Fabricatie van elektrisch geleidende silicananovezel-goudnanopartikiel composieten via laserpulsen en sputtering

Samenvatting

Biocompatibele sensormaterialen spelen een belangrijke rol in biomedische toepassingen waar biologische responsen omgezet moeten worden in elektrische signalen. Het verhogen van de biocompatibiliteit van deze sensorapparaten veroorzaakt doorgaans een reductie in de algehele geleiding door de verwerkingstechnieken. Silicium wordt een meer haalbare en beschikbare optie voor deze toepassingen vanwege de halfgeleidereigenschappen en beschikbaarheid. Wanneer verwerkt om porieus te zijn, heeft het veelbelovende biocompatibiliteit getoond; echter, een reductie in geleiding wordt veroorzaakt door oxidatie. Om dit te overwinnen, wordt goudinbedding door sputtering-technieken voorgesteld in dit onderzoek als een methode om de elektrische eigenschappen van laser-geïnduceerde siliciumoxid-nanovezels te controleren en verder toe te kennen. Enkeltkristallijne siliciumwafers werden laserverwerkt met een Nd:YAG gepulste nanoseconde lasersysteem bij verschillende laserparameters voordat ze goudsputtering ondergingen. Het controleren van de scanparameters (bijv. kleinere lijnafstanden) induceerde de vorming van nanovezelstructuren, wier diameters groeiden met toenemende overlaps (aantal laserbundelscans langs hetzelfde pad). Bij grotere lijnafstanden werd nano- en micropartikelvorming waargenomen. Overlap (OL) toenames leidden tot hogere lichtabsorptie door de wafers. De goudgesputterde monsters toonden hogere geleiding bij hogere goudconcentraties, met name in monsters met kleinere vezelgroottes. Over het algemeen tonen deze resultaten veelbelovende resultaten voor de toekomst van silicium als halfgeleider en biocompatibel materiaal voor gebruik en ontwikkeling in de verbetering van sensorische toepassingen.

Achtergrond

Biocompatibele sensormaterialen zijn duur te produceren en hebben een laag signaal-ruisverhouding (SNR); een signaal-ruisverhouding is een maat voor signaalvermogen ten opzichte van een ruisvermogensniveau (achtergrondruis) en wordt uitgedrukt als een meting in decibels (dB). Nanomaterialen werden geïntroduceerd als een poging om de demping door ruis te verminderen. Twee hoofmethoden worden gebruikt om demping te verminderen: koolstofnanobuizenformatie en nanomaterialen. Het succes van koolstofnanobuizen als sensoren kan worden toegeschreven aan hun verhoogde effectieve oppervlakte, wat de elektrode-impedantie verlaagt en de stroom verhoogt. De verhoogde oppervlakte immobiliseert ook meer enzymen in biomedische toepassingen. Er zijn echter nadelen aan het fabriceren van koolstofnanobuizen: het is duur en heeft lage zuiverheid, een tekort aan uitlijningscontrole, gebrek aan waterige oplosbaarheid en hoge reactiviteit door zwevende nanobuizen.

Nadelige weefselreacties en weerstand tegen afbraak zijn belangrijke biocompatibiliteitsfactoren. Porieus silicium, dat bestaat uit een unieke structuur van nanokristallieten en poriën, vertoont eigenschappen die waardevol zijn voor gebruik als biomateriaal en potentiële biosensing-toepassingen. Silicium – een algemeen gebruikt materiaal – is veelzijdig in hedendaagse microverwerkingstechnieken vanwege beschikbaarheid en lage kosten. Silicium kan verwerkt worden tot macro-, micro- en nanoporiën. De ideale poriëndiameter voor biocompatibele sensorapparaten ligt tussen 2 en 50 nm. Deze poriêngroottes maken biomoleculaire diffusie en grotere oppervlakteblootstelling mogelijk, wat resulteert in verhoogde biomolecuulimmobilisatie vergeleken met 2D-oppervlakken en maakt het een uitstekend materiaal voor biosensing-toepassingen.

Verschillende methoden kunnen gebruikt worden om het oppervlak van siliciumsubstraten te modificeren om silicium-gebaseerde sensoren te fabriceren. Electrochemische etching wordt in veel gevallen gebruikt om silicium in een poreuze structuur te modificeren. Deze methode vereist het gebruik van diverse chemicaliën en gespecialiseerde apparatuur. De procedure vereist initieel een grondige reiniging van de wafer. Bepaalde chemicaliën kunnen heftig reageren op defecten in de structuur van silicium en giftige gassen vrijmaken. Electrochemische etching beïnvloedt ook de oppervlaktetopografie sterk, wat controle bemoeilijkt. Het bereiken van een uniform poreus oppervlak met deze techniek is complex en sterk afhankelijk van en gevoelig voor de etching-parameters, wat ook resulteert in de productie van grote hoeveelheden afval. Bovendien blijft een hoge concentratie waterstofbindingen op het oppervlak na bereiding, wat het hoogst onstabiel maakt. Fotolithografie is een andere methode voor het modificeren van het oppervlak van siliciumsubstraten om een biocompatibele silicium-gebaseerde sensor te fabriceren. Deze methode maakt patronering en controle van celgedrag mogelijk. Het hoofdnadeel is dat door optische diffractie van de lichtbundel de resolutie in de praktijk beperkt is tot maximaal 1 µm.

Laserverwerking is een andere methode voor het modificeren van het oppervlak van siliciumsubstraten. Het wordt gebruikt om de prestaties van een materiaal te optimaliseren zoals absorptie, slijtgevoeligheid, oppervlaktechemie en kristalstructuur. Oppervlakte-eigenschappen kunnen op deze manier gecontroleerd worden zonder de bulk van het materiaal te beïnvloeden.

De toevoeging van goudnanopartikelen is een aantrekkelijke methode voor het modificeren van het oppervlak van siliciumsubstraten om een siliciumsensor te fabriceren. Goudnanopartikelen hebben belangrijke eigenschappen waaronder hun geleiding, hoge oppervlakte-tot-volume-verhouding, uitstekende moleculaire herkenning en hoge oppervlakte-energie. Hun unieke chemische en fysieke eigenschappen helpen elektronen over te dragen van de biospecifieke laag naar het elektrode-oppervlak. Goudnanopartikelen verhogen ook de gevoeligheid van biochemische detectie van electrochemische biosensoren.

Eerder gepubliceerde resultaten van Colpitts en Kiani hebben het gebruik van een nanoseconde gepulst lasersysteem in de vorming van biocompatibele vezelstructuren op silicium bewezen. Hun initiële resultaten inspireerden het doel van dit onderzoek om een methode voor te stellen om de eigenschappen van laserverwerkt silicium aan te passen om de haalbaarheid in toekomstige biologische sensorische toepassingen te verbeteren, die eigenschappen van zowel biocompatibiliteit als elektrische geleiding vereisen. Ook wordt een effectieve methode beschreven voor het genereren van nanovezelige siliciumoxide met een commerciële nanoseconde gepulste laser. Dit betrof de verwerking van een enkeltkristallijne siliciumwafer met een Nd:YAG nanoseconde gepulste laser bij een constant vermogen van 12 W met variatie in overlaps (aantal laserbundelscans langs hetzelfde pad) en lijnafstanden (afstand tussen scanpaden). Goudsputtering werd vervolgens op het oppervlak uitgevoerd voor een duur van 4 of 8 min. Veranderingen in absorptie en geleiding alsook oppervlaktetopografie werden onderzocht en besproken.

Materialen en methoden

Deze benadering omvatte de laserverwerking van enkeltkristallijne siliciumwafer <100> bij een gemiddeld vermogen van 12 W, bij lijnafstanden van 0,025, 0,1 en 0,15 mm, en bij één, drie of vijf overlaps. De lijnafstand verwijst naar de ruimte tussen elke opeenvolgende door de laser gepulste lijn, gemeten vanaf het centrum van de laserbundel. De overlaps (OL) duiden het aantal patroonherhalingen op het oppervlak van het silicium aan, bijvoorbeeld drie overlaps betekenen dat de laserbundel drie keer over de geablateerde lijn passeert. Deze werden met goud gesputterd gedurende 4 of 8 min. Fig. 1 illustreert het algehele proces.

Laserverwerking

Een Nd:YAG nanoseconde gepulste laser met een golflengte van 1064 nm werd voor dit experiment gebruikt. De circulaire uitgangsbundel van de laser heeft een diameter van 9 mm en wordt verkleind tot 8 mm met een iris-diaphragma voordat het een XY-galvanometerscanner (JD2204 door Sino-Galvo) binnenkomt. Deze scanner heeft een opening van 10 mm en een bundelverschuiving van 13,4 mm. Een F-theta-lens met een brandpuntsafstand van 63,5 mm werd gebruikt om de focus van de laser op het monsteroppervlak te controleren, wat resulteerde in een theoretische laserspotdiameter van 20 µm. EZCAD-software werd gebruikt om laserparameters te controleren, bijvoorbeeld om scansnelheden, overlaps, frequentie en lijnpatronen op te geven.

Microscopie en oppervlaktekarakterisatie: Scanning Electron Microscoop (SEM) en Scanning Transmissie Elektronen Microscoop (TEM) en Energie Dispersieve Röntgen (EDS)

Een verscheidenheid aan middelen werd gebruikt voor oppervlaktekarakterisatie, waaronder een JEOL JSM-6400 scanning elektronenmicroscoop (SEM) gemonteerd met een EDAX Genesis 4000 energie-dispersieve röntgen (EDS) en een JEOL JEM-2010 scanning transmissie elektronenmicroscoop (TEM) aangepast met een Gatan UltraScan camera gebruikmakend van DigitalMicrograph werd gebruikt om de gewenste beelden te verzamelen.

Lichtspectroscopie

De STS-NIR Spectro Radiometer (Ocean Optics, Dunedin, Florida, VS) werd gebruikt om de optische eigenschappen van de monsters te bepalen, namelijk om de reflectiecoëfficiënt van de monsters te meten bij variërende overlaps en lijnafstanden bij golflengtes tussen 175 en 885 nm en een optische resolutie van 1,5 nm.

Impedantiespectroscopie

Een CH Instruments Inc. (VS) model 760 potentiostaat werd gebruikt om de geleiding van de verwerkte siliciummonsters te meten met AC-impedantiespectroscopie. De monsters werden verbonden via krokodillenklammen aan de spectrometer (twee-elektrode modus) en metingen werden verkregen bij frequenties tussen 0 en 1 × 10⁶ Hz en bij een potentiaal-amplitude van 10 mV.

Beeldanalyse

De software ImageJ 1.501 door Wayne Rasband bij de National Institutes of Health, VS, wordt gebruikt om deeltjes- en vezeldiameters te bepalen. Het stelt handmatige import en meting van de kenmerken vastgelegd door SEM- en TEM-beelden toe.

Resultaten en discussie

Generatie van nanovezelstructuren

Siliciummonsters werden verwerkt bij één, drie en vijf overlaps bij een gemiddeld vermogen van 12 W met lijnafstanden van 0,025, 0,10 en 0,15 mm. SEM-beelden werden verzameld om het type nanostucturen te bepalen.

Verhoging van de lijnafstand resulteerde in de vorming van micropartikelen met nanoschaal porositeit in plaats van nanovezels. Het door laser geablateerde gebied is duidelijk zichtbaar in zowel (a) als (b) van Fig. 2, zoals verwacht aangezien de laserspotdiameter ongeveer 0,02 mm is en veel kleiner dan de aangewezen lijnafstand. Bij 0,1 mm vormen micropartikelen zich op het oppervlak tussen de door laser geablateerde regio's. Hogere vergroting onthult dat deze micropartikels bestaan uit fijne vezelstructuren. Bij 0,15 mm zijn de micropartikels kleiner en zachter, met een hogere dichtheid van nanopartikels die op het oppervlak vormen. De porositeit van de nanostucturen verschilt van de grotere micropartikels. De micropartikels bij de 0,15-mm lijnafstand hebben een dichtere structuur vergeleken met het 0,1 mm monster. In theorie wordt verwacht dat een toename in laserplasma-pluimtemperatuur zal resulteren in deeltjegroei, zoals waargenomen door het vergelijken van de afbeeldingen in Fig. 2.

De SEM-beelden in Fig. 3 tonen (a) een uniforme dispersie van onderling verbonden nanovezels die vormen bij een lijnafstand van 0,025 mm. Wanneer het overlap-nummer wordt verhoogd tot drie, (b) beginnen kleine clusters van nanovezeldeeltjes te vormen. Bij de vijfde overlap, (c) vormen duidelijke clusters van nanovezelstructuren met ruimtes ertussen. Opnieuw, toename van overlap wordt verwacht om deeltjegroei te verhogen vanwege verhoogde temperatuur en lichtabsorptie. Een toename in vezeldiameter werd ook waargenomen met toenemende overlaps. Gebaseerd op SEM-beelden werden de vezeldiameters geanalyseerd met behulp van beeldvisualisatiesoftware ImageJ 1.501 ontwikkeld door Wayne Rasband bij de National Institutes of Health, VS. De kleinste vezeldiameter – een gemiddelde van 75 nm – werd waargenomen bij één overlap. Literatuur geeft aan dat nanoporeuze structuren de biocompatibiliteit van het materiaal verhogen door de topologie en celscaffolding te beïnvloeden.

Het is niet verrassend dat optimale nanovezelgeneratie werd waargenomen bij de kleinste lijnafstand van 0,025 mm. Aangezien de laserdiameter theoretisch zeer dicht bij de grootte van deze lijnafstand ligt, blijft weinig tot geen gebied over dat niet in direct contact komt met de laser. Dit resulteert in een meer verwarmde regio en de pluimdichtheid wordt stabiel gehouden voor een langere periode. Dit verhoogt de algehele lichtabsorptie van het monster door de verandering in topografie. Door het creëren van een vezelnetwerk neemt het oppervlakteoppervlak toe en worden daarom alle mechanismen die direct gekoppeld zijn aan oppervlakte verbeterd.

Het verwijderen van materiaal van een vast oppervlak met gepulste lasertechnologie kan nanopartikelsvorming induceren. Wanneer de laser op een oppervlak schijnt, induceert het verdamping en verwijdert atomen van het bulkoppervlak, waardoor de laserpulser dieper in het materiaal kan gaan. Laserdiepgang hangt af van factoren zoals de golflengte en de fysieke eigenschappen van het materiaal. De elektromagnetische velden van de laser werpen elektronen uit door energie en impuls op het oppervlak van het materiaal af te geven. De energiedooverdracht betrokken bij de interactie van de laser met het materiaal zorgt ervoor dat de temperatuur stijgt, wat op zijn beurt de vorming van een geïoniseerd gas veroorzaakt dat bekend is als plasma dat zich uitbreidt als een schokgolf rond de focus van de laser. Deeltjes worden van het oppervlak verwijderd wanneer de intensiteit (fluens) van de laser groter is dan de ablatiedrempel van het materiaal. De inhoud van het plasma neemt de vorm aan van een pluim: een regio die een mengsel bevat van ionen, elektronen en nanopartikels die hoogst reactief zijn. Wanneer laserablatie in lucht wordt uitgevoerd, kan oxidatie van de uitgewerkte deeltjes het resultaat zijn. Terwijl de pluim zich uitbreidt, zijn de uitersten ervan koeler dan de kern. Als resultaat bewegen nieuw gevormde deeltjes naar koudere regio's, wat hen doet oversatureren, verder nucleeren en kristalliseren in een vaste structuur. Botsingen tussen gasatomen en de geablateerde pluim in de dunne interfacielaag genereren nanopartikels en aggregaten. Het omgevingsgas coalesceert met de verdampt atomen en ionen bij hoge temperaturen. Terwijl de pluim afkoelt, begint aggregaatvorming. Aan het einde van de laserpuls vinden aggregaat-aggregaat en atoom-aggregaat hechtingen plaats.

Lichtabsorptiecoëfficiënten werden experimenteel bepaald door lichtspectroscopie. Zoals Fig. 4 toont, resulteerden dichtere lijnafstanden in veel lagere reflectiviteit door de verhoogde algehele oppervlakterauwheid. Zoals eerder vermeld, verhoogt een hoger overlap-nummer de lichtabsorptie. Uit deze theoretische waarden werd het maximum in elk geval bepaald, en deze waarde werd gebruikt om een nauwkeurige reflectiviteitscoëfficiënt te bepalen.

De effecten van lijnafstand op reflectiviteit werden ook bestudeerd (Fig. 5). Het vergelijken van de resultaten van één overlap, resulteerde een toename in lijnafstand in een veel hogere reflectiviteit. Zoals verwacht, absorberen poreuze en vezelige silicium meer licht dan silicium dat tekenen van micropartikels vertoont. Bij grotere lijnafstanden werden gedeeltes van het silicium niet door laser geablateerd; in plaats daarvan bleven micropartikels rusten op een gladder oppervlak, die reflectieve eigenschappen vertoonden meer gelijk aan onverwerkt silicium.

Eenmaal de incident licht binnenkomt in het materiaal, zorgt de absorptie voor een reductie in lichtintensiteit naarmate de diepte toeneemt, gebaseerd op het absorptiecoëfficiënt van het materiaal, α. Aannemend een uniform materiaal met een constante α, volgt de intensiteit, I, de Beer-Lambert-wet, waar I_0 de intensiteit binnen het oppervlak vertegenwoordigt na rekening te houden met reflectieverliezen. Formule (1). Laserablatie is sterk afhankelijk van warmteoverdracht aan het materiaal. Met nanoseconde lasers wordt algemeen aangenomen dat de meeste absorptie te wijten is aan enkel-foton-interacties. Toename in lichtabsorptie resulteert in hogere temperaturen en pluimdrukken, wat nanovezelstructuurvorming aanmoedigt.

Wanneer de thermalisatiesnelheid groter is dan de laser-geïnduceerde excitatiesnelheid, wordt het proces aangeduid als fotothermisch of pyrolytisch, waarbij de geabsorbeerde laserenergie direct omgezet wordt in warmte. Dit is het geval wanneer de laserpulstijden groter zijn dan het nanoseconde-bereik. Fotothermische verwerking leidt ons tot het modelleren van warmtestroom door het materiaal. De reactie ervan op de laser is te wijten aan thermische effecten in zowel temporele als ruimtelijke coördinaten en kan gemodelleerd worden uit afgeleiden van de warmtevergelijking.

Om de verwachte gemiddelde temperatuurrelaties tussen de monsteroppervlakken wiskundig te bepalen, wordt de maximumtemperatuur, T, optredend aan het einde van de laserpuls (t_p), bepaald door een eendimensionaal model als volgt: formule (2). De laserpulsduur (t_p) in ons geval was 57,5 ns, met een spotdiameter (d) van 20 µm bij een frequentie (f) van 100 kHz, en een gemiddeld vermogen (P) van 12 W. De thermische diffusiecoëfficiënt (a) – voor silicium was ingesteld op 0,000085 m²/s, de residuele energiecoëfficiënt K was ingesteld op een constante van 0,8 voor silicium, en de thermische geleiding k op 155 W/mK. R in dit geval is de reflectiviteitswaarden experimenteel bepaald hierboven. Hieruit werd de gemiddelde oppervlaktetemperatuur na n pulsen berekend volgens Vergelijking 3 hieronder, waar α een constante is van de vierkantswortel van de frequentie vermenigvuldigd met de pulsduur (α = √(t_p f)).

Met behulp van de bovenstaande Vergelijkingen 2 en 3 en aannemend geen deeltjeverdamping, werden grafieken van de gemiddelde oppervlaktetemperaturen bereikt door de monsters voor lijnafstanden van 0,025, 0,10 en 0,15 mm bij één en drie overlaps gegenereerd, zoals te zien in Fig. 6.

Uit de temperatuurprofielen getoond in Fig. 6, vormt zich een gradient voordat de maximum gemiddelde temperatuur bereikt wordt. Deze gradient veroorzaakt de vorming van het eerder genoemde plasma. De steady-state maximumwaarden voor elk van de monsters werden bepaald en geconcludeerd dat de monsters bij drie overlaps een hogere gemiddelde oppervlaktetemperatuur bereikten dan die bij één overlap. Dit kan worden verklaard door de toename in grootte van de nanopartikels, wat leidt tot hogere absorptie. De enige uitzonderingen zijn de monsters bij een lijnafstand van 0,025 mm, waar beide monsters resulteerden in dezelfde maximum gemiddelde temperatuur. Dit is te wijten aan de zeer nauwe correlatie in hun reflectiviteitswaarden.

Het gemiddelde aantal deeltjes verdampt van het oppervlak door opeenvolgende pulsen werd theoretisch geschat op basis van laserverwerkingsparameters en materiaaleigenschappen. De verdampingsnelheid, R_evp, door enkelpulsablatie wordt berekend in het eendimensionale model als volgt: formule (4). Hierbij is n_lucht de dichtheid van lucht (kg/m³), A de absorptiecoëfficiënt, t_eq de evenwigingstijd, P_avg het gemiddelde vermogen, M_a de atoommassa (kg), A_foc het focale gebied, R_rep de frequentie, en k_B de Boltzmann-constante (J/K). Met behulp van dit en het omzetten van de snelheid in een aantal atomen gebaseerd op de atoommassa van silicium, kan het gemiddelde aantal verdampte deeltjes worden geschat als formule (5). De parameters in dit geval waren als beschreven in de vorige vergelijking; echter, de evenwigingstijd, t_eq was ingesteld op 1,5 × 10¹⁰ s, de laserfrequentie R_rep op 100 kHz, de pulsverblijftijd D_t berekend uit het effectieve aantal pulsen, en tenslotte het focale gebied A_foc berekend uit de theoretische minimum laserspotdiameter. Waarden werden bepaald voor zowel de verdampingsnelheid als het geschatte aantal verdampte deeltjes bij verschillende laserabsorptiecoëfficiënten. De resultaten worden grafisch getoond in Fig. 7.

Naarmate de absorptie toeneemt, begint het gemiddelde aantal deeltjes alsook de snelheid schijnbaar parabolisch te stijgen. Er is een snelle toename in het aantal verdampte deeltjes bij lagere absorptiewaarden. Hoewel een hoger aantal atomen bereikt kan worden naarmate de absorptie toeneemt, groeit de curve niet meer zo snel. Dit verklaart waarom silicium laserverwerkte oppervlakken met hogere absorptiecoëfficiënten waarschijnlijker nanopartikels en vezelvormingen hebben naarmate het aantal verdampte atomen toeneemt, wat meer structurele herrangschikking toelaat.

Goudsputtering van lasergegenereerde siliciumoxid-nanovezels

De monsters bereid bij een gemiddeld vermogen van 12 W en een lijnafstand van 0,025 mm werden met goud gesputterd om hun geleidende eigenschappen te beoordelen. Monsters werden met goud gesputterd gedurende 4 of 8 min. De geleiding en deeltjegrootte-effecten werden gemeten en vergeleken bij verschillende overlaps.

In eerdere studies is bewezen dat de geoxideerde coating de biocompatibiliteit merkbaar beïnvloedt door de adsorptie van hydroxylgroepen, lipoproteïnen en glycolipiden te verhogen. Fig. 8 toont de EDX- en TEM-resultaten van de 0,025-mm geablateerde siliciummonsters. De zuurstofconcentraties worden gezien om te stijgen met toenemende overlap-nummers (a–c) wat verhoogde biocompatibiliteit suggereert. De hoogste telling voor zuurstof wordt gezien in het monster met de hoogste absorptie, namelijk bij vijf overlaps (c). Naarmate de nanovezelgeneratie, algehele gemiddelde temperatuur en het aantal verdampte atomen van een monster toenemen, zijn er meer deeltjes die interacteren met de omringende lucht waarin de ablatie plaatsvindt. Dit resulteert in deeltjes rijk aan zuurstof door de oxidatiereacties die plaatsvinden binnen de laserpluim.

SEM-beelden werden geanalyseerd met ImageJ om de benaderende diameters van de vezels te bepalen die optreden bij de 0,025-mm lijnafstand. Zoals gerefereerd in Fig. 9, groeien de vezeldiameters groter naarmate overlaps worden toegevoegd. Van boven weten we dat de zuurstofniveaus stegen met de toevoeging van overlaps, wat de groei in grootte van de vezels deels verklaart.

Via TEM-beelden werden de gemiddelde goud- en siliciumdeeltjesdiameters berekend samen met hun standaarddeviaties. Naarmate het aantal overlaps werd verhoogd, werd gevonden dat de gemiddelde siliciumdeeltjesdiameter ook groeide. Dit stemt overeen met zowel de theorie dat deeltjegroei optreedt met toenemende absorptie als met de eerdere resultaten die de uitbreiding van vezeldiameters met toegevoegde overlaps tonen. De vezeldiametertoename kan worden verklaard door de groeiende deeltjesgroottes van het silicium. Zoals getoond in Fig. 10, heeft het monster met vijf overlaps en een lijnafstand van 0,025 mm de grootste siliciumdeeltjes vergeleken met de monsters bij kortere lijnafstanden. Dit is ook het monster met de hoogste absorptiewaarde vergeleken met de andere twee monsters. Dit verklaart de grotere vezeldiameters gezien in monster b van de figuur vergeleken met monster a. Het monster getoond in c heeft een absorptiecoëfficiënt die tussen die van monsters a en b ligt, wat de deeltjegroei ervan vergeleken met de andere twee monsters verklaart.

In Fig. 11 worden de diameters van gouddeeltjes getoond om een heel vergelijkbaar groeipatroon te hebben als dat van de siliciumdeeltjes. Naarmate het overlap-nummer wordt verhoogd, worden de gouddeeltjesdiameters gezien om ook toe te nemen.

De goudconcentratie in elk monster werd geschat met behulp van de ImageJ-software (Fig. 12). De concentraties bleken af te nemen bij 0,025 mm bij het gaan van één naar vijf overlaps. Uit de SEM-beelden en vezeldiameters heeft het siliciummonster bij één overlap en 0,025-mm lijnafstand dunner vezels en dus minder dicht gepakte ruimtes. Dit zou meer gouddeeltjes toelaten om tussen deze ruimtes te vallen en zich apart om de vezels heen te hechten in plaats van te agglomereren. Bij vijf overlaps zijn de vezels veel dikker en de ruimte ertussen kleiner, wat minder gouddeeltjes toelaat om in de kieren te depositieren. Bij een 0,15-mm lijnafstand en vijf overlaps, daalde de concentratie tussen die van de twee eerder besproken monsters zoals getoond in Fig. 10. Bij het vergelijken van de lijnafstanden, resulteert een toename in de laatste in een afname in goudconcentraties. De reductie zorgt ervoor dat de absorptie van het materiaal afneemt en dus de deeltjegroei reduceert. Bij vijf overlaps neemt de goudconcentratie toe wanneer de spacing toeneemt omdat het oppervlak gladder is (kleinere algehele contactoppervlakte) wat resulteert in hogere goudconcentratie in gesynthetiseerde nanovezelstructuren.

Theoretisch resulteren langere pulsduur en hogere pluimdichtheid en temperaturen in grotere nanostuctuurvorming. Nanostuctuurgroottes hangen sterk af van de pluimdiffusietijdschaal terwijl hun type afhangt van de dichtheid van de verdampte atomen. Om deze reden moeten de laserpulsen continu gehouden worden om de pluimdichtheid op het kritieke niveau te houden dat vereist is voor nanovezelvorming. Daarom kunnen de grotere deeltjesgroottes met groeiende overlaps op deze manier worden verklaard door de hogere algehele oppervlaktetemperaturen en absorptiecoëfficiënten.

De algehele geleiding werd gemeten door impedantiespectroscopie voor monsters met één en twee overlaps bij een lijnafstand van 0,025 mm. De geleiding werd gemeten met behulp van grotere vierkante monsters van ongeveer 1,5 × 1,5 cm en direct verbonden met de spectrometer (om de contactweerstand te minimaliseren). Bode-diagrammen (een absolute totale weerstand als functie van AC-frequentie) werden gebruikt om de specifieke geleiding van films te berekenen (in Siemens per centimeter, S/cm) na standaardisatie op hun dikte en oppervlakte. Fig. 13 toont de duidelijke onderscheid tussen overlaps en hun geleiding. Aangezien goud een hoog geleidend element is, wordt verwacht dat een monster met meer ervan een verbeterde geleiding zou hebben. Eerdere studies die een transistor ontwikkelden, vonden dat goudnanopartikels resulteerden in verbeterde elektrische prestaties. Het monster gesputterd gedurende 8 min met goud resulteerde in een hogere geleiding dan dat gesputterd gedurende slechts 4 min. Monsters met twee overlaps tonen een lagere geleiding dan monsters met één overlap zoals getoond in Fig. 13. Zoals eerder aangeduid, daalde de goudconcentratie met toenemende overlaps, wat de reductie in geleiding verklaart. Dit wordt ook ondersteund in eerdere studies die goudsputteringstechnieken op glas gebruikten, waar de bladweerstand van het laatste exponentieel afnam met toenemende sputteringtijd. Aangezien lucht een slechte geleider van elektriciteit is, wordt verwacht dat de monsters met twee overlaps een lagere geleiding zouden hebben door hun verhoogde zuurstofconcentraties eerder bepaald uit de EDX-resultaten.

Het grootste deel van de geleiding kan worden verklaard door kwantumeffecten door de dispersie en afstand tussen de gouddeeltjes. Aannemend de deeltjes zijn bolvormig en de matrix is isolerend, dan kan de volumefractie worden bepaald als in Vergelijking 6, waar R_c de geleidende deeltjesstraal is, R_i de isolerende deeltjesstraal, en n_c en n_i het aantal geleidende en isolerende deeltjes zijn, respectievelijk. De eerdere metingen van deeltjesgroottes verkregen uit de TEM-beelden werden gebruikt om de volumefractie van de geleidende fase, P, te bepalen. Deze resultaten kunnen vervolgens in combinatie met Vergelijking 7 worden gebruikt om de theoretische interdeeltjesafstanden, l, te bepalen, aannemende bolvormige geleidende deeltjes en een uniforme grootteverdeling. De interdeeltjesafstand kan dan direct gerelateerd worden aan de geleiding van het siliciumoxide σ_i en gouddeeltjes σ_c als in Vergelijking 8 hieronder. Waar X_t gedefinieerd is als in Vergelijking 9, met m de massa van de ladingdragers, V(t) de temperatuur-gewijzigde barrièrehoogte, en h de constante van Planck. Aannemend constantheid van de parameters in X_t, wordt het effect op de geleiding van het siliciumoxide hoogst afhankelijk van de afstand tussen de geleidende deeltjes. Zoals men zou verwachten uit de vergelijkingen, resulteren hogere aantallen en grotere deeltjesstralen van geleidende deeltjes in een hogere volumefractie, wat op zijn beurt resulteert in toenemende interdeeltjesafstanden. Uit de gemeten deeltjesgroottes afgebeeld eerder in Fig. 11, stemt de relatie tussen de gouddeeltjesstralen en de geleiding overeen met de theoretisch voorgestelde relaties. Hoe groter de afstand tussen de geleidende gouddeeltjes, des te lager de algehele geleiding van het silica. Zoals gezien in Fig. 14, nemen de gouddeeltjesafstanden toe met een afname in overlap, wat verder overeenkomt met de verwachte geleidingsmetingen.

Conclusies

In dit rapport wordt een methode van nanovezelgeneratie met behulp van een nanoseconde gepulste laser voorgesteld samen met een techniek om de elektrische eigenschappen van laserverwerkt silicium aan te passen om de haalbaarheid in sensorische toepassingen te verbeteren die een biocompatibele omgeving vereisen met behulp van goudsputteringstechnieken. Micro- en nanovezelstructuren werden bereikt met behulp van een nanoseconde Nd:YAG gepulst lasersysteem op een enkeltkristallijne siliciumwafer. Laserpulsen maken het mogelijk om grote hoeveelheden energie precies in het oppervlak van een materiaal te leveren om een gewenste nanovezelstructuur te bereiken. Voor silicium als een ondoorzichtig materiaal wordt de laserenergie bij het oppervlak geabsorbeerd, wat dunne film van nanovezelig silicium synthetiseert zonder de bulkeigenschappen te veranderen. De verwerkte siliciummonsters werden met goud gesputterd voor een duur van 4 of 8 min om de effecten op de geleidende eigenschappen toe te kennen en te vergelijken. Overlap-nummer en lijnafstand werden in dit experiment gevarieerd, en de veranderingen in de absorptiemogelijkheden van de monsters werden experimenteel gemeten en vergeleken. De absorptie bleek te stijgen bij kleinere lijnafstanden en bij hogere overlaps, wat de herrangschikking van het siliciumsubstraat in vezels en aggregaten toestaat die in staat zijn meer licht te absorberen. Het werd getoond dat zowel goud- als siliciumdeeltjes groei vertoonden naarmate de absorptiecoëfficiënten van de materialen toegenamen. Vezelstructuren werden gezien om te vormen bij kortere lijnafstanden en bij hogere vermogens. Naarmate de overlap-nummers werden verhoogd, groeiden de vezeldiameters ook door de groei in deeltjesgroottes. Tenslotte toonde de geleiding enige controleerbaarheid in termen van de duur van sputtering ondergaan door de monsters.

Het identificeren van de fabricagetechniek voor dergelijke biocompatibele sensorapparaten is vitaal en nog steeds in uitvoering. Meer studies, in de huidige toekomstige richting van dit project, moeten worden uitgevoerd om de voorgestelde methode te verfijnen en de richtlijnen voor te stellen om de wetenschappelijke uitdagingen alsook de voorwaarden vast te stellen om deze technologie marktrijp te maken. Hoewel er nog meer onderzoek in dit gebied te doen is, fungeren deze bevindingen als een belangrijk voorlopig overzicht van de richting waarin biologische sensoroppervlakken verder kunnen worden aangepast en kosteneffectief gemaakt. Silicium, als halfgeleider en een van de meest voorkomende bronnen voor elektronische en schakelbouw, kan nu geleidende en biocompatibele eigenschappen toekennen. Deze methode schetst een economische, eenvoudige en toch effectieve manier om silicium te verwerken om nanovezelstructuren te bereiken die de biocompatibiliteit verhogen terwijl ze nog steeds elektrische geleiding toelaten.