Fabbricazione di canali Nanoheight che incorporano l'atuazione delle onde acustiche superficiali tramite Litio Niobate per la Nanofluidica acustica
Summary
Dimostriamo la fabbricazione di canali nanoheight con l’integrazione di dispositivi di azionamento delle onde acustiche superficiali su niobate al litio per nanofluidici acustici tramite fotolitografia di decollo, incisione di ioni reattivi nano-profondità e plasma a temperatura ambiente l’incollaggio multistrato attivo dalla superficie del niobate di litio monocristallo, un processo altrettanto utile per l’associazione di niobate al litio agli ossidi.
Abstract
La manipolazione controllata su nanoscala dei fluidi è nota per essere eccezionalmente difficile a causa del predominio delle forze superficiali e viscose. I dispositivi saw (Megahertz-order surface acoustic wave) generano un’enorme accelerazione sulla loro superficie, fino a 108 m/s2, a sua volta responsabile di molti degli effetti osservati che sono venuti a definire acoustofluidici: lo streaming acustico e le forze di radiazione acustica. Questi effetti sono stati utilizzati per la manipolazione di particelle, cellule e fluidi su microscala, anche se più recentemente SAW è stato utilizzato per produrre fenomeni simili su nanoscala attraverso un insieme completamente diverso di meccanismi. La manipolazione controllabile dei fluidi su nanoscala offre un’ampia gamma di opportunità nel pompaggio di fluidi ultraveloci e nelle dinamiche delle biomacromolecole utili per applicazioni fisiche e biologiche. Qui, dimostriamo la fabbricazione del canale su nanoscala tramite l’incollaggio di litio niobate (LN) a temperatura ambiente integrato con un dispositivo SAW. Descriviamo l’intero processo sperimentale, inclusa la fabbricazione di un canale nano-altezza tramite incisione a secco, incollaggio attivato al plasma sul niobate al litio, la configurazione ottica appropriata per la successiva imaging e l’azionamento SAW. Mostriamo risultati rappresentativi per il riempimento capillare fluido e il drenaggio dei fluidi in un canale su nanoscala indotto da SAW. Questa procedura offre un protocollo pratico per la fabbricazione e l’integrazione di canali su nanoscala con dispositivi SAW utile per costruire per future applicazioni nanofluidiche.
Introduction
Il trasporto controllabile di fluidi su nanoscala nei nanocanali ,nanofluidics1, avviene sulle stesse scale di lunghezza della maggior parte delle macromolecole biologiche ed è promettente per l’analisi biologica e il rilevamento, la diagnosi medica e la lavorazione dei materiali. Vari progetti e simulazioni sono stati sviluppati in nanofluidica per manipolare fluidi e sospensioni di particelle in base agradienti di temperatura2, Coulomb trascinando3, onde superficiali4, campi elettrici statici5,6,7, e termoforesi8 negli ultimi quindici anni. Recentemente, SAW ha dimostrato9 per produrre il pompaggio e il drenaggio di fluidi su nanoscala con sufficiente pressione acustica per superare il predominio delle forze superficiali e viscose che altrimenti impediscono un efficace trasporto dei fluidi nei nanocanali. Il vantaggio principale dello streaming acustico è la sua capacità di guidare il flusso utile nelle nanostrutture senza preoccuparsi dei dettagli della chimica della sospensione di liquidi o particelle, rendendo i dispositivi che utilizzano questa tecnica immediatamente utile nell’analisi biologica, rilevamento e altre applicazioni fisiologiche.
La fabbricazione di dispositivi nanofluidici integrati in SAW richiede la fabbricazione degli elettrodi ( il trasduttore interdigitale (IDT) – su un substrato piezoelettrico, il litio niobate10, per facilitare la generazione del SAW. L’incisione a ioni reattiva (RIE) viene utilizzata per formare una depressione su nanoscala in un pezzo LN separato, e il legame LN-LN dei due pezzi produce un nanocanale utile. Il processo di fabbricazione per i dispositivi SAW è stato presentato in molte pubblicazioni, sia utilizzando la fotolitografia ultravioletta normale o di decollo a fianco di sputter metallico o deposizione di evaporazione11. Per il processo LN RIE per incidere un canale in una forma specifica, gli effetti sulla velocità di incisione e la rugosità finale della superficie del canale dalla scelta di diversi orientamenti LN, materiali maschera, flusso di gas, e la potenza del plasma sono stati studiati12,13,14,15,16. L’attivazione della superficie al plasma è stata utilizzata per aumentare significativamente l’energia superficiale e quindi migliorare la forza di incollaggio in ossidi come LN17,18,19,20. È anche possibile legare eterogeneamente LN con altri ossidi, come SiO2 (vetro) tramite un metodo di incollaggio attivato al plasma in due fasi21. L’incollaggio LN-LN a temperatura ambiente, in particolare, è stato studiato utilizzando diversi trattamenti di pulizia e attivazione della superficie22.
Qui viene descritto in dettaglio il processo di fabbricazione di nanocanali di altezza a 100 nm integrati in SAW a 40 MHz, spesso denominati canali nanoslit (Figura 1A). Un efficace riempimento capillare fluido e drenaggio fluido mediante l’azionamento SAW dimostra la validità sia della fabbricazione nanoslitche che delle prestazioni SAW in un canale su nanoscala. Il nostro approccio offre un sistema nano-acoustofluidico che consente di scavare una varietà di problemi fisici e applicazioni biologiche.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’incollaggio a temperatura ambiente è fondamentale per fabbricare dispositivi nanoslit integrati in SAW. Cinque aspetti devono essere considerati per garantire un legame di successo e una forza di legame sufficiente.
Tempo e potenza per l’attivazione della superficie al plasma
Aumentare la potenza plasmatica contribuirà ad aumentare l’energia superficiale e di conseguenza ad aumentare la forza di legame. Ma lo svantaggio di aumentare la potenza durante l’attivazione dell…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori sono grati alla struttura dell’Università della California e alla struttura NANO3 dell’UNIVERSITÀ di San Diego per la fornitura di fondi e strutture a sostegno di questo lavoro. Questo lavoro è stato eseguito in parte presso la San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) dell’UCSD, membro della National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, che è supportata dalla National Science Foundation (Grant ECCS–1542148). Il lavoro qui presentato è stato generosamente sostenuto da una sovvenzione di ricerca della W.M. Keck Foundation. Gli autori sono anche grati per il sostegno di questo lavoro da parte dell’Ufficio di Ricerca Navale (tramite 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" |
Riferimenti
- 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).
