Fabricage van Nanoheight Channels waarin Surface Acoustic Wave Actuation via Lithium Niobate voor Akoestische Nanofluidics
Summary
We demonstreren fabricage van nanohoogtekanalen met de integratie van oppervlakte akoestische golfactuatie-apparaten op lithium niobate voor akoestische nanofluidica via liftoff fotolithografie, nano-diepte reactieve ionets en kamertemperatuurplasma oppervlakte-geactiveerde meerlaagse binding van enkelkristallithium niobaat, een proces dat ook nuttig is voor het plakken van lithiumniobate aan oxiden.
Abstract
Gecontroleerde nanoschaal manipulatie van vloeistoffen is bekend dat uitzonderlijk moeilijk als gevolg van de dominantie van het oppervlak en viskeuze krachten. Megahertz-order surface acoustic wave (SAW) apparaten genereren een enorme acceleratie op hun oppervlak, tot 108 m/s2, op hun beurt verantwoordelijk voor veel van de waargenomen effecten die zijn gekomen om acoustofluidics te definiëren: akoestische streaming en akoestische stralingskrachten. Deze effecten zijn gebruikt voor deeltjes-, cel- en vloeistofmanipulatie op microschaal, hoewel meer recentelijk SAW is gebruikt om soortgelijke verschijnselen op nanoschaal te produceren door middel van een geheel andere set mechanismen. Controleerbare nanoschaal vloeistofmanipulatie biedt een breed scala aan mogelijkheden in ultrasnelle vloeistofpompen en biomacromolecuul dynamiek nuttig voor fysieke en biologische toepassingen. Hier demonstreren we nanoschaal-hoogte kanaal fabricage via kamertemperatuur lithium niobate (LN) binding geïntegreerd met een SAW-apparaat. We beschrijven het hele experimentele proces inclusief nano-hoogte kanaal fabricage via droge etsen, plasma-geactiveerde binding op lithium niobate, de juiste optische setup voor latere beeldvorming, en SAW actuatie. We tonen representatieve resultaten voor vloeibare capillaire vulling en vloeistofafvoer in een nanoschaalkanaal geïnduceerd door SAW. Deze procedure biedt een praktisch protocol voor nanoschaal kanaal fabricage en integratie met SAW-apparaten nuttig om op voort te bouwen voor toekomstige nanofluidics toepassingen.
Introduction
Controleerbaar nanoschaalvloeistoftransport in nanokanalen—nanofluidics1— vindt plaats op dezelfde lengteschalen als de meeste biologische macromoleculen, en is veelbelovend voor biologische analyse en detectie, medische diagnose en materiaalverwerking. Verschillende ontwerpen en simulaties zijn ontwikkeld in nanofluidics om vloeistoffen en deeltjessuspensie te manipuleren op basis van temperatuurgradiënten2,Coulomb slepen3,oppervlaktegolven4,statische elektrische velden5,6,7, en thermoforese8 in de afgelopen vijftien jaar. Onlangs is aangetoond dat SAW9 nanoschaal vloeistofpompen en draineren met voldoende akoestische druk produceert om de dominantie van oppervlakte- en viskeuze krachten te overwinnen die op andere wijze effectief vloeistoftransport in nanokanalen voorkomen. Het belangrijkste voordeel van akoestische streaming is de mogelijkheid om nuttige stroom in nanostructuren te stimuleren zonder zich zorgen te maken over de details van de chemie van de vloeistof of deeltjessuspensie, waardoor apparaten die deze techniek onmiddellijk nuttig maken in biologische analyse, detectie en andere fysischchemische toepassingen.
Fabricage van SAW-geïntegreerde nanofluïde apparaten vereist fabricage van de elektroden-de interdigitale transducer (IDT)-op een piëzo-elektrisch substraat, lithium niobate10, om het genereren van de SAW te vergemakkelijken. Reactieve ionenets (RIE) wordt gebruikt om een nanoschaal depressie te vormen in een apart LN-stuk, en LN-LN binding van de twee stukken produceert een nuttig nanokanaal. Het fabricageproces voor SAW-apparaten is gepresenteerd in vele publicaties, of het nu gaat om het gebruik van normale of lift-off ultravioletfotolithografie naast metaalputter of verdampingsdepositie11. Voor het LN RIE-proces om een kanaal in een specifieke vorm te etsen, zijn de effecten op de etssnelheid en de uiteindelijke oppervlakteruwheid van het kanaal van het kiezen van verschillende LN-oriëntaties, maskermaterialen, gasstroom en plasmakracht onderzocht12,13,14,15,16. Plasmaoppervlakteactivering is gebruikt om de oppervlakte-energie aanzienlijk te verhogen en zo de sterkte van binding in oxiden zoals LN17,18,19,20te verbeteren . Het is eveneens mogelijk om LN heterogeen te verbinden met andere oxiden, zoals SiO2 (glas) via een tweestapsplasma geactiveerde hechtingsmethode21. Met name de ln-LN-binding op kamertemperatuur is onderzocht met behulp van verschillende reinigings- en oppervlakteactiveringsbehandelingen22.
Hier beschrijven we in detail het proces om 40 MHz SAW-geïntegreerde 100-nm hoogte nanokanalen te fabriceren, vaak nanoslit kanalen genoemd (Figuur 1A). Effectieve vloeistof capillaire vulling en vloeistof draineren door SAW actuatie toont de geldigheid van zowel nanoslit fabricage en SAW prestaties in een dergelijke nanoschaal kanaal. Onze aanpak biedt een nano-acoustofluidic systeem mogelijk onderzoek van een verscheidenheid van fysieke problemen en biologische toepassingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hechting op kamertemperatuur is de sleutel tot het fabriceren van SAW-geïntegreerde nanospleetapparaten. Er moeten vijf aspecten in overweging worden genomen om een succesvolle binding en voldoende bindingssterkte te waarborgen.
Tijd en kracht voor plasmaoppervlakteactivering
Het verhogen van de plasmakracht zal helpen de oppervlakte-energie te verhogen en dus de hechtingssterkte te verhogen. Maar het nadeel van het verhogen van het vermogen tijdens plasma oppervlakte a…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs zijn dankbaar voor de Universiteit van Californië en de NANO3 faciliteit op UC San Diego voor het verstrekken van fondsen en faciliteiten ter ondersteuning van dit werk. Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd op de San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) van UCSD, een lid van de National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, die wordt ondersteund door de National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). Het hier gepresenteerde werk werd royaal ondersteund door een onderzoekssubsidie van de W.M. Keck Foundation. De auteurs zijn ook dankbaar voor de steun van dit werk door het 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).
