Fabricación de canales de nanoaltura que incorporan la actuación de onda acústica superficial a través de niobato de litio para nanofluídicos acústicos
Summary
Demostramos la fabricación de canales de nanoaltura con la integración de dispositivos de accionamiento de ondas acústicas superficiales sobre niobato de litio para nanofluídicos acústicos a través de fotolitografía de despegue, grabado de iones reactivos de nanoprofundidad y plasma a temperatura ambiente la unión multicapa activada por superficie de niobato de litio de un solo cristal, un proceso igualmente útil para unir el niobato de litio a los óxidos.
Abstract
Se sabe que la manipulación controlada a nanoescala de fluidos es excepcionalmente difícil debido al dominio de las fuerzas superficiales y viscosas. Los dispositivos de onda acústica superficial (SAW) de orden Megahertz generan una tremenda aceleración en su superficie, hasta 108 m/s2, a su vez responsables de muchos de los efectos observados que han llegado a definir acoustofluics: transmisión acústica y fuerzas de radiación acústica. Estos efectos se han utilizado para la manipulación de partículas, células y fluidos a microescala, aunque más recientemente SAW se ha utilizado para producir fenómenos similares a escala nanométrica a través de un conjunto completamente diferente de mecanismos. La manipulación de fluidos a nanoescala controlable ofrece una amplia gama de oportunidades en el bombeo de fluidos ultrarrápidos y la dinámica de biomacromoléculas útiles para aplicaciones físicas y biológicas. Aquí, demostramos la fabricación de canales de nanoescala de altura a través de la unión de niobato de litio (LN) a temperatura ambiente integrada con un dispositivo SAW. Describimos todo el proceso experimental, incluida la fabricación de canales de nanoaltura a través de grabado en seco, unión activada por plasma en niobato de litio, la configuración óptica adecuada para imágenes posteriores y el accionamiento SAW. Mostramos resultados representativos para el llenado capilar de fluidos y el drenaje de fluidos en un canal a nanoescala inducido por SAW. Este procedimiento ofrece un protocolo práctico para la fabricación e integración de canales a nanoescala con dispositivos SAW útiles para aprovechar para futuras aplicaciones de nanofluídicos.
Introduction
El transporte de fluidos a nanoescala controlable ennanocanales —nanofluídicos1—se produce en las mismas escalas de longitud que la mayoría de las macromoléculas biológicas, y es prometedor para el análisis biológico y la identificación, el diagnóstico médico y el procesamiento de materiales. Se han desarrollado diversos diseños y simulaciones en nanofluidos para manipular fluidos y suspensiones de partículas basadas en gradientes de temperatura2, Coulomb arrastrando3, ondas superficiales4, campos eléctricos estáticos5,6,7y termoforesis8 en los últimos quince años. Recientemente, SAW ha demostrado9 para producir bombeo de fluidos a nanoescala y drenaje con suficiente presión acústica para superar el dominio de la superficie y las fuerzas viscosas que de otra manera impiden el transporte eficaz de fluidos en nanocanales. El principal beneficio de la transmisión acústica es su capacidad para impulsar el flujo útil en nanoestructuras sin preocuparse por los detalles de la química de la suspensión de fluidos o partículas, haciendo que los dispositivos que utilizan esta técnica sean inmediatamente útiles en el análisis biológico, la detección y otras aplicaciones fisicoquímicas.
La fabricación de dispositivos nanofluídicos integrados en SAW requiere la fabricación de los electrodos, el transductor interdigital (IDT), sobre un sustrato piezoeléctrico, niobato de litio10,para facilitar la generación del SAW. El grabado de iones reactivos (RIE) se utiliza para formar una depresión a nanoescala en una pieza LN separada, y la unión LN-LN de las dos piezas produce un nanocanal útil. El proceso de fabricación de dispositivos SAW se ha presentado en muchas publicaciones, ya sea utilizando fotolitografía ultravioleta normal o de despegue junto con el sputter metálico o la deposición de evaporación11. Para que el proceso lN RIE se grabara un canal de forma específica, se han investigado los efectos sobre la velocidad de etch y la rugosidad de la superficie final del canal de elegir diferentes orientaciones LN, materiales de máscara, flujo de gas y potencia de plasma12,13,14,15,16. La activación de la superficie de plasma se ha utilizado para aumentar significativamente la energía superficial y, por lo tanto, mejorar la resistencia de la unión en óxidos como LN17,18,19,20. También es posible unir heterogéneamente LN con otros óxidos, como SiO2 (vidrio) a través de un método de unión activado por plasma de dos pasos21. La unión LN-LN a temperatura ambiente, en particular, se ha investigado utilizando diferentes tratamientos de limpieza y activación superficial22.
Aquí, describimos en detalle el proceso para fabricar nanocanales de altura de 100 nm integrados en SAW de 40 MHz, a menudo llamados canales nanosluz (Figura 1A). El llenado capilar de fluido eficaz y el drenaje de fluidos mediante accionamiento SAW demuestran la validez tanto de la fabricación nanoslit como del rendimiento de SAW en un canal de tan nanoescala. Nuestro enfoque ofrece un sistema nano-acoustofluic que permite la investigación de una variedad de problemas físicos y aplicaciones biológicas.
Protocol
Representative Results
Discussion
La unión a temperatura ambiente es clave para fabricar dispositivos nanosiluminados integrados en SAW. Es necesario tener en cuenta cinco aspectos para garantizar un éxito de unión y una resistencia suficiente a la unión.
Tiempo y potencia para la activación de la superficie de plasma
Aumentar la potencia del plasma ayudará a aumentar la energía de la superficie y, en consecuencia, aumentar la fuerza de unión. Pero la desventaja de aumentar la potencia durante la ac…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores están agradecidos a la Universidad de California y a las instalaciones de NANO3 en UC San Diego por la provisión de fondos e instalaciones en apoyo de este trabajo. Este trabajo se realizó en parte en la Infraestructura de Nanotecnología de San Diego (SDNI) de UCSD, miembro de la Infraestructura Coordinada Nacional de Nanotecnología, que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias (Grant ECCS–1542148). El trabajo presentado aquí fue generosamente apoyado por una beca de investigación de la Fundación W.M. Keck. Los autores también están agradecidos por el apoyo de esta obra por parte de la Oficina de Investigación Naval (a través de la Subvención 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).
