Fabricação de canais de nanoaltura incorporando atuação de onda acústica superficial via Niobate de lítio para nanofluidos acústicos
Summary
Demonstramos fabricação de canais de nanoaltura com a integração de dispositivos de atuação de ondas acústicas de superfície sobre niobate de lítio para nanofluidos acústicos via fotolitografia de decolagem, gravura de íonrere reativo nano-profundidade e plasma de temperatura ambiente ligação multicamada ativada pela superfície de niobate de lítio de cristal único, um processo igualmente útil para ligar niobate de lítio a óxidos.
Abstract
A manipulação controlada de nanoescala de fluidos é considerada excepcionalmente difícil devido ao domínio das forças superficiais e viscosas. Os dispositivos de onda acústica de superfície da mega-hertz (SAW) geram uma tremenda aceleração em sua superfície, até 108 m/s2,por sua vez responsáveis por muitos dos efeitos observados que vieram a definir acólicas: streaming acústico e forças de radiação acústica. Esses efeitos têm sido usados para manipulação de partículas, células e fluidos na microescala, embora mais recentemente saw tenha sido usado para produzir fenômenos semelhantes na nanoescala através de um conjunto totalmente diferente de mecanismos. A manipulação controlável de fluidos nanoescala oferece uma ampla gama de oportunidades em bombeamento de fluidos ultrarrápidos e dinâmicas de biomacromoléculas úteis para aplicações físicas e biológicas. Aqui, demonstramos a fabricação de canais de altura nanoscale através da ligação de niobate de lítio de temperatura ambiente (LN) integrada com um dispositivo SAW. Descrevemos todo o processo experimental, incluindo fabricação de canais nano-altura através de gravura seca, ligação ativada por plasma no niobate de lítio, a configuração óptica apropriada para imagens subsequentes e atuação SAW. Mostramos resultados representativos para o enchimento capilar fluido e drenagem de fluidos em um canal de nanoescala induzido pela SAW. Este procedimento oferece um protocolo prático para fabricação de canais nanoescala e integração com dispositivos SAW úteis para construir para aplicações nanofluidas futuras.
Introduction
O transporte de fluidos nanoescala controláveis em nanocanais,nanofluidos1,ocorre nas mesmas escalas de comprimento da maioria das macromoléculas biológicas, e é promissor para análise biológica e sensoriamento, diagnóstico médico e processamento material. Vários projetos e simulações foram desenvolvidos em nanofluidos para manipular fluidos e suspensões de partículas com base em gradientes de temperatura2, Coulomb arrastando3,ondas superficiais4,campos elétricos estáticos5,6,7, e termofóse8 nos últimos quinze anos. Recentemente, foi mostradoque a SAW produziu bombeamento e drenagem de fluidos nanoescala com pressão acústica suficiente para superar o domínio das forças superficiais e viscosas que de outra forma impedem o transporte eficaz de fluidos em nanocanais. O principal benefício do streaming acústico é sua capacidade de impulsionar o fluxo útil em nanoestruturas sem preocupação com os detalhes da química da suspensão do fluido ou partículas, tornando dispositivos que utilizam essa técnica imediatamente útil em análises biológicas, sensoriamento e outras aplicações físico-químicas.
A fabricação de dispositivos nanofluidos integrados à SERRA requer fabricação dos eletrodos — o transdutor interdigital (IDT) — em um substrato piezoelétrico, niobate de lítio10, para facilitar a geração da SERRA. A gravura de íons reativos (RIE) é usada para formar uma depressão nanoescala em uma peça ln separada, e a ligação LN-LN das duas peças produz um nanocanal útil. O processo de fabricação para dispositivos SAW foi apresentado em muitas publicações, seja usando fotolitografia ultravioleta normal ou decolagem ao lado de sputter de metal ou deposição de evaporação11. Para o processo da LN RIE gravar um canal de forma específica, os efeitos sobre a taxa de gravura e a rugosidade final da superfície do canal de escolher diferentes orientações de LN, materiais de máscara, fluxo de gás e energia plasmática foram investigados12,13,14,15,16. A ativação da superfície plasmática tem sido usada para aumentar significativamente a energia da superfície e, portanto, melhorar a força da ligação em óxidos como LN17,18,19,20. Da mesma forma, é possível ligar ln heterogeneosamente com outros óxidos, como SiO2 (vidro) através de um método de ligação ativado por plasma de duas etapas21. A ligação LN-LN de temperatura ambiente, em particular, foi investigada usando diferentes tratamentos de limpeza e ativação de superfície22.
Aqui, descrevemos em detalhes o processo de fabricação de nanocanais de altura de 100 nm de altura de 40 MHz integrados, muitas vezes chamados de canais nanoslit (Figura 1A). O recheio capilar eficaz e a drenagem de fluidos por atuação SAW demonstram a validade tanto da fabricação nanoslit quanto do desempenho SAW em um canal de nanoescala. Nossa abordagem oferece um sistema nano-acoustofluido que permite a investigação de uma variedade de problemas físicos e aplicações biológicas.
Protocol
Representative Results
Discussion
A ligação com temperatura ambiente é a chave para fabricar dispositivos nanosiluminados integrados ao SAW. Cinco aspectos precisam ser considerados para garantir uma ligação bem sucedida e força de ligação suficiente.
Tempo e energia para ativação da superfície plasmática
Aumentar a energia plasmática ajudará a aumentar a energia da superfície e, consequentemente, aumentar a força de ligação. Mas a desvantagem de aumentar a energia durante a ativação da …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores são gratos à Universidade da Califórnia e às instalações da NANO3 na UC San Diego pela provisão de fundos e instalações em apoio a este trabalho. Este trabalho foi realizado em parte na San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) da UCSD, membro da National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, que é apoiada pela Fundação Nacional de Ciência (Grant ECCS-1542148). O trabalho aqui apresentado foi generosamente apoiado por uma bolsa de pesquisa da Fundação W.M. Keck. Os autores também são gratos pelo apoio deste trabalho pelo Escritório de Pesquisa Naval (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" |
Riferimenti
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