Bu çalışma, fotolitografi ve kuru gravür kullanarak SiO2/Si gofretlerinde reentrant ve iki kat reentrant profilleri ile boşlukları ve sütunları elde etmek için mikroüretim protokolleri sunmaktadır. Ortaya çıkan mikrodokulu yüzeyler, silikanın içsel ıslaklığına rağmen, ıslak sıvılar altında havanın sağlam uzun süreli tuzaklanması ile karakterize olağanüstü sıvı repellence göstermektedir.
Sıvılara (omnifobik) itici olarak, reentrant ve iki kat reentrant özelliklere sahip boşluklar ve sütunlardan oluşan gaz emici mikrodokular (GEM’ ler) oluşturarak, içsel olarak ıslatma malzemelerinin sıvılara işlenmesi için mikroüretim protokolleri salıyoruz. Özellikle, siO2/Si model sistemi olarak kullanmak ve iki boyutlu için protokolleri paylaşmak (2D) tasarımı, fotolitografi, izotropik / anisotropik gravür teknikleri, termal oksit büyüme, piranha temizleme, ve depolama bu mikrodokular ulaşmak doğru. Geleneksel bilgelik, pürüzlü içsel olarak ıslatma yüzeylerinin(σo < 90°) onları daha da ıslatdığını gösterse de (πr < πo < 90°), GEM'ler substratın içsel ıslaklığına rağmen sıvı itme gösterirler. Örneğin, su/hava sistemi için silikanın 40° içsel ıslaklığına ve heksadekan/hava sistemi için 20° kadar ıslaklığına rağmen, boşlukları oluşturan GEN’ler havayı bu sıvılara sağlam bir şekilde batırır ve damlacıklar için görünen temas açıları r > 90°’dir. GEM’lerde reentrant ve iki kat reentrant özellikleri, girişsiz sıvı menisküs stabilize ederek metastabil hava dolu hallerde (Cassie durumları) sıvı-katı buhar sistemini tuzağa düşürerek ve termodinamik olarak kararlı tam dolu duruma (Wenzel durumuna) ıslak geçişleri geciktirerek, örneğin saatler ile aylara kadar. Benzer şekilde, reentrant ve iki kat reentrant mikropillar dizileri ile SiO2/ Si yüzeylerson derece yüksek temas açıları göstermek(r° r ° 150 ° -160 °) ve düşük temas açısı histeri prob sıvılar için, böylece süperomnifobik olarak karakterize. Ancak, aynı sıvıların içine dalma, bu yüzeyler önemli ölçüde süperomnifobiklik kaybetmek ve içinde tam dolu olsun <1 s. Bu zorluğu gidermek için, iki kat daha fazla reentrant profilleri ile duvarlarla çevrili iki kat reentrant sütun dizileri oluşan hibrid tasarımlar için protokoller salıyoruz. Gerçekten de, hibrid mikrodokular sonda sıvıları daldırma hava tuzak. Özetlemek gerekirse, burada açıklanan protokoller, omnifobik malzemeler olarak uygulamalar için ucuz ortak malzemelerin kapsamını ortaya açabilecek perflorokarbonlar gibi kimyasal kaplamalar olmadan omnifobilik elde etme bağlamında GEM'lerin araştırılmasına olanak sağlamalıdır. Silika mikrodokular da yumuşak malzemeler için şablon olarak hizmet verebilir.
Su ve heksadekan gibi polar ve polar olmayan sıvılar için 90° görünür temas açıları sergileyen katı yüzeylere omnifobik1denir. Bu yüzeyler su tuzdan arındırma2,3,yağ-su ayırma4,5, antibiofouling6dahil olmak üzere çok sayıda pratik uygulamalar, hizmet ve hidrodinamik sürükleme azaltarak7. Tipik olarak, omniphobicity perfluorinated kimyasallar ve rasgele topografyalar8,9,10,11,12gerektirir. Ancak, maliyet, biyobozunur ve bu malzemelerin/kaplamaların savunmasızlığı, örneğin, yem tarafı sıcaklıkları arttıkça, gözenek ıslatma13,14ve perfluorinated/hidrokarbon kaplamalar da 15,16 ve akarsu lar ve akarsu larprotokollerinde silt parçacıkları tarafından bozulmuş olarak bozulan, sayısız kısıtlama lar oluşturur. Bu nedenle, perflorlu kaplamaların işlevlerini gerçekleştirmek için alternatif stratejilere ihtiyaç vardır (örneğin, su itici kaplamalar kullanmadan sıvılara daldırma havası bağlama). Bu nedenle, araştırmacılar yüzey topografyaları sadece mikroteksyon 17 ,18,19,20,21,22,23,24,25tarafından daldırma hava tuzak olabilir (reentrant) özellikleri oluşan önerdi . Bu mikrodokular üç tipte gelir: boşluklar26, sütunlar27, ve fibröz paspaslar8. Bundan sonra, basit çıkıntılı reentrant özelliklerine(Şekil 1A-B ve Şekil 1E-F)ve tabana doğru 90°’lik dönüş yapan çıkıntılı reentrant özelliklerine(Şekil 1C–D ve Şekil 1G-H)atıfta bulunacağız.
Onların öncü çalışmalarında, Werner ve ark.22,28,29,30,31 springtails (Collembola), toprak-yaşayan eklembacaklılar ve karakterize cuticles ve ıslatma bağlamında mantar şekilli (reentrant) özelliklerinin önemini açıkladı. Diğerleri de aşırı su kovuculuğu kolaylaştırmak için deniz patenciler32,33 mantar şeklindeki tüylerin rolünü araştırdık. Werner ve iş arkadaşları ters künye litografi29ile biyomimetik yapılar oyma tarafından özünde ıslatma polimerik yüzeylerin omniphobicity gösterdi. Liu ve Kim, γLV = 10 mN/m gibi düşük yüzey gerilimleri olan sıvı damlalarını püskürtebilecek, görünür temas açıları ile karakterize olan, 150° ve son derece düşük temas açısı histerisi27ile bezenmiş silika yüzeylerde rapor ver. Bu şaşırtıcı gelişmelerden esinlenerek, sonuçları yeniden üretmek için Liu ve Kim’in tariflerini takip ettik. Ancak, bu mikrodokuların süperomnifobiliklerini feci şekilde kaybedeceğini keşfettik, yani ıslatma sıvı damlaları mikrodoku kenarına değdiğinde veya lokalize fiziksel hasar varsa34. Bu bulgular, sütun bazlı mikrodokuların daldırma da omniphobicity gerektiren uygulamalar için uygun olmadığını gösterdi, ve onlar da omniphobicity değerlendirmek için kriterleri sorguladı (yani, tek başına temas açıları ile sınırlı olmalıdır, ya da ek kriterler gerekli ise).
Buna karşılık, SiO2/Si gofretlerini kullanarak, iki kat reentrant girişleri ile mikro ölçekli boşluklar dizileri hazırlanan ve temsili polar ve polar olmayan sıvılar olarak su ve heksadecane kullanarak, (i) bu mikrodokular hava hapsederek onlara girmesini sıvıönlemek gösterdi, ve (ii) boşlukların bölümlere ayrılmış mimarisi lokalize kusurları tarafından bağlı hava kaybını önler34. Böylece bu mikrodokuları “gaz la kaplayan mikrodokular” (GEMs) olarak adlandırdık. Bir sonraki adım olarak, biz mikrofabrikasyon çeşitli şekiller (dairesel, kare, altıgen) ve profiller (basit, reentrant ve iki kat reentrant) sistematik sıvılar daldırma altında performanslarını karşılaştırmak için26. Ayrıca, iki kat daha fazla reentrant profile sahip duvarlarla çevrili, sıvıların sütunların saplarına dokunmasını ve daldırma35’tesağlam bir şekilde bağlanmış havayı engelleyen, iki kat daha fazla reentrant sütundizilerinden oluşan melez bir mikrodoku oluşturduk. Aşağıda, fotolitografi ve gravür teknikleri ile siO2/Si yüzeylerde GEM üretimi için ayrıntılı protokoller ve tasarım parametreleri saklıyız. Ayrıca temas açısı goniometrisi (ilerleyen/geri çekilen/yerleştirilmiş açılar) ve heksadekan ve suya daldırma ile ıslatmalarını karakterize etme sonuçlarını da sıyoruz.
Burada bu mikroüretim protokolleri uygulanmasında okuyucuya yardımcı olmak için ek faktörler ve tasarım kriterleri tartışmak. Kavite mikrodokuları (RC’ler ve DrC’ler) için perde seçimi çok önemlidir. Bitişik boşluklar arasındaki ince duvarlar düşük sıvı-katı interfacial alan ve yüksek sıvı-buhar interfacial alan yol açacak, yüksek belirgin temas açıları yol açan34. Ancak, ince duvarlar mikrodoku mekanik bütünlüğünü tehlikeye atabilir, örneğin, işleme ve karakterizasyon sırasında; ince duvarlarla biraz fazla gravür (örneğin, adım 6.6) tüm mikrodoku yok olabilir; ince duvarlar ile under-gravür de iki kat reentrant özelliklerinin gelişimini engelleyebilir. DrC özellikleri tam olarak geliştirilmemişse, uzun süreli havayı tuzağa düşürme yetenekleri, özellikle de sıvı boşlukların içinde yoğunlaşırsa26. Bu nedenle, deneylerimizde perdeyi L = D + 12 μm (yani boşluklar arasındaki minimum duvar kalınlığı 12 m) olarak seçtik. Ayrıca, daha küçük bir L = D + 5 μm’lik bir perde ile iki kat reentrant boşluklar imal ettik, ancak ortaya çıkan yüzeyler mikrofabrikasyon sırasında yapısal hasar nedeniyle homojen değildi.
Adım 4’te C4F8 ve O2 ile silika tabakasının aşındırMa sırasında, önceki kullanım geçmişi veya reaksiyon odasının temizliği, örneğin çoğu üniversitede olduğu gibi aynı adımları takip eden her şeye rağmen değişken sonuçlar verebilir. Bu nedenle, bu adımın kısa sürelerde, örneğin, her biri en fazla 5 dakika içinde yapılması ve silika tabakasının kalınlığının yansıtıcı gibi bağımsız bir teknikle izlenmesi önerilir. 2,4 μm kalınlığında silika tabakası na sahip gofretlerimiziçin tipik bir gravür rutininin silikanın hedeflenen alanlardan tamamen çıkarılması 13 dakika sürdü(Tablo 3). İşlem sırasında fotodirenç de kazındığından, bu adım başlangıçta photoresist tarafından maskelenmiş olan silika tabakasının 1 μm’sini kaldırmıştır. Ayrıca, gravür oranıbeklendiği gibi olduğundan emin olmak için, ve önceki etch süreçlerinden çapraz kontaminasyon önlemek için (çok kullanıcılı tesislerde ortak bir sorun), silika gravür her zaman bir önlem olarak bir kurban gofret gravür önce oldu. Fotodirenç gelişimi sırasında, maruz kalan yüzey pin artıklarının oluşumuna yol açan (mikroskobik) maskeler olarak hareket edebilir fotodirenç izleri / parçacıkları ile kontamine alabilirsiniz. Bunu önlemek için, mikrofabrikasyon işlemi boyunca titiz temizlik ve depolama protokolleri takip edilmelidir36.
Benzer şekilde, Bosch işlemi sırasında, SiO2 katmanı altında Si katmanı için bir maske görevi görse de, daha yavaş oranlarda da olsa uzun gravür döngüleri sırasında kazınmıştır. Böylece, boşlukların derinliği veya sütunların yüksekliği, reentrant özelliklerinin tehlikeye atılmayacak kadar sınırlıdır. Bosch işlemi sırasında pasivasyon ve gravür süreleri pürüzsüz duvarlar elde etmek için ayarlanmalıdır. Bu, tarifleri nislatif olarak test ederek ve örneğin elektron mikroskobu kullanılarak numuneler üzerindeki etkilerini gözlemleyerek elde edilebilir.
RPs ve DRPs durumunda, uzun isotropik gravür süresi, kök çapı daha küçük. Çapı 10 μm’den az sayılsa, mekanik kırılganlığa yol açabilir. Bu sınırlama, mikro üretim prosedürünün başında ki tasarımı bilgilendirmelidir.
Üniversitelerde yaygın olarak kullanılan kuru gravür aletlerinin endüstriyel sınıf toleransları yoktur ve bu da oda içindeki gravür oranı açısından mekansal olmayan tekdüzeliklere yol açtır. Bu nedenle, gofret merkezinde elde edilen özellikler sınırdakilerle aynı olmayabilir. Bu sınırlamayı aşmak için 10 santimlik gofret kullandık ve sadece orta bölgede yoğunlaştık.
Ayrıca fotolitografi için sert temaslı maskeler kullanmak yerine, özellik çapları, perdeler ve şekiller (dairesel, altıgen ve kare) gibi tasarım parametrelerinde hızlı değişikliklere izin vermek yerine doğrudan yazma sistemleri kullanmanızı öneririz.
Açıkçası, ne SiO2/ Si gofret ne de fotolitografi omnifobik yüzeylerin seri üretimi için istenen malzeme veya süreçler vardır. Ancak, onlar mühendislik omnifobik yüzeyler için yenilikçi mikrodokular keşfetmek için mükemmel bir model sistemi olarak hizmet, örneğin biyomimetik26, 27,34,35,46,47, hangi uygulamalar için düşük maliyetli ve ölçeklenebilir malzeme sistemlerine tercüme edilebilir. Bu yakın gelecekte, GEMs için tasarım ilkeleri 3-D baskı48,katkı üretim49ve lazer mikroişleme50gibi teknikler kullanılarak ölçeklendirilebilir bekleniyor , diğerleri arasında. Mikro dokulu SiO2/Si yüzeyler de yumuşak malzemeler29,51cazip için kullanılabilir. Şu anda, kavitasyon hasarı azaltmak için gaz-entrapping yüzeylerin uygulamalarıaraştırıyoruz 47, tuzdan arındırma46,52, ve hidrodinamik sürükleme azaltılması.
The authors have nothing to disclose.
HM, Kral Abdullah Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden (KAUST) gelen fonları kabul ediyor.
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 |