ייצור חללים ננומטריים אחידים באמצעות מליטה וופל ישיר סיליקון

כאשר ופלים סיליקון נקיים מובאים במגע אינטימי ב RT, הם נמשכים זה לזה באמצעות כוחות ואן דר ואלס ויוצרים קשרים מקומיים חלשים. מליטה זו יכולה להיות הרבה יותר חזקה על ידי חישול בטמפרטורות גבוהות יותר^5,6. מליטה יכולה להיעשות בהצלחה עם משטחים של SiO₂ כדי Si או SiO₂ כדי SiO₂. מליטה של ופלים Si משמשים בדרך כלל עבור סיליקון על מכשירי מבודד, חיישנים מבוססי סיליקון מפעילים, והתקנים אופטיים⁷. העבודה המתוארת כאן לוקחת וופל מליטה ישירה בכיוון אחר על ידי שימוש בו כדי להשיג מארזים מוגדרים היטב במרווחים אחידים על פני כל שטח הוופל^8,9. לאחר גיאומטריה מוגדרת היטב שבו נוזל יכול להיות הציג מאפשר מדידות להתבצע על מנת לקבוע את ההשפעה של הכליאה על המאפיינים של הנוזל. ניתן ללמוד זרימות הידרודינמיות שבהן ניתן לשלוט בממד הקטן מעשרות ננומטר למספר מיקרומטרים.

SiO₂ ניתן לגדל על ופלים Si באמצעות תהליך תחמוצת תרמית רטובה או יבשה בתנור. לאחר מכן ניתן לתבנית ולחרוט את ה- SiO₂ לפי הצורך באמצעות טכניקות ליתוגרפיות. דפוסים שהיו בשימוש בעבודתנו כוללים תבנית של פוסטי תמיכה במרווחים נרחבים שתוצאתם חיבור בגיאומטריה של מישור או סרט (ראו איור 1). יש לנו גם ערוצים בדוגמאות למאפיינים חד-ממדיים ומעצי תיבות, של (1 מיקרומטר)³ או (2 מיקרומטר)³ ממד¹ (ראה איור 2). בעת עיצוב כליאה עם קופסאות, בדרך כלל 10-60 מיליון על רקיק, צריכה להיות דרך למלא את כל הקופסאות הבודדות. דפוס נפרד של הוופל העליון עם עיצוב שעומד משני הוופלים על ידי 30 ננומטר או יותר מאפשר זאת. לחלופין, באופן שווה, ניתן לעצב ערוצים רדודים על הוופל העליון כך שכל התיבות מקושרות. עובי תחמוצת גדל על הוופל העליון שונה מזה על הוופל התחתון. זה מוסיף מידה נוספת של גמישות ומורכבות לעיצוב. היכולת לדפוס את שני הוופלים מאפשרת לממש מגוון גדול יותר של גיאומטריות כליאה.

גודל התכונות הגיאומטריות בופלים או בתאים מלוכדים אלה עשוי להשתנות. תאים עם סרטים מישוריים קטנים כמו 30 ננומטר נעשו בהצלחה^10,11. בעוביים שמתחת לזה, overbonding יכול להתרחש לפיה הוופלים להתכופף סביב עמדות התמיכה ובכך “איטום” התא. לאחרונה, סדרה של מדידות על נוזל ⁴הוא בוצע עם מערך של (2 מיקרומטר)^{3 תיבות} עם מרחק הפרדה משתנה ביניהם^10,12. תכונות הרבה יותר גדול לעומק מאשר 2 מיקרומטר אינם מעשיים מאוד בשל משך הזמן הגובר הנדרש כדי לגדל את תחמוצת. עם זאת, מדידות נעשו עם תחמוצת עבה כמו 3.9 מיקרומטר⁹. המגבלות על הקטנות של הממד לרוחב נובעות מגבולות יכולות הליטוגרפיה. המגבלה לגדולת הממד לרוחב נקבעת לפי גודל הוופל. יצרנו בהצלחה תאים מישוריים שבהם הממד לרוחב השתרע כמעט על קוטר הוופל כולו, אך באותה קלות ניתן היה לדמיין דפוס של כמה מבנים קטנים יותר בסדר גודל של עשרות ננומטרים ברוחב. עם זאת מבנים כאלה ידרשו ליטוגרפיה של קרן אלקטרונית. לא עשינו את זה כרגע.

בכל העבודה שלנו הוופלים מלוכדים יצרו מארז ואקום הדוק. זה מושג על ידי שמירה על תחמוצת בדוגמת טבעת מוצקה של SiO₂ של 3-4 מ”מ רוחב בהיקף של הוופל, ראה איור 1. זה, עם מליטה, יוצר חותם הדוק. עיצוב זה יכול להיות שונה בקלות אם אחד היו מעוניינים במחקרים הידרודינמיים הדורשים קלט ותפוקה.

הלחץ המתפרץ של התאים המודבקים נבדק גם הוא. מצאנו כי עם 375 μm עבה ופלים, לחץ עד כתשע אטמוספרות ניתן ליישם. עם זאת, לא למדנו כיצד ניתן לשפר זאת על ידי מליטה על פני אזורי תחמוצת גדולים יותר או, אולי, עבור ופלים עבים יותר.

ההליך ל interfacing תאי הסיליקון לקו מילוי ואת הטכניקות למדידת המאפיינים של הליום מוגבל בטמפרטורה נמוכה ניתנת מהטה ואח ‘. ² וגספריני ואח ‘. ¹³ נציין כי שינויים בממד הליניארי לסיליקון הם רק 0.02% עם קירור התאים¹⁴. זה זניח עבור הדפוסים שנוצרו ב- RT.