inspired Omniphobic Surfaces by Reverse Imprint Lithography. Advanced Materials. 26 (13), 2029-2033 (2014).
  30. Hensel, R., et al. Tunable nano-replication to explore the omniphobic characteristics of springtail skin. Npg Asia Materials. 5, (2013).
  31. Helbig, R., Nickerl, J., Neinhuis, C., Werner, C. Smart Skin Patterns Protect Springtails. PLOS ONE. 6 (9), 25105 (2011).
  32. Cheng, L. Marine and Freshwater Skaters: Differences in Surface Fine Structures. Nature. 242, 132 (1973).
  33. Andersen, N. M., Cheng, L. The marine insect Halobates (Heteroptera: Gerridae): biology, adaptations, distribution, and phylogeny. Oceanography and marine biology: an annual review. 42, 119-180 (2004).
  34. Domingues, E. M., Arunachalam, S., Mishra, H. Doubly Reentrant Cavities Prevent Catastrophic Wetting Transitions on Intrinsically Wetting Surfaces. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (25), 21532-21538 (2017).
  35. Arunachalam, S., Das, R., Nauruzbayeva, J., Domingues, E. M., Mishra, H. Assessing omniphobicity by immersion. Journal of Colloid and Interface Science. 534, 156-162 (2019).
  36. Christian Koch, E. A. Photolithography: Basics of Microstructuring. , MicroChemicals GmbH. (2017).
  37. Jansen, H., de Boer, M., Legtenberg, R., Elwenspoek, M. The black silicon method: a universal method for determining the parameter setting of a fluorine-based reactive ion etcher in deep silicon trench etching with profile control. Journal of Micromechanics and Microengineering. 5 (2), 115 (1995).
  38. Jansen, H. V., de Boer, M. J., Unnikrishnan, S., Louwerse, M., Elwenspoek, M. C. Black silicon method X: a review on high speed and selective plasma etching of silicon with profile control: an in-depth comparison between Bosch and cryostat DRIE processes as a roadmap to next generation equipment. Journal of Micromechanics and Microengineering. 19 (3), 033001 (2009).
  39. Xiu, Y., Zhu, L., Hess, D. W., Wong, C. Hierarchical silicon etched structures for controlled hydrophobicity/superhydrophobicity. Nano Letters. 7 (11), 3388-3393 (2007).
  40. Azeredo, B., et al. Silicon nanowires with controlled sidewall profile and roughness fabricated by thin-film dewetting and metal-assisted chemical etching. Nanotechnology. 24 (22), 225305 (2013).
  41. Coffinier, Y., et al. Preparation of superhydrophobic silicon oxide nanowire surfaces. Langmuir. 23 (4), 1608-1611 (2007).
  42. Tanner, E. L-Edit-The layout editor. Reference Manual. , Available from: https://usermanual.wiki/Document/LEdit20Manual.38314693/view (2009).
  43. NANOSPEC 6100 Series Operators Users Manual. , Nanometrics. Available from: https://cmi.epfl.ch/metrology/Nanospec_AFT6100_Manual.pdf (2019).
  44. Deal, B. E., Grove, A. General relationship for the thermal oxidation of silicon. Journal of Applied Physics. 36 (12), 3770-3778 (1965).
  45. Woollam, J. A., et al. Spectroscopic ellipsometry from the vacuum ultraviolet to the far infrared. AIP Conference Proceedings. 550 (1), 511-518 (2001).
  46. Das, R., Arunachalam, S., Ahmad, Z., Manalastas, E., Mishra, H. Bio-inspired gas-entrapping membranes (GEMs) derived from common water-wet materials for green desalination. Journal of Membrane Science. , 117185 (2019).
  47. Gonzalez-Avila, S. R., Nguyen, D. M., Arunachalam, S., Domingues, E. M., Mishra, H., Ohl, C. D. Mitigating cavitation erosion using biomimetic gas-entrapping microtextured surfaces. Science Advances. , In-press (2020).
  48. Liu, X., et al. 3D Printing of Bioinspired Liquid Superrepellent Structures. Advanced Materials. 30 (22), 1800103 (2019).
  49. Jafari, R., Cloutier, C., Allahdini, A., Momen, G. Recent progress and challenges with 3D printing of patterned hydrophobic and superhydrophobic surfaces. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. , 1-14 (2019).
  50. Vorobyev, A. Y., Guo, C. L. Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses. Journal of Applied Physics. 117 (3), 033103 (2015).
  51. Xu, M., Kim, C. J. Method for manufacturing re-entrant microstructures. US Patent App. , 15/546,260 (2018).
  52. Das, R., Arunachalam, S., Ahmad, Z., Manalastas, E., Syed, A., Buttner, U., Mishra, H. Proof-of-Concept for Gas-Entrapping Membranes Derived from Water-Loving SiO2/Si/SiO2 Wafers for Greener Desalination. Journal of Visualized Experiments. , In-press e60583 (2020).

Tags

Engineering fukting omniphobicity reentrant og dobbelt reentrant hulrom / søyler gass-entrapping mikroteksturer (GEMs) fotolitografi isotropisk etsning anisotropisk etsning termisk oksid vekst reaktiv-ion etsing kontaktvinkler nedsenking confocal mikroskopi
Gjengivelse av SiO<sub>2</sub>/Si Overflater Omniphobic ved carving gass-entrapping mikroteksturer bestående av reentrant og doubly reentrant cavities eller søyler
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Arunachalam, S., Domingues, E. M.,… More

Arunachalam, S., Domingues, E. M., Das, R., Nauruzbayeva, J., Buttner, U., Syed, A., Mishra, H. Rendering SiO2/Si Surfaces Omniphobic by Carving Gas-Entrapping Microtextures Comprising Reentrant and Doubly Reentrant Cavities or Pillars. J. Vis. Exp. (156), e60403, doi:10.3791/60403 (2020).

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