הייצור של ערוצי ננו גובה שילוב הופעה גל אקוסטי המשטח באמצעות ליתיום Niobate אקוסטית הננו לוקדיה
Summary
אנו מדגימים הייצור של ערוצי ננו-גובה עם שילוב של התקנים משטח אקוסטית גל התקן על ליתיום niobate אקוסטית עבור nanofluidics המראה באמצעות פוטוגרפיה, ננו-עומק בחריטה על האור, ו-טמפרטורת החדר פלזמה הפעלה מרובת שכבות של משטח של ליתיום niobate חד-גביש, תהליך שימושי באופן דומה כדי מליטה ליתיום niobate תחמוצות.
Abstract
מניפולציה ננו מבוקרת של נוזלים ידוע להיות קשה במיוחד בשל הדומיננטיות של משטח וכוחות צמיגה. מכשירי מגה-הרץ-הזמנה גל אקוסטי (מסור) התקנים ליצור תאוצה אדירה על פני השטח שלהם, עד 108 מ מ 2, בתורו אחראי רבים של ההשפעות שנצפו שבאו להגדיר אתהשני: הזרמת אקוסטית וכוחות קרינה אקוסטית. אפקטים אלה שימשו עבור חלקיקים, תא, מניפולציה נוזלים בקנה מידה, אם כי לאחרונה מסור כבר נעשה שימוש כדי לייצר תופעות דומות בסולם הננו באמצעות קבוצה שונה לחלוטין של מנגנונים. מניפולציה הנוזלים ננו בקנה מידה מציע מגוון רחב של הזדמנויות ב-רביים שאיבה וביואקרוולאואכאואואואואויואויואויואואויוולאותרפיה שימושי עבור יישומים פיזיים כאן, אנו מדגימים את הייצור הננו-גובה ערוץ באמצעות ליתיום בטמפרטורת החדר (LN) מליטה משולבת עם מכשיר מסור. אנו מתארים את כל התהליך הניסיוני כולל ייצור ננו גובה הערוץ באמצעות תחריט יבש, פלזמה מופעל התחברות על ליתיום niobate, ההתקנה האופטית המתאימה עבור הדמיה הבאים, ו הופעה מראה. אנו מציגים תוצאות נציג עבור מילוי נימי נוזלים ונוזלים ניקוז בערוץ ננו הנגרמת על ידי מסור. הליך זה מציע פרוטוקול מעשי עבור הייצור של ערוץ ננו בקנה מידה ואינטגרציה עם התקנים מסור שימושי כדי לבנות על יישומים nanofluiאידיקה עתידיים.
Introduction
העברת נוזלים ננו-סקאלה לשליטה בננו-ערוצים —nanofluidics1— מתרחשת על אותו קשקשים באורך כמו רוב הקרו הביולוגי, והוא מבטיח ניתוח ביולוגי חישה, אבחון רפואי, עיבוד חומרים. עיצובים וסימולציות שונות פותחו ב-nanofluidics כדי לטפל בנוזלים ובשעיות החלקיקים על בסיס מעברי טמפרטורה2, כקולון גורר3, גלי שטח4, שדות חשמליים סטטיים5,6,7, ו תרמוהורזיס8 במשך 15 השנים האחרונות. לאחרונה, ראיתי כבר הראו9 כדי לייצר ננו שאיבה נוזלים ומרוקן עם הלחץ האקוסטי מספיק כדי להתגבר על הדומיננטיות של משטח וכוחות צמימים כי אחרת למנוע הובלה נוזלית יעילה ב ננומטרי. היתרון העיקרי של הזרמת אקוסטי היא היכולת לנהוג בזרימה שימושית במבנים ננו מבלי לדאוג לגבי פרטי הכימיה של מתלה הנוזל או החלקיקים, מה שהופך את המכשירים לנצל את הטכניקה באופן מיידי שימושי בניתוח ביולוגי, חישה, ויישומים אחרים פיזיקליים.
הייצור של התקנים משולבים nanofluidic דורש הייצור של אלקטרודות- מתמר interdigital (IDT)-על מצע פיזואלקטריים, ליתיום niobate10, כדי להקל על יצירת המסור. תחריט של יון תגובתית (RIE) משמש ליצירת דיכאון ננו בחתיכה נפרדת, ו-ln-in התחברות של שתי החתיכות מייצרת ננומטרי שימושי. תהליך הייצור עבור התקנים מסור הוצג בפרסומים רבים, בין אם באמצעות רגיל או להרים את הפוטוגרפיה אולטרה סגולה לצד מתכת או התאיידות להסיר11. לתהליך in RIE לחרוט ערוץ בצורה מסוימת, את ההשפעות על שיעור האיכול ואת פני השטח הסופי של הערוץ מבחירת בכיוונים שונים בתוך, חומרי מסיכה, זרימת גז, וכוח פלזמה נחקרו12,13,14,15,16. משטח פלזמה הפעלה שימש באופן משמעותי להגדיל את אנרגיית השטח ולכן לשפר את החוזק של התחברות תחמוצות כגון בתוך17,18,19,20. כמו כן ניתן ליצור קשר עם תחמוצות אחרות ב-LN, כגון SiO2 (זכוכית) באמצעות שיטת מליטה דו-שיטית המופעלת על-ידי פלזמה21. טמפרטורת החדר מתחברים, בפרט, נחקר תוך שימוש בטיפולים שונים של ניקוי ומשטח הפעלה22.
כאן, אנו מתארים בפירוט את התהליך כדי להמציא 40 MHz משולב משולבים 100-ננומטר גובה ננוערוצים, הנקרא לעתים קרובות ערוצי nanoslit (איור 1א). מילוי נימי נוזלי אפקטיבי ומרוקן נוזלים באמצעות מראה הופעה מדגים את תוקפו של ייצור nanoslit הן ביצועים מסור בערוץ כזה ננו-סולם. הגישה שלנו מציעה מערכת ננו-שוטטיות המאפשרת חקירה של מגוון בעיות פיזיות ויישומים ביולוגיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
מליטה בטמפרטורת החדר היא המפתח. לבדיית מכשירי מסור משולבים יש להתייחס לחמישה היבטים כדי להבטיח התחברות מוצלחת וחוזק מליטה מספיק.
זמן וכוח להפעלת משטח הפלזמה
הגדלת כוח הפלזמה תסייע להגביר את אנרגיית פני השטח ולהגדיל בהתאם את חוזק המליטה. אבל החיסרון של הגדלת הכוח…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים אסירי תודה לאוניברסיטת קליפורניה ולמתקן NANO3 ב-UC בסן דייגו לאספקת כספים ומתקנים לתמיכה בעבודה זו. העבודה הזאת בוצעה בחלקו בתשתית הננו-טכנולוגיה של סן דייגו (SDNI) של UCSD, חבר בתשתיות הלאומיות ננוטכנולוגיה מתואמת, אשר נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדעים (גרנט ECCS – 1542148). העבודה המוצגת כאן נתמכת בנדיבות על ידי מלגת מחקר מקרן W.M. קק. המחברים גם אסירי תודה על התמיכה של העבודה הזאת על ידי משרד המחקר הימי (דרך גרנט 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" |
References
- 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).
