Fabrikasjon av nanohøydekanaler som omfatter overflateakustisk bølgeaktivering via litiumniobat for akustisk nanofluidikk
Summary
Vi demonstrerer fabrikasjon av nanohøydekanaler med integrering av overflateakustiske bølgeaktiveringsenheter på litiumniobat efor akustisk nanofluidics via liftoff fotoliitografi, nanodybde reaktiv ionetsing og romtemperaturplasma overflateaktivert flerlags binding av enkeltkrystalllitiumniobate, en prosess som ligner nyttig for å binde litiumniobattil oksider.
Abstract
Kontrollert nanoskala manipulering av væsker er kjent for å være usedvanlig vanskelig på grunn av dominans av overflate og viskøse krefter. Megahertz-order overflate akustisk bølge (SAW) enheter generere enorm akselerasjon på overflaten, opp til 108 m / s2, i sin tur ansvarlig for mange av de observerte effektene som har kommet til å definere acoustofluidics: akustisk streaming og akustiske strålingkrefter. Disse effektene har blitt brukt til partikkel, celle og væskemanipulasjon på mikroskalaen, selv om mer nylig SAW har blitt brukt til å produsere lignende fenomener på nanoskalaen gjennom et helt annet sett med mekanismer. Kontrollerbar nanoskala væskemanipulasjon gir et bredt spekter av muligheter i ultrarask væskepumping og biomakromolekyldynamikk nyttig for fysiske og biologiske applikasjoner. Her demonstrerer vi nanoskala-høyde kanal fabrikasjon via romtemperatur litiumniobate (LN) bonding integrert med en SAW-enhet. Vi beskriver hele eksperimentell prosess, inkludert nano-høyde kanal fabrikasjon via tørr etsing, plasmaaktivert binding på litiumniobate, riktig optisk oppsett for etterfølgende bildebehandling, og SAW aktivering. Vi viser representative resultater for væskekapillær fylling og væskedrenering i en nanoskalakanal indusert av SAW. Denne prosedyren tilbyr en praktisk protokoll for nanoskala kanal fabrikasjon og integrasjon med SAW-enheter nyttig å bygge på for fremtidige nanofluidics applikasjoner.
Introduction
Kontrollerbar nanoskalavæsketransport i nanokanaler –nanofluidics1– forekommer på samme lengdeskalaer som de fleste biologiske makromolekyler, og lover for biologisk analyse og sensing, medisinsk diagnose og materialbehandling. Ulike design og simuleringer er utviklet i nanofluidics for å manipulere væsker og partikkelsuspensjoner basert på temperaturgradienter2, Coulomb dra3, overflatebølger4, statiske elektriske felt5,6,7og termoforese8 i løpet av de siste femten årene. Nylig har SAW blitt vist9 for å produsere nanoskala væske pumping og drenering med tilstrekkelig akustisk trykk for å overvinne dominans av overflate og viskøse krefter som ellers forhindrer effektiv væsketransport i nanokanaler. Den viktigste fordelen med akustisk streaming er dens evne til å drive nyttig flyt i nanostrukturer uten bekymring over detaljene i kjemien til væsken eller partikkelsuspensjonen, noe som gjør enheter som bruker denne teknikken umiddelbart nyttige i biologisk analyse, sensing og andre fysikokjemiske applikasjoner.
Fabrikasjon av SAG-integrerte nanofluidiske enheter krever fabrikasjon av elektrodene – den interdigitale transduseren (IDT) – på et piezoelektrisk substrat, litiumniobate 10, for å lette generering av SAW. Reaktiv ionetsing (RIE) brukes til å danne en nanoskala depresjon i et eget LN-stykke, og LN-LN-binding av de to brikkene gir en nyttig nanokanal. Fabrikasjonsprosessen for SAW-enheter har blitt presentert i mange publikasjoner, enten du bruker normal eller lift-off ultrafiolett fotolithografi sammen med metall sputter eller fordampning deponering11. For LN RIE prosessen å etse en kanal i en bestemt form, effektene på etse hastighet og kanalens endelige overflate grovhet fra å velge forskjellige LN retninger, maske materialer, gassstrøm og plasmakraft har blitt undersøkt12,13,14,15,16. Plasma overflateaktivering har blitt brukt til å øke overflateenergien betydelig og dermed forbedre styrken av binding i oksider som LN17,18,19,20. Det er også mulig å knytte LN med andre oksider, for eksempel SiO2 (glass) via en to-trinns plasmaaktivert bindingsmetode21. Romtemperatur LN-LN-binding, spesielt, har blitt undersøkt ved hjelp av ulike rengjørings- og overflateaktiveringsbehandlinger22.
Her beskriver vi i detalj prosessen med å fremstille 40 MHz SAW-integrerte 100-nm høyde nanokanaler, ofte kalt nanoslit kanaler (Figur 1A). Effektiv væskekapillær fylling og væskedrenering ved SAW-aktivering viser gyldigheten av både nanoslit fabrikasjon og SAW-ytelse i en slik nanoskalakanal. Vår tilnærming tilbyr et nano-acoustofluidic system som muliggjør undersøkelse av en rekke fysiske problemer og biologiske anvendelser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Liming av romtemperatur er nøkkelen til å fabrikkere SAW-integrerte nanobelyste enheter. Fem aspekter må vurderes for å sikre vellykket binding og tilstrekkelig bindingsstyrke.
Tid og kraft for plasmaoverflateaktivering
Å øke plasmakraften vil bidra til å øke overflateenergien og dermed øke bindingsstyrken. Men ulempen med å øke kraften under plasmaoverflateaktivering er økningen i overflategrovhet, noe som kan påvirke den nanoslit fabrikasjon og væsketranspor…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne er takknemlige til University of California og NANO3 anlegget ved UC San Diego for levering av midler og fasiliteter til støtte for dette arbeidet. Dette arbeidet ble utført delvis ved San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) i UCSD, medlem av National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, som støttes av National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). Arbeidet som presenteres her ble sjenerøst støttet av et forskningsstipend fra W.M. Keck Foundation. Forfatterne er også takknemlige for støtten fra dette arbeidet av Office of Naval Research (via Grant 12368098).
Materials
| Absorber | Dragon Skin, Smooth-On, Inc., Macungie, PA, USA | Dragon Skin 10 MEDIUM | |
| Amplifier | Mini-Circuits, Brooklyn, NY, USA | ZHL–1–2W–S+ | |
| Camera | Nikon, Minato, Tokyo, Japan | D5300 | |
| Developer | Futurrex, NJ, USA | RD6 | |
| Diamond tip engraving pen | Malco, Memphis, TN, USA | Malco A50 USA Made Carbide Tipped Scribe | |
| Dicing saw | Disco, Tokyo, Japan | Disco Automatic Dicing Saw 3220 | |
| Heating oven | Carbolite, Hope Valley, UK | HTCR 6/28 | High Temperature Clean Room Oven – HTCR |
| Hole driller | Dremel, Mount Prospect, Illinois | Model #4000 | 4000 High Performance Variable Speed Rotary |
| Inverted microscope | Amscope, Irvine, CA, USA | IN480TC-FL-MF603 | |
| Lithium niobate substrate | PMOptics, Burlington, MA, USA | PWLN-431232 | 4" double-side polished 0.5 mm thick 128° Y-rotated cut lithium niobate |
| Mask aligner | Heidelberg Instruments, Heidelberg, Germany | MLA150 | |
| Nano3 cleanroom facility | UCSD, La Jolla, CA, USA | Fabrication process is performed in it. | |
| Negative photoresist | Futurrex, NJ, USA | NR9-1500PY | |
| Oscilloscope | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | InfiniiVision 2000 X-Series | |
| Plasma surface activation | PVA TePla, Corona, CA, USA | PS100 | Tepla Asher |
| Polarizer sheet | Edmund Optics, Barrington, NJ, USA | #86-182 | |
| RIE etcher | Oxford Instruments, Abingdon, UK | Plasmalab 100 | |
| Signal generator | NF Corporation, Yokohama, Japan | WF1967 multifunction generator | |
| Sputter deposition | Denton Vacuum, NJ, USA | Denton 18 | Denton Discovery 18 Sputter System |
| Teflon wafer dipper | ShapeMaster, Ogden, IL, USA | SM4WD1 | Wafer Dipper 4" |
References
- Eijkel, J. C., Van Den Berg, A. Nanofluidics: what is it and what can we expect from it?. Microfluidics and Nanofluidics. 1 (3), 249-267 (2005).
- Longhurst, M. J., Quirke, N. Temperature-driven pumping of fluid through single-walled carbon nanotubes. Nano Letters. 7 (11), 3324-3328 (2007).
- Wang, B., Král, P. Coulombic dragging of molecules on surfaces induced by separately flowing liquids. Journal of the American Chemical Society. 128 (50), 15984-15985 (2006).
- Insepov, Z., Wolf, D., Hassanein, A. Nanopumping using carbon nanotubes. Nano Letters. 6 (9), 1893-1895 (2006).
- Gong, X., et al. A charge-driven molecular water pump. Nature Nanotechnology. 2 (11), 709 (2007).
- Joseph, S., Aluru, N. R. Pumping of confined water in carbon nanotubes by rotation-translation coupling. Physical Review Letters. 101 (6), 064502 (2008).
- Rinne, K. F., Gekle, S., Bonthuis, D. J., Netz, R. R. Nanoscale pumping of water by AC electric fields. Nano Letters. 12 (4), 1780-1783 (2012).
- Eslamian, M., Saghir, M. Z. Novel thermophoretic particle separators: numerical analysis and simulation. Applied Thermal Engineering. 59 (1-2), 527-534 (2013).
- Miansari, M., Friend, J. R. Acoustic Nanofluidics via Room-Temperature Lithium Niobate Bonding: A Platform for Actuation and Manipulation of Nanoconfined Fluids and Particles. Advanced Functional Materials. 26 (43), 7861-7872 (2016).
- Minzioni, P., et al. Roadmap for optofluidics. Journal of Optics. 19 (9), 093003 (2017).
- Connacher, W., et al. Micro/nano acoustofluidics: materials, phenomena, design, devices, and applications. Lab on a Chip. 18 (14), 1952-1996 (2018).
- Ren, Z., et al. Etching characteristics of LiNbO3 in reactive ion etching and inductively coupled plasma. Journal of Applied Physics. 103 (3), 034109 (2008).
- Winnall, S., Winderbaum, S. Lithium niobate reactive ion etching. Defence Science and Technology Organization. , (2000).
- Hu, H., Ricken, R., Sohler, W. Etching of lithium niobate: micro-and nanometer structures for integrated optics. Topical Meeting Photorefractive Materials, Effects, and Devices-Control of Light and Matter, Bad Honnef. , (2009).
- Jackel, J. L., Howard, R. E., Hu, E. L., Lyman, S. P. Reactive ion etching of LiNbO3. Applied Physics Letters. 38 (11), 907-909 (1981).
- Smith, S. E. . Investigation of nanoscale etching and poling of lithium niobate. , (2014).
- Tomita, Y., Sugimoto, M., Eda, K. Direct bonding of LiNbO3 single crystals for optical waveguides. Applied Physics Letters. 66 (12), 1484-1485 (1995).
- Howlader, M. M. R., Suga, T., Kim, M. J. Room temperature bonding of silicon and lithium niobate. Applied Physics Letters. 89 (3), 031914 (2006).
- Chang, C. M., et al. A parametric study of ICP-RIE etching on a lithium niobate substrate. 10th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. , 485-486 (2015).
- Queste, S., et al. Deep reactive ion etching of quartz, lithium niobate and lead titanate. JNTE (Journées Nationales sur les Technologies) Proceedings. , (2008).
- Xu, J., Wang, C., Tian, Y., Wu, B., Wang, S., Zhang, H. Glass-on-LiNbO3 heterostructure formed via a two-step plasma activated low-temperature direct bonding method. Applied Surface Science. 459, 621-629 (2018).
- Tulli, D., Janner, D., Pruneri, V. Room temperature direct bonding of LiNbO3 crystal layers and its application to high-voltage optical sensing. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21 (8), 085025 (2011).
- Sridhar, M., Maurya, D. K., Friend, J. R., Yeo, L. Y. Focused ion beam milling of microchannels in lithium niobate. Biomicrofluidics. 6 (012819), (2012).
