음향 나노 유체학용 리튬 니오바테를 통한 표면 음향파 작동을 통합한 나노높이 채널 제조
Summary
리프오프 포토리소그래피, 나노 깊이 반응성 이온 에칭 및 실온 플라즈마를 통해 음향 나노 유체학용 리튬 니오베이트에 표면 음향파 작동 장치를 통합하여 나노 높이 채널의 제조를 시연합니다. 단결정 리튬 niobate의 표면 활성화 다층 결합, 산화물에 리튬 niobate 결합에 유사하게 유용한 공정.
Abstract
유체의 제어 나노 스케일 조작은 표면과 점성 력의 지배로 인해 매우 어려운 것으로 알려져 있습니다. Megahertz 순서 표면 음향파(SAW) 장치는 최대 108m/s 2의표면에 엄청난 가속을 발생시켜 음향 스트리밍 및 음향 방사선력과 같은 음향 유체학을 정의하기 위해 많은 관찰된 효과를 담당합니다. 이러한 효과 마이크로 스케일에서 입자, 세포 및 유체 조작에 대 한 사용 되었습니다., 비록 더 최근 SAW 메커니즘의 완전히 다른 세트를 통해 나노 규모에서 비슷한 현상을 생산 하는 데 사용 되었습니다. 제어 가능한 나노 스케일 유체 조작은 물리적 및 생물학적 응용 분야에 유용한 초고속 유체 펌핑 및 생체 분자 역학에서 광범위한 기회를 제공합니다. 여기에서는 SAW 장치와 통합된 실온 리튬 니오바테(LN) 본딩을 통해 나노 스케일 높이 채널 제조를 시연합니다. 우리는 건식 에칭을 통한 나노 높이 채널 제작, 리튬 니오바테의 플라즈마 활성화 접합, 후속 이미징을 위한 적절한 광학 설정 및 SAW 작동을 포함한 전체 실험 과정을 설명합니다. 우리는 SAW에 의해 유도된 나노 스케일 채널에서 유체 모세관 충진 및 유체 배수에 대한 대표적인 결과를 보여줍니다. 이 절차는 미래의 나노 유체 공학 응용 분야에 기반을 두는 데 유용한 SAW 장치와의 나노 스케일 채널 제조 및 통합을위한 실용적인 프로토콜을 제공합니다.
Introduction
나노 채널에서 제어 가능한 나노 스케일 유체 수송 –나노 유체 공학1– 대부분의 생물학적 거대 분자와 동일한 길이 척도에서 발생하며 생물학적 분석 및 감지, 의료 진단 및 재료 처리를 약속합니다. 다양한 설계 및 시뮬레이션은 지난 15 년 동안 온도 구배2,쿨롱 드래그3,표면 파4,정적 전기장5,6,7및 열중포기8에 따라 유체 및 입자 현탁액을 조작하기 위해 나노 유체학에서 개발되었습니다. 최근 SAW는 나노 채널에서 효과적인 유체 수송을 방지하는 표면 및 점성 력의 지배력을 극복하기에 충분한 음향 압력으로 나노 스케일 유체 펌핑 및 배수를 생산하는것으로 나타났습니다. 음향 스트리밍의 주요 이점은 유체 또는 입자 현탁액의 화학 세부 사항에 대한 우려없이 나노 구조의 유용한 흐름을 구동할 수 있다는 점이며, 이 기술을 활용하는 장치를 생물학적 분석, 감지 및 기타 물리 화학 응용 분야에서 즉시 유용하게 사용할 수 있다는 것입니다.
SAW 통합 나노 유체 장치를 제조하려면 SAW 생성을 용이하게 하기 위해 압전 기판, 리튬 니오바테10에있는 디지털 트랜스듀서(IDT)와 같은 전극을 제조해야 합니다. 반응성 이온 에칭(RIE)은 별도의 LN 피스에서 나노스케일 우울증을 형성하는데 사용되며, 두 조각의 LN-LN 접합은 유용한 나노채널을 생성한다. SAW 디바이스에 대한 제조 공정은 금속 스퍼터 또는 증발증착(11)과함께 정상 또는 리프트 오프 자외선 포토리소그래피를 사용하든, 많은 간행물에서 제시되었다. 특정 형상으로 채널을 에칭하는 LN RIE 공정의 경우, 다른 LN 배향, 마스크 재료, 가스 흐름 및 플라즈마 전력을 선택하여 식각 속도 및 채널의 최종 표면 거칠기에 미치는 영향은12,13,14,15,16으로조사되었다. 플라즈마 표면 활성화는 표면 에너지를 크게 증가시키고 따라서 LN17,18,19,20과같은 산화물의 접합 강도를 향상시키는 데 사용되었습니다. 마찬가지로 2단계 플라즈마 활성화 접합방법(21)을통해 SiO 2(유리)와 같은 다른 산화물과 LN을 이질적으로 결합할 수 있다. 실온 LN-LN 본딩은 특히, 상이한 세정 및 표면 활성화처리(22)를사용하여 조사되었다.
여기서, 우리는 40 MHzSAW 통합 100-nm 높이 나노 채널을 제조하는 과정을 상세히 설명하며, 종종 나노슬릿 채널이라고합니다(그림 1A). SAW 작동에 의한 효과적인 유체 모세관 충진 및 유체 배수는 이러한 나노 스케일 채널에서 나노슬릿 제조 및 SAW 성능의 타당성을 입증합니다. 우리의 접근 방식은 다양한 물리적 문제 및 생물학적 응용 에 대한 조사를 가능하게하는 나노 acoustofluidic 시스템을 제공합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
실온 접합은 SAW 통합 나노슬릿 장치를 제작하는 데 핵심적인 핵심입니다. 성공적인 접합과 충분한 접합 강도를 보장하기 위해서는 다섯 가지 측면을 고려해야 합니다.
플라즈마 표면 활성화를 위한 시간 및 전력
플라즈마 전력을 증가하면 표면 에너지를 증가시키고 그에 따라 접합 강도를 증가시키는 데 도움이됩니다. 그러나 플라즈마 표면 활성화 시 전력을 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 이 일을 지원하는 자금과 시설의 제공에 대한 캘리포니아 대학과 UC 샌디에고의 NANO3 시설에 감사드립니다. 이 작품은 UCSD의 샌디에고 나노 기술 인프라 (SDNI)에서 부분적으로 수행되었다, 국립 나노 기술 조정 인프라의 회원, 이는 국립 과학 재단에 의해 지원되는 (그랜트 ECCS-1542148). 여기에 제시된 작품은 W.M. Keck 재단의 연구 보조금에 의해 아낌없이 지원되었습니다. 저자는 또한 해군 연구실 (그랜트 12368098을 통해)에 의해이 작품의 지원에 감사드립니다.
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" |
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