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自组装单层膜(SAM):未来技术中MEMS器件的功能适配
2019-05-19 14:31:31   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

据麦姆斯咨询介绍,自组装单分子膜(SAM)是一种应用广泛的材料技术,在生物和消费电子领域都有应用。自组装单分子膜的核心可以由两部分组成:头部基团和尾部基团。

据麦姆斯咨询介绍,自组装单分子膜(Self-assembled monolayer, SAM)是一种应用广泛的材料技术,在生物和消费电子领域都有应用。自组装单分子膜的核心可以由两部分组成:头部基团和尾部基团。头部基团通常是分子的功能端,其功能性由头部基团本身决定。在某些情况下,可以是一种在片上实验室应用中用于结合生物材料的分子。另一种用途,可以是改变器件表面本身的表面能,以抑制样本表面水分的积聚,从而使样本表面具有疏水性。

尾部基团是与衬底材料结合的一侧分子。与头部基团类似,尾部基团也可以有许多选择,具体取决于该材料将结合的表面。如果要与硅表面结合,使用氯硅烷头端是合理的,而金表面可以使用基于硫醇的尾部基团。事先知道要沉积的表面,可以告知用户可考虑选择的材料。

沉积方法

目前,有两种常用的沉积方法:湿式沉积和气相沉积。湿式沉积是一种低成本方法,是将样品浸没在SAM材料的溶液中,以使SAM结合到样品表面并正确对准。每个样品的沉积时间通常为数小时到一整天。在学术应用中,这种时间范围不一定是问题,但对于生产制造环境,这种方法就完全不适合。另外,由于其与空气条件的相互作用,SAM材料会缓慢地开始聚合,因此,这种沉积方法中材料的使用寿命非常有限。

相比之下,气相沉积方法在五分钟沉积后产生自组织的薄膜。由于在沉积之前先利用了表面等离子体处理,这种沉积方法的速度很快。表面等离子体处理使得衬底材料与进入的SAM材料有高度的反应性,与样品表面的反应更快,并有助于化学键本身的形成。其涂层材料通常保存在压力容器内并保持真空,这显著增加了涂层材料的可用寿命,使用户可以使用容器中的所有材料。

应用

目前,SAM涂层最常见的大规模应用是为消费类MEMS器件构建疏水表面。在MEMS压力传感器、麦克风、加速度计或陀螺仪(通常被认为是MEMS四大主要器件)中,疏水涂层可用于避免静摩擦(黏附)风险。

黏附是指器件可移动元件层通过范德华力、静电力、库仑引力或氢键等机制,与另一层发生永久黏附。如果这些主要机制中的任何一个发生并导致两层之间的电荷或吸引力形成,同时黏附层的恢复力小于对应的电荷或吸引力,那么这两层材料将保持黏附。通过改变表面能以阻止水结合到功能器件的表面,可以显著提高器件寿命。

SAM膜的另一种正在开发的应用是医疗领域,例如药物涂层或用于生物分析的DNA固定。通过使官能团仅与特定材料反应,用户可以在药物的特定位置上形成薄膜包衣,用于靶向癌症治疗。通过定制药物涂层使药物仅与癌细胞结合,可以对癌细胞进行高度局部化处理,从而降低癌症治疗对人体的破坏作用。

最近的研究开始看到MEMS器件和SAM涂层的结合使用。将SAM应用于简单的MEMS悬臂或桥结构,这些结构向上或向下的偏移会改变器件的电容,由此探讨了其作为传感器应用的可能。将SAM涂层用于和特定生物材料结合的MEMS微桥结构,可以做成辨别单一流体、酶等的测量传感器。这还可以用于医学诊断测试,例如用葡萄糖水平检测帮助糖尿病患者确定胰岛素剂量。

微流控是SAM涂层的一个终极主要应用。应用于微流体通道的亲水涂层可以将液体拉平,由此可以通过过滤系统抽取流体用于纯化。这能够进一步支持医疗应用,并且还可以用于可能需要流体过滤的所有场景。

分析方法

SAM的功能取决于所使用的化学成分。头部基团可以使样品具有疏水性、生物活性、亲水性或完全具有另一种功能。尾部基团,即与器件表面结合的末端,也可根据其结合的表面进行选择。可以是氯硅烷基团(SiCl3),最终在衬底上形成Si-Si键并释放极低量的氯气。这通常可与硅、氧化硅和氮化硅表面以及一系列金属表面结合。另一种最常见的基团,硫醇,则利用硫键与金表面反应。

正如其名,SAM的厚度非常薄,使得沉积薄膜的光学确认非常困难。根据头部基团的功能性,有一些测试可以应用于沉积样本。例如,疏水表面会使水在表面上“球化”,这可以成像。当生物活性涂层暴露于疏水表面时,最终会与其靶材料结合,而亲水表面会将液体拉平。 

不过,所有这些测试都要求将样本暴露于测试介质中。由于薄膜的超薄性质,用户只能通过少数测试方法来确定薄膜的存在,包括原子力显微镜(AFM)、椭圆偏振法和X射线反射计(XRR)等。这些方法都是可行的测试系统,但每种方法都有其测试条件,例如,AFM会破坏AFM尖端沿表面拖动的涂层,椭圆偏振法则依赖于特定材料的现有模型。

这些测试方法是什么样的,它们是否可以联合使用,来确认这些薄膜的存在?

最常用的SAM涂层之一是全氟癸基三氯硅烷(FDTS)。这是一种长链氟碳材料,为器件提供疏水终止。涂覆有FDTS膜的表面的接触角预计在110°或更高,预计膜厚为10~15 Å或1~1.5nm。

在沉积过程中,AFM分析显示了SAM层的沉积和组织。平均粗糙度(Ra)持续增加,直到所有结合位点都被材料填充,随着薄膜的组织和光滑,Ra突然下降。不建议在此之上进一步沉积。

超过正常五分钟沉积的继续沉积分析,很明显Ra开始再次增加。另外,由于没有自由结合位点,因此后面的SAM材料没有结合到衬底上。在这种情况下,FDTS开始在小的局部簇中与自身结合,从而在样本表面产生颗粒。

对于FDTS沉积方法的分析,德累斯顿IPMS弗劳恩霍夫集团的Jan Uwe Schmidt博士利用椭圆偏振法和XRR进行了研究。通过利用X射线分析方法,精确测量薄膜的厚度,并与椭圆偏光系统内所提出的模型进行比较。使得IPMS团队能够通过椭偏仪确认并开发模型,其模型可以准确地确定这种特定SAM涂层的厚度。当然,这需要对分析中的每个涂层进行检测以确定厚度。不过,得益于这种设备,现在可以为各种SAM涂层生成模型,从而实现对SAM薄膜的无损分析。

结论

SAM已成为为系统添加功能性的一种重要手段,这些功能最初往往无法通过设计进入器件。通过定制SAM材料的官能团和结合基团,用户可以使用同样广泛的功能处理各种器件和表面,从而扩展器件的应用范围。

SAM涂层分析并不简单。确定涂层的存在需要将样本暴露于特定SAM涂层敏感的目标材料,或者使用定制的计量方法,这些方法本身也需要一定的涂层专业知识。在此,我们突出了一些可以使用的方法,以及如何在适用的情况下通过液滴证实材料的存在。通过利用其中一些方法,可以更好地了解SAM涂层的质量。

延伸阅读:

《MEMS产业现状-2018版》

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