Pembuatan Komposit Nanofibersilika–Nanopartikel Emas yang Konduktif Listrik melalui Pulsa Laser dan Sputtering

Abstrak

Materi sensing yang biokompatibel memainkan peran penting dalam aplikasi biomedis di mana ada kebutuhan untuk menterjemahkan respons biologis menjadi sinyal listrik. Peningkatan biokompatibilitas perangkat sensing ini umumnya menyebabkan pengurangan konduktivitas keseluruhan karena teknik pemrosesan. Silikon menjadi opsi yang lebih feasibel dan tersedia untuk digunakan dalam aplikasi ini karena properti semikonduktor dan ketersediaannya. Saat diproses untuk menjadi pori, silikon telah menunjukkan biokompatibilitas yang menjanjikan; namun, pengurangan konduktivitas disebabkan oleh oksidasi. Untuk mengatasi ini, penanaman emas melalui teknik sputtering diusulkan dalam penelitian ini sebagai cara untuk mengontrol dan memberikan properti listrik lebih lanjut pada nanofiber oksida silikon yang diinduksi laser. Wafer silikon kristal tunggal diproses laser menggunakan sistem laser pulsed nanosecond Nd:YAG pada parameter laser yang berbeda sebelum dilakukan sputtering emas. Kontrol parameter pemindaian (misalnya, spasi garis yang lebih kecil) ditemukan menginduksi pembentukan struktur nanofibrous, yang diameternya bertambah seiring peningkatan tumpang tindih (jumlah pemindaian laser melalui jalur yang sama). Pada spasi garis yang lebih besar, terbentuk nanopartikel dan mikropartikel. Tumpang tindih (OL) yang meningkat menyebabkan penyerapan cahaya yang lebih tinggi oleh wafer. Sampel yang di-sputter emas menghasilkan konduktivitas yang lebih tinggi pada konsentrasi emas yang lebih tinggi, terutama pada sampel dengan ukuran fiber yang lebih kecil. Secara keseluruhan, temuan ini menunjukkan hasil yang menjanjikan untuk masa depan silikon sebagai semikonduktor dan bahan biokompatibel untuk penggunaan dan pengembangan dalam peningkatan aplikasi sensing.

Latar Belakang

Materi sensing yang biokompatibel cenderung mahal untuk diproduksi serta memiliki rasio sinis-ke-bising (SNR) yang rendah; Rasio sinis-ke-bising adalah ukuran daya sinis terhadap tingkat daya bising (bising latar belakang) dan dinyatakan sebagai pengukuran dalam desibel (dB). Nanomaterial diperkenalkan sebagai upaya untuk mengurangi penurunan yang disebabkan oleh bising. Dua metode utama digunakan untuk mengurangi penurunan, yaitu pembentukan nanocarbon dan nanomaterial [1]. Keberhasilan nanocarbon sebagai sensor dapat dikaitkan dengan luas permukaan efektif yang meningkat, yang mengurangi impedansi elektroda dan meningkatkan arus [1–4]. Luas permukaan yang meningkat juga mengimmobilisasi lebih banyak ensim di atasnya dalam aplikasi biomedis [2]. Namun, ada beberapa kelemahan dalam pembuatan nanocarbon. Misalnya, itu mahal dan memiliki kesucian rendah, kekurangan kontrol perataan, kurangnya kelarutan air, dan reaktivitas tinggi yang disebabkan oleh nanocarbon yang menggantung [5].

Reaksi jaringan yang tidak diinginkan dan resistensi terhadap degradasi adalah faktor biokompatibilitas yang penting [6]. Silikon pori, yang dibentuk dari struktur unik kristal nano dan pori, menunjukkan properti yang berharga untuk digunakan sebagai biomaterial dan aplikasi biosensing potensial [7]. Silikon—bahan yang umum digunakan—serbaguna dalam teknik pemrosesan mikro kontemporer karena ketersediaannya dan biaya rendahnya [8, 9]. Silikon dapat diproses untuk membentuk pori makro, mikro, dan nano. Diameter pori ideal untuk perangkat sensing biokompatibel adalah antara 2 dan 50 nm. Ukuran pori ini memungkinkan difusi biomolekul dan paparan permukaan yang lebih luas, menghasilkan immobilisasi biomolekul yang lebih besar dibandingkan permukaan 2D dan menjadikannya bahan yang sangat baik untuk aplikasi biosensing [8].

Berbagai metode dapat digunakan untuk memodifikasi permukaan substrat silikon untuk memproduksi sensor berbasis silikon. Pengerjaan elektrokimia digunakan dalam banyak kasus untuk memodifikasi silikon menjadi struktur pori. Metode ini memerlukan penggunaan berbagai kimia dan peralatan khusus. Prosedur awalnya memerlukan pembersihan menyeluruh wafer. Beberapa kimia dapat bereaksi sangat dengan cacat dalam struktur silikon dan melepaskan gas beracun [9, 10]. Pengerjaan elektrokimia juga sangat mempengaruhi topografi permukaan, sehingga sulit dikontrol [11]. Mencapai permukaan pori yang seragam dengan teknik ini kompleks dan sangat tergantung pada serta sensitif terhadap parameter pengerjaan, juga menghasilkan kuantitas limbah yang besar [12]. Selain itu, konsentrasi ikatan hidrogen yang tinggi subsiden pada permukaan setelah persiapan, membuatnya sangat tidak stabil [8]. Fotolitografi adalah metode lain untuk memodifikasi permukaan substrat silikon untuk memproduksi sensor silikon yang biokompatibel [13, 14]. Metode ini memungkinkan pola dan kontrol perilaku sel. Kekurangannya utama adalah karena difraksi optik dari sinar cahaya, resolusi terbatas hingga maksimal 1 μm dalam praktik.

Pemrosesan laser adalah metode lain untuk memodifikasi permukaan substrat silikon. Digunakan untuk mengoptimalkan kinerja materi seperti penyerapannya, kerentanan terhadap aus, kimia permukaan, dan struktur kristal. Properti permukaan dapat dikontrol dengan cara ini tanpa mempengaruhi inti materi [8, 9].

Penambahan nanopartikel emas adalah metode yang menarik untuk memodifikasi permukaan substrat silikon untuk memproduksi sensor silikon. Nanopartikel emas memiliki properti penting termasuk konduktivitas, rasio permukaan-volume yang tinggi, pengenalan molekuler yang baik, dan energi permukaan tinggi [15, 16]. Properti kimia dan fisik unik mereka membantu mentransfer elektron dari lapisan spesifik bio ke permukaan elektroda [15]. Nanopartikel emas juga meningkatkan sensitivitas deteksi biokimia dari biosensor elektrokimia [17, 18].

Hasil yang sebelumnya diterbitkan oleh Colpitts dan Kiani telah membuktikan penggunaan sistem laser pulsed nanosecond dalam pembentukan struktur fibrous biokompatibel pada silikon [12, 19]. Hasil awal mereka menginspirasi tujuan penelitian ini untuk mengusulkan metode untuk menyesuaikan properti silikon yang diproses laser untuk meningkatkan kelayakannya dalam aplikasi sensing biologis di masa depan yang memerlukan properti baik biokompatibilitas dan konduktivitas listrik. Selain itu, dirincikan metode efektif untuk menghasilkan nanofiber oksida silikon menggunakan laser pulsed nanosecond komersial. Ini melibatkan pemrosesan wafer kristal silikon menggunakan laser pulsed nanosecond Nd:YAG pada daya konstan 12 W dengan variasi tumpang tindih (jumlah pemindaian beam laser melalui jalur yang sama) dan spasi garis (jarak antara jalur pemindaian). Sputtering emas kemudian dilakukan pada permukaannya selama durasi 4 atau 8 menit. Perubahan penyerapan dan konduktivitas serta topografi permukaan diselidiki dan dibahas.

Bahan dan Metode

Pendekatan ini melibatkan pemrosesan laser wafer silikon kristal tunggal <100> pada daya rata-rata 12 W, pada spasi garis 0,025, 0,1, dan 0,15 mm, dan pada satu, tiga, atau lima tumpang tindih. Spasi garis merujuk pada ruang antara setiap garis yang dipulsa oleh laser, diukur dari pusat beam laser. Tumpang tindih (OL) menunjukkan jumlah pengulangan pola yang dibuat pada permukaan silikon, misalnya, tiga tumpang tindih berarti beam laser melewati garis abrasi tiga kali. Kemudian ini di-sputter emas selama 4 atau 8 menit. Gambar 1 menggambarkan proses keseluruhan.

Pemrosesan Laser

Laser pulsed nanosecond Nd:YAG dengan panjang gelombang 1064 nm digunakan untuk eksperimen ini. Output beam bularan laser memiliki diameter 9 mm dan dikurangi menjadi 8 mm menggunakan iris diaphragm sebelum memasuki scanner XY galvanometer (JD2204 oleh Sino-Galvo). Scanner ini memiliki aperture 10 mm dan perpindahan beam 13,4 mm. Lensa F-theta dengan panjang fokus 63,5 mm digunakan untuk mengontrol fokus laser pada permukaan sampel, menghasilkan diameter spot laser teoretis 20 μm. Perangkat lunak EZCAD digunakan untuk mengontrol parameter laser, misalnya, untuk menentukan kecepatan pemindaian, tumpang tindih, frekuensi, dan pola garis.

Mikroskopi dan Karakterisasi Permukaan: Mikroskop Elektron Pemindaian (SEM) dan Mikroskop Elektron Transmisi Pemindaian (TEM) dan Energi Dispersif X-Ray (EDS)

Berbagai cara digunakan untuk karakterisasi permukaan, termasuk JEOL JSM-6400 mikroskop elektron pemindaian (SEM) yang dipasang dengan EDAX Genesis 4000 energi dispersif X-ray (EDS) dan A JEOL JEM-2010 mikroskop elektron transmisi pemindaian (TEM) yang disesuaikan dengan kamera Gatan UltraScan menggunakan DigitalMicrograph digunakan untuk mengumpulkan citra yang diinginkan.

Spektroskopi Cahaya

STS-NIR Spectro Radiometer (Ocean Optics, Dunedin, Florida, USA) digunakan untuk menentukan properti optik sampel, yaitu, untuk mengukur koefisien reflectivitas sampel pada tumpang tindih dan spasi garis yang berbeda pada panjang gelombang antara 175 dan 885 nm dan resolusi optik 1,5 nm [19].

Spektroskopi Impedansi

Potensiostat CH Instruments Inc. (USA) model 760 digunakan untuk mengukur konduktivitas sampel silikon yang diproses menggunakan spektroskopi impedansi AC. Sampel dihubungkan melalui klip badu ke spektrometer (mode dua elektroda) dan pengukuran diperoleh pada frekuensi antara 0 dan 1 × 10⁶ Hz dan pada amplitudo potensial 10 mV.

Analisis Citra

Perangkat lunak ImageJ 1.501 oleh Wayne Rasband di National Institutes of Health, USA, digunakan untuk menentukan diameter partikel dan fiber. Ini memungkinkan impor manual dan pengukuran fitur yang ditangkap oleh citra SEM dan TEM.

Hasil dan Pembahasan

Pembentukan Struktur Nanofibrous

Sampel silikon diproses pada satu, tiga, dan lima tumpang tindih pada daya rata-rata 12 W dengan spasi garis 0,025, 0,10, dan 0,15 mm. Citra SEM dikumpulkan untuk menentukan jenis struktur nano yang ada.

Peningkatan spasi garis menghasilkan pembentukan mikropartikel dengan porositas skala nano daripada nanofiber. Area yang diablasi laser jelas terlihat pada baik (a) dan (b) Gambar 2, seperti yang diharapkan karena diameter spot laser sekitar 0,02 mm dan jauh lebih kecil dari spasi garis yang ditetapkan. Pada 0,1 mm, mikropartikel terbentuk pada permukaan di antara area yang diablasi laser. Pemverbesar tinggi mengungkapkan bahwa mikropartikel ini terbentuk dari struktur fibrous halus. Pada 0,15 mm, mikropartikel lebih kecil dan lebih langka, dengan kepadatan nanopartikel yang lebih tinggi yang terbentuk pada permukaan. Porositas struktur nano berbeda dari mikropartikel yang lebih besar. Mikropartikel pada spasi garis 0,15 mm memiliki struktur yang lebih padat dibandingkan sampel 0,1 mm. Dalam teori, diharapkan bahwa peningkatan suhu pluma plasma laser akan menghasilkan pertumbuhan partikel [20], seperti yang dapat diamati dengan membandingkan citra dalam Gambar 2.

Citra SEM dalam Gambar 3 menunjukkan (a) dispersi seragam nanofiber yang saling terhubung yang terbentuk pada spasi garis 0,025 mm. Saat jumlah tumpang tindih ditambah ke tiga, (b) klaster kecil dari partikel nanofibrous mulai terbentuk. Pada tumpang tindih kelima, (c) klaster jelas dari struktur nanofibrous terbentuk dengan spasi di antara mereka. Lagi, peningkatan tumpang tindih diharapkan meningkatkan pertumbuhan partikel karena peningkatan suhu dan penyerapan cahaya. Peningkatan diameter fiber juga diamati dengan peningkatan tumpang tindih. Berdasarkan citra SEM, diameter fiber dianalisis menggunakan perangkat lunak visualisasi citra ImageJ 1.501 yang dikembangkan oleh Wayne Rasband di National Institutes of Health, USA. Diameter fiber terkecil—rata-rata 75 nm—diamati pada satu tumpang tindih. Literatur menunjukkan bahwa struktur nanopori meningkatkan biokompatibilitas materi dengan mempengaruhi topografi dan kerangka sel [21].

Tidak mengherankan bahwa pembentukan nanofiber optimal diamati pada spasi garis terkecil 0,025 mm. Karena diameter laser secara teoretis sangat dekat dengan ukuran spasi garis ini, tidak ada atau sedikit area yang tidak kontak langsung dengan laser. Ini menghasilkan wilayah yang lebih panas dan kepadatan pluma tetap stabil untuk periode waktu yang lebih lama. Ini lebih meningkatkan penyerapan cahaya keseluruhan sampel karena perubahan topografi. Dengan menciptakan jaringan fiber, luas permukaan meningkat dan oleh karena itu semua mekanisme yang langsung terkait dengan luas ditingkatkan.

Pengaburan bahan dari permukaan padat menggunakan teknologi laser pulsed dapat menginduksi pembentukan nanopartikel. Ketika laser diarahkan ke permukaan, ia menginduksi vaporisasi dan menghapus atom dari inti permukaan, sehingga memungkinkan pulsa laser untuk lebih dalam ke dalam materi. Kedalaman laser bergantung pada faktor-faktor seperti panjang gelombangnya dan properti fisik materi. Medangan elektromagnetik laser mengeluarkan elektron dengan melepaskan energi dan momentum pada permukaan materi. Transfer energi yang terlibat dalam interaksi laser dengan materi menyebabkan suhu naik, yang pada gilirannya menyebabkan pembentukan gas terionis yang dikenal sebagai pluma yang akan melekat seperti gelombang kehunu di sekitar fokus laser. Partikel dihapus dari permukaan ketika intensitas (fluensi) laser lebih besar dari ambang ablasi materi. Isi pluma mengambil bentuk pluma: wilayah yang berisi campuran ion, elektron, dan nanopartikel yang sangat reaktif. Ketika ablasi laser dilakukan di udara, oksidasi partikel yang dikeluarkan dapat terjadi. Saat pluma melekat, ujungnya lebih dingin dari intinya [22]. Akibatnya, partikel yang baru terbentuk bergerak ke wilayah yang lebih dingin, yang menyebabkan mereka tersaturasi, lebih lanjut menuklei, dan kristal menjadi struktur padat. Tabrakan antara atom gas dan pluma yang diablasi dalam lapisan tipis antarmuka menghasilkan nanopartikel dan agregat. Gas ambien mengelompokkan dengan atom dan ion yang menguap pada suhu tinggi. Saat pluma pendingin, pembentukan agregat dimulai. Pada akhir pulsa laser, penambatan agregat-agregat dan atom-agregat terjadi [23].

Koefisien penyerapan cahaya ditentukan secara eksperimental melalui spektroskopi cahaya. Seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 4, spasi garis yang lebih dekat menghasilkan reflectivitas yang jauh lebih rendah karena peningkatan kekasaran permukaan keseluruhan. Seperti yang disebutkan sebelumnya, peningkatan jumlah tumpang tindih meningkatkan penyerapan cahaya. Dari nilai teoretis ini, maksimum ditemukan dalam setiap kasus, dan nilai ini digunakan untuk menentukan koefisien reflectivitas yang tepat.

Efek spasi garis terhadap reflectivitas juga dipelajari (Gambar 5). Membandingkan hasil dari satu tumpang tindih, peningkatan spasi garis menghasilkan reflectivitas yang jauh lebih tinggi. Seperti yang diharapkan, silikon pori dan fibrous menyerap lebih banyak cahaya daripada silikon yang menunjukkan tanda mikropartikel saja. Pada spasi garis yang lebih besar, bagian silikon tidak diablasi laser; alih-alih, mikropartikel yang istirahat pada permukaan yang lebih halus tetap, yang menunjukkan properti refleksi yang lebih mirip dengan silikon yang tidak diproses.

Setelah cahaya insiden masuk ke dalam materi, penyerapan menyebabkan pengurangan intensitas cahaya seiring peningkatan kedalaman berdasarkan koefisien penyerapan materi, α. Asumsi materi seragam dengan α konstan, intensitas, I, menurun dengan kedalaman z mengikuti hukum Beer-Lambert, di mana I ₀ mewakili intensitas di dalam permukaan setelah mempertimbangkan kerugian refleksi [24].

$$ I(z)={I}_0{e}^{\hbox{-} \alpha z} $$ (1)

Ablasi laser sangat bergantung pada transfer panas ke materi. Dengan laser nanosecond, umumnya diasumsikan bahwa sebagian besar penyerapan disebabkan oleh interaksi satu foton. Peningkatan penyerapan cahaya menghasilkan suhu dan tekanan pluma yang lebih tinggi [25], yang mendorong pembentukan struktur nanofibrous.

Ketika laju termal lebih besar dari laju eksitasi yang diinduksi laser, proses ini disebut fototermal atau pirolitik, di mana energi laser yang diserap diasumsikan secara langsung ditransformasikan menjadi panas. Ini adalah kasus ketika waktu pulsa laser lebih besar dari rentang nanosecond. Pemrosesan fototermal membawa kita ke pemodelan aliran panas melalui materi. Responsnya terhadap laser adalah akibat efek termal baik dalam koordinat temporal maupun spasial dan dapat dimodelkan dari turunan persamaan panas.

Untuk menentukan secara matematis hubungan suhu rata-rata yang diharapkan di antara permukaan sampel, suhu maksimum, T, yang terjadi pada akhir pulsa laser (t _p ), ditentukan melalui model satu dimensi sebagai berikut [12, 26, 27]:

$$ T\left(0,\ {t}_p\right)=\sqrt{\frac{2 a}{\pi^3{t}_p}\frac{4 K\left(1- R\right) P}{kf{ d}^2}} $$ (2)

Durasi pulsa laser (t _p ) dalam kasus kami adalah 57,5 ns, dengan diameter spot (d), 20 μm pada frekuensi (f) 100 kHz, dan daya rata-rata (P) 12 W. Koefisien difusi termal (a)––untuk silikon diatur pada 0,000085 m²/s koefisien energi residu K diatur pada konstanta 0,8 untuk silikon, dan konduktivitas termal k pada 155 W/mK. R dalam kasus ini adalah nilai reflectivitas yang ditentukan secara eksperimental di atas. Dari ini, suhu rata-rata permukaan setelah n pulsa dihitung sesuai dengan Eq. 3 di bawah ini, di mana α adalah konstanta akar kuadrat frekuensi dikalikan durasi pulsa (\( \alpha =\sqrt{t_p f} \)) [12, 26, 27].

$$ {\overline{T}}_n=2\alpha \frac{\left[1-\frac{2}{3}\alpha \right]}{\left(1+{\alpha}^2\right)}\frac{T_m}{\left(1-\alpha \right)}\left[1+\frac{\alpha^n-\alpha}{n\left(1-\alpha \right)}\right] $$ (3)

Menggunakan Eq. 2 dan 3 di atas dan mengasumsikan tidak ada penguapan partikel, plot suhu rata-rata permukaan yang dicapai oleh sampel untuk spasi garis 0,025, 0,10, dan 0,15 mm pada satu dan tiga tumpang tindih dihasilkan seperti yang terlihat dalam Gambar 6.

Dari profil suhu yang ditunjukkan dalam Gambar 6, ada gradien yang terbentuk sebelum suhu rata-rata maksimum tercapai. Gradien ini menyebabkan pembentukan pluma yang disebutkan sebelumnya. Nilai maksimum steady state untuk setiap sampel ditentukan dan, seperti yang disimpulkan, sampel pada tiga tumpang tindih mencapai suhu rata-rata permukaan yang lebih tinggi daripada pada satu tumpang tindih. Ini dapat dijelaskan oleh peningkatan ukuran nanopartikel, yang pada gilirannya mengarah pada penyerapan yang lebih tinggi. Pengecualian tunggal adalah sampel pada spasi garis 0,025 mm, di mana kedua sampel ini menghasilkan suhu rata-rata maksimum yang sama. Ini disebabkan oleh korelasi yang sangat dekat dalam nilai reflectivitas mereka.

Jumlah rata-rata partikel yang menguap dari permukaan oleh pulsa berturut-turut diperkirakan secara teoretis berdasarkan parameter pemrosesan laser dan properti materi. Laju penguapan, R _evp, oleh ablasi pulsa tunggal dihitung dalam model satu dimensi sebagai berikut [20, 27]:

$$ {\left\langle {R}_{\mathrm{evp}}\right\rangle}_{\mathrm{therm}}={n}_{\mathrm{air}}{\left(\frac{A{ k}_B{a}^{\frac{1}{2}}{t}_p^{\frac{1}{2}}{t}_{\mathrm{eq}}{P}_{\mathrm{avg}}}{M_a k{\pi}^{\frac{3}{2}}{R}_{\mathrm{rep}}{A}_{\mathrm{foc}}}\right)}^{1/2} $$ (4)

Di sini, n _air adalah densitas udara (kg/m³), A adalah koefisien penyerapan, t _eq adalah waktu ekuilibrasi, P _avg adalah daya rata-rata, M _a adalah massa atom (kg), A _foc adalah luas fokus, R _rep adalah frekuensi, dan k _B adalah konstanta Boltzmann (J/K). Menggunakan ini dan mengonversi laju menjadi jumlah atom berdasarkan massa atom silikon, jumlah rata-rata partikel yang menguap dapat diperkirakan sebagai [20, 27]

$$ {N}_{\mathrm{MP}}={R}_{\mathrm{evp}}{R}_{\mathrm{rep}}{A}_{\mathrm{foc}}{D}_t $$ (5)

Parameter yang digunakan dalam kasus ini adalah seperti yang dijelaskan dalam persamaan sebelumnya; namun, waktu ekuilibrasi, t _eq diatur ke 1,5 × 10¹⁰ s, frekuensi laser R _rep pada 100 kHz, waktu tinggal pulsa D _t dihitung dari jumlah pulsa efektif, dan akhirnya, luas fokus A _foc dihitung dari diameter spot laser teoretis minimum. Nilai ditentukan untuk laju penguapan dan jumlah partikel yang diestimasi menguap pada koefisien penyerapan yang berbeda. Hasilnya disajikan secara grafis dalam Gambar 7.

Seiring peningkatan penyerapan, jumlah rata-rata partikel serta laju dimulai meningkat seolah-olah parabolik. Ada peningkatan cepat dalam jumlah partikel yang menguap pada nilai penyerapan yang lebih rendah. Meskipun jumlah atom yang lebih tinggi dapat dicapai seiring peningkatan penyerapan, kurva tidak lagi tumbuh secepat itu. Ini menjelaskan mengapa permukaan silikon yang diproses laser dengan koefisien penyerapan yang lebih tinggi cenderung memiliki nanopartikel dan pembentukan fiber seiring meningkatnya jumlah atom yang menguap, sehingga memungkinkan pengaturan ulang struktur yang lebih banyak.

Sputtering Emas dari Nanofiber Oksida Silikon yang Dihasilkan Laser

Sampel yang disiapkan pada daya rata-rata 12 W dan pada spasi garis 0,025 mm di-sputter emas untuk menilai properti konduktifnya. Sampel di-sputter emas selama 4 atau 8 menit. Efek konduktivitas dan ukuran partikel diukur dan dibandingkan pada tumpang tindih yang berbeda.

Dalam studi sebelumnya, telah terbukti bahwa lapisan oksidan yang terbentuk secara signifikan mempengaruhi biokompatibilitas dengan meningkatkan adsorpsi grup hidroksil, lipoprotein, dan glikolipid. Gambar 8 menunjukkan hasil EDX dan TEM dari sampel silikon yang diablasi 0,025 mm. Konsentrasi oksigen terlihat meningkat seiring peningkatan jumlah tumpang tindih (a–c) yang menunjukkan peningkatan biokompatibilitas. Jumlah oksigen tertinggi terlihat pada sampel dengan penyerapan tertinggi, yaitu, pada lima tumpang tindih (c). Seiring peningkatan pembentukan nanofibrous, suhu rata-rata keseluruhan, dan jumlah atom yang menguap dari sampel, ada lebih banyak partikel yang berinteraksi dengan udara di mana ablasi sedang dilakukan. Ini menghasilkan partikel yang kaya akan oksigen karena reaksi oksidasi yang terjadi dalam pluma laser.

Citra SEM dianalisis menggunakan ImageJ untuk menentukan diameter fiber yang mendekati yang terjadi pada spasi garis 0,025 mm. Seperti yang dirujuk dalam Gambar 9, diameter fiber menjadi lebih besar seiring penambahan tumpang tindih. Dari atas, kita tahu bahwa tingkat oksigen meningkat seiring penambahan tumpang tindih, sehingga sebagian menjelaskan pertumbuhan ukuran fiber.

Melalui citra TEM, diameter partikel emas dan silikon rata-rata dihitung beserta deviasi standarnya. Seiring peningkatan jumlah tumpang tindih, ditemukan bahwa diameter partikel silikon rata-rata juga bertambah. Ini sepakat dengan teori bahwa pertumbuhan partikel terjadi seiring peningkatan penyerapan dan dengan hasil sebelumnya yang menunjukkan perluasan diameter fiber dengan penambahan tumpang tindih. Peningkatan diameter fiber dapat dijelaskan oleh pertumbuhan ukuran partikel silikon. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 10, sampel dengan lima tumpang tindih dan spasi garis 0,025 mm memiliki partikel silikon yang paling besar dibandingkan dengan sampel pada spasi garis yang lebih pendek. Ini juga adalah sampel dengan nilai penyerapan tertinggi dibandingkan dengan dua sampel lainnya. Ini menjelaskan diameter fiber yang lebih besar yang terlihat pada sampel b pada gambar dibandingkan dengan sampel a. Sampel yang ditunjukkan pada c memiliki koefisien penyerapan yang berada di antara sampel a dan b, sehingga menjelaskan pertumbuhan partikelnya dibandingkan dengan dua sampel lainnya.

Dalam Gambar 11, diameter partikel emas ditunjukkan memiliki pola pertumbuhan yang sangat mirip dengan partikel silikon. Seiring peningkatan jumlah tumpang tindih, diameter partikel emas juga terlihat meningkat.

Konsentrasi emas dalam setiap sampel diestimasi menggunakan perangkat lunak ImageJ (Gambar 12). Konsentrasi ditemukan menurun pada 0,025 mm saat beralih dari satu ke lima tumpang tindih. Dari citra SEM dan diameter fiber, sampel silikon pada satu tumpang tindih dan spasi garis 0,025 mm memiliki fiber yang lebih tipis dan hence spasi yang lebih jarang di antara mereka. Ini akan memungkinkan lebih banyak partikel emas untuk jatuh di antara spasi ini dan menempel terpisah di sekitar fiber daripada mengaglomerasi. Pada lima tumpang tindih, fiber jauh lebih tebal dan spasi di antara mereka lebih kecil, yang memungkinkan lebih sedikit partikel emas untuk menyimpan di celah. Pada spasi garis 0,15 mm dan lima tumpang tindih, konsentrasi jatuh di antara dua sampel yang sebelumnya dibahas seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 10. Saat membandingkan spasi garis, peningkatan yang terakhir mengakibatkan penurunan konsentrasi emas. Pengurangan ini menyebabkan penyerapan materi menurun dan pada gilirannya mengurangi pertumbuhan partikel. Pada lima tumpang tindih, konsentrasi emas meningkat saat spasi meningkat karena permukaan lebih halus (area kontak keseluruhan lebih kecil) yang menghasilkan konsentrasi emas yang lebih tinggi dalam struktur nanofibrous yang disintesis.

Secara teoretis, durasi pulsa yang lebih panjang dan kepadatan serta suhu pluma yang lebih tinggi menghasilkan pembentukan struktur nano yang lebih besar. Ukuran struktur nano sangat bergantung pada skala waktu difusi pluma sementara tipe-nya bergantung pada densitas atom yang menguap. Untuk alasan ini, untuk mencapai struktur nanofibrous, pulsa laser harus dipertahankan secara berkelanjutan agar kepadatan pluma tetap pada level kritis yang diperlukan untuk pembentukannya. Dengan demikian, ukuran partikel yang lebih besar dengan tumpang tindih yang bertambah dapat dijelaskan dengan cara ini karena suhu permukaan keseluruhan yang lebih tinggi dan koefisien penyerapan [24].

Konduktivitas keseluruhan diukur melalui spektroskopi impedansi untuk sampel dengan satu dan dua tumpang tindih pada spasi garis 0,025 mm. Konduktivitas diukur menggunakan sampel persegi yang lebih besar dengan ukuran sekitar 1,5 × 1,5 cm dan dihubungkan langsung ke spektrometer (untuk meminimalkan resistensi kontak). Diagram Bode (resistensi total absolut sebagai fungsi frekuensi AC) digunakan untuk menghitung konduktivitas spesifik film (dalam Siemens per sentimeter, S/cm) setelah standarisasi terhadap ketebalan dan luasnya. Gambar 13 menunjukkan perbedaan yang jelas antara tumpang tindih dan konduktivitas mereka. Karena emas adalah elemen yang sangat konduktif, diharapkan bahwa sampel yang mengandung lebih banyak emas akan memiliki konduktivitas yang ditingkatkan. Studi sebelumnya dalam pengembangan transistor telah menemukan bahwa nanopartikel emas menghasilkan performa listrik yang ditingkatkan [15]. Sampel yang di-sputter emas selama 8 menit menghasilkan konduktivitas yang lebih tinggi daripada yang di-sputter hanya selama 4 menit. Sampel dengan dua tumpang tindih ditunjukkan memiliki konduktivitas yang lebih rendah daripada sampel dengan satu tumpang tindih seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 13. Seperti yang sebelumnya dinyatakan, konsentrasi emas menurun seiring peningkatan tumpang tindih, sehingga menjelaskan pengurangan konduktivitas. Ini juga didukung dalam studi sebelumnya menggunakan teknik sputtering emas pada kaca, di mana resistensi lembarannya menurun eksponensial seiring peningkatan waktu sputtering [28]. Karena udara adalah penghantar listrik yang buruk, diharapkan bahwa sampel dengan dua tumpang tindih akan memiliki konduktivitas yang lebih rendah karena konsentrasi oksigen yang lebih tinggi yang sebelumnya ditentukan dari hasil EDX.

Sebagian besar konduksi dapat dijelaskan melalui efek kuantum karena dispersi dan jarak di antara partikel emas. Asumsi partikel berbentuk bola dan matriksnya insulatif, maka fraksi volume dapat ditentukan seperti dalam Eq. 6, di mana R _c adalah jari-jari partikel konduktif, R _i jari-jari partikel insulatif, dan n _c dan n _i adalah jumlah partikel konduktif dan insulatif, masing-masing [29].

$$ P=\frac{n_c{R}_c^3}{n_c{R}_c^3+{n}_i{R}_i^3} $$ (6)

Pengukuran sebelumnya dari ukuran partikel yang diperoleh dari citra TEM digunakan untuk menentukan fraksi volume fase konduktif, P. Hasil ini kemudian dapat digunakan bersama dengan Eq. 7 untuk menentukan jarak interpartikel teoretis, l, mengasumsikan partikel konduktif berbentuk bola dan distribusi ukuran seragam [30].

$$ l={R}_c{\left[\frac{4\pi}{3 P}\right]}^{1/3}-2 $$ (7)

Jarak interpartikel kemudian dapat dikaitkan secara langsung dengan konduktivitas oksida silikon σ _i dan partikel emas σ _c seperti dalam Eq. 8 di bawah [31].

$$ {\sigma}_i={\sigma}_c{e}^{-2{X}_t l} $$ (8)

Di mana X _t didefinisikan seperti dalam Eq. 9, dengan m sebagai massa pembawa muatan, V(t) sebagai tinggi rintangan yang dimodifikasi suhu, dan h adalah konstanta Planck.

$$ {X}_t={\left[\frac{8{\pi}^2 mV(t)}{h^2}\right]}^{0.5} $$ (9)

Mengasumsikan konstan parameter dalam X _t , efek pada konduktivitas oksida silikon sangat bergantung pada jarak di antara partikel konduktif. Seperti yang dapat diharapkan dari persamaan, jumlah dan jari-jari partikel konduktif yang lebih besar menghasilkan fraksi volume yang lebih tinggi, yang pada gilirannya menghasilkan peningkatan jarak interpartikel. Dari ukuran partikel yang diukur yang digambarkan sebelumnya dalam Gambar 11, hubungan antara jari-jari partikel emas dan konduktivitas sepakat dengan hubungan yang diusulkan secara teoretis. Semakin jauh jarak di antara partikel emas konduktif, semakin rendah konduktivitas keseluruhan silika. Seperti yang terlihat dalam Gambar 14, jarak partikel emas meningkat dengan penurunan tumpang tindih, yang sepakat dengan pengukuran konduktivitas yang diharapkan.

Kesimpulan

Dalam laporan ini, metode pembentukan nanofiber menggunakan laser pulsed nanosecond diusulkan bersama dengan teknik untuk menyesuaikan properti listrik silikon yang diproses laser untuk meningkatkan kelayakannya dalam aplikasi sensing yang memerlukan lingkungan biokompatibel menggunakan teknik sputtering emas. Struktur mikro dan nanofibrous dicapai menggunakan sistem laser pulsed nanosecond Nd:YAG pada wafer silikon kristal tunggal. Pulsa laser memungkinkan pengiriman yang presisi dari sejumlah besar energi ke permukaan materi untuk mencapai struktur nanofibrous yang diinginkan. Untuk silikon sebagai bahan yang tidak transparan, energi laser diserap di dekat permukaan, sintetis tipis-film nanofibrous silikon tanpa mengubah properti intinya. Sampel silikon yang diproses di-sputter emas selama durasi 4 atau 8 menit untuk memberikan dan membandingkan efeknya pada properti konduktif. Jumlah tumpang tindih dan spasi garis bervariasi dalam eksperimen ini, dan perubahan dalam kemampuan penyerapan sampel diukur secara eksperimental dan dibandingkan. Penyerapan ditemukan meningkat pada spasi garis yang lebih kecil dan pada tumpang tindih yang lebih tinggi, yang memungkinkan pengaturan ulang substrat silikon menjadi fiber dan aglomerat yang mampu menyerap lebih banyak cahaya. Ditunjukkan bahwa baik partikel emas maupun silikon menunjukkan pertumbuhan seiring peningkatan koefisien penyerapan bahan. Struktur fibrous terlihat terbentuk pada spasi garis yang lebih kecil dan pada daya yang lebih tinggi. Seiring peningkatan jumlah tumpang tindih, diameter fiber juga bertambah karena pertumbuhan ukuran partikel. Akhirnya, konduktivitas menunjukkan beberapa kontrol dalam hal durasi sputtering yang dilakukan oleh sampel.

Mengidentifikasi teknik pembuatan untuk perangkat sensing biokompatibel seperti ini sangat penting dan masih dalam proses. Lebih banyak studi, dalam arah masa depan saat ini dari proyek ini, perlu dilakukan untuk menyaring metode yang diusulkan dan mengusulkan pedoman untuk memastikan tantangan ilmiah serta prasyarat untuk membuat teknologi ini viable secara pasar. Meskipun masih ada lebih banyak penelitian yang perlu dilakukan di bidang ini, temuan ini bertindak sebagai tinjauan awal yang penting tentang arah di mana permukaan sensing biologis dapat lebih lanjut disesuaikan dan dibuat hemat biaya. Silikon, sebagai semikonduktor dan salah satu sumber daya yang paling umum untuk pembangunan elektronik dan sirkuit, kini dapat memberikan properti konduktif dan biokompatibel. Metode ini menggambarkan cara yang ekonomis, sederhana, dan namun efektif untuk memproses silikon untuk mencapai struktur nanofibrous yang mampu meningkatkan biokompatibilitasnya sambil tetap memungkinkan konduktivitas listrik.