Yumuşak Litografik işlevsellik ve Desenlendirme Oksit Silisyum ve germanyum

Summary

Burada, küçük moleküller ve proteinlerin desenli yüzeylerin desenlendirme oksit-silisyum ve germanyum ve reaktif organik mono tabakaları göstermek işlevsellik için basit bir yöntem açıklanmaktadır. Bu yaklaşım tamamen kimyasal oksidasyon yüzeyleri korur özelliği morfolojisi üzerinde hassas kontrol sağlar, ve kimyasal ayrımcılık desenleri hazır erişim sağlar.

Abstract

Hibrid elektronik cihazların geliştirilmesi, verimli elektron taşıma izin verir ve oksidatif bozulma temel substratlar korur istikrarlı bir arayüz üzerinden (biyo), organik maddeler ve inorganik yarı iletkenler entegrasyonu büyük ölçüde güvenir. Grup IV yarıiletkenler etkili bir şekilde, hem organik ve sulu çözümler vurdumduymaz engeller olarak hareket basit alkil zincirleri oluşur yüksek sipariş kendi kendine monte mono tabakaları (SAMs) ile korunabilir. Basit alkil SAMs Ancak, etkisiz ve geleneksel desenlendirme teknikleri için uygun değildir. Yarıiletkenlerin organik moleküler sistemlerin hareketsizleştirir için motivasyon yanı sıra kimyasal ve biyolojik aktivitesi, optik, elektronik ve mekanik fonksiyon sağlayabilir yüzeyine yeni işlevler vermek.

Microcontact baskı (μ CP) sayısız yüzeyler üzerinde desenlendirme SAMs için litografik yumuşak bir tekniktir. ^1-9, simp rağmenlicity ve çok yönlülüğü, bu yaklaşım büyük oranda soy metal yüzeylere sınırlı olmuştur ve oksit-silisyum ve germanyum gibi teknolojik önemli yüzeye desen transferi için geliştirilen olmamıştır. Ayrıca, bu tekniğin elastomer yüzeye desen transfer etmek için mürekkep difüzyon dayanmaktadır çünkü, gibi geleneksel baskı çözünürlüğü aslında ^10-16 m. 1 μ yakın sınırlıdır.

Geleneksel baskı aksine, mürekkepsiz μ CP desenlendirme bir yüzeye immobilize substrat ve damga bağlı katalizör arasında belirli bir reaksiyon dayanmaktadır. Tekniği uzadıya SAM oluşumu güvenmek değil, çünkü patternable yüzeylerin çeşitliliği önemli ölçüde genişletir. Buna ek olarak, çok küçük (<200 nm) özellikleri çoğaltma kolaylaştırmak mürekkepsiz tekniği, moleküler difüzyon dayattığı özellik boyut sınırlamaları ortadan kaldırır. ^17-23 Ancak, şimdiye kadar, mürekkepsiz μ CP bozulmadan altta yatan yüzeyleri korumak desenlendirme nispeten düzensiz bir moleküler sistemleri, ağırlıklı olarak kullanılmıştır.

Burada, silisyum ve germanyum pasifize reaktif organik mono tabakaları ile desenlendirme için basit, güvenilir, yüksek verimli bir yöntem raporu ve küçük moleküller ve proteinlerin iki desenli yüzeylerin seçici işlevsellik göstermek. Teknik oksit-silisyum ve germanyum, önceden oluşturulmuş bir NHS-reaktif bilayered sistemi kullanır. NHS benzer parçaları NHS aktif ve ücretsiz karboksilik asitler kimyasal olarak farklı desenler üretmek için sülfonik asit modifiye akrilat damga ile desen belirli bir şekilde hidrolize olur. Birçok μ CP teknikleri çözümü için önemli bir sınırlama mekanik sertliği, yüksek sadakat transferi için gerekli yoksun PDMS malzeme kullanımı . Bu sınırlama hafifletmek için poliüretan akrilat polimer, nispeten sert bir malzeme kullanılmıştır.farklı organik moieties kolayca Fonksiyonlu. Bizim desenlendirme yaklaşım tamamen kimyasal oksidasyon hem silikon ve germanyum korur desenli özellikleri, şekli ve büyüklüğü üzerinde hassas kontrol sağlar, ve, daha organik ve biyolojik molekülleri ile Fonksiyonlu olabilir kimyasal ayrımcılık desen hazır erişim sağlar. Bu yaklaşım, genel ve teknolojik ilgili diğer yüzeylere uygulanabilir.

Protocol

1A. Silikon üzerinde birincil Monolayer Oluşumu

1. 1cm ² yüzeyler, toz silikon gofret kesin ve süzülmüş su ve etanol ile durulayın.
2. 75 º C'de Nano şerit içeren bir cam tabak içinde silikon substratlar daldırarak organik kirlenme çıkarın 15 dakika sonra, her substrat deiyonize, filtre edilmiş su ile durulayın.
3. Yerli oksit tabakası kaldırmak için:% 5 HF çözüm (HF son derece tehlikeli bir malzeme Uyarı) her substrat yerleştirin. 5 dakika azot oksit içermeyen silikon kuru sonra
4. Batığın hemen 2 ml doymuş PCl ₅ klorobenzen de içeren bir sintilasyon flakon her oksit içermeyen silikon parçası, bir klorlanmış substrat üretmek için. Bu çözüm, 0.2 mikron filtre edilmelidir.
5. Her flakon üstüne bir şişe kondenser birleştirin ve bir heatblock koyun 112 ° C 'de bir saat ayarlayın.
6. Reaksiyon tamamlandıktan sonra, şişeleri her yüzeyler tah serin ve durulamace, filtrelenmiş azot gazı altında klorobenzen ve kuru.
7. Propenyl-sonlandırır substrat formu için 4 ml propenyl magnezyum klorür içeren bir basınç flakon her klorlu silikon yüzeye yerleştirin. Bir heatblock her basınç flakon 130 ° C de 24 saat boyunca yerleştirin.
8. Her basınç flakon heatblock dışarı alın ve soğumaya bırakın.
9. DCM ve etanol ile hızlı bir şekilde her yüzey filtrelenmiş azot gazı altında durulayın ve kurulayın.

1B. Germanyum birincil Monolayer Oluşumu

1. 1cm2 substratlar germanyum gofret Kes, toz ve süzülmüş su ve etanol ile durulayın.
2. 20 dakika boyunca bir cam tabak içeren aseton yüzeyler daldırarak organik pislikleri
3. 15 dakika boyunca% 10 HCl çözeltisi her yüzeye yerleştirin. Bu süreç, aynı zamanda yerli oksit tabakası ortadan kaldırır ve yüzey chlorinates. 5 dakika azot substratlar kuru sonra.
4. Oktil sonlandırılmış bir substrat, pla oluşturmak içince, 4 ml oktil magnezyum klorür (2 mM) içeren bir basınç flakon germanyum yüzey her klorlu. 130 ° C'de 48 saat boyunca az bir heatblock her basınç flakon yerleştirin.
5. Her basınç flakon heatblock dışarı atın ve oda sıcaklığına kadar soğumasını bekleyin.
6. DCM ve etanol ile hızlı bir şekilde her yüzey filtrelenmiş azot gazı altında durulayın ve kurulayın.

2. Silisyum ve germanyum NHS Yüzey işlevsellik

1. Karbon tetraklorür filtrelenmiş bir 0.1 M NHS diazirine çözüm hazırlayın. Uyarı: en az ışığa maruz tutun.
2. Metil sonlandırılır yüzeyler üzerine birkaç damla çözüm pipetleyin. Tüm yüzeye yayılmış çözüm izin verin.
3. (☐ = 254 nm, 0.74 inç 4400/cm2), bir UV lamba altında yüzeyler yerleştirin. Yüzeyler 30 dakika UV ışık altında tepki izin ver, sonra yüzeye daha NHS diazirine ekleyin ve ek bir 30 dakika sürmesine tepki izin.
4. NHS modifiye s durulayınDCM ve etanol ve filtrelenmiş azot gazı altında kuru urfaces.

3. Küçük Molekül işlevsellik

1. React NHS değiştirilen 20 mM tert-butil carbamoyl oda sıcaklığında iki saatten diklorometan (DKMP) (Boc) etilendiamin çözüm substratlar.
2. Reaksiyon sonra, Boc modifiye substrat DCM ve etanol ile yıkayın.
3. Oda sıcaklığında bir saat DCM% 25 trifloroasetik asit (TFA) kullanarak Boc modifiye substrat korumanızı.
4. Filtrelenmiş azot gazı altında ortaya çıkan su ve kuru DCM ile yüzey, etanol ve% 10 (w / v) potasyum bikarbonat durulayın.
5. Elemental kompozisyonu belirlemek için XPS tüm yüzeyleri analiz edin.

4. Asidik Poliüretan Akrilat Damgası (PUA) Hazırlık

1. Trimethylolpropane etoksilat triacrylate B viskoziteyi azaltmak için% 30 oranında bir akrilat sulandırınız. Reaksiyon karışımı (Şekil C ve D fotobaşlatıcı ekleure 6).
2. 4N HCl (10 ml) dioksan bir çözüm sodyum 2-mercaptoethanesulfonate (0.2 g, 1.22 mmol) ekleyin ve oda sıcaklığında 2 dakika karıştırın.
3. Ince bir cam filtre ile ve daha sonra dioksan 2-mercaptoethanesulfonic asit net bir çözüm göze filtresi 0.2 μ m PTFE membran şırınga ile ilk sodyum klorür Filtresi.
4. Azaltılmış basınç altında dioksan buharlaşmasına
5. Sonuç sülfonik asit tepki poliüretan akrilat prepolymeric karışımı oda sıcaklığında 2 ml ve daha sonra vakum altında 50 ° C Hava kabarcığı karışımı tamamen ücretsiz emin olun.
6. Çıkan çözüm oda sıcaklığına kadar soğutulur ve iki cam mikroskop lamı veya oda sıcaklığında 2 saat süreyle UV ışınlarına maruz kalma bir cam slayt ve bir ana arasında polimerize.
7. Polimerizasyon sonra, master off dikkatlice damga kabuğu ve damga etanol ve su ile yıkayın ve süzülmüş nitroge kurun.

5. Katalitik Baskı ve SEM / AFM Analiz

1. Onları bir arada tutmak için herhangi bir harici yük ile bir dakika boyunca oda sıcaklığında NHS modifiye substrat üstüne poliüretan akrilat ilgili damga yerleştirin.
2. Reaksiyon sonra, damga ve yüzey ayırın.
3. Yüzey elde edilen etil alkol, su, ve sonra filtrelenmiş azot ile kuru etanol ile durulayın.
4. Etil alkol, su, ve sonra filtrelenmiş azot ile kuru etanol ile damga durulayın.
5. Sonraki uygulamadan önce oda sıcaklığında pul tutun.
6. Temas modunda lateral atomik kuvvet Mikroskopi (AFM) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) üretilen desen analiz

6. Protein Desenlendirme ve Floresan Mikroskopi

1. Ile durulanır sonra H20 (1:1) 1 saat süreyle oda sıcaklığında ve Lizin-N, N-diacetic asit (20 mM) ve DMF Et ₃ N (100 mM) Batmak NHS desenli bifonksiyonel substratsu ve etanol.
2. Oda sıcaklığında 5 dakika için 50 mM NiSO4 çözüm substratlar inkübe edin.
3. 0 1 saat için aşırı su filtreli GFP çözüm (~ 40 μ M) ve bağlayıcı tamponu (20 mM NaP, 250 mM NaCl, 10mM imidazol, pH 7.5) ve batığın ile şelatlı substratlar durulayın ° C
4. PBS (pH 7.4) takip bağlayıcı tampon substratlar hemen yıkayın.
5. 0 ile PBS içinde yüzeylerde sulu tutmak ° C floresan mikroskopi analizi için hazır olana kadar.

7. Protein Desenlendirme ve Floresan Mikroskopi

1. Sonra su ile durulanır H ₂ 0 (1:1) 1 saat süreyle oda sıcaklığında ve Lizin-N, N-diacetic asit (20 mM) ve DMF Et ₃ N (100 mM) Batmak NHS desenli bifonksiyonel substrat ve etanol.
2. Oda sıcaklığında 5 dakika için 50 mM Niso ₄ çözümü substratlar inkübe edin.
3. Aşırı w şelatlı substratlar durulayın0 ile 1 saat için filtrelenmiş bir GFP çözümü i. su ve bağlayıcı tampon (20 mM NaP, 250 mM NaCl, 10mM imidazol, pH 7.5) ve batığın (~ 40 mcM) ° C
4. PBS (pH 7.4) takip bağlayıcı tampon substratlar hemen yıkayın.
5. 0 ile PBS içinde yüzeylerde sulu tutmak ° C floresan mikroskopi analizi için hazır olana kadar.

8. Temsilcisi Sonuçlar:

Yumuşak litografik katalitik nano desenleme bir örnek Şekil 7'de gösterilmiştir. Bu yaklaşım, dikey olarak birbirine benzemeyen, kimyasal ve biyolojik moieties Fonksiyonlu olabilir oksit-silisyum ve germanyum, Kemoselektif desenler oluşturur. NHS functioanlized substrat ve katalitik desenli damga arasındaki reaksiyon aktif bir NHS desenli bifonksiyonel substrat taşıyan bölgeler ve serbest karboksilik asitler alındı, konformal temas alanlarda NHS moieties hidroliz yol açar. Yaydıkları nedeniyleyöntemi iyon doğa, fotolitografi, yakın bir çözünürlük elde. Örneğin, Şekil 7, tüm silikon hızlandırıcı tabakanın yüzeyi boyunca eşit yeniden 125 nm özellikleri gösterir . Enteresandır ki, katalitik damga verimliliği kaybetmeden birden çok kez tekrar edilebilir.

Biyomoleküllerin desenli yarı iletkenler Kemoselektif işlevsellik geleneksel elektronik malzemeler, algılama, tanı ve analitik araştırma alanlarında uygulamalar için son derece seçici biyolojik ürünler ile entegre umudu açılır. NHS desenli silikon seçici protein molekülleri ile Fonksiyonlu Şekil 8, böyle bir işlevsellik bir örnek gösterilmiştir. Aktive ve ücretsiz karboksilik asitler diferansiyel reaktifliğini istismar ederek, ilk NHS Fonksiyonlu bölgeler nitrilotriacetic asit-sonlandırılmış (NTA) heterobifunctional linkers yapıştırılmış ve sonra ortaya çıkanHexa-histidin etiketli GFP Şekil 8b seçici tutturulması için bir şablon olarak NTA desenli yüzey, GFP değiştirilmiş ve hidrolize ücretsiz karboksilik asit bölgeleri arasında ayırıcı floresan açıkça gösterir . Çoğaltılan özellikleri boyutu ve şekli, karbon pasifize yüzeyler olağanüstü istikrar ve damgalama yaklaşımı seçicilik teyit, NHS desenli yüzey (Şekil 8a) ve GFP modifiye yüzey (Şekil 8b) arasında tutarlı . Onun etiketli protein protokol sınırlı değildir ve DNA ve antikorlar da dahil olmak üzere diğer biyomoleküllerin desen kullanılabilir.

Katalitik microcontact baskı temsil Şekil 1 Genel şeması

Şekil 2 çift katmanlı m YapısıGe ve Si olecular sistemi. Birincil alkil tek tabaka yüzey ile istikrarlı Ge-C veya Si-C bağlar oluşturur ve temel yüzey bozulmasını koruyan bir kimyasal olarak inert ve yakın paketlenmiş sistemi sağlar. (B) İkincil overlayer birincil koruyucu bir tabaka ile istikrarlı CC bağı oluşturur ve fonksiyonel terminal sağlar gruplar

3. Reaksiyon şemaları, Si (A) ve Ge birincil koruyucu mono tabakaları oluşumu temsil eden (B) Şekil

Şekil 4 heterobifunctional karben donör birincil koruyucu tek tabaka kimyasal işlevsellik

NHS Fonksiyonlu alt küçük molekül değişiklikleri gösteren Şekil 5. Tepkime planıyıllarda çok sayıda insan ve ilgili XPS spektrumları

Şekil 6 katalitik ön-polimer karışımı, polimerizasyon koşulları ve desenli sülfonik asit modifiye damga SEM görüntüleri Kompozisyon ve ilgili PMMA-Si master

Şekil 7 SEM ve AFM asidik bir damga ile Si ve Ge desenli SAMs sürtünme görüntüleri

Şekil 8, organik ve biyolojik molekülleri ile pasifize silikon Yumuşak litografik desenlendirme ve işlevsellik:. SEM görüntü desenli NHS değiştirilmiş substrat b: GFP modifiye substrat Floresan mikrografı .

Discussion

Sunulan protokol evrensel basit sipariş mono tabakaları destekleme yeteneğine sahip herhangi bir yüzeye uygulanabilir bir form veya mürekkepsiz microcontact baskı. Bu yöntemde, damga immobilize katalizör, ilgili fonksiyonel grupları taşıyan bir yüzey bir model aktarır. Süreci, geleneksel ve reaktif μCP uzadıya çözünürlük sınırlaması yüzey damga mürekkep transferi temel almadığından, nano ölçekli nesneleri rutin üretim izin, ötelendi. Bir ilköğretim sipariş yüksek moleküler sistemi dahil, oksidasyon hasarı altta yatan yarı iletken tam koruma sağlar. Yöntem, aynı zamanda ikincil reaktif overlayer kullanan hantal reaktif gruplar immobilizasyon destekler; birlikte sistem hem koruma ve hem de işlevsellik elde.

Bu teknik, kimyasal olarak inert Primar için izin kararlı karbon yüzey bağları oluşumu ile başlary tek tabakalı oksit oluşumuna etkin bir bariyer görevi görür. Ikincil reaktif overlayer oluşumu, kimyasal ve biyolojik moieties çeşitliliği için bağlantı noktaları olarak hizmet terminali NHS fonksiyonel gruplar sağlar. Bu istikrarlı bilayered moleküler sistemi, daha sonra katalitik μCP yaklaşım kullanarak desenli. Bu çalışmada sunulan yaklaşım, organik ve biyolojik malzemeler geniş bir yelpazesi ile desenlendirme yarı iletken yüzeyler için genel bir yöntem sunuyor. Pahalı, karmaşık enstrümantasyon olmadan desenli organik yarı iletken arayüzleri oluşturma yeteneği, elektronik, nanoteknoloji, biyokimya, biyofizik gibi alanlarda sayısız fırsatlar sunmaktadır.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Reaktifi Adı	Şirket / model
XPS spektrometresi	Kratos Eksen Ultra
Atomik kuvvet mikroskobu	Veeco D3100
SEM-FEG mikroskop	FEI XL30
Floresan mikroskop	Zeiss Axio Imager
Heatblock	VWR
Vakum pompası	Boc Edwards
Su arıtma sistemi	Millipore
Esp silikon sondalar	Veeco
Silikon
Basınç şişeler	Chemglass
Vakum manifoldu	Chemglass
UV Lambası	UVP
Malzeme Damgası	20 ve 18 referans
PFTE şırınga filtreleri	VWR
Nano Strip	Cyantek
HCl	Sigma
Etanol	Sigma
Aseton	Sigma
HF	Sigma
Klorobenzen	Sigma
PCL5	Sigma
Propenyl Magnezyum Klorür	Sigma
Oktil Magnezyum klorür	Sigma
Karbon tetraklorür	Sigma
Boc korumalı etilendiamin	Sigma
TFA	Sigma
Sodyum 2-mercaptoethanesulfonate	Sigma
Dioksan içinde 4N HCl çözeltisi	Sigma
Lizin-N, N-diacetic asit	Sigma
Et 3 N	Sigma
DMF	Sigma
Niso 4	Sigma
NaP	Sigma
NaCl	Sigma
imidazol	Sigma
PBS	Sigma