Program Operational Sectorial "Cresterea Competitivitatii Economice"
"Investitii in viitorul dumneavoastra"

■ REZULTATE ETAPA a 9-a

1. Elaborarea tehnologiilor de fabricatie a platformelor microfluidice

Activitatea 1.D. Tehnologie de realizare a canalelor microfluidice prin metoda straturilor de sacrificiu - Tehnologie de laborator pentru fabricarea microcanalelor prin tehnica straturilor de sacrificiu si Nota tehnica

2. Testare experimentala Raport stiintific experimentari

Activitatea 4.A. Elaborare set-up experimental: metode obtinere si incapsulare a nanostructurilor PEI in containere lipidice (liposomi)

****************************************************

Elaborarea tehnologiilor de fabricaţie a platformelor microfluidice

Activitatea 1.D. Tehnologie de realizare a canalelor microfluidice prin metoda straturilor de sacrificiu –Tehnologie de laborator pentru fabricarea microcanalelor prin tehnica straturilor de sacrificiu şi Nota tehnica

Cercetarea experimentală privind microprelucrarea uscată a siliciului se referă la depunerea chimică din fază de vapori asistată de plasmă şi corodarea anizotropă adâncă a siliciului pentru aplicaţii în microfluidică şi dispozitive Micro-Electro-Mecanice (MEMS).

Echipamente folosite.

Sistemul de depunere LPX CVD cu LDS este produs de SPTS. Sistemul este dotat cu braţe de încărcare pentru plachete de 3”, 4” şi 6”. Cioburi de plachete sau plachete mai mici pot fi procesate dacă sunt încărcate pe plachete suport de dimensiuni corespunzătoare. Echipamentul are două generatoare unul de 1000W la 380kHz (frecvenţă joasă) şi unul de 600W la 13.56MHz (frecvenţă înaltă). Temperatura platanului pe care se aşează placheta cât şi temperatura duşului de gaze poate fi controlată. Sistemul are capacitatea de a depune diverse tipuri de straturi: oxid de siliciu, oxi-nitrură de siliciu, nitrură de siliciu, borofosfosilicat, fosfosilicat şi borosilicat.

Grosimea straturilor depuse a fost măsurată cu ajutorul refractometrului NanoCalc-XR de la Mikropack Ocean Optics.

Sistemul de corodare PlasmaLab 100 produs de Oxford Instruments este un sistem de corodare cu plasma cuplată inductiv.

Sistemul este dotat cu două inele de fixare, pentru plachete de 3 inch şi, respectiv, 4 inch. Cioburi de plachete sau plachete mai mici pot fi procesate dacă sunt lipite pe plachete de 3 sau 4 inch. Echipamentul are două surse de radio-frecvenţă, puterea fiind controlată individual. Temperatura electrodului inferior poate fi variată controlat între -20oC şi +80oC iar placheta este răcită cu Heliu. Pe reactorul instalaţiei sunt montate două valve ultrarapide pentru SF6 şi C4F8 pentru a produce pereţi verticali cât mai netezi. Imaginile au fost înregistrate cu Microscop cu baleiaj electronic Tescan VEGA II LMU şi FEI NovaNanoSEM 630.
Morfologia suprafeţei straturilor a fost caracterizată prin microscopie AFM, folosind echipamentul Ntegra Aura (NT-MDT), operat în modul Semicontact.

Procedura de lucru
Procedura de depunere
Se depune oxid de siliciu din sursă de TEOS în sistemul PECVD şi se măsoara cu ajutorul refractometrului grosimea stratului depus. În total s-au depus 5 plachete, folosindu-se aceeaşi reţetă pentru a vedea corespondenţa dintre viteza de depunere şi timpul de depunere.
Pe fiecare plachetă a fost măsurată grosimea stratului de oxid depus în 9 puncte. Se colectează datele obţinute din măsurători şi se calculează grosimea depusă, uniformitatea depunerii şi viteza de depunere.

Procedura de corodare uscată
Pentru determinarea vitezei şi profilului de corodare, mai multe plachete de siliciu au fost mascate cu fotorezist sau oxid, şi s-au făcut probe la presiuni diferite şi timpi de pasivare/corodare diferiţi. Probele au fost procesate una câte una, echipamentul nepermiţând procesarea mai multor plachete în acelaşi timp. După finalizarea procesării, plachetele au fost tăiate pentru a vedea profilul corodării şi pentru a măsura cât mai precis adâncimea corodată. Măsurătorile au fost făcute cu ajutorul microscopului cu baleiaj electronic (SEM).

Desfăşurarea experimentului
Pentru desfăşurarea experimentului au fost pregătite plachete de siliciu cu straturi de mascare diferite. Au fost testate plachete de siliciu <100> şi <100> puternic dopate epitaxial.

Rezultat

• Viteza de corodare obţinută a fost de aproximativ 500 nm/min;
• Adâncimea corodată a fost de aproximativ 100 μm;

Corodarea a fost uniformă. Pereţii verticali prezintă o uşoară rugozitate. În imaginile înregistrate se poate observa apariţia unei curburi a peretelui vertical. Aceasta se datorează diferenţei mari dintre timpul de pasivare şi timpul de corodare, astfel apare tendinţa de corodare a siliciului pe sub masca de oxid, stradul de SiO2 rămânând suspendat.          

Figura 2.7: Poze SEM ale probei A fost fabricată o mască de corodare pentru verificarea vitezei de corodare. Masca TEST conţine pătrate cu latura de 10 μm, 25 μm, 50 μm, 100 μm, 250 μm, 500 μm, 1000 μm. Pătratele au fost corodate astfel încât să se obţină profile pozitive şi negative.

2. Testare experimentală – Raport ştiinţific experimentări

Activitatea 4.A. Elaborare set-up experimental: metode obţinere şi încapsulare a nanostructurilor PEI în containere lipidice (liposomi)

2.1.1. Experimente de obţinere a lipozomilor

Au fost elaborate trei metode de preparare a lipozomilor: (a) lipozomi încărcati cu nanoparticule de γ-Fe2O3, (b) lipozomi tricomponent marcaţi cu rodamina B si (c) lipozomi bicomponent marcati cu rodamina B.
In cele ce urmeaza sunt descrise cele trei tehnici de obtinere, si anume:

a) lipozomi încărcati cu nanoparticule de γ-Fe2O3

b) lipozomi tricomponent marcaţi cu rodamină B

c) lipozomi bicomponent marcaţi cu rodamină B

Caracterizarea comportării reologice a soluţiilor de lipozomi.
Vâscozitatea şi elasticitatea sunt principalele proprietăţi de material ce definesc comportamentul reologic al fluidelor complexe. Descrierea comportamentului fluidului în timpul curgerii se face pornind de la măsurători reologice care furnizează parametri pentru determinarea tensorului tensiune ce apare în ecuaţiile de mişcare.

Astfel, pentru o identificarea corectă a proprietăților de material ale fluidelor de lucru, a fost necesară realizarea unor teste reologice diverse care să identifice în mod corect comportarea reologică a substantei din care se vor realiza lipozomii prin focusare hidrodinamică. 

Cum lipozomii sunt formaţiuni lipidice de dimensiuni mici care se auto-asemblează în vezicule mici, se doreşte a se observa dacă acestă suspensie va schimba natura fluidului pur Newtonian în care sunt dizolvați (apă deionizată), prin aducerea de noi manifestări reologice de natură pseudoplastică sau elastică.

Curbele de vâscozitate sunt obţinute din experimentele viscometrice realizate pe o geometrie con-placă, folosindu-se reometrul PHYSICA MCR 301 de la compania Anton Paar. Teste de deformare (creep) a materialului lipid, relaxare a tensiunilor interne şi teste oscilatorii în domeniul de frecvenţe w = (0,1; 102) s-1, au fost realizate pentru soluţia apoasă de lipozomi la o temperatură constantă de 20˚C.

Testele creep, test de tip shear stress (componenta tensiunii interne este coplanară cu secţiunea transversală în material) au fost realizate prin impunerea unei tensiuni de forfecate constantă (t = 1Pa) (a se vedea Fig. 2.6 a) din care se observă curba de viscozitate cum tinde către o valoare de h = 10-2 Pa×s. În testele de relaxare a tensiunilor interne, teste de tip shear rate (viteza de forfecare între două plane paralele ale materialului lipidic), în care au fost impuse viteze de forfecare constante, se poate observa comportamentul pur Newtonian al soluției  de lipozomi. Acelaşi lucru este înregistrat şi în cazul testelor oscilatorii (Fig. 2.6 b), fapt ce ajută la a decide asupra tratării soluției de lipozomi ca fluid Newtonian încărcat cu nanoparticule. Testele reologice se dovedesc a fi folositoare din perspectiva realizării unei simulări numerice cu privire la o curgere fluidică într-o geometrie dată, prin alegerea corectă a modelului de fluid simulat. Astfel în simulările numerice alegerea unui fluid Newtonian cu proprietățile apei este justificată.

Simulările numerice au fost realizate pe o geometrie de tip cruce cu 3 intrări (una principala si doua secundare) si o ieşire cu o secţiune de 60x40 μm. Acestea reprezintă variații ale focusării hidrodinamice, metoda folosita pentru obținerea si controlul dimensiunilor lipozomilor. In acest caz, s-a utilizat un raport al debitelor de 4:1 (B1+B2/A). 

Studiul auto-asamblării prin litografie coloidală

Litografia coloidală (LC) utilizează matrici/structuri bidimensionale (2D)  ca măşti pentru corodare sau depunere prin sputtering. Avantajele LC sunt următoarele: in primul rând, din punct de vedere al costului de producţie, LC este un proces rentabil în fabricarea de structuri funcţionale la scară nano; şi asta pentru că LC foloseşte o cantitate mică de dispersii coloidale în creearea de matrici coloidale regulate, iar dispersiile coloidale sunt disponibile la un cost relativ mic; in plus, nu este nevoie de un echipament complex pentru fabricarea de tipare de câţiva zeci de nm. In al doilea rând, LC este un proces simplu pentru ca fabricarea de şabloane de auto-asamblare, care se realizează fie prin imersie, fie prin centrifugare. In al treilea rând, dimensiunea caracteristică in LC este controlată de dimensiunea particulei coloidale prin tratamente termice (recoacere) sau depunere sub un unghi. In al patrulea rând, prin LC se pot creea structuri mai complexe 3D, ca de exmplu materiale cu nanopori funcţionali, capace metalice hemisferice şi coloizi sculptaţi. In al cincilea rând LC se poate folosi în creearea de tipare în bio-materiale pentru fabricarea de bio-senzori şi bio-chipuri. In general, suprafeţele particulelor coloidale pot fi modificate cu bio-linkers, ca de exemplu acid carboxilic sau grupări amină.

Tehnica litografică care constă în implantarea unor centri activi de polimerizare, aşa numita seed polymerization poate fi folosită în sinteza microsferelor polimerice monodisperse cu diametru mai mare de 1 mm. După sinteza particulelor care vor reprezenta centrii de polimerizare, au loc polimerizări adiţionale repetate pe reţelele polimerului iniţial, obţinând astfel sfere de polimerice mai mari. Totusi, din cauza adaugarii repetate de materie primă, distribuţia dimensiunii sferelor polimerice se lărgeşte. O polimerizare în dispersie într-un singur pas se foloseşte ca metodă alternativă pentru îmbunătăţirea uniformităţii dimensionale în producerea de particule mai mari de 1 micron în diametru. In cazul polimerizării în dispersie, locul de reacţie este picătura de monomer stabilizată de o cantitate mică de surfactant şi iniţiator, care este solubil în ulei şi difusează în picătura de monomer. Prin urmare, fiecare picătură de monomer acţionează ca un reactor de polimerizare în volum. Microsferele de PS si PMMA pot fi sintetizate in solvenţi polari sau ne-polari, iar caracteristicile de suprafaţă şi densitatea de crosslink-uri sunt controlate prin copolimerizare.

Pentru particule monodispersate, cele două procese trebuie separate aşa încât nucleii să poată fi generaţi în mod omogen fără creştere simultană. Distribuţia dimensiunii particulelor devine din ce în ce mai îngusta în timpul reacţiei. In general, dimensinea şi polidispersia particulelor depind de mulţi factori cum ar fi valoarea pH-ului, concentraţia de catalizator, compoziţia reactivilor, tipul solvenţilor, şi temperatura de reacţie; toţi aceşti factori afectează viteza de hidroliză şi condensaţia. Dimensiuni de 200-600nm a particulelor monodisperse de bioxid de siliciu au fost obţinute prin modificarea parametrilor susmenţionaţi. Particule de bioxid de siliciu pot fi dispersate în solvenţi organici prin schimbarea proprietăţilor de suprafaţă cu agenţi de cuplare cu silan, ca de exemplu OTMOS. Grupul hidrofilic silanol (-Si-OH) de pe suprafaţa particulei de bioxid de siliciu poate fi modificat pentru a face particula hidrofobă.

Studiul experimental privind folosirea RIE pentru controlul morfologiei si rugozităţii suprafeţei, dar şi pentru creşterea hidroficităţii în aplicaţii biologice

De obicei, modificarea schemei de depunere se face prin depunere sub un unghi sau prin rotire. Unghiul de înclinare este unghiul format de direcţia de corodare sau depunere şi normala la suprafaţa substratului. Prin acestă metodă se pot obţine prin pulverizare catodică structuri sub formă de triunghiuri alungite sau duble printr-o depunere la un unghi dat sau mai multe depuneri la unghiuri diferite. Din păcate, depunerile sau corodările înclinate au o adaptare limitată datorită restricţiilor formei măştilor. De aceea metoda aleasă de noi a fost modificarea măştilor coloidale prin bombardament cu ioni reactivi din plasmă.

O altă metodă agreată de noi a fost modificarea formei sferice a particulelor coloidale printr-o post-procesare adecvată a matricei particulelor coloidale auto-asamblate. In particular, RIE, bombaramentul ionic, sau tratamentul termic oferă metode versatile pentru fabricarea modelelor nanoscopice noi, care n-ar fi putut fi obţinute prin tehnici litografice convenţionale. Particulele de oxid de siliciu au fost deformate prin bombardament ionic şi expandate în planul perpendicular pe direcţia fascicolului de ioni.

RIE este foarte versatilă în modificarea măştii coloidale prin schimbarea dimensiunii şi formei constituenţilor particulelor coloidale. Metoda de bombardament cu ioni reactivi din plasmă (RIE) a fost folosită pentru controlul morfologiei şi rugozităţii  suprafeţei, dar şi în fazele următoare ale proiectului pentru creşterea hidrofilicităţii suprafeţelor pentru aplicaţii biologice. Straturi bine-organizate de particule coloidale non-sferice se pot fabrica folosind anizotropia RIE pe multistraturi sferice de latex PS, unde stratul cel mai de sus se comportă ca şi o mască pentru modificarea suprafeţei particulelor. Modelul rezultat şi forma particulelor depind de orientarea cristalului faţă de substrat, de numărul de straturi coloidale şi de condiţiile procesării RIE. Efectul de umbră al particulelor din straturile de sus asupra straturilor de dedesubt conduce la obţinera de structuri polimerice corodate non-sferic. Cu o mască poligonală au preparat matrici de găuri şi doturi cât şi doturi magnetice metalice multistrat. Este de aşteptat ca optimizarea ulterioară a condiţiilor experimentale  şi combinaţia cu alte tehnici litografice să conducă la noi modele la scară nano.

Litografia coloidală poate fi folosită cu o matrice 2D ca şi masca-umbră sau cu interstiţiile dintre particule ca şi ferestre deschise pentru ca ionii reactivi să creeze denivelări sau pori pe un substrat. Litografia coloidală dă libertatea de control atât a dimensiunii caracteristice cât şi forma nanoporilor prin schimbarea dimensiunii particulelor şi secvenţa de stivuire a matricelor multistrat sau prin folosirea corodării cu rezoluţie unghiulară.

Particule coloidale de bioxid de siliciu modificate prin bombardament cu ioni reactivi (RIE). Pozele SEM sunt făcute la măriri diferite.