Fabrication de canaux nanométriques incorporant l'actuation des ondes acoustiques de surface via le niobate de lithium pour la nanofluidique acoustique
Summary
Nous démontrons la fabrication des canaux de nanoheight avec l’intégration des dispositifs acoustiques d’actionnement d’onde de surface sur le niobate de lithium pour la nanofluidique acoustique par l’intermédiaire de la photolithographie de décollage, de la gravure réactive d’ion de nano-profondeur, et du plasma de température ambiante liaison multicouche activée en surface du niobate au lithium monocristal, un processus tout aussi utile pour lier le niobate de lithium aux oxydes.
Abstract
La manipulation contrôlée à l’échelle nanométrique des fluides est connue pour être exceptionnellement difficile en raison de la dominance des forces de surface et visqueuses. Les dispositifs d’onde acoustique de surface (SAW) de mégahertz génèrent une accélération énorme à leur surface, jusqu’à 108 m/s2,à leur tour responsables de nombreux effets observés qui en sont venus à définir l’acoustofluidique : le streaming acoustique et les forces de rayonnement acoustique. Ces effets ont été utilisés pour la manipulation de particules, de cellules et de fluides à l’échelle micrométrique, bien que plus récemment SAW ait été utilisé pour produire des phénomènes similaires à l’échelle nanométrique grâce à un ensemble entièrement différent de mécanismes. La manipulation de fluides à l’échelle nanométrique contrôlable offre un large éventail d’opportunités dans le pompage des fluides ultrarapides et la dynamique des biomacromolécules utiles pour des applications physiques et biologiques. Ici, nous démontrons la fabrication de canaux à l’échelle nanométrique par liaison au lithium niobate (LN) à température ambiante intégrée à un dispositif SAW. Nous décrivons le processus expérimental entier comprenant la fabrication de canal de nano-hauteur par l’intermédiaire de la gravure sèche, de la liaison plasma-activée sur le niobate de lithium, la configuration optique appropriée pour l’imagerie suivante, et l’actionnement de SAW. Nous montrons des résultats représentatifs pour le remplissage capillaire fluide et le drainage de fluide dans un canal nanométrique induit par SAW. Cette procédure offre un protocole pratique pour la fabrication et l’intégration de canaux à l’échelle nanométrique avec des dispositifs SAW utiles pour les futures applications nanofluidiques.
Introduction
Le transport de fluides nanométriques contrôlables dans les nanocanaux —nanofluidiques1— se produit sur les mêmes échelles de longueur que la plupart des macromolécules biologiques, et est prometteur pour l’analyse et la détection biologiques, le diagnostic médical et le traitement des matériaux. Diverses conceptions et simulations ont été développées en nanofluidique pour manipuler les fluides et les suspensions de particules en fonction des gradients de température2, Coulomb traînant3, vagues de surface4, champs électriques statiques5,6,7, et thermophoresis8 au cours des quinze dernières années. Récemment, SAW a été montré9 pour produire le pompage et le drainage de fluide à l’échelle nanométrique avec une pression acoustique suffisante pour surmonter la dominance des forces de surface et visqueuses qui empêchent autrement le transport efficace de fluide dans les nanocanaux. Le principal avantage du streaming acoustique est sa capacité à générer des flux utiles dans les nanostructures sans se soucier des détails de la chimie de la suspension du fluide ou des particules, ce qui rend les dispositifs qui utilisent cette technique immédiatement utile dans l’analyse biologique, la détection, et d’autres applications physicochimiques.
La fabrication d’appareils nanofluidiques intégrés à SAW nécessite la fabrication des électrodes , le transducteur internumérique (IDT) sur un substrat piézoélectrique, le niobate au lithium10, pour faciliter la production du SAW. La gravure réactive d’ion (RIE) est employée pour former une dépression nanométrique dans une pièce séparée de LN, et la liaison de LN-LN des deux morceaux produit un nanocanal utile. Le processus de fabrication des dispositifs SAW a été présenté dans de nombreuses publications, que ce soit en utilisant la photolithographie ultraviolette normale ou de décollage aux côtés de la clapotis métallique ou du dépôt d’évaporation11. Pour le processus LN RIE pour équerler un canal dans une forme spécifique, les effets sur le taux d’etch et la rugosité de surface finale du canal de choisir différentes orientations LN, matériaux de masque, flux de gaz, et la puissance plasmatique ont été étudiés12,13,14,15,16. L’activation de surface de plasma a été employée pour augmenter de manière significative l’énergie de surface et ainsi améliorer la force de liaison dans des oxydes tels que LN17,18,19,20. Il est également possible de lier hétérogènement LN avec d’autres oxydes, tels que SiO2 (verre) via une méthode de liaison activée par plasma en deux étapes21. La liaison LN-LN à température ambiante, en particulier, a été étudiée à l’aide de différents traitements de nettoyage et d’activation de surface22.
Ici, nous décrivons en détail le processus de fabrication de 40 MHz SAW intégré 100-nm nanocanaux de hauteur, souvent appelé nanoslitcanaux (Figure 1A). Le remplissage capillaire efficace de fluide et le drainage de fluide par l’actionnement de SAW démontrent la validité de la fabrication nanoslitet et de la performance de SAW dans un tel canal nanométrique. Notre approche offre un système nano-acoustofluidique permettant l’étude d’une variété de problèmes physiques et d’applications biologiques.
Protocol
Representative Results
Discussion
La liaison à température ambiante est essentielle à la fabrication d’appareils nanoslitiaux intégrés à SAW. Cinq aspects doivent être pris en considération pour assurer une liaison réussie et une force de liaison suffisante.
Temps et puissance pour l’activation de la surface du plasma
L’augmentation de la puissance plasmatique aidera à augmenter l’énergie de surface et, par conséquent, à augmenter la résistance de liaison. Mais l’inconvénient d’augmenter la p…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs sont reconnaissants à l’Université de Californie et à l’installation NANO3 de l’UC San Diego pour la fourniture de fonds et d’installations à l’appui de ce travail. Ce travail a été effectué en partie à la San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) de l’UCSD, un membre de la National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, qui est soutenu par la National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). Les travaux présentés ici ont été généreusement soutenus par une subvention de recherche de la Fondation W.M. Keck. Les auteurs sont également reconnaissants pour le soutien de ce travail par le Bureau de la recherche navale (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).
