تصنيع قنوات Nanoheight دمج الموجات الصوتية السطحية الفعالة عبر الليثيوم نيوبات للنانوfluidics الصوتية
Summary
نحن نبرهن على تصنيع قنوات nanoheight مع دمج أجهزة تشغيل الموجات الصوتية السطحية على النيوبات الليثيوم للسائل النانوي الصوتي عبر الليليثالضوئي الإقلاع الضوئي ، وحفر الأيونات التفاعلي على عمق النانو ، والبلازما درجة حرارة الغرفة الترابط متعدد الطبقات المنشط على السطح من النيوبات الليثيوم أحادي الكريستال ، وهي عملية مفيدة بالمثل لترابط النيوبات الليثيوم إلى الأكاسيد.
Abstract
ومن المعروف أن التلاعب النانوي الخاضع للرقابة من السوائل يكون صعبًا بشكل استثنائي بسبب هيمنة القوى السطحية واللزجة. ميجاهيرتز من أجل أجهزة الموجة الصوتية السطحية (SAW) تولد تسارعًا هائلًا على سطحها ، حتى 108 م / 82، مسؤولة بدورها عن العديد من التأثيرات الملاحظة التي أصبحت تحدد الموجات الصوتية: التدفق الصوتي وقوى الإشعاع الصوتي. وقد استخدمت هذه الآثار للجسيمات والخلايا، والتلاعب السوائل على نطاق صغير، على الرغم من أن في الآونة الأخيرة وقد استخدمت SAW لإنتاج ظواهر مماثلة على نطاق النانو من خلال مجموعة مختلفة تماما من الآليات. يوفر التلاعب بالسوائل النانوية القابلة للتحكم مجموعة واسعة من الفرص في ضخ السوائل فائقة السرعة وديناميكيات الجزيئات الحيوية المفيدة للتطبيقات الفيزيائية والبيولوجية. هنا، ونحن نشرح تصنيع قناة نانو-ارتفاع عبر درجة حرارة الغرفة الليثيوم niobate (LN) الترابط متكاملة مع جهاز SAW. نحن نصف العملية التجريبية بأكملها بما في ذلك تصنيع قناة نانو الارتفاع عن طريق الحفر الجاف ، والترابط المنشط بالبلازما على النيوبات الليثيوم ، والإعداد البصري المناسب للتصوير اللاحق ، وتنشيط SAW. نعرض نتائج تمثيلية لملء الشعيرات الدموية السائلة وتصريف السوائل في قناة نانوية الحجم ناتجة عن SAW. يقدم هذا الإجراء بروتوكولًا عمليًا لتصنيع القنوات النانوية والتكامل مع أجهزة SAW المفيدة للبناء عليها لتطبيقات nanofluidics المستقبلية.
Introduction
يحدث نقل السوائل النانوية القابلة للتحكم في القنوات النانوية —النانووية السائلة1— على نفس مقاييس الطول مثل معظم الجزيئات البيولوجية، وهو واعد للتحليل والاستشعار البيولوجيين، والتشخيص الطبي، ومعالجة المواد. وقد وضعت تصاميم مختلفة والمحاكاة في nanofluidics للتلاعب السوائل وتعليق الجسيمات على أساس درجة الحرارة التدرجات2، كولوم سحب3، موجات سطحية4، الحقول الكهربائية الساكنة5،6،7، وthermophoresis8 على مدى السنوات الخمس عشرة الماضية. في الآونة الأخيرة ، وقد تبين SAW9 لإنتاج ضخ السوائل النانوية واستنزاف مع الضغط الصوتي الكافي للتغلب على هيمنة القوى السطحية واللزجة التي تمنع نقل السوائل الفعالة في القنوات النانوية. الفائدة الرئيسية من تدفق الصوتية هو قدرته على دفع تدفق مفيدة في الهياكل النانوية دون القلق بشأن تفاصيل الكيمياء من تعليق السائل أو الجسيمات، مما يجعل الأجهزة التي تستخدم هذه التقنية مفيدة على الفور في التحليل البيولوجي، والاستشعار، وغيرها من التطبيقات الفيزيائية الكيميائية.
يتطلب تصنيع الأجهزة النانوية المدمجة SAW تصنيع الأقطاب الكهربائية – محول رقمي (IDT) – على ركيزة كهربائية ، ليثيوم نيوبات10، لتسهيل توليد SAW. يتم استخدام النقش الأيوني التفاعلي (RIE) لتشكيل منخفض نانوي في قطعة LN منفصلة ، والربط LN-LN من القطعتين تنتج nanochannel مفيدة. وقد تم عرض عملية تصنيع أجهزة SAW في العديد من المنشورات ، سواء باستخدام الطباعة الضوئية الطبيعية أو الرفع فوق البنفسجية إلى جانب الترسب المعدني أو ترسب التبخر11. لعملية LN RIE لحفر قناة في شكل معين، والآثار على معدل حفر وخشونة سطح القناة النهائي من اختيار التوجهات LN مختلفة، والمواد قناع، وتدفق الغاز، والطاقة البلازما وقد تم التحقيق12،13،14،15، 16. وقد استخدم تنشيط سطح البلازما لزيادة الطاقة السطحية بشكل كبير، وبالتالي تحسين قوة الترابط في أكاسيد مثل LN17،18،19،20. وبالمثل فمن الممكن لغير متجانس السندات LN مع أكاسيد أخرى، مثل SiO2 (الزجاج) عن طريق اثنين من خطوتين البلازما تنشيط طريقة الترابط21. الغرفة درجة حرارة LN-LN الترابط، على وجه الخصوص، وقد تم التحقيق باستخدام مختلف معالجات التنظيف وتنشيط السطح22.
هنا ، ونحن نصف بالتفصيل عملية لتصنيع 40 ميغاهرتز SAW المتكاملة 100 نانومتر الارتفاع القنوات النانوية ، وغالبا ما تسمى قنوات nanoslit (الشكل 1ألف). فعالية السوائل الشعيرات الدموية ملء واستنزاف السوائل عن طريق الكفاءة SAW يدل على صحة كل من تصنيع nanoslit وأداء SAW في مثل هذه القناة النانوية. نهجنا يقدم نظام نانو acoustofluidic تمكين التحقيق في مجموعة متنوعة من المشاكل الفيزيائية والتطبيقات البيولوجية.
Protocol
Representative Results
Discussion
الترابط درجة حرارة الغرفة هو المفتاح لتصنيع أجهزة nanoslit المتكاملة SAW. وينبغي النظر في خمسة جوانب لضمان الترابط الناجح وقوة الترابط الكافية.
الوقت والطاقة لتنشيط سطح البلازما
زيادة طاقة البلازما سوف تساعد على زيادة الطاقة السطحية وبالتالي زيادة قوة الترابط. ولكن ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويعرب المؤلفون عن امتنانهم لجامعة كاليفورنيا ومرفق NANO3 في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو لتوفيرهما الأموال والتسهيلات لدعم هذا العمل. تم تنفيذ هذا العمل جزئيًا في البنية التحتية للتكنولوجيا النانوية في سان دييغو (SDNI) في UCSD ، وهي عضو في البنية التحتية الوطنية المنسقة لتكنولوجيا النانو ، والتي تدعمها المؤسسة الوطنية للعلوم (Grant ECCS -1542148). وقد تم دعم العمل المقدم هنا بسخاء من خلال منحة بحثية من مؤسسة W.M. Keck. كما يشعر المؤلفون بالامتنان لدعم هذا العمل من قبل مكتب البحوث البحرية (عن طريق المنحة 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).
