レーザーパルスとスパッタリング技術による導電性シリカナノファイバー/金ナノ粒子複合材料の合成

背景

生体適合性のあるセンシング材料は、製造コストが高く、信号対雑音比（SNR）が低い傾向があります。信号対雑音比は、ノイズ電力（バックグラウンドノイズ）のレベルに対する信号電力の測定値であり、デシベル（dB）の測定値として表されます。ノイズによる消音を低減する試みとして、ナノマテリアルが導入されました。消音を減らすために使用される主な方法は、カーボンナノチューブの形成とナノ材料の2つです[1]。センサーとしてのカーボンナノチューブの成功は、有効表面積の増加に起因する可能性があります。これにより、電極のインピーダンスが減少し、電流が増加します[1–4]。表面積の増加はまた、生物医学的応用においてより多くの酵素をその上に固定化します[2]。ただし、カーボンナノチューブの製造にはいくつかの欠点があります。たとえば、高価で純度が低く、配向制御が不足し、水溶性が不足し、ナノチューブがぶら下がることによって反応性が高くなります[5]。

有害な組織反応と分解に対する耐性は、重要な生体適合性要因です[6]。ナノクリスタライトと細孔のユニークな構造で形成された多孔質シリコンは、生体材料としての使用や潜在的なバイオセンシングアプリケーションに価値のある特性を示します[7]。一般的に使用される材料であるシリコンは、その入手可能性と低コストのために、現代のマイクロプロセッシング技術で用途が広い[8、9]。シリコンは、マクロ、ミクロ、およびナノポアを形成するように処理できます。生体適合性センシングデバイスの理想的な細孔径は2〜50nmです。これらの細孔サイズにより、生体分子の拡散とより大きな表面露出が可能になり、2D表面と比較して生体分子の固定化が向上し、バイオセンシングアプリケーションに最適な材料になります[8]。

さまざまな方法を使用して、シリコン基板の表面を修正し、シリコンベースのセンサーを製造することができます。電気化学的エッチングは、多くの場合、シリコンを多孔質構造に修飾するために使用されます。この方法では、さまざまな化学薬品と特殊な装置を使用する必要があります。この手順では、最初にウェーハを徹底的にクレンジングする必要があります。特定の化学物質は、シリコンの構造の欠陥に高度に反応し、有毒ガスを放出する可能性があります[9、10]。電気化学的エッチングも表面トポグラフィーに強く影響し、制御をより困難にします[11]。この手法を使用して均一な多孔質表面を実現することは複雑であり、エッチングパラメータに大きく依存し、敏感であるため、大量の廃棄物が発生します[12]。さらに、高濃度の水素結合が調製後に表面に沈み、非常に不安定になります[8]。フォトリソグラフィーは、生体適合性のあるシリコンベースのセンサーを製造するためにシリコン基板の表面を修正するための別の方法です[13、14]。この方法により、細胞の挙動のパターン化と制御が可能になります。その主な欠点は、光ビームの光回折により、実際には解像度が最大1μに制限されることです。

レーザー加工は、シリコン基板の表面を修正するためのもう1つの方法です。これは、吸収、摩耗しやすさ、表面の化学的性質、結晶構造などの材料の性能を最適化するために使用されます。材料の大部分に影響を与えることなく、この方法で表面特性を制御できます[8、9]。

金ナノ粒子の添加は、シリコンセンサーを製造するためにシリコン基板の表面を修飾するための魅力的な方法です。金ナノ粒子は、導電率、高い表面積対体積比、優れた分子認識、高い表面エネルギーなどの重要な特性を備えています[15、16]。それらの独特の化学的および物理的特性は、生体特異的層から電極表面に電子を移動させるのに役立ちます[15]。金ナノ粒子はまた、電気化学的バイオセンサーの生化学的検出の感度を高めます[17、18]。

コルピッツとキアニによって以前に発表された結果は、シリコン上に生体適合性の繊維構造を形成する際にナノ秒パルスレーザーシステムを使用することを証明しています[12、19]。彼らの最初の結果は、生体適合性と電気伝導性の両方の特性を必要とする将来の生物学的センシングアプリケーションでの実行可能性を改善するためにレーザー処理シリコンの特性をカスタマイズする方法を提案するこの研究の目的に影響を与えました。また、市販のナノ秒パルスレーザーを使用してナノファイバー酸化ケイ素を生成する効果的な方法についても概説します。これには、オーバーラップ（同じパスをスキャンするレーザービームの数）とライン間隔（スキャンパス間の距離）を変化させて、12 Wの一定出力でNd：YAGナノ秒パルスレーザーを使用して結晶シリコンウェーハを処理することが含まれていました。 。次に、金のスパッタリングをその表面に4分または8分間実施しました。吸収と導電率の変化、および表面のトポグラフィーが調査され、議論されています。

材料と方法

このアプローチでは、単結晶シリコンウェーハ<100>を、平均出力12 W、ライン間隔0.025、0.1、0.15 mm、オーバーラップ1、3、5のいずれかでレーザー加工しました。ライン間隔とは、レーザービームの中心から測定して、レーザーによってパルス化された各連続ライン間のスペースを指します。オーバーラップ（OL）は、シリコンの表面で行われたパターンの繰り返しの数を示します。たとえば、3つのオーバーラップは、レーザービームがアブレーションされたラインを3回通過することを意味します。これらは4分または8分間金で飛ばされました。図1は、全体的なプロセスを示しています。

アプローチI：レーザーで生成された酸化ケイ素ナノファイバーの金スパッタリング

レーザー処理

この実験では、波長1064 nmのNd：YAGナノ秒パルスレーザーを使用しました。レーザーの円形出力ビームの直径は9mmで、XYガルバノメータースキャナー（Sino-GalvoのJD2204）に入る前に、虹彩絞りを使用して8mmに縮小されます。このスキャナーの開口部は10mm、ビーム変位は13.4mmです。焦点距離63.5mmのF-シータレンズを使用して、サンプル表面でのレーザーの焦点を制御しました。その結果、理論上のレーザースポット径は20μmになりました。 EZCADソフトウェアを使用して、レーザーパラメータを制御しました。たとえば、スキャン速度、オーバーラップ、周波数、ラインパターンを指定しました。

顕微鏡および表面特性評価：走査型電子顕微鏡（SEM）および走査型透過型電子顕微鏡（TEM）およびエネルギー分散型X線（EDS）

EDAX Genesis 4000エネルギー分散型X線（EDS）を搭載したJEOL JSM-6400走査型電子顕微鏡（SEM）や適応したJEOL JEM-2010走査型透過型電子顕微鏡（TEM）など、さまざまな手段を使用して表面特性を評価しました。 DigitalMicrographを使用したGatanUltraScanカメラを使用して、目的の画像を収集しました。

光分光法

STS-NIR分光放射計（Ocean Optics、米国フロリダ州ダニーデン）を使用して、サンプルの光学特性を決定しました。つまり、175〜885nmの波長でさまざまなオーバーラップとライン間隔でサンプルの反射係数を測定しました。光学分解能は1.5nmです[19]。

インピーダンス分光法

CH Instruments Inc.（USA）モデル760ポテンシオスタットを使用して、ACインピーダンス分光法を使用して処理済みシリコンサンプルの導電率を測定しました。サンプルはワニ口クリップを介して分光計に接続され（2電極モード）、測定値は0〜1×10 ⁶ の周波数で取得されました。 Hzおよび10mVの電位振幅で。

画像分析

米国国立衛生研究所のWayneRasbandによるソフトウェアImageJ1.501を使用して、粒子と繊維の直径を決定します。これにより、SEMおよびTEM画像によってキャプチャされた特徴を手動でインポートおよび測定できます。

結果と考察

ナノファイバー構造の生成

シリコンサンプルは、0.025、0.10、0.15 mmのライン間隔で、平均電力12 Wで1回、3回、5回のオーバーラップで処理されました。存在するナノ構造のタイプを決定するためにSEM画像が収集されました。

行間隔を大きくすると、ナノファイバーではなくナノスケールの多孔性を持つ微粒子が形成されました。レーザースポットの直径は約0.02mmであり、指定された線の間隔よりもはるかに小さいため、予想どおり、レーザーアブレーションされた領域は図2の（a）と（b）の両方ではっきりとわかります。 0.1 mmでは、レーザーアブレーションされた領域の間の表面に微粒子が形成されます。より高い倍率は、これらの微粒子が微細な繊維構造で形成されていることを明らかにします。 0.15 mmでは、微粒子は小さくてまばらで、代わりに表面に形成されるナノ粒子の密度が高くなります。ナノ構造の多孔性は、より大きな微粒子とは異なります。 0.15 mmの行間隔の微粒子は、0.1mmのサンプルと比較して密度の高い構造になっています。理論的には、図2の画像を比較することで観察できるように、レーザープラズマプルーム温度の上昇は粒子の成長をもたらすと予想されます[20]。

a の行間隔で5つのオーバーラップ（OL）でレーザー処理されたシリコンのSEM画像 0.1 mm、 b 0.15 mm

図3のSEM画像は、（a）0.025mmの線間隔で形成される相互に連結されたナノファイバーの均一な分散を示しています。オーバーラップ数が3に増えると、（b）ナノファイバー粒子の小さなクラスターが形成され始めます。 5番目のオーバーラップまでに、（c）ナノファイバー構造の明確なクラスターがそれらの間にスペースを持って形成されます。この場合も、オーバーラップを増やすと、温度と光の吸収が増えるため、粒子の成長が増えると予想されます。オーバーラップの増加に伴い、繊維径の増加も観察されました。 SEM画像に基づいて、米国国立衛生研究所のWayneRasbandによって開発された画像視覚化ソフトウェアImageJ1.501を使用して繊維径を分析しました。最小の繊維径（平均75 nm）が1つのオーバーラップで観察されました。文献によると、ナノポーラス構造は、トポロジーと細胞の足場に影響を与えることにより、材料の生体適合性を高めます[21]。

0.025mmの行間隔でレーザー処理されたシリコンのSEM画像。 左から 右へ 、オーバーラップはそれぞれ1、3、5から変化します（各画像内のnpannelは高倍率のSEM画像を示しています）

最小の線間隔0.025mmで最適なナノファイバーの生成が観察されたことは驚くべきことではありません。レーザーの直径は理論的にはこの線の間隔のサイズに非常に近いため、レーザーと直接接触しない領域はほとんどまたはまったく残りません。これにより、より加熱された領域が得られ、プルーム密度が長期間安定に保たれます。これにより、トポグラフィーの変化により、サンプルの全体的な光吸収がさらに増加し​​ます。ファイバーネットワークを作成することにより、表面積が増加するため、面積に直接リンクされているすべてのメカニズムが強化されます。

パルスレーザー技術を使用して固体表面から材料を除去すると、ナノ粒子の形成を誘発する可能性があります。レーザーが表面に照射されると、気化が誘発され、バルク表面から原子が除去されるため、レーザーパルスが材料の奥深くまで到達します。レーザーの深さは、その波長や材料の物理的特性などの要因によって異なります。レーザーの電磁場は、材料の表面にエネルギーと運動量を放出することによって電子を放出します。レーザーと材料との相互作用に伴うエネルギー伝達により、その温度が上昇し、プラズマと呼ばれるイオン化ガスが形成され、レーザーの焦点の周りで衝撃波のように膨張します。レーザーの強度（フルエンス）が材料のアブレーションしきい値よりも大きい場合、粒子は表面から除去されます。プラズマの内容物はプルームの形をしています。つまり、反応性の高いイオン、電子、ナノ粒子の混合物を含む領域です。レーザーアブレーションを空気中で行うと、放出された粒子が酸化する可能性があります。プルームが膨張するにつれて、その先端はそのコアよりも低温になります[22]。その結果、新しく形成された粒子はより低温の領域に向かって移動し、それによって粒子は過飽和になり、さらに核形成し、結晶化して固体構造になります。ガス原子と薄い界面層のアブレーションされたプルームとの衝突により、ナノ粒子と凝集体が生成されます。周囲ガスは、高温で蒸発した原子やイオンと合体します。プルームが冷えると、骨材の形成が始まります。レーザーパルスの終わりまでに、骨材-骨材および原子-骨材の付着が発生します[23]。

光吸収係数は、光分光法によって実験的に決定されました。図4に示すように、線の間隔を狭くすると、全体的な表面粗さが増加するため、反射率が大幅に低下します。前述のように、オーバーラップ数が多いほど、光の吸収が増加します。これらの理論値から、それぞれの場合に最大値が見つかり、この値を使用して正確な反射係数が決定されました。

1つおよび3つのオーバーラップ（OL）および a のライン間隔でのレーザー処理されたシリコンサンプルの光反射 0.025、 b 0.10、および c 0.15 mm

反射率に対する行間隔の影響も調査されました（図5）。 1つのオーバーラップの結果を比較すると、行間隔を大きくすると、反射率がはるかに高くなります。予想通り、多孔質で繊維状のシリコンは、微粒子のみの兆候を示すシリコンよりも多くの光を吸収しました。より大きな行間隔では、シリコンの一部はレーザーアブレーションされませんでした。代わりに、より滑らかな表面上にある微粒子が残り、未処理のシリコンとより類似した反射特性を示しました。

1つのオーバーラップ（OL）および0.025、0.10、0.15mmのライン間隔でのレーザー処理されたシリコンサンプルの光反射

入射光が材料に入ると、吸収により、材料の吸収係数αに基づいて深さが増すにつれて、光の強度が低下します。 。 αが一定の均一な材料を想定 、強度、 I 、深さ z で減衰します ランベルトベールの法則に従います。ここで、 I ₀ 反射損失を考慮した後の表面内部の強度を表します[24]。

レーザーアブレーションは、材料への熱伝達に大きく依存します。ナノ秒レーザーでは、吸収の大部分は単一光子相互作用によるものと一般に考えられています。光吸収の増加は、より高い温度とプルーム圧力をもたらし[25]、ナノファイバー構造の形成を促進します。

熱化率がレーザー誘起励起率よりも大きい場合、そのプロセスは光熱または熱分解と呼ばれ、吸収されたレーザーエネルギーが直接熱に変換されると想定されます。これは、レーザーパルス時間がナノ秒の範囲よりも大きい場合です。光熱処理は、材料を通る熱流のモデリングにつながります。レーザーに対するその応答は、その時間座標と空間座標の両方での熱効果によるものであり、熱方程式の導出からモデル化できます。

サンプル表面間の予想される平均温度の関係を数学的に決定するために、最高温度 T 、レーザーパルスの終わりに発生します（ t _p ）、次のように1次元モデルによって決定されます[12、26、27]：

レーザーパルス持続時間（ t _p ）この場合、スポット直径（ d ）は57.5nsでした。 ）、周波数（f）で20μm 100 kHz、平均電力（ P ）の12W。熱拡散係数（ a ）-シリコンの場合は0.000085 m ² に設定されました / s残留エネルギー係数 K シリコンの定数は0.8に設定され、熱伝導率は k 155 W / mKで。 R この場合、上記で実験的に決定された反射率の値です。このことから、 n 後の平均表面温度 パルスは、式（1）に従って計算されました。以下の3、ここでα は、周波数の平方根にパルス幅を掛けた定数です（\（\ alpha =\ sqrt {t_p f} \））[12、26、27]。

上記の式を使用します。 2と3で、粒子の蒸発がないと仮定すると、図6に示すように、1つと3つのオーバーラップで0.025、0.10、0.15mmのライン間隔でサンプルが到達した平均表面温度のプロットが生成されました。

単一点での所定のパルス数の後にレーザーアブレーションされた単結晶シリコンサンプルが到達する理論上の平均温度

図6に示す温度プロファイルから、最大平均温度に達する前に形成される勾配があります。この勾配により、前述のプラズマが形成されます。各サンプルの定常状態の最大値が決定され、結論として、3つのオーバーラップのサンプルは1つのオーバーラップのサンプルよりも高い平均表面温度に達しました。これは、ナノ粒子のサイズの増加によって説明でき、したがって、より高い吸収につながります。唯一の例外は、行間隔が0.025 mmのサンプルで、これらのサンプルは両方とも同じ最高平均気温になりました。これは、反射率の値に非常に密接な相関関係があるためです。

連続するパルスによって表面から蒸発する粒子の平均数は、レーザー処理パラメーターと材料特性に基づいて理論的に推定されました。蒸発率、 R _evp 、シングルパルスアブレーションにより、1次元モデルで次のように計算されます[20、27]：

ここでは、 n _空気 は空気の密度（kg / m ³ ）、 A は吸収係数、 t _eq 平衡時間、 P _avg 平均電力、 M _a は原子量（kg）、 A _foc 焦点領域、 R _rep は頻度であり、 k _B ボルツマン定数（J / K）です。これを使用し、シリコンの原子量に基づいて速度を原子数に変換すると、蒸発した粒子の平均数は[20、27]

この場合に使用されたパラメーターは、前の式で説明したとおりです。ただし、平衡時間 t _eq 1.5×10 ¹⁰ に設定されました s、レーザー周波数 R _rep 100 kHzで、パルス滞留時間 D _t 有効パルス数から計算され、最後に焦点領域 A _foc 理論上の最小レーザースポット直径から計算されました。値は、異なるレーザー吸収係数での蒸発速度と蒸発粒子の推定数の両方について決定されました。結果を図7にグラフで示します。

さまざまな吸収係数での単一および連続パルスによる蒸発原子の理論上の数。 a 連続パルスによる蒸発原子の数; b パルスアブレーションによる蒸発原子の数

吸収が増加すると、粒子の平均数と速度は、一見放物線状に増加することから始まります。より低い吸収値では、蒸発する粒子の数が急速に増加します。吸収が増加するにつれて、より多くの原子を達成することができますが、曲線はもはや急速に成長しません。これは、吸収係数が高いシリコンレーザー処理された表面が、蒸発する原子の数が増えるにつれてナノ粒子と繊維が形成される可能性が高くなり、構造の再配列が可能になる理由を説明しています。

レーザーで生成された酸化ケイ素ナノファイバーの金スパッタリング

平均電力12W、ライン間隔0.025 mmで準備されたサンプルは、導電特性を評価するために金でスパッタされました。サンプルは、4分または8分間金でスパッタされました。導電率と粒子サイズの影響を測定し、さまざまなオーバーラップで比較しました。

以前の研究では、酸化されたコーティングが、ヒドロキシル基、リポタンパク質、および糖脂質の吸着を増加させることにより、生体適合性に著しく影響を与えることが証明されています。図8は、0.025mmのアブレーションされたシリコンサンプルのEDXおよびTEMの結果を示しています。酸素濃度はオーバーラップ数（a–c）の増加とともに上昇するように見え、生体適合性の増加を示唆しています。酸素のカウントが最も高いのは、吸収が最も高いサンプル、つまり5つのオーバーラップで見られます（c）。ナノファイバーの生成、全体的な平均温度、およびサンプルの蒸発原子の数が増加するにつれて、アブレーションが行われている周囲の空気と相互作用する粒子が増えます。これにより、レーザープルーム内で発生する酸化反応により、酸素が豊富な粒子が生成されます。

0.025mmでのレーザー処理されたシリコンのEDX画像。 a 1 OL、 b 3 OL、 c 5 OL、 d 5つのオーバーラップ（OL）で準備されたサンプルのTEM

ImageJを使用してSEM画像を分析し、0.025mmの線間隔で発生するファイバーのおおよその直径を決定しました。図9で参照されているように、オーバーラップが追加されると、ファイバーの直径は大きくなります。上記から、オーバーラップを追加すると酸素レベルが増加することがわかります。したがって、繊維のサイズの成長を部分的に説明しています。

1、3、および5オーバーラップ（OL）でのSEM画像から計算された平均繊維径

TEM画像を通じて、金とシリコンの平均粒子径が標準偏差とともに計算されました。オーバーラップの数が増えると、平均シリコン粒子径も大きくなることがわかりました。これは、粒子の成長が吸収の増加とともに発生するという理論と、オーバーラップが追加された繊維径の拡大を示す以前の結果の両方と一致しています。繊維径の増加は、シリコンの粒子サイズの増加によって説明できます。図10に示すように、5つのオーバーラップがあり、行間隔が0.025 mmのサンプルでは、​​行間隔が短いサンプルと比較して、シリコン粒子が最大になっています。これは、他の2つのサンプルと比較して最も高い吸光度値を持つサンプルでもあります。これは、サンプルaと比較して図のサンプルbに見られる大きな繊維径を説明しています。 cに示されているサンプルの吸光係数は、サンプルaとbの間にあり、他の2つのサンプルと比較して粒子の成長を説明しています。

金を8分間スパッタリングしたサンプルの平均シリコン粒子径。 a 1 OL 0.025 mm、 b 5 OL 0.025 mm、 c 5 OL 0.15 mm

図11では、金粒子の直径がシリコン粒子の成長パターンと非常によく似ていることが示されています。重なりの数が増えると、金の粒子径も大きくなるように見えます。

金が8分間スパッタされたサンプルのナノメートル単位の平均金粒子径。 a 1 OL 0.025 mm、 b 5 OL 0.025 mm、 c 5 OL 0.15 mm

各サンプルの金濃度は、ImageJソフトウェアを使用して推定されました（図12）。 1つから5つのオーバーラップに移行すると、濃度は0.025mmで減少することがわかりました。 SEM画像とファイバーの直径から、1つのオーバーラップと0.025 mmのライン間隔のシリコンサンプルでは、​​ファイバーが細くなり、スペースが密集しなくなります。これにより、より多くの金粒子がこれらのスペースの間に落下し、凝集するのではなく、繊維の周りに別々に付着することが可能になります。 5つのオーバーラップでは、繊維ははるかに太く、繊維間の間隔は狭くなり、隙間に堆積する金粒子が少なくなります。図10に示すように、0.15 mmの行間隔と5つのオーバーラップでは、濃度は前述の2つのサンプルの濃度の間にありました。行間隔を比較すると、後者を増やすと金の濃度が減少します。減少により、材料の吸光度が減少し、したがって粒子の成長が減少します。 5つのオーバーラップでは、表面が滑らかである（全体的な接触面積が小さい）ため、間隔が大きくなると金の濃度が高くなり、合成されたナノファイバー構造の金の濃度が高くなります。

1 OL 0.025 mm、5 OL 0.025 mm、および5 OL 0.15mmで8分間金をスパッタしたレーザー処理シリコンで検出された金濃度

Theoretically, longer pulse durations and higher plume density and temperatures result in larger nanostructure formation. Nanostructure sizes depend highly on the plume diffusion time scale while their type depends on the density of the evaporated atoms. For this reason, to achieve nanofibrous structures, the laser pulses must be kept continuous for the plume density to remain at the critical level required for their formation. Hence, the larger particle sizes with growing overlaps can be explained in this fashion due to the higher overall surface temperatures and absorption coefficients [24].

The overall conductivity was measured through impedance spectroscopy for samples with one and two overlaps at a line spacing of 0.025 mm. The conductivity was measured using larger square samples of approximately 1.5 × 1.5 cm and connected directly to the spectrometer (in order to minimize the contact resistance). The Bode diagrams (an absolute total resistance as the function of AC frequency) were used to calculate the specific conductivity of films (in Siemens per centimeter, S/cm) after standardization to their thickness and area. Fig. 13 shows the clear distinction between overlaps and their conductivity. Since gold is a highly conductive element, it is expected that a sample containing more of it would have an enhanced conductivity. Previous studies developing a transistor have found that gold nanoparticles resulted in improved electrical performances [15]. The sample sputtered for 8 min with gold resulted in a higher conductivity than that sputtered for only 4 min. Samples with two overlaps are shown to have a lower conductivity than samples with one overlap as shown in Fig. 13. As previously denoted, the gold concentration decreased with increasing overlaps, hence explaining the reduction in conductivity. This is also supported in previous studies using gold sputtering techniques on glass, where the sheet resistance of the latter decreased exponentially with increasing sputtering time [28]. Since air is a poor conductor of electricity, it is expected that the samples with two overlaps would have a lower conductivity due to their increased oxygen concentrations previously determined from the EDX results.

The total conductivity of gold sputtered silicon samples. a 1 OL, b 2 OL (higher conductivity of untreated silicon is due to its zero porosity)

Most of the conduction can be explained through quantum effects due to the dispersion and distance between the gold particles. Assuming the particles are of a spherical shape and the matrix is insulating, then the volume fraction can be determined as in Eq. 6, where R _c is the conductive particle radius, R _i the insulating particle radius, and n _c および n _i are the number of conductive and insulating particles, respectively [29].

The previous measurements of particle sizes acquired from the TEM images were used to determine the volume fraction of the conductive phase, P 。 These results can then be used in conjunction with Eq. 7 to determine the theoretical interparticle distances, l , assuming spherical conductive particles and a uniform size distribution [30].

The interparticle distance can then be related directly to the conductivity of the silicon oxide σ _i and gold particles σ _c as in Eq. 8 below [31].

Where is X _t defined as in Eq. 9, with m being the mass of the charge carriers, V （ t ) the temperature modified barrier height, and h is Planck’s constant.

Assuming constancy of the parameters in X _t , the effect on the conductivity of the silicon oxide becomes highly dependent on the distance between the conductive particles. As one would expect from the equations, higher numbers and larger particle radii of conductive particles results in a higher volume fraction, which in turn results in increases in interparticle distances. From the measured particle sizes depicted earlier in Fig. 11, the relationship between the gold particle radii and the conductivity agree with the theoretically proposed relationships. The greater the distance between the conductive gold particles, the lower the overall conductivity of the silica. As seen in Fig. 14, the gold particle distances increase with a decrease in overlap, further agreeing with the conductivity measurements expected.

Experimental interparticle distances of gold sputtered silicon samples for 1 OL and 5 OL

Conclusions

In this report, a method of nanofiber generation using a nanosecond pulsed laser is proposed along with a technique to customize the electrical properties of laser processed silicon to improve its viability in sensing applications requiring a biocompatible environment using gold sputtering techniques. Micro and nanofibrous structures were achieved using a nanosecond Nd:YAG pulsed laser system on a single crystalline silicon wafer. Laser pulses enable to precisely deliver large amounts of energy into the surface of a material in order to achieve a desired nanofibrous structures. For silicon as an opaque material, the laser energy is absorbed near the surface, synthesizing thin-film of nanofibrous silicon without altering the bulk properties. The processed silicon samples were sputtered with gold for duration of either 4 or 8 min to impart and compare its effects on the conductive properties. Overlap number and line spacing were varied in this experiment, and the changes in the absorption capabilities of the samples were experimentally measured and compared. The absorption was found to increase at smaller line spacings and at higher overlaps, allowing for the rearrangement of the silicon substrate into fibers and agglomerates capable of absorbing more light. It was shown that both gold and silicon particles exhibited growth as the absorption coefficients of the materials increased. Fibrous structures were seen to form at shorter line spacings and at higher powers. As the overlap numbers were increased, the fiber diameters grew as well due to the growth in particle sizes. Finally, the conductivity showed some controllability in terms of the duration of sputtering undergone by the samples.

Identifying the fabrication technique for such biocompatible sensor devices is vital and is still being in progress. More studies, in current future direction of this project, need to be conducted to distill the proposed method and propose the guidelines to ascertain the scientific challenges as well as the prerequisites to make this technology market-viable. Although there is yet more research to be done in this area, these findings act as an important preliminary review as to the direction in which biological sensing surfaces can be further adapted and made cost effective. Silicon, being a semiconductor and one of the most common resource for electronic and circuit building, can now impart conductive and biocompatible properties. This method outlines an economic, simple, and yet effective way to process silicon to achieve nanofibrous structures able to increase its biocompatibility while still allowing for electrical conductance.