Name: selective area modification of silicon surface wettability by pulsed uv laser irradiation in liquid environment
Uploaded: 2015-11-09T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment at JoVE.com

This work was supported by the Natural Science and Engineering Research Council of Canada (Discovery Grant No. 122795-2010) and the program of the Canada Research Chair in Quantum Semiconductors (JJD). The help provided by Xiaohuan Xuang, Mohamed Walid Hassen and technical assistance of Sonia Blais of the Universit&#233; de Sherbrooke Centre de caract&#233;risation de mat&#233;riaux (CCM) in collecting XPS data are greatly appreciated. NL acknowledges the Merit Scholarship Program for Foreign Student, Fonds de recherche du Qu&#233;bec - Nature et technologies, for providing a graduate student scholarship.

1. Probenvorbereitung <ol><li> Verwenden eine diamode Schreiber, eine n-Typ zu spalten (P-dotiert) einseitig polierten Si-Wafer (spezifischer Widerstand 3,1 ~ 4,8 Ω.m), die 3 Zoll im Durchmesser, 380 um dick, in Proben von 12 mm x 6 mm; Reinigen der Proben in Opticlear, Aceton und Isopropylalkohol (5 min für jeden Schritt). </li><li> Etch Proben in einem ~ 0,9% HF-Lösung für 1 min wegzuätzen anfänglichen Oxid; Spülen in DI-Wasser und trocken in hoher Reinheit (99,999%), Stickstoff (N 2). </li><li> Sh...

Wir haben ein Protokoll des UV-Laser-Bestrahlung des Si-Wafer in einem mikrofluidischen Kammer mit niedriger Konzentration von H 2 O 2 Lösung gefüllt, um eine superhydro Si-Oberfläche, die im Wesentlichen zu induzieren aufgrund der Erzeugung von Si-OH vorgeschlagen. UV Laserphotolyse H 2 O 2 sollte negativ geladenen OH bilden - Radikalen. Außerdem führt UV-Laserphotoeffekt zur Ausbildung eines positiv geladenen Oberfläche 37. Daher ist die Wechselwirkung dieser negativen...

Die bemerkenswerten elektronischen und chemischen Eigenschaften sowie die hohe mechanische Festigkeit haben, Silizium (Si) eine ideale Wahl für mikroelektronische Bauelemente und biomedizinische Chips 1 gemacht. Selektives Steuerung der Si-Oberfläche hat erhebliche Aufmerksamkeit für Anwendungen, die mikrofluidische und Lab-on-Chip-Bausteine ​​2,3 .Diese wird häufig entweder durch nanoskalige Modifikation der Oberflächenrauhigkeit oder durch chemische Behandlung der Oberfläche 4 erhalten. Die Oberfläche Aufrauen oder Mustern zu ungeordneten oder geordneten Oberflächenstrukturen auf der Si-Oberfläche zu erzeugen sind Photolithographie 5, Ionenstrahl-Lithographie 6 und Lasertechniken 7. Im Vergleich zu diesen Verfahren wird Laseroberflächenstrukturierung Prozess gemeldet weniger kompliziert mit dem Potenzial, Mikrostrukturen mit hoher räumlicher Auflösung 8 herzustellen sein. Da Si eine erhöhte Texturierung Schwellenwert erfordern Bestrahlung mit Pulsfluenz uminduzieren Oberflächentexturierung über seine Abtrageschwelle (~ 500 mJ / cm 2) 9 hat Texturierung der Si-Oberfläche häufig durch Verwendung reaktiver Gasatmosphäre, wie die von einem Hochdruck-SF6 Umgebung 4,7,8 unterstützt worden. Folglich, um die Benetzbarkeit der Si-Oberfläche zu modifizieren, wurden zahlreiche Arbeiten über chemische Behandlung durch Abscheiden von organischen und anorganischen Schichten 10 2, oder unter Verwendung von Plasma oder Elektronenstrahl-Oberflächenbehandlung 11,12 konzentriert. Es ist, dass die Hydrophilie von Si aus der Existenz von singulären und zugehörige OH-Gruppen auf seiner Oberfläche Ursprung könnte durch Kochen in einer H 2 O 2 -Lösung bei 100 ° C für mehrere Minuten 13 erreicht werden erfasst. Jedoch die hydrophoben Si Oberflächenzustände, von denen die meisten aufgrund der Anwesenheit von Si-H oder Si-O-CH 3 Gruppen sind, können durch nasschemische Behandlung mit Ätzen mit HF-Lösung oder einer Beschichtung mit einem Photoresist 13 erreicht werden-15. Zur selektiven Bereichssteuerung der Benetzbarkeit von Si zu erreichen, sind komplexe Strukturierungsschritte in der Regel erforderlich, einschließlich der Behandlung in chemischen Lösungen 16. Die hohe chemische Reaktivität von UV-Laserstrahlung hat auch zu selektiven Bereich Prozess organischen Film beschichteten festen Substrate verwendet wurden und ihre Benetzbarkeit 17 ändern. Jedoch ist eine begrenzte Menge von Daten über die lasergestützte Modifikation Si Benetzbarkeit durch Bestrahlung von Proben in verschiedenen chemischen Lösungen getaucht erhältlich. In unserem früheren Forschung wurde UV-Laser-Bestrahlung von III-V-Halbleiter in Luft 18-20 und NH 3 21 erfolgreich verwendet, um die chemische Oberflächenzusammensetzung GaAs, InGaAs und InP verändern. Wir haben festgestellt, dass die UV-Laserbestrahlung von III-V-Halbleitern in deionisiertem (DI) Wasser senkt die Oberflächenoxide und Carbide, während das Wasser auf Halbleiteroberfläche adsorbiert erhöht 22. Ein stark hydrophoben Si-Oberfläche (CA ~ 103 °) wurde durch ArF Laserbestrahlung von Si-Proben in Methanol bei unseren letzten Arbeiten 23 erhalten. Wie durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zeigte, ist dies vor allem auf die Fähigkeit des ArF-Lasers, um CH 3 OH photodissociate. Wir haben auch KrF- und ArF-Lasern auf Si (001) in einer 0,01% igen H 2 O 2 in DI-Wasser zu bestrahlen. Dies erlaubte uns, Selektives Bildung von superhydrophilen Oberfläche des Si (001), gekennzeichnet durch die CA in der Nähe der 15 ° erzielen. Die XPS-Ergebnisse legen nahe, dass diese aufgrund der Erzeugung von Si-OH-Bindungen auf der bestrahlten Oberfläche 24 ist. Eine detaillierte Beschreibung dieser neuen Technik mit KrF- und ArF-Lasern zur selektiven Bereich in situ Modifizierung der hydrophilen / hydrophoben Oberfläche der Si-Oberfläche in geringer Konzentration von H 2 O 2 / H 2 O und Methanol-Lösungen wird in diesem Artikel gezeigt. Die hier gemachten Angaben sollten ausreichendamit ähnliche Experimente, die von interessierten Forschern durchgeführt werden.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>fluorescein stained nanospheres</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>F8795</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OptiClear</td>
			<td>National Diagnostics</td>
			<td>OE-101</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ArF laser (&#955;=193 nm)</td>
			<td>Lumonics</td>
			<td>pulse master 800</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KrF laser (&#955;=248 nm)</td>
			<td>Lumonics</td>
			<td>pulse master 800</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>XPS</td>
			<td>Kratos Analytical</td>
			<td>AXIS Ultra DLD</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluorescence microscope</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>IX71</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>XPS quantitification software</td>
			<td>CasaXPS</td>
			<td>2.3.15</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

selective area modification of silicon surface wettability by pulsed uv laser irradiation in liquid environment

Die Benetzbarkeit von Silizium (Si) ist einer der wichtigsten Parameter bei der Technologie der Oberflächen Funktionalisierung dieses Materials und Herstellung von Biosensor-Geräten. Wir berichten über ein Protokoll mit KrF- und ArF-Laser bestrahlt Si (001) Proben in einer flüssigen Umgebung mit geringer Anzahl von Impulsen eingetaucht ist und bei mäßig niedrigen Impuls Fluenzen Si Benetzbarkeit Modifizierung zu induzieren. Wafer für bis zu 4 h eingetaucht in 0,01% H 2 O 2 / H 2 O Lösung nicht messbare Veränderung ihrer Anfangskontaktwinkel (CA) ~ 75 ° zu zeigen. Jedoch die 500-Puls-KrF- und ArF-Laser-Bestrahlung eines solchen Wafer in einer Mikrokammer mit 0,01% H gefüllt 2 O 2 / H 2 O-Lösung bei 250 und 65 mJ / cm 2 sind, hat die CA nahe 15 ° verringert wird, was die Bildung einer superhydrophile Oberfläche. Die Bildung von OH-terminierten Si (001), ohne messbare Veränderung der Waferoberflächenmorphologie besitztwurde durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie-Messungen bestätigt. Die selektive Bereichs bestrahlten Proben wurden dann in einem biotinkonjugierten Fluorescein gefärbten Nanosphären Lösung für 2 Stunden eingetaucht, was zu einer erfolgreichen Immobilisierung von Nanokugeln in dem nicht-bestrahlten Bereich. Dies zeigt das Potential des Verfahrens zur selektiven Bereichs Biofunktionalisierung und Herstellung von fortschrittlichen Si-basierten Biosensor-Architekturen. Wir, die bei Impuls Fluenz von 65 mJ beschreiben auch ein ähnliches Protokoll der Bestrahlung von Wafern in Methanol (CH 3 OH) eingetaucht, mit einem ArF-Laser / cm 2 und in situ-Bildung eines stark hydrophoben Oberfläche von Si (001) mit dem CA-103 °. Die XPS-Ergebnisse zeigen, ArF Laser induzierte Bildung von Si (OCH 3) x Verbindungen verantwortlich für die beobachtete Hydrophobizität. Es wurden jedoch keine solchen Verbindungen, die durch XPS der Si-Oberfläche durch KrF-Laser in Methanol bestrahlt gefunden, was zeigt,die Unfähigkeit der KrF-Laser, um Methanol photodissociate und schaffen -OCH 3 Reste.

Diese repräsentative Ergebnisse haben in unseren bisherigen Veröffentlichungen 23,24 präsentiert. Abbildung 1 zeigt die CA vs. N (Anzahl der Impulse) auf Websites von KrF-Laser bei 250 mJ / cm 2 bestrahlt in DI H 2 O für verschiedene Konzentrationen von H 2 O 2 / H 2 O-Lösungen (z. B. 0,01, 0,02, 0,05 und 0,2%). Die CA nimmt mit zunehmender Impulszahl für die gesamte H 2 O 2 -Lösungen. Die minimale CA (~ 15 °) für die 0,...

Watch this Scientific Journal Video about Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment at JoVE.com

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

Wir berichten von einem Verfahren der in situ Veränderung der HF behandelt Si (001) -Oberfläche in einer hydrophilen oder hydrophoben Zustand durch Bestrahlen Proben in Mikrofluidkammern mit H 2 O 2 / H 2 O-Lösung (0,01% -0,5%) oder Methanol-Lösungen gefüllt mittels gepulster UV-Laser mit einer relativen niedrigen Impulsfluenz.

Selektive Bereichsänderung des Siliziumoberfläche Benetzbarkeit durch gepulste UV-Laser-Bestrahlung in flüssigen Umgebung

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Investigation of Early Plasma Evolution Induced by Ultrashort Laser Pulses

Untersuchung der frühen Evolution von Plasma ultrakurzer Laserpulse

Early plasma is generated owing to high intensity laser irradiation of target and the subsequent target material ionization. Its dynamics plays a ...

Forschung

Ingenieurwesen

Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments

Charakterisierung von Oberflächenmodifikationen mittels Weißlicht-Interferometrie: Anwendungen in der Ion Sputtern, Laserablation, und Tribologie Experimente

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. ...

Fabrication of Nano-engineered Transparent Conducting Oxides by Pulsed Laser Deposition

Herstellung von transparenten leitenden Oxide durch Pulsed Laser Deposition Nano-engineered

Nanosecond Pulsed  Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition  of metal oxides with tunable morphology, structure, ...

Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface

Visualisierung von High-Speed-Flüssigkeitsstrahl-Impaction auf einer sich bewegenden Oberfläche

Two apparatuses for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device (for examining surface speeds ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

Integration of Light Trapping Silber-Nanostrukturen in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells durch Transferdruck

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Automation of Mode Locking in a Nonlinear Polarization Rotation Fiber Laser through Output Polarization Measurements

Automatisierung der Modenkopplung in einem nicht-linearen Polarisationsdrehung Faserlaser durch Ausgabe Polarisationsmessungen

When a laser is mode-locked, it emits a train of ultra-short pulses at a repetition rate determined by the laser cavity length. This article outlines a ...

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

Emissionsspektroskopische Grenzschichtuntersuchung während ablative Materialprüfung in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia YSZ Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

Hochtemperatur Herstellung von Nanostrukturierte Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) Scaffolds durch<em&gt; In Situ</em&gt; Carbon-Templating Xerogele

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) ...

Orientational Transition in a Liquid Crystal Triggered by the Thermodynamic Growth of Interfacial Wetting Sheets

Orientationaler Übergang in einem Flüssigkristall, der durch das thermodynamische Wachstum von Grenzflächenbetonplatten ausgelöst wird

In liquid crystal (LC) physical chemistry, molecules near the surface play a great role in controlling bulk orientation. Thus far, mainly to achieve ...

Quantitative Analysis of Vacuum Induction Melting by Laser-induced Breakdown Spectroscopy

Quantitative Analyse der Vakuum-Induktionsschmelze durch Laser-induzierte Spectroskopie

Vacuum induction melting is a popular method for refining high purity metal and alloys. Traditionally, standard process control in metallurgy involves ...