Pembuatan Presisi Chip Nanofluidik PDMS dengan Nanogergaji Berbasis Ujung AFM

Latar Belakang

Platform mikro- dan nanofluidik sangat penting untuk analisis DNA, pengurutan sel, studi protein, keamanan pangan, dan pemantauan lingkungan. Seiring dengan meningkatnya permintaan channel di bawah 100 nm—krítis untuk deteksi virus, manipulasi nanopartikel, dan studi transportasi ion—kontrol yang akurat terhadap dimensi nanochannel menjadi esensial. Metode pembuatan tradisional seperti gergaji ion reaktif, litografi cahaya, FIB, EBL, IL, nanoimprinting, hot embossing, dan cetakan rawan masing-masing memiliki kelemahan: resolusi terbatas, biaya tinggi, atau perubahan masker yang kompleks. Metode pemesinan ultrapresisi, terutama nanogergaji berbasis ujung AFM, mengatasi keterbatasan ini dengan menawarkan akurasi sub-nanometer, kecepatan pembuatan tinggi, dan persyaratan lingkungan minimal.

Nanogergaji AFM memanfaatkan pengaktu piezoelektrik untuk menggerakkan ujung dalam trajetur lingkaran, memungkinkan kontrol yang presisi atas kedalaman dan lebar pemotongan. Studi sebelumnya telah mendemonstrasikan nanogergaji pada PMMA dan PC, namun aplikasinya pada perangkat nanofluidik PDMS masih kurang dieksplorasi. PDMS, dengan properti elastomer yang luar biasa dan penggunaan yang luas dalam mikrofluidik, ideal untuk menciptakan chip nanofluidik yang dapat digunakan kembali dan sekali pakai. Karya ini mengisi kesenjangan dengan mengintegrasikan nanogergaji AFM dengan pembuatan PDMS untuk menghasilkan nanochannel yang dapat dikontrol dan mengevaluasi performa listriknya.

Metode

Pengaturan Sistem Nanogergaji

Sistem menggabungkan AFM komersial (Dimension Icon, Bruker) dengan pengaktu piezoelektrik (P-122.01, PI). Perjalanan 1 µm pengaktu dikonduksikan oleh sinyal sinus (30–150 V, 100 Hz atau 1500 Hz) dari penguat Tektronix AFG1022. Ujung berlapis berlian tebal 100 nm, radius 10 nm (DT-NCLR, Nanosensors) melakukan penggilingan, sementara kantilever silikon (68 N/m) mencatat beban normal melalui PSD. Substrat PC (15 × 12 × 1 mm, Mw = 35.000) dipasang pada pemegang epoksi.

a Skematis pengaturan nanogergaji. b Citra SEM ujung AFM berlapis berlian.

Pembuatan Cetakan Nanochannel dan Mikrochannel

Cetakan nanochannel PC digerjakan oleh sistem AFM. Ujung melintasi jejak lingkaran dengan mengaktifkan pengaktu pada 30–150 V dan sinyal sumbu x- dan y- yang digeser fase 90°. Dua frekuensi pengaktu (100 Hz, 1500 Hz) dan laju umpan 10 nm (1 µm/s atau 15 µm/s) menciptakan nanochannel panjang 80 µm. Beban normal (17 µN, 25 µN) diatur melalui titik set PSD, dengan ujung diarahkan ke depan untuk menyetorkan tumpukan di kedua sisi dan mencegah kebocoran. Kontrol penggarukan tunggal juga dilakukan untuk perbandingan (beban normal 25–58 µN).

Mikrochannel dibuat pada wafer Si menggunakan litografi fotonik SU-8: channel U lebar 30 µm, jarak titik pusat 50 µm terbentuk dengan pelapisan spin SU-82015, paparan UV, dan pengembangan. Cetakan mikrochannel (Gambar 2a4) kemudian dicetak dalam PDMS.

Diagram alur pembuatan chip: (a1)–(a6) langkah mikrochannel; (b1)–(b6) langkah nanochannel; (c) chip akhir yang terikat.

Pencetakan Transfer Mikrochannel dan Nanochannel

PDMS (Sylgard 184) dicetak pada cetakan mikrochannel (rasio 10:1) dan dikur pada 80 °C selama 4 jam. Replika yang dihasilkan dikupas dan digunakan sebagai substrat mikrochannel. Untuk nanochannel, cetakan PC pertama dicetak dengan rasio campuran pratinjau (A-PDMS) 9:1, 7:1 atau 5:1. Replika yang dikur kemudian ditekan terhadap slab PDMS kedua (rasio 10:1, 9:1 atau 8:1) untuk mentransfer fitur nano. Transfer dua tahap mempertahankan dimensi di bawah 100 nm sambil mengurangi kerusakan cetakan. Penguapan vakum menghilangkan gelembung, dan langkah pengikatan akhir 95 °C menyegel chip.

Pengikatan Chip

Plasma oksigen (32 detik, 81 W, 1,5 mbar) mengaktifkan permukaan PDMS. Sistem perataan khusus—yang terdiri dari mikroskop monokular, panggung presisi, dan pemegang—memastikan pendaftaran yang presisi lapisan mikrochannel dan nanochannel. Rangkaian yang terikat dikur pada 95 °C selama 20 meni, menghasilkan perangkat yang tertutup dan tidak bocor.

a Sistem perataan. b Chip nanofluidik akhir.

Hasil dan Pembahasan

Trajektur Pengaktu Piezoelektrik

Amplitudo pengaktu berskala linier dengan tegangan penggerak, dan frekuensi yang lebih tinggi (1500 Hz) menghasilkan amplitudo yang lebih besar. Lebar nanochannel berkisar dari 350 nm hingga 690 nm, mengonfirmasi kontrol dimensi yang presisi.

Cetakan Nanochannel pada PC

Penggarukan tunggal menunjukkan peningkatan monoton dalam lebar dan kedalaman dengan beban normal yang lebih tinggi (Gambar 4a). Nanogergaji menunjukkan hubungan non-linier: kedalaman awalnya naik kemudian turun pada 100 Hz karena pemulihan elastis, sedangkan pada 1500 Hz kedalaman meningkat tajam saat kecepatan pemotongan melampaui ambang pembentukan kerupuk materi (Gambar 4d). Lebar konsisten bertambah dengan tegangan, dengan 1500 Hz menghasilkan channel yang lebih lebar dari 100 Hz untuk beban yang sama (Gambar 4c). Citra AFM (Gambar 5) menggambarkan tumpukan simetris dalam penggarukan tunggal dan tumpukan tidak simetris dalam nanogergaji, konsisten dengan gerakan lingkaran ujung.

Transfer Pertama Cetakan Nanochannel

Dinding yang terbentuk dari penggarukan tunggal (nanochannel I) dan nanogergaji (nanochannel II & III) ditransfer menggunakan rasio PDMS 5:1, 7:1, dan 9:1. Dinding mempertahankan kedalaman asli tetapi meluas karena kepatuhan PDMS; rasio 5:1 menghasilkan dinding yang paling lebar (Gambar 7). Tren ini mencerminkan pemulihan elastis yang berkurang dari campuran PDMS yang lebih kaku.

Transfer Kedua Cetakan Nanochannel

Menggunakan dinding 5:1 sebagai master, transfer kedua dengan rasio PDMS 10:1, 9:1, 8:1 menghasilkan nanochannel akhir (A, B, C) dengan kedalaman 120 nm, 80 nm, dan 60 nm serta lebar 690 nm, 680 nm, dan 500 nm, masing-masing (Gambar 8). Kekakuan yang lebih tinggi (10:1) menghasilkan channel yang lebih dalam dan lebih lebar, sementara campuran yang lebih lunak (8:1) pulih lebih banyak, menyempitkan fitur.

Karakterisasi Listrik

Setiap chip berisi empat nanochannel dan elektrolit KCl 1 mM. Jejak arus-tegangan (Gambar 9) menunjukkan bahwa konduktivitas mikrochannel identik di seluruh chip, sementara konduktivitas nanochannel bervariasi dengan geometri. Chip A (60 × 500 nm) menunjukkan arus tertinggi karena overlap lapisan ganda listrik terbesar, sedangkan chip C (120 × 690 nm) menunjukkan yang terendah. Chip B menunjukkan perilaku ohmik-pembatasan-melebihi ambang pada medan yang lebih tinggi, yang mengindikasikan kepuasan transportasi ion. Hasil ini mengonfirmasi bahwa nanochannel yang dibuat berfungsi dan kontrol dimensi secara langsung mempengaruhi performa perangkat.

Kesimpulan

Kami telah menetapkan metode yang dapat diskalakan dan hemat biaya untuk pembuatan chip nanofluidik PDMS di bawah 100 nm menggunakan nanogergaji berbasis ujung AFM. Proses ini mengintegrasikan pemesinan presisi, litografi UV, transfer PDMS dua tahap, dan ikatan plasma, menghasilkan perangkat multi-channel dengan dimensi yang dapat disesuaikan. Uji listrik memvalidasi fungsionalitas nanochannel dan mendemonstrasikan dampak geometri terhadap konduktivitas ionik. Meskipun pengaturan AFM saat ini membatasi panjang channel sekitar 80 µm, pendekatan ini menawarkan jalur praktis menuju platform nanofluidik berkinerja tinggi untuk aplikasi biosensing dan analitik.