Herstellung von Nanohöhenkanälen mit Oberflächen-Akustikwellenbetätigung über Lithiumniobat für akustische Nanofluidik
Summary
Wir demonstrieren die Herstellung von Nanohöhenkanälen mit der Integration von Oberflächen-Akustikwellenbetätigungsgeräten auf Lithiumniobat für akustische Nanofluidik mittels Liftoff-Photolithographie, nano-tiefen reaktiver Ionenätzung und Raumtemperatur-Plasma oberflächenaktivierte Mehrschichtbindung von Einkristall-Lithiumniobat, ein Prozess, der ähnlich nützlich ist, um Lithiumniobat mit Oxiden zu verkleben.
Abstract
Eine kontrollierte nanoskalige Manipulation von Flüssigkeiten ist aufgrund der Dominanz von Oberflächen- und Viskositätskräften als außergewöhnlich schwierig bekannt. Megahertz-Order-Oberflächen-Akustikwellengeräte (SAW) erzeugen eine enorme Beschleunigung auf ihrer Oberfläche, bis zu 108 m/s2, was wiederum für viele der beobachteten Effekte verantwortlich ist, die die Akustofluidik definieren: akustisches Streaming und akustische Strahlungskräfte. Diese Effekte wurden für Partikel-, Zell- und Flüssigkeitsmanipulationen im Mikromaßstab verwendet, obwohl SAW in jüngerer Zeit verwendet wurde, um ähnliche Phänomene im Nanomaßstab durch einen völlig anderen Satz von Mechanismen zu erzeugen. Kontrollierbare nanoskalige Flüssigkeitsmanipulation bietet eine breite Palette von Möglichkeiten in ultraschnellem Flüssigkeitspumpen und Biomakromoleküldynamik, die für physikalische und biologische Anwendungen nützlich sind. Hier zeigen wir die Nano-Höhenkanalfertigung über die mit einem SAW-Gerät integrierte Raumtemperatur-Lithiumniobat-Bindung (LN). Wir beschreiben den gesamten experimentellen Prozess einschließlich nano-höhe Kanalfertigung durch Trockenätzung, plasmaaktivierte Verklebung auf Lithiumniobat, das entsprechende optische Setup für die nachfolgende Bildgebung und SAW-Betätigung. Wir zeigen repräsentative Ergebnisse für die Flüssigkeitskapillarfüllung und das Ablassen von Flüssigkeiten in einem nanoskaligen Kanal, der durch SAW induziert wird. Dieses Verfahren bietet ein praktisches Protokoll für die Nanokanalfertigung und -integration mit SAW-Geräten, die für zukünftige Nanofluidik-Anwendungen nützlich sind.
Introduction
Der steuerbare nanoskalige Flüssigkeitstransport in Nanokanälen –Nanofluidik1– erfolgt auf den gleichen Längenskalen wie die meisten biologischen Makromoleküle und ist vielversprechend für biologische Analysen und Erfassungen, medizinische Diagnose und Materialverarbeitung. Verschiedene Designs und Simulationen wurden in der Nanofluidik entwickelt, um Flüssigkeiten und Partikelsuspensionen basierend auf Temperaturgradienten2, Coulomb Ziehen3, Oberflächenwellen4, statische elektrische Felder5,6,7und Thermophorese8 in den letzten fünfzehn Jahren zu manipulieren. Kürzlich wurde bei SAW9 gezeigt, dass es nanoskalige Flüssigkeitspumpen und -abflüsse mit ausreichendem akustischen Druck produziert, um die Dominanz von Oberflächen- und viskosen Kräften zu überwinden, die ansonsten einen effektiven Flüssigkeitstransport in Nanokanälen verhindern. Der Hauptvorteil des akustischen Streamings ist seine Fähigkeit, einen nützlichen Fluss in Nanostrukturen ohne Bedenken über die Details der Chemie der Flüssigkeits- oder Partikelsuspension zu fördern, was Geräte, die diese Technik sofort nutzen, für biologische Analysen, Erfassungen und andere physikalisch-chemische Anwendungen nützlich macht.
Die Herstellung von SAW-integrierten nanofluidischen Geräten erfordert die Herstellung der Elektroden – des interdigitalen Wandlers (IDT) – auf einem piezoelektrischen Substrat, Lithiumniobat10, um die Erzeugung des SAW zu erleichtern. Reaktive Ionenätzung (RIE) wird verwendet, um eine nanoskalige Depression in einem separaten LN-Stück zu bilden, und LN-LN-Bindung der beiden Stücke erzeugt einen nützlichen Nanokanal. Das Herstellungsverfahren für SAW-Geräte wurde in vielen Publikationen vorgestellt, ob mit normaler oder abhebter ultravioletter Photolithographie neben Metallsputations- oder Verdampfungsabscheidung11. Damit der LN RIE-Prozess einen Kanal in einer bestimmten Form ätzt, wurden die Auswirkungen auf die Ätzrate und die endgültige Oberflächenrauheit des Kanals aus der Auswahl verschiedener LN-Ausrichtungen, Maskenmaterialien, Gasfluss und Plasmaleistung untersucht12,13,14,15,16. Die Plasmaoberflächenaktivierung wurde verwendet, um die Oberflächenenergie deutlich zu erhöhen und damit die Festigkeit der Bindung in Oxiden wie LN17,18,19,20zu verbessern. Ebenso ist es möglich, LN heterogen mit anderen Oxiden wie SiO2 (Glas) über eine zweistufige plasmaaktivierte Klebemethode21zu verbinden. Insbesondere die Raumtemperatur-LN-Bindung wurde mit verschiedenen Reinigungs- und Oberflächenaktivierungsbehandlungen untersucht22.
Hier beschreiben wir detailliert den Prozess zur Herstellung von 40 MHz SAW-integrierten Nanokanälen mit einer Höhe von 100 nm, die oft als Nanoslitkanäle bezeichnet werden (Abbildung 1A). Effektive Flüssigkeitskapillarfüllung und Flüssigkeitsentleitung durch SAW-Betätigung zeigt die Gültigkeit sowohl der Nanoslit-Fertigung als auch der SAW-Leistung in einem solchen nanoskaligen Kanal. Unser Ansatz bietet ein nano-akustofluidisches System, das die Untersuchung einer Vielzahl von physikalischen Problemen und biologischen Anwendungen ermöglicht.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Raumtemperaturbindung ist der Schlüssel zur Herstellung von SAW-integrierten Nanoslit-Geräten. Fünf Aspekte müssen berücksichtigt werden, um eine erfolgreiche Bindung und eine ausreichende Bindungsfestigkeit zu gewährleisten.
Zeit und Leistung für die Plasmaoberflächenaktivierung
Die Erhöhung der Plasmaleistung wird dazu beitragen, die Oberflächenenergie zu erhöhen und dementsprechend die Bindungsfestigkeit zu erhöhen. Aber der Nachteil der Erhöhung der Lei…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken der University of California und der NANO3-Einrichtung an der UC San Diego für die Bereitstellung von Mitteln und Einrichtungen zur Unterstützung dieser Arbeit. Diese Arbeiten wurden zum Teil an der San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) von UCSD durchgeführt, einem Mitglied der National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, die von der National Science Foundation (Grant ECCS–1542148) unterstützt wird. Die hier vorgestellte Arbeit wurde großzügig durch ein Forschungsstipendium der W.M. Keck Stiftung unterstützt. Die Autoren sind auch dankbar für die Unterstützung dieser Arbeit durch das Office of Naval Research (über 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" |
Referenzen
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