Fabrication de composites conducteurs nanofibres de silice–nanoparticules d'or par impulsions laser et pulvérisation cathodique

L'ajout de nanoparticules d'or est une méthode attrayante pour modifier la surface de substrats de silicium afin de fabriquer un capteur en silicium. Les nanoparticules d'or ont des propriétés importantes incluant leur conductivité, leur rapport surface/volume élevé, leur excellente reconnaissance moléculaire et leur haute énergie de surface [15, 16]. Leurs propriétés chimiques et physiques uniques aident à transférer les électrons de la couche biospécifique vers la surface de l'électrode [15]. Les nanoparticules d'or augmentent également la sensibilité de la détection biochimique des biosenseurs électrochimiques [17, 18].

Des résultats publiés précédemment par Colpitts et Kiani ont prouvé l'utilisation d'un système laser pulsé nanoseconde dans la formation de structures fibreuses biocompatibles sur le silicium [12, 19]. Leurs résultats initiaux ont inspiré l'objectif de cette recherche de proposer une méthode de personnalisation des propriétés du silicium traité au laser pour améliorer sa viabilité dans les futures applications de détection biologique nécessitant des propriétés de biocompatibilité et de conductivité électrique. Également décrit est une méthode efficace de génération de nanofibres d'oxyde de silicium à l'aide d'un laser pulsé nanoseconde commercial. Cela impliquait le traitement d'un wafer de silicium cristallin à l'aide d'un laser Nd:YAG pulsé nanoseconde à une puissance constante de 12 W avec une variation des chevauchements (nombre de passages du faisceau laser sur le même chemin) et des espacements de ligne (distance entre les chemins de balayage). La pulvérisation d'or a ensuite été effectuée sur sa surface pendant 4 ou 8 min. Les changements d'absorption, de conductivité et de topographie de surface ont été étudiés et sont discutés.

Matériaux et méthodes

Cette approche impliquait le traitement laser de wafer de silicium monocristallin <100> à une puissance moyenne de 12 W, à des espacements de ligne de 0,025, 0,1 et 0,15 mm, et à un, trois ou cinq chevauchements. L'espacement de ligne fait référence à l'espace entre chaque ligne successive pulsée par le laser, mesuré depuis le centre du faisceau laser. Les chevauchements (OL) désignent le nombre de répétitions de motif faites sur la surface du silicium, par exemple, trois chevauchements signifieraient que le faisceau laser passe trois fois sur la ligne ablatée. Ceux-ci ont été pulvérisés d'or pendant 4 ou 8 min. La Fig. 1 illustre le processus global.

Traitement laser

Un laser Nd:YAG pulsé nanoseconde avec une longueur d'onde de 1064 nm a été utilisé pour cette expérience. Le faisceau de sortie circulaire du laser a un diamètre de 9 mm et est réduit à 8 mm à l'aide d'un diaphragme iris avant d'entrer dans un scanner galvanométrique XY (JD2204 par Sino-Galvo). Ce scanner a une ouverture de 10 mm et un déplacement de faisceau de 13,4 mm. Une lentille F-thêta avec une distance focale de 63,5 mm a été utilisée pour contrôler le foyer du laser sur la surface de l'échantillon, résultant en un diamètre de spot laser théorique de 20 µm. Le logiciel EZCAD a été utilisé pour contrôler les paramètres laser, par exemple pour spécifier les vitesses de balayage, les chevauchements, la fréquence et le motif de ligne.

Microscopie et caractérisation de surface : Microscope électronique à balayage (MEB), Microscope électronique à transmission à balayage (MET) et Rayons X à dispersion d'énergie (EDS)

Une variété de moyens ont été employés pour la caractérisation de surface, incluant un microscope électronique à balayage JEOL JSM-6400 (MEB) monté avec un EDS EDAX Genesis 4000 et un microscope électronique à transmission à balayage JEOL JEM-2010 adapté avec une caméra Gatan UltraScan utilisant DigitalMicrograph pour collecter les images souhaitées.

Spectroscopie de la lumière

Le spectroradiomètre STS-NIR (Ocean Optics, Dunedin, Florida, USA) a été utilisé pour déterminer les propriétés optiques des échantillons, à savoir mesurer le coefficient de réflectivité des échantillons à divers chevauchements et espacements de ligne aux longueurs d'onde entre 175 et 885 nm et une résolution optique de 1,5 nm [19].

Spectroscopie d'impédance

Un potentiostat CH Instruments Inc. (USA) modèle 760 a été utilisé pour mesurer la conductivité des échantillons de silicium traités en utilisant la spectroscopie d'impédance AC. Les échantillons étaient connectés via des pinces crocodile au spectromètre (mode deux électrodes) et les mesures ont été obtenues à des fréquences entre 0 et 1 × 10⁶ Hz et à une amplitude de potentiel de 10 mV.

Analyse d'image

Le logiciel ImageJ 1.501 de Wayne Rasband aux National Institutes of Health, USA, est utilisé pour déterminer les diamètres des particules et des fibres. Il permet l'importation et la mesure manuelles des caractéristiques capturées par les images MEB et MET.

Résultats et discussion

Génération de structures nanofibreuses

Les échantillons de silicium ont été traités à un, trois et cinq chevauchements à une puissance moyenne de 12 W avec des espacements de ligne de 0,025, 0,10 et 0,15 mm. Des images MEB ont été collectées pour déterminer le type de nanostructures présentes.

L'augmentation de l'espacement de ligne a entraîné la formation de microparticules avec porosité à l'échelle nanométrique plutôt que de nanofibres. La zone ablatée au laser est distinctement apparente dans les deux (a) et (b) de la Fig. 2, comme prévu puisque le diamètre du spot laser est d'environ 0,02 mm et bien plus petit que l'espacement de ligne désigné. À 0,1 mm, des microparticules se forment sur la surface entre les régions ablatées au laser. Un grossissement plus élevé révèle ces microparticules formées de structures fibreuses fines. À 0,15 mm, les microparticules sont plus petites et plus éparses, avec une densité plus élevée de nanoparticules se formant sur la surface à la place. La porosité des nanostructures diffère des microparticules plus grandes. Les microparticules à l'espacement de ligne de 0,15 mm ont une structure plus dense par rapport à l'échantillon 0,1 mm. En théorie, on s'attend à ce qu'une augmentation de la température du panache plasma laser entraîne une croissance des particules [20], comme on peut l'observer en comparant les images de la Fig. 2.

Les images MEB de la Fig. 3 montrent (a) une dispersion uniforme de nanofibres entrelacées qui se forment à un espacement de ligne de 0,025 mm. Lorsque le nombre de chevauchements est augmenté à trois, (b) de petits clusters de particules nanofibreuses commencent à se former. Au cinquième chevauchement, (c) des clusters clairs de structures nanofibreuses se forment avec des espaces entre eux. Encore une fois, l'augmentation des chevauchements devrait augmenter la croissance des particules en raison de l'augmentation de la température et de l'absorption de lumière. Une augmentation du diamètre des fibres a également été observée avec l'augmentation des chevauchements. Basées sur les images MEB, les diamètres des fibres ont été analysés à l'aide d'un logiciel de visualisation d'images ImageJ 1.501 développé par Wayne Rasband aux National Institutes of Health, USA. Le plus petit diamètre de fibre — une moyenne de 75 nm — a été observé à un chevauchement. La littérature indique que les structures nanoporeuses augmentent la biocompatibilité du matériau en affectant la topologie et l'échafaudage cellulaire [21].

Il n'est pas surprenant que la génération optimale de nanofibres ait été observée au plus petit espacement de ligne de 0,025 mm. Puisque le diamètre du laser est théoriquement très proche de la taille de cet espacement de ligne, peu ou pas de zone n'est laissée sans contact direct avec le laser. Cela résulte en une région plus chauffée et la densité du panache est maintenue stable pendant une période plus longue. Cela augmente davantage l'absorption lumineuse globale de l'échantillon en raison du changement de topographie. En créant un réseau de fibres, la surface augmente et donc tous les mécanismes directement liés à la surface sont améliorés.

L'ablation de matériau d'une surface solide en utilisant la technologie laser pulsée peut induire la formation de nanoparticules. Lorsque le laser brille sur une surface, il induit la vaporisation et retire les atomes de la surface massive, permettant ainsi au pulse laser d'aller plus profondément dans le matériau. La profondeur du laser dépend de facteurs tels que sa longueur d'onde et les propriétés physiques du matériau. Les champs électromagnétiques du laser éjectent les électrons en déchargeant l'énergie et l'impulsion sur la surface du matériau. Le transfert d'énergie impliqué dans l'interaction du laser avec le matériau cause l'élévation de sa température, ce qui entraîne la formation d'un gaz ionisé connu sous le nom de plasma qui se dilate comme une onde de choc autour du foyer du laser. Les particules sont retirées de la surface lorsque l'intensité (fluence) du laser est supérieure au seuil d'ablation du matériau. Le contenu du plasma prend la forme d'un panache : une région contenant un mélange d'ions, d'électrons et de nanoparticules hautement réactifs. Lorsque l'ablation laser est conduite dans l'air, l'oxydation des particules éjectées peut résulter. À mesure que le panache se dilate, ses extrémités sont plus froides que son cœur [22]. En conséquence, les particules nouvellement formées se déplacent vers les régions plus froides, ce qui les amène à se sursaturer, à nucléer davantage et à cristalliser en une structure solide. Les collisions entre les atomes de gaz et le panache ablaté dans la fine couche d'interface génèrent des nanoparticules et des agrégats. Le gaz ambiant se coalesce avec les atomes et ions évaporés à haute température. Au fur et à mesure que le panache se refroidit, la formation d'agrégats commence. À la fin du pulse laser, des attaches agrégat-agrégat et atome-agrégat se produisent [23].

Les coefficients d'absorption de lumière ont été déterminés expérimentalement par spectroscopie de la lumière. Comme le montre la Fig. 4, les espacements de ligne plus proches ont entraîné une réflectivité beaucoup plus faible en raison de l'augmentation de la rugosité de surface globale. Comme mentionné précédemment, un nombre de chevauchements plus élevé augmente l'absorption de lumière. À partir de ces valeurs théoriques, le maximum a été trouvé dans chaque cas, et cette valeur a été utilisée pour déterminer un coefficient de réflectivité précis.

Les effets de l'espacement de ligne sur la réflectivité ont également été étudiés (Fig. 5). En comparant les résultats à un chevauchement, l'augmentation de l'espacement de ligne a entraîné une réflectivité beaucoup plus élevée. Comme prévu, le silicium poreux et fibreux absorbe plus de lumière que le silicium montrant des signes de microparticules seules. À des espacements de ligne plus grands, des portions du silicium n'ont pas été ablatées au laser ; au lieu de cela, des microparticules reposant sur une surface plus lisse restaient, exhibant des propriétés réfléchissantes plus proches de celles du silicium non traité.

Une fois que la lumière incidente pénètre dans le matériau, l'absorption cause une réduction de l'intensité lumineuse à mesure que la profondeur augmente, basée sur le coefficient d'absorption du matériau, α. En supposant un matériau uniforme avec un α constant, l'intensité I décroît avec la profondeur z selon la loi de Beer-Lambert, où I₀ représente l'intensité à l'intérieur de la surface après prise en compte des pertes par réflexion [24].

L'ablation laser est hautement dépendante du transfert de chaleur vers le matériau. Avec des lasers nanosecondes, on suppose généralement que la plupart de l'absorption est due à des interactions monophotoniques. Les augmentations d'absorption de lumière entraînent des températures et des pressions de panache plus élevées [25], ce qui encourage la formation de structures nanofibreuses.

Lorsque le taux de thermalisation est supérieur au taux d'excitation induit par le laser, le processus est appelé photothermique ou pyrolytique, où l'énergie laser absorbée est supposée se transformer directement en chaleur. C'est le cas lorsque les durées de pulse laser sont supérieures à la gamme nanoseconde. Le traitement photothermique nous amène à la modélisation du flux de chaleur à travers le matériau. Sa réponse au laser est due aux effets thermiques dans ses coordonnées temporelles et spatiales et peut être modélisée à partir de dérivations de l'équation de la chaleur.

Afin de déterminer mathématiquement les relations de température moyenne attendues entre les surfaces des échantillons, la température maximale T, se produisant à la fin du pulse laser (t_p), est déterminée par un modèle unidimensionnel comme suit [12, 26, 27] :

La durée du pulse laser (t_p) dans notre cas était de 57,5 ns, avec un diamètre de spot (d) de 20 µm à une fréquence (f) de 100 kHz, et une puissance moyenne (P) de 12 W. Le coefficient de diffusion thermique (a) pour le silicium a été fixé à 0,000085 m²/s, le coefficient d'énergie résiduelle K a été fixé à une constante de 0,8 pour le silicium, et la conductivité thermique k à 155 W/m·K. R dans ce cas est les valeurs de réflectivité déterminées expérimentalement ci-dessus. À partir de cela, la température moyenne de surface après n pulses a été calculée selon l'Éq. 3 ci-dessous, où α est une constante de la racine carrée de la fréquence multipliée par la durée du pulse (α = √(t_p f)) [12, 26, 27].

En utilisant les Éq. 2 et 3 ci-dessus et en supposant aucune évaporation de particules, des graphiques des températures moyennes de surface atteintes par les échantillons pour des espacements de ligne de 0,025, 0,10 et 0,15 mm à un et trois chevauchements ont été générés comme vu en Fig. 6.

D'après les profils de température montrés en Fig. 6, il y a un gradient qui se forme avant que la température moyenne maximale ne soit atteinte. Ce gradient cause la formation du plasma mentionné précédemment. Les valeurs maximales d'état stable pour chacun des échantillons ont été déterminées et, comme conclu, les échantillons à trois chevauchements ont atteint une température moyenne de surface plus élevée que ceux à un chevauchement. Cela peut être expliqué par l'augmentation de la taille des nanoparticules, conduisant ainsi à des absorptions plus élevées. Les seules exceptions sont les échantillons à un espacement de ligne de 0,025 mm, où les deux échantillons ont abouti à la même température moyenne maximale. Cela est dû à la corrélation très proche de leurs valeurs de réflectivité.

Le nombre moyen de particules évaporées de la surface par des pulses successifs a été estimé théoriquement basé sur les paramètres de traitement laser et les propriétés du matériau. Le taux d'évaporation, R_evp, par ablation à pulse unique est calculé dans le modèle unidimensionnel comme suit [20, 27] :

Ici, n_air est la densité de l'air (kg/m³), A le coefficient d'absorption, t_eq le temps d'équilibration, P_avg la puissance moyenne, M_a la masse atomique (kg), A_foc la surface focale, R_rep la fréquence, et k_B la constante de Boltzmann (J/K). En utilisant ceci et en convertissant le taux en un nombre d'atomes basé sur la masse atomique du silicium, le nombre moyen de particules évaporées peut être estimé comme [20, 27] :

Les paramètres utilisés dans ce cas étaient comme décrits dans l'équation précédente ; cependant, le temps d'équilibration t_eq a été fixé à 1,5 × 10¹⁰ s, la fréquence laser R_rep à 100 kHz, le temps de séjour du pulse D_t calculé à partir du nombre effectif de pulses, et enfin, la surface focale A_foc calculée à partir du diamètre de spot laser théorique minimum. Les valeurs ont été déterminées pour le taux d'évaporation et le nombre estimé de particules évaporées à différents coefficients d'absorption laser. Les résultats sont graphiquement montrés en Fig. 7.

À mesure que l'absorption augmente, le nombre moyen de particules ainsi que le taux commencent par augmenter de manière apparemment parabolique. Il y a une augmentation rapide du nombre de particules évaporées à de faibles valeurs d'absorption. Bien qu'un plus grand nombre d'atomes puisse être atteint à mesure que l'absorption augmente, la courbe ne croît plus aussi rapidement. Cela explique pourquoi les surfaces de silicium traitées au laser avec des coefficients d'absorption plus élevés sont plus susceptibles d'avoir des nanoparticules et des formations de fibres à mesure que le nombre d'atomes évaporés augmente, permettant ainsi plus de réarrangement structural.

Pulvérisation d'or des nanofibres d'oxyde de silicium générées par laser

Les échantillons préparés à une puissance moyenne de 12 W et à un espacement de ligne de 0,025 mm ont été pulvérisés d'or pour évaluer leurs propriétés conductrices. Les échantillons ont été pulvérisés d'or pendant 4 ou 8 min. La conductivité et les effets de la taille des particules ont été mesurés et comparés à différents chevauchements.

Dans des études antérieures, il a été prouvé que le revêtement oxydé influence notablement la biocompatibilité en augmentant l'adsorption de groupes hydroxyles, lipoprotéines et glycolipides. La Fig. 8 montre les résultats EDX et MET des échantillons de silicium ablatés à 0,025 mm. Les concentrations d'oxygène sont vues augmenter avec l'augmentation des nombres de chevauchements (a–c) suggérant une biocompatibilité accrue. Le comptage le plus élevé pour l'oxygène est vu dans l'échantillon avec l'absorption la plus élevée, à savoir à cinq chevauchements (c). À mesure que la génération nanofibreuse, la température moyenne globale et le nombre d'atomes évaporés d'un échantillon augmentent, il y a plus de particules interagissant avec l'air ambiant dans lequel l'ablation est conduite. Cela résulte en des particules riches en oxygène en raison des réactions d'oxydation se produisant dans le panache laser.

Les images MEB ont été analysées à l'aide d'ImageJ pour déterminer les diamètres approximatifs des fibres se produisant à l'espacement de ligne de 0,025 mm. Comme référencé en Fig. 9, les diamètres des fibres augmentent à mesure que les chevauchements sont ajoutés. D'après ce qui précède, nous savons que les niveaux d'oxygène ont augmenté avec l'ajout de chevauchements, expliquant partiellement la croissance de la taille des fibres.

À travers les images MET, les diamètres moyens des particules d'or et de silicium ont été calculés avec leurs écarts types. À mesure que le nombre de chevauchements augmentait, on a trouvé que le diamètre moyen des particules de silicium augmentait également. Cela concorde avec la théorie que la croissance des particules se produit avec l'augmentation de l'absorption et avec les résultats précédents montrant l'expansion des diamètres des fibres avec l'ajout de chevauchements. L'augmentation du diamètre des fibres peut être expliquée par la croissance des tailles de particules de silicium. Comme montré en Fig. 10, l'échantillon avec cinq chevauchements et un espacement de ligne de 0,025 mm a les plus grandes particules de silicium par rapport aux échantillons à espacements de ligne plus courts. C'est aussi l'échantillon avec la valeur d'absorbance la plus élevée par rapport aux deux autres échantillons. Cela explique les diamètres de fibres plus grands vus dans l'échantillon b de la figure par rapport à l'échantillon a. L'échantillon montré en c a un coefficient d'absorbance qui se situe entre ceux des échantillons a et b, expliquant ainsi sa croissance de particules par rapport à celle des deux autres échantillons.

En Fig. 11, les diamètres des particules d'or montrent un motif de croissance très similaire à celui des particules de silicium. À mesure que le nombre de chevauchements augmente, les diamètres des particules d'or sont vus augmenter également.

La concentration d'or dans chaque échantillon a été estimée à l'aide du logiciel ImageJ (Fig. 12). Les concentrations ont été trouvées en diminution à 0,025 mm en passant de un à cinq chevauchements. D'après les images MEB et les diamètres des fibres, l'échantillon de silicium à un chevauchement et espacement de ligne 0,025 mm a des fibres plus fines et donc des espaces moins compacts. Cela permettrait à plus de particules d'or de tomber entre ces espaces et de se fixer séparément autour des fibres au lieu de s'agglomérer. À cinq chevauchements, les fibres sont beaucoup plus épaisses et l'espacement entre elles est plus petit, permettant à moins de particules d'or de se déposer dans les crevasses. À un espacement de ligne de 0,15 mm et cinq chevauchements, la concentration se situait entre celle des deux échantillons précédemment discutés comme montré en Fig. 10. En comparant les espacements de ligne, une augmentation de ce dernier entraîne une diminution des concentrations d'or. La réduction cause la diminution de l'absorbance du matériau et donc réduit la croissance des particules. À cinq chevauchements, la concentration d'or augmente lorsque l'espacement augmente car la surface est plus lisse (surface de contact globale plus petite) ce qui résulte en une concentration d'or plus élevée dans les structures nanofibreuses synthétisées.

Théoriquement, des durées de pulse plus longues et des densités et températures de panache plus élevées résultent en une formation de nanostructures plus grandes. Les tailles des nanostructures dépendent fortement de l'échelle de temps de diffusion du panache tandis que leur type dépend de la densité des atomes évaporés. Pour cette raison, pour atteindre des structures nanofibreuses, les pulses laser doivent être maintenus continus pour que la densité du panache reste au niveau critique requis pour leur formation. Ainsi, les tailles de particules plus grandes avec des chevauchements croissants peuvent être expliquées de cette manière en raison des températures moyennes de surface et des coefficients d'absorption plus élevés [24].

La conductivité globale a été mesurée par spectroscopie d'impédance pour des échantillons avec un et deux chevauchements à un espacement de ligne de 0,025 mm. La conductivité a été mesurée en utilisant des échantillons carrés plus grands d'environ 1,5 × 1,5 cm connectés directement au spectromètre (afin de minimiser la résistance de contact). Les diagrammes de Bode (résistance absolue totale en fonction de la fréquence AC) ont été utilisés pour calculer la conductivité spécifique des films (en Siemens par centimètre, S/cm) après standardisation à leur épaisseur et surface. La Fig. 13 montre la distinction claire entre les chevauchements et leur conductivité. Puisque l'or est un élément hautement conducteur, on s'attend à ce qu'un échantillon en contenant plus ait une conductivité améliorée. Des études précédentes développant un transistor ont trouvé que les nanoparticules d'or résultaient en des performances électriques améliorées [15]. L'échantillon pulvérisé pendant 8 min avec de l'or a résulté en une conductivité plus élevée que celui pulvérisé pendant seulement 4 min. Les échantillons avec deux chevauchements ont montré une conductivité plus faible que ceux avec un chevauchement comme montré en Fig. 13. Comme indiqué précédemment, la concentration d'or a diminué avec l'augmentation des chevauchements, expliquant ainsi la réduction de conductivité. Cela est également soutenu par des études antérieures utilisant des techniques de pulvérisation d'or sur verre, où la résistance de feuille de ce dernier diminuait exponentiellement avec l'augmentation du temps de pulvérisation [28]. Puisque l'air est un mauvais conducteur d'électricité, on s'attend à ce que les échantillons avec deux chevauchements aient une conductivité plus faible en raison de leurs concentrations d'oxygène augmentées précédemment déterminées à partir des résultats EDX.

La plupart de la conduction peut être expliquée par des effets quantiques dus à la dispersion et à la distance entre les particules d'or. En supposant que les particules sont de forme sphérique et la matrice isolante, la fraction de volume peut être déterminée comme dans l'Éq. 6, où R_c est le rayon de la particule conductrice, R_i le rayon de la particule isolante, et n_c et n_i sont les nombres de particules conductrices et isolantes, respectivement [29].

Les mesures précédentes des tailles de particules acquises à partir des images MET ont été utilisées pour déterminer la fraction de volume de la phase conductrice, P. Ces résultats peuvent ensuite être utilisés conjointement avec l'Éq. 7 pour déterminer les distances interparticulaires théoriques, l, en supposant des particules conductrices sphériques et une distribution de taille uniforme [30].

La distance interparticulaire peut alors être reliée directement à la conductivité de l'oxyde de silicium σ_i et des particules d'or σ_c comme dans l'Éq. 8 ci-dessous [31].

Où X_t est défini comme dans l'Éq. 9, avec m étant la masse des porteurs de charge, V(t) la hauteur de barrière modifiée par la température, et h la constante de Planck.

En supposant la constance des paramètres dans X_t, l'effet sur la conductivité de l'oxyde de silicium devient hautement dépendant de la distance entre les particules conductrices. Comme on s'y attendrait des équations, des nombres plus élevés et des rayons de particules conductrices plus grands résultent en une fraction de volume plus élevée, ce qui à son tour entraîne une augmentation des distances interparticulaires. À partir des tailles de particules mesurées représentées précédemment en Fig. 11, la relation entre les rayons des particules d'or et la conductivité concorde avec les relations théoriques proposées. Plus la distance entre les particules conductrices d'or est grande, plus la conductivité globale de la silice est faible. Comme vu en Fig. 14, les distances des particules d'or augmentent avec une diminution du chevauchement, concordant davantage avec les mesures de conductivité attendues.

Conclusions

Dans ce rapport, une méthode de génération de nanofibres utilisant un laser pulsé nanoseconde est proposée ainsi qu'une technique pour personnaliser les propriétés électriques du silicium traité au laser afin d'améliorer sa viabilité dans les applications de détection nécessitant un environnement biocompatible en utilisant des techniques de pulvérisation d'or. Des structures micro et nanofibreuses ont été obtenues en utilisant un système laser Nd:YAG pulsé nanoseconde sur un wafer de silicium monocristallin. Les pulses laser permettent de livrer précisément de grandes quantités d'énergie dans la surface d'un matériau afin d'atteindre les structures nanofibreuses souhaitées. Pour le silicium en tant que matériau opaque, l'énergie laser est absorbée près de la surface, synthétisant un film mince de nanofibres de silicium sans altérer les propriétés du volume. Les échantillons de silicium traités ont été pulvérisés d'or pendant 4 ou 8 min pour impartir et comparer ses effets sur les propriétés conductrices. Le nombre de chevauchements et l'espacement de ligne ont été variés dans cette expérience, et les changements dans les capacités d'absorption des échantillons ont été mesurés et comparés expérimentalement. L'absorption a été trouvée en augmentation aux espacements de ligne plus petits et aux chevauchements plus élevés, permettant le réarrangement du substrat de silicium en fibres et agglomérats capables d'absorber plus de lumière. Il a été montré que les particules d'or et de silicium présentaient une croissance à mesure que les coefficients d'absorption des matériaux augmentaient. Des structures fibreuses ont été vues se former à des espacements de ligne plus courts et à des puissances plus élevées. À mesure que les nombres de chevauchements augmentaient, les diamètres des fibres augmentaient également en raison de la croissance des tailles de particules. Finalement, la conductivité a montré une certaine contrôlabilité en termes de durée de pulvérisation subie par les échantillons.

L'identification de la technique de fabrication pour de tels dispositifs de capteurs biocompatibles est vitale et est encore en cours. Plus d'études, dans la direction future actuelle de ce projet, doivent être menées pour distiller la méthode proposée et proposer des lignes directrices pour déterminer les défis scientifiques ainsi que les prérequis pour rendre cette technologie viable sur le marché. Bien qu'il reste encore plus de recherches à faire dans ce domaine, ces résultats agissent comme une revue préliminaire importante quant à la direction dans laquelle les surfaces de détection biologique peuvent être davantage adaptées et rendues rentables. Le silicium, étant un semi-conducteur et l'une des ressources les plus courantes pour la construction électronique et de circuits, peut maintenant conférer des propriétés conductrices et biocompatibles. Cette méthode décrit une façon économique, simple et pourtant efficace de traiter le silicium pour atteindre des structures nanofibreuses capables d'augmenter sa biocompatibilité tout en permettant toujours la conductance électrique.