Синтез композита из электропроводных кремнеземных нановолокон / наночастиц золота с помощью лазерных импульсов и методом распыления

Фон

Биосовместимые сенсорные материалы, как правило, дороги в производстве, а также имеют низкое отношение сигнал / шум (SNR); Отношение сигнал / шум является мерой зависимости мощности сигнала от уровня мощности шума (фонового шума) и выражается в децибелах (дБ). Наноматериалы были введены как попытка уменьшить глушение, вызванное шумом. Для уменьшения заглушки используются два основных метода:образование углеродных нанотрубок и наноматериалы [1]. Успех углеродных нанотрубок в качестве сенсоров можно объяснить их увеличенной эффективной площадью поверхности, что снижает импеданс электрода и увеличивает ток [1–4]. Увеличенная площадь поверхности также иммобилизует на ней больше ферментов в биомедицинских применениях [2]. Однако у изготовления углеродных нанотрубок есть некоторые недостатки. Например, он дорог и имеет низкую чистоту, недостаточный контроль выравнивания, недостаточную растворимость в воде и высокую реакционную способность, вызванную свисающими нанотрубками [5].

Неблагоприятные тканевые реакции и устойчивость к деградации являются важными факторами биосовместимости [6]. Пористый кремний, который образован уникальной структурой нанокристаллитов и пор, проявляет свойства, которые ценны для его использования в качестве биоматериала и потенциальных приложений для биосенсорных исследований [7]. Кремний - широко используемый материал - универсален в современной микропроцессорной технике из-за его доступности и низкой стоимости [8, 9]. Кремний можно обрабатывать с образованием макро-, микро- и нанопор. Идеальный диаметр пор для биосовместимых сенсорных устройств составляет от 2 до 50 нм. Такой размер пор обеспечивает биомолекулярную диффузию и большую экспозицию поверхности, что приводит к усилению иммобилизации биомолекул по сравнению с 2D-поверхностями и делает его отличным материалом для приложений биосенсора [8].

Для модификации поверхности кремниевых подложек для изготовления сенсоров на основе кремния можно использовать различные методы. Электрохимическое травление используется во многих случаях для преобразования кремния в пористую структуру. Этот метод требует использования различных химикатов и специального оборудования. Процедура изначально требует тщательной очистки вафли. Некоторые химические вещества могут сильно реагировать на дефекты в структуре кремния и выделять токсичные газы [9, 10]. Электрохимическое травление также сильно влияет на топографию поверхности, затрудняя контроль [11]. Достижение однородной пористой поверхности с помощью этого метода является сложной задачей, которая сильно зависит от параметров травления и чувствительна к ним, что также приводит к образованию большого количества отходов [12]. Более того, высокая концентрация водородных связей ослабевает на поверхности после подготовки, что делает ее очень нестабильной [8]. Фотолитография - еще один метод модификации поверхности кремниевых подложек с целью изготовления биосовместимого сенсора на основе кремния [13, 14]. Этот метод позволяет создавать паттерны и контролировать поведение клеток. Его главный недостаток заключается в том, что из-за оптической дифракции светового луча на практике разрешение ограничивается максимумом 1 мкм.

Лазерная обработка - еще один метод модификации поверхности кремниевых подложек. Он используется для оптимизации характеристик материала, таких как его абсорбция, подверженность износу, химический состав поверхности и кристаллическая структура. Таким образом можно контролировать свойства поверхности, не затрагивая объем материала [8, 9].

Добавление наночастиц золота - привлекательный метод модификации поверхности кремниевых подложек с целью изготовления кремниевого сенсора. Наночастицы золота обладают важными свойствами, включая их проводимость, высокое отношение поверхности к объему, отличное распознавание молекул и высокую поверхностную энергию [15, 16]. Их уникальные химические и физические свойства помогают переносить электроны из биоспецифического слоя на поверхность электрода [15]. Наночастицы золота также повышают чувствительность биохимического обнаружения электрохимических биосенсоров [17, 18].

Ранее опубликованные результаты Колпитца и Киани доказали использование импульсной лазерной системы наносекундной длительности для формирования биосовместимых волокнистых структур на кремнии [12, 19]. Их первоначальные результаты вдохновили цель этого исследования предложить метод настройки свойств обработанного лазером кремния для повышения его жизнеспособности в будущих приложениях биологического зондирования, которые требуют свойств как биосовместимости, так и электропроводности. Также описан эффективный метод создания нановолоконного оксида кремния с использованием промышленного импульсного лазера наносекундной длительности. Это включало обработку кристаллической кремниевой пластины с использованием импульсного наносекундного лазера на Nd:YAG при постоянной мощности 12 Вт с различными перекрытиями (количество сканирований лазерного луча на одном и том же пути) и межстрочных интервалов (расстояние между путями сканирования). . Затем на его поверхность проводили напыление золота в течение 4 или 8 мин. Были исследованы и обсуждаются изменения поглощения и проводимости, а также топографии поверхности.

Материалы и методы

Этот подход включал лазерную обработку пластины монокристаллического кремния <100> при средней мощности 12 Вт, при расстоянии между линиями 0,025, 0,1 и 0,15 мм и при одном, трех или пяти перекрытиях. Межстрочный интервал относится к промежутку между каждой последовательной линией, излучаемой лазером, и измеряется от центра лазерного луча. Перекрытия (OL) обозначают количество повторений рисунка, сделанных на поверхности кремния, например, три перекрытия означают, что лазерный луч трижды проходит по линии абляции. Они были напылены золотом в течение 4 или 8 минут. Рис. 1 иллюстрирует весь процесс.

Подход I:напыление золотом нановолокон оксида кремния, генерируемых лазером

Лазерная обработка

Для этого эксперимента использовался импульсный наносекундный лазер Nd:YAG с длиной волны 1064 нм. Круглый выходной луч лазера имеет диаметр 9 мм и уменьшается до 8 мм с помощью ирисовой диафрагмы перед входом в сканер гальванометра XY (JD2204 от Sino-Galvo). Этот сканер имеет апертуру 10 мм и смещение луча 13,4 мм. Линза F-тета с фокусным расстоянием 63,5 мм использовалась для управления фокусировкой лазера на поверхности образца, в результате чего теоретический диаметр лазерного пятна составлял 20 мкм. Программное обеспечение EZCAD использовалось для управления параметрами лазера, например, для задания скорости сканирования, перекрытий, частоты и формирования рисунка линий.

Микроскопия и определение характеристик поверхности:растровый электронный микроскоп (SEM), сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (TEM) и энергодисперсионный рентгеновский снимок (EDS)

Для определения характеристик поверхности использовались различные средства, включая сканирующий электронный микроскоп (SEM) JEOL JSM-6400, установленный с энергодисперсионным рентгеновским аппаратом (EDS) EDAX Genesis 4000, и адаптированный сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (TEM) JEOL JEM-2010. с камерой Gatan UltraScan с использованием DigitalMicrograph для получения желаемых изображений.

Световая спектроскопия

Спектральный радиометр STS-NIR (Ocean Optics, Данидин, Флорида, США) использовался для определения оптических свойств образцов, а именно для измерения коэффициента отражения образцов при различных перекрытиях и расстоянии между линиями на длинах волн от 175 до 885 нм. и оптическое разрешение 1,5 нм [19].

Спектроскопия импеданса

Для измерения электропроводности обработанных образцов кремния методом импедансной спектроскопии на переменном токе использовали потенциостат модели 760 компании CH Instruments Inc. (США). Образцы были подключены к спектрометру с помощью зажимов типа «крокодил» (двухэлектродный режим), и измерения были получены на частотах от 0 до 1 × 10 ⁶ Гц и при амплитуде потенциала 10 мВ.

Анализ изображений

Программное обеспечение ImageJ 1.501, разработанное Уэйном Расбандом из Национального института здравоохранения США, используется для определения диаметров частиц и волокон. Он позволяет вручную импортировать и измерять характеристики, полученные с помощью изображений SEM и TEM.

Результаты и обсуждение

Создание нанофиброзных структур

Образцы кремния обрабатывались в одно, три и пять перекрытий при средней мощности 12 Вт с межстрочным интервалом 0,025, 0,10 и 0,15 мм. СЭМ-изображения были собраны для определения типа присутствующих наноструктур.

Увеличение межстрочного интервала привело к образованию микрочастиц с наноразмерной пористостью, а не нановолокон. Область, подвергшаяся лазерной абляции, отчетливо видна как на (а), так и на (b) на фиг. 2, как и ожидалось, поскольку диаметр лазерного пятна составляет приблизительно 0,02 мм и намного меньше, чем обозначенный межстрочный интервал. При толщине 0,1 мм на поверхности между участками, подвергшимися лазерной абляции, образуются микрочастицы. При большем увеличении видно, что эти микрочастицы образованы из тонких волокнистых структур. При толщине 0,15 мм микрочастицы меньше и реже, а на поверхности образуется более высокая плотность наночастиц. Пористость наноструктур отличается от более крупных микрочастиц. Микрочастицы с межстрочным интервалом 0,15 мм имеют более плотную структуру по сравнению с образцом 0,1 мм. Теоретически ожидается, что повышение температуры факела лазерной плазмы приведет к росту частиц [20], что можно увидеть, сравнив изображения на рис. 2.

СЭМ-изображения обработанного лазером кремния с пятью перекрытиями (OL) с межстрочным интервалом a 0,1 мм, b 0,15 мм

СЭМ-изображения на рис. 3 показывают (а) однородную дисперсию взаимосвязанных нановолокон, которые образуются с интервалом между линиями 0,025 мм. Когда число перекрытий увеличивается до трех, (б) начинают формироваться небольшие кластеры нановолоконных частиц. К пятому перекрытию (c) формируются четкие кластеры нановолоконных структур с промежутками между ними. И снова ожидается, что увеличение перекрытия приведет к увеличению роста частиц из-за повышения температуры и поглощения света. Увеличение диаметра волокна также наблюдалось с увеличением перекрытий. На основе изображений, полученных с помощью SEM, диаметры волокон были проанализированы с использованием программного обеспечения для визуализации изображений ImageJ 1.501, разработанного Уэйном Расбандом из Национального института здравоохранения США. Наименьший диаметр волокна - в среднем 75 нм - наблюдался при одном перекрытии. В литературе указано, что нанопористые структуры увеличивают биосовместимость материала, влияя на топологию и структуру клеток [21].

СЭМ-изображения обработанного лазером кремния с межстрочным интервалом 0,025 мм. С слева в вправо , перекрытие изменяется с одного, трех и пяти соответственно (npannel на каждом изображении показывает SEM-изображение с большим увеличением)

Неудивительно, что оптимальная генерация нановолокон наблюдалась при наименьшем межстрочном интервале 0,025 мм. Поскольку диаметр лазера теоретически очень близок к размеру этого межстрочного интервала, не остается области, которая не вступает в прямой контакт с лазером. Это приводит к более нагретому региону, и плотность факела сохраняется стабильной в течение более длительного периода. Это дополнительно увеличивает общее поглощение света образцом из-за изменения топографии. За счет создания оптоволоконной сети площадь поверхности увеличивается, и, следовательно, улучшаются все механизмы, напрямую связанные с площадью.

Удаление материала с твердой поверхности с помощью импульсной лазерной технологии может вызвать образование наночастиц. Когда лазер освещает поверхность, он вызывает испарение и удаляет атомы с основной поверхности, тем самым позволяя лазерному импульсу проникать глубже в материал. Глубина лазера зависит от таких факторов, как длина волны и физические свойства материала. Электромагнитные поля лазера выбрасывают электроны за счет разряда энергии и импульса на поверхности материала. Передача энергии, участвующая во взаимодействии лазера с материалом, вызывает повышение его температуры, что, в свою очередь, вызывает образование ионизированного газа, известного как плазма, который будет расширяться, как ударная волна, вокруг фокуса лазера. Частицы удаляются с поверхности, когда интенсивность (плотность энергии) лазера превышает порог абляции материала. Содержимое плазмы принимает форму шлейфа:области, содержащей смесь ионов, электронов и наночастиц, которые обладают высокой реакционной способностью. Когда лазерная абляция проводится на воздухе, может произойти окисление выброшенных частиц. По мере расширения плюма его концы становятся холоднее, чем его ядро ​​[22]. В результате вновь образованные частицы движутся к более холодным областям, что приводит к их перенасыщению, дальнейшему зарождению и кристаллизации в твердую структуру. Столкновения между атомами газа и аблированным факелом в тонком межфазном слое порождают наночастицы и агрегаты. Окружающий газ сливается с испаренными атомами и ионами при высоких температурах. По мере охлаждения плюма начинается агрегатное образование. К концу лазерного импульса происходит прикрепление агрегат-агрегат и атом-агрегат [23].

Коэффициенты поглощения света определялись экспериментально методом световой спектроскопии. Как показано на рис. 4, более близкие межстрочные интервалы привели к гораздо более низкой отражательной способности из-за повышенной общей шероховатости поверхности. Как упоминалось ранее, большее число перекрытий увеличивает поглощение света. На основе этих теоретических значений в каждом случае был найден максимум, и это значение использовалось для определения точного коэффициента отражательной способности.

Отражение света от обработанных лазером образцов кремния при одном и трех перекрытиях (OL) и при межстрочных интервалах a 0,025, б 0.10 и c 0,15 мм

Также было изучено влияние межстрочного интервала на коэффициент отражения (рис. 5). Сравнивая результаты одного перекрытия, увеличение межстрочного интервала привело к гораздо более высокой отражательной способности. Как и ожидалось, пористый и волокнистый кремний поглощал больше света, чем кремний, показывающий признаки микрочастиц. При больших интервалах между линиями части кремния не подвергались лазерной абляции; вместо этого оставались микрочастицы, лежащие на более гладкой поверхности, которые проявляли отражательные свойства, более близкие к свойствам необработанного кремния.

Отражение света от обработанных лазером образцов кремния при одном перекрытии (OL) и межстрочных интервалах 0,025, 0,10 и 0,15 мм

Как только падающий свет попадает в материал, поглощение вызывает уменьшение интенсивности света по мере увеличения глубины в зависимости от коэффициента поглощения материала, α . Предполагая однородный материал с постоянным α , интенсивность, I , затухает с глубиной z следует закону Бера-Ламберта, где I ₀ представляет собой интенсивность внутри поверхности с учетом потерь на отражение [24].

Лазерная абляция сильно зависит от передачи тепла материалу. В случае наносекундных лазеров обычно предполагается, что большая часть поглощения происходит за счет взаимодействия однофотонов. Увеличение поглощения света приводит к повышению температуры и давления факела [25], что способствует образованию нановолоконной структуры.

Когда скорость термализации больше, чем скорость возбуждения, индуцированного лазером, процесс называется фототермическим или пиролитическим, при этом предполагается, что поглощенная энергия лазера напрямую преобразуется в тепло. Это тот случай, когда время лазерного импульса превышает наносекундный диапазон. Фототермическая обработка приводит нас к моделированию теплового потока через материал. Его реакция на лазер обусловлена ​​тепловыми эффектами как во временных, так и в пространственных координатах и ​​может быть смоделирована на основе вывода уравнения теплопроводности.

Чтобы математически определить ожидаемые отношения средней температуры между поверхностями образцов, максимальная температура T , возникающий в конце лазерного импульса ( t _p ), определяется через одномерную модель следующим образом [12, 26, 27]:

Длительность лазерного импульса ( t _p ) в нашем случае составила 57,5 ​​нс при диаметре пятна ( d ), 20 мкм на частоте (f) 100 кГц, а средняя мощность ( P ) 12 Вт. Коэффициент термодиффузии ( a ) –– для кремния было установлено 0,000085 м ² / с коэффициент остаточной энергии K была установлена ​​константа 0,8 для кремния, а теплопроводность k при 155 Вт / мК. R в данном случае это значения отражательной способности, определенные выше экспериментально. Исходя из этого, средняя температура поверхности после n импульсы рассчитывались по формуле. 3 ниже, где α представляет собой константу квадратного корня из частоты, умноженного на длительность импульса (\ (\ alpha =\ sqrt {t_p f} \)) [12, 26, 27].

Используя приведенные выше уравнения. 2 и 3 и предполагая отсутствие испарения частиц, графики средних температур поверхности, достигнутых образцами для расстояний между линиями 0,025, 0,10 и 0,15 мм при одном и трех перекрытиях, были построены, как показано на рис. 6.

Теоретические средние температуры, достигаемые образцами монокристаллического кремния после лазерной абляции после заданного количества импульсов в одной точке

Из профилей температуры, показанных на рис. 6, можно видеть градиент, который формируется до достижения максимальной средней температуры. Этот градиент вызывает образование упомянутой ранее плазмы. Были определены максимальные значения установившегося состояния для каждого из образцов, и, как было заключено, образцы при трех перекрытиях достигли более высокой средней температуры поверхности, чем образцы при одном перекрытии. Это можно объяснить увеличением размера наночастиц, что приводит к более высокому поглощению. Единственным исключением являются образцы с интервалом между линиями 0,025 мм, где оба этих образца показали одинаковую максимальную среднюю температуру. Это связано с очень тесной корреляцией между их значениями отражательной способности.

Среднее количество частиц, испаряемых с поверхности за счет последовательных импульсов, было теоретически оценено на основе параметров лазерной обработки и свойств материала. Скорость испарения, R _evp абляция одиночным импульсом рассчитывается в одномерной модели следующим образом [20, 27]:

Здесь n _воздух - плотность воздуха (кг / м ³ ), А коэффициент поглощения, t _eq время уравновешивания, P _avg - средняя мощность, М _а атомная масса (кг), A _foc фокусная область, R _{представитель} - частота, а k _B - постоянная Больцмана (Дж / К). Используя это и преобразовав скорость в количество атомов на основе атомной массы кремния, среднее количество испарившихся частиц можно оценить как [20, 27]

Параметры, используемые в этом случае, были такими, как описано в предыдущем уравнении; однако время уравновешивания t _eq было установлено 1,5 × 10 ¹⁰ s, частота лазера R _{представитель} на частоте 100 кГц время задержки импульса D _т рассчитывается по эффективному количеству импульсов и, наконец, по площади фокуса A _foc рассчитывалась исходя из теоретического минимального диаметра лазерного пятна. Значения были определены как для скорости испарения, так и для расчетного количества испарившихся частиц при различных коэффициентах лазерного поглощения. Результаты графически показаны на рис. 7.

Теоретическое количество испаряемых атомов одиночными и последовательными импульсами при различных коэффициентах поглощения. а количество испарившихся атомов в последовательных импульсах; б количество испарившихся атомов при импульсной абляции

По мере увеличения поглощения среднее количество частиц, а также скорость начинают расти, по-видимому, параболически. При более низких значениях поглощения происходит быстрое увеличение количества испарившихся частиц. Хотя по мере увеличения поглощения может быть достигнуто большее количество атомов, кривая больше не растет так быстро. Это объясняет, почему обработанные кремниевым лазером поверхности с более высокими коэффициентами поглощения с большей вероятностью будут иметь наночастицы и образования волокон по мере увеличения количества испаренных атомов, что позволяет больше структурной перестройки.

Распыление золотом лазерно-генерируемых нановолокон оксида кремния

Образцы, приготовленные при средней мощности 12 Вт и межстрочном интервале 0,025 мм, были напылены золотом для оценки их проводящих свойств. Образцы распыляли золотом в течение 4 или 8 мин. Эффекты проводимости и размера частиц измерялись и сравнивались при различных перекрытиях.

В предыдущих исследованиях было доказано, что окисленное покрытие заметно влияет на биосовместимость за счет увеличения адсорбции гидроксильных групп, липопротеинов и гликолипидов. На рис. 8 показаны результаты EDX и просвечивающей электронной микроскопии образцов кремния, подвергнутых абляции 0,025 мм. Видно, что концентрация кислорода увеличивается с увеличением числа перекрытий (a – c), что указывает на повышенную биосовместимость. Наибольшее количество кислорода наблюдается в образце с наибольшим поглощением, а именно при пяти перекрытиях (c). По мере увеличения образования нановолокон, общей средней температуры и количества испаренных атомов в образце появляется больше частиц, взаимодействующих с окружающим воздухом, в котором проводится абляция. В результате образуются частицы, богатые кислородом, из-за реакций окисления, происходящих внутри лазерного факела.

EDX-изображения обработанного лазером кремния на расстоянии 0,025 мм. а 1 OL, b 3 OL, c 5 OL, d ПЭМ образца, приготовленного при пяти перекрытиях (ПР)

СЭМ-изображения были проанализированы с помощью ImageJ для определения приблизительных диаметров волокон, возникающих при межстрочном интервале 0,025 мм. Как показано на рис. 9, диаметры волокон увеличиваются по мере добавления перекрытий. Из вышесказанного мы знаем, что уровни кислорода увеличиваются с добавлением перекрытий, что частично объясняет увеличение размера волокон.

Средний диаметр волокна, рассчитанный на основе изображений SEM при одном, трех и пяти перекрытиях (OL)

С помощью изображений ПЭМ были рассчитаны средние диаметры частиц золота и кремния вместе с их стандартными отклонениями. По мере увеличения числа перекрытий было обнаружено, что средний диаметр частиц кремния также увеличивался. Это согласуется как с теорией, согласно которой рост частиц происходит с увеличением поглощения, так и с предыдущими результатами, показывающими расширение диаметров волокон с добавлением перекрытий. Увеличение диаметра волокна можно объяснить увеличением размеров частиц кремния. Как показано на рис. 10, образец с пятью перекрытиями и межстрочным интервалом 0,025 мм имеет самые большие частицы кремния по сравнению с образцами с более короткими межстрочными интервалами. Это также образец с самым высоким значением поглощения по сравнению с двумя другими образцами. Это объясняет больший диаметр волокна, видимый в образце b на рисунке, по сравнению с образцом a. Образец, показанный в c, имеет коэффициент поглощения, который находится между значениями для образцов a и b, что объясняет рост его частиц по сравнению с двумя другими образцами.

Средние диаметры частиц кремния в образцах, напыленных золотом в течение 8 мин. а 1 OL 0,025 мм, b 5 OL 0,025 мм, c 5 OL 0,15 мм

На рис. 11 показано, что диаметры частиц золота имеют характер роста, очень похожий на диаметр частиц кремния. По мере увеличения числа перекрытий диаметр частиц золота также увеличивается.

Средние диаметры частиц золота в нанометрах образцов, распыленных золотом в течение 8 мин. а 1 OL 0,025 мм, b 5 OL 0,025 мм, c 5 OL 0,15 мм

Концентрация золота в каждом образце оценивалась с помощью программы ImageJ (рис. 12). Было обнаружено, что концентрации уменьшаются на 0,025 мм при переходе от одного до пяти перекрытий. Судя по изображениям SEM и диаметрам волокон, образец кремния с одним перекрытием и межстрочным интервалом 0,025 мм имеет более тонкие волокна и, следовательно, менее плотно упакованные пространства. Это позволит большему количеству частиц золота попадать между этими промежутками и отдельно прикрепляться вокруг волокон, а не агломерироваться. При пяти перекрытиях волокна намного толще, а расстояние между ними меньше, что позволяет меньшему количеству частиц золота попадать в щели. При расстоянии между линиями 0,15 мм и пяти перекрытиях концентрация упала между двумя ранее обсужденными образцами, как показано на рис. 10. При сравнении расстояния между линиями увеличение последнего приводит к снижению концентрации золота. Уменьшение приводит к уменьшению оптической плотности материала и, следовательно, к уменьшению роста частиц. При пяти перекрытиях концентрация золота увеличивается с увеличением расстояния, поскольку поверхность более гладкая (меньшая общая площадь контакта), что приводит к более высокой концентрации золота в синтезированных нановолоконных структурах.

Концентрации золота обнаружены на обработанном лазером кремнии, напыленном золотом в течение 8 минут при 1 OL 0,025 мм, 5 OL 0,025 мм и 5 OL 0,15 мм

Теоретически более длительные импульсы, более высокая плотность и температура факела приводят к образованию большей наноструктуры. 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. а 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 _я the insulating particle radius, and n _c и н _я 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 _я 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.