Summary
Femtosecond-laser direkt skriva används ofta för att skapa tredimensionella (3D) mönster i polymerer och glas. Dock fortfarande mönstring metaller i 3D en utmaning. Vi beskriver ett förfarande för att tillverka silver nanostrukturer inbäddade inuti en polymer matris med en femtosecond laser centrerad vid 800 nm.
Abstract
Standarden nanofabrikation Toolkit innehåller tekniker främst syftar till att skapa 2D mönster i dielektriska media. Skapa metall mönster på en submikron skala kräver en kombination av nanofabrikation verktyg och flera material processteg. Till exempel steg för att skapa plana metallkonstruktioner med ultraviolett fotolitografi och elektron-stråle litografi kan innefatta prov exponering, prov utveckling, metalldeponering och metall liftoff. Att skapa 3D metallkonstruktioner, sekvensen upprepas flera gånger. Komplexiteten och svårigheten att stapla och anpassa flera lager begränsar praktiska tillämpningar av 3D metall strukturering med vanliga nanofabrikation verktyg. Femtosecond-laser direkt skrivande har blivit en framträdande metod för 3D nanofabrikation. 1,2 femtosecond laser ofta används för att skapa 3D-mönster i polymerer och glas. 3-7 dock 3D metall direkt skriva är fortfarande en utmaning. Här, vibeskriver en metod för att tillverka silver nanostrukturer inbäddade i en polymermatris med en femtosecond laser centrerad vid 800 nm. Metoden möjliggör tillverkning av mönster inte genomförbar med användning av andra tekniker, såsom 3D uppsättningar av frånkopplade silver voxlar. 8 Frånkopplad 3D metall mönster är användbara för metamaterial där enhetsceller inte är i kontakt med varandra, 9 såsom kopplad metall prick 10, 11 eller kopplade metallstav 12,13 resonatorer. Potentiella tillämpningar är negativa index metamaterial, slängkappor osynlighet och perfekt linser.
I femtosecond-laser direkt skrivning är laservåglängden väljs så att fotoner inte är linjärt absorberas i målmedium. När lasern pulsvaraktigheten komprimeras till femtosecond tidsskalan och strålningen är tätt fokuseras inuti målet, inducerar den extremt hög intensitet olinjär absorption. Flera fotoner absorberas samtidigtly orsaka elektroniska övergångar som leder till väsentlig ändring i fokus regionen. Med användning av detta tillvägagångssätt kan man bilda strukturer i huvuddelen av ett material snarare än på dess yta.
De flesta arbetar på 3D direkt metall skrivande har fokuserat på att skapa självbärande metallkonstruktioner. 14-16 Metoden som beskrivs här ger sub-mikrometer silver strukturer som inte behöver vara självbärande, eftersom de är inbäddade i en matris. En dopad polymer matris framställs med användning av en blandning av silver-nitrat (AgNOs 3), polyvinylpyrrolidon (PVP) och vatten (H 2 O). Prover mönstras sedan genom bestrålning med en 11-MHz-femtosecond laser producerar 50-fs pulser. Under bestrålningen är fotoreduktion av silverjoner inducerade genom icke-linjär absorption, skapar ett aggregat av silvernanopartiklar i fokus regionen. Med hjälp av denna metod skapar vi silver mönster inbäddade i en dopad PVP matris. Lägga 3D översättning av sriklig utvidgar mönstring till tre dimensioner.
Protocol
1. Förbereda Metall-jon dopade polymerfilm
- Mät 8 ml vatten i en bägare.
- Lägg 206 mg PVP vatten. Blanda med magnetomrörare eller virvelblandare tills lösningen är klar.
- Lägg 210 mg AgNO 3 till lösning. Blanda med magnetisk omrörare eller virvelblandare tills lösningen är klar.
- Stryk glasskiva med lösning genom drop gjutning.
- Placera glasskiva i en ugn inställd på 100 ° C. Baka prov under 30 min.
- Ta prov från ugnen och låt svalna i 30 minuter.
2. Tillverkning av Frånkopplad Silver strukturer
- Justera inställningar som visas i figur 1 på den optiska bord med vibrationsdämpare.
- Justera kompressorn för att få 50-fsec pulser efter mikroskop mål.
- Justera neutrala täthetsfilter att erhålla 3-Nj pulser efter målet.
- Säkerställa laserpunkt storlek är större än tillbaka öppning mikroskopobjektivet.
- Set akusto-optisk modulator för att producera 10-ps exponering fönster under vilket provet bestrålas.
- Block laserstråle innan den når mikroskop och plats prov på 3-axlig översättning stadiet. Strålgången av pulserna femtosecond laser bör passera genom avbildning mikroskopobjektivet och in i provet.
- Slå på mikroskop belysningskälla att observera provet in situ med CCD-kamera.
- Översätta z-axeln i steget att finna gränssnitt mellan glassubstratet och polymerfilmen. Därefter, inrikta mikroskop till önskat djup inuti polymer för mönstring understa skiktet. Z-översättning under mönstring måste vara i riktning bort från glas-polymer-gränssnitt för att undvika spridning med fabricerade strukturer.
- Avblockera laserstråle och ställ rörelse-Controller för att översätta prov i x -, y - och z - riktningar med en hastighet av 100 um / sek. Bestråla enstaka voxlar för 10 xs ennd separata angränsande voxlar med minst flera mikrometer för tydlig in situ avbildning. Ställa akustooptisk ränta modulator upprepning till 25 Hz ger 4-um mellanrum. Laser exponerade områden kommer att innehålla silver strukturer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den akusto-optisk modulator och neutrala filter densitet (figur 1) tillåter en att styra mängden energi deponeras i provet. Med användning av en exponering av 110 pulser per voxel och 3 nJ per puls, med scenen översätter vid 100 um / sek, de erhållna silver strukturerna är lätt synlig genom den in situ optiskt mikroskop. Lägre laser exponeringsnivåer (genom att minska pulsenergi och / eller puls nummer) leder till mindre silver funktioner,. Har vi observerade egenskaper så små som 300 nm 8 Det är möjligt att skapa silver strukturer med hjälp av ett brett spektrum av pulsenergier från mindre än en nanojoule flera nanojoules. Figur 3 visar 3D-renderingar av optiska bilder tagna av en fabricerad prov. Mönstret, som består av en matris av punkter på toppen av en annan grupp, visas från två synvinklar. Uppgifterna kan också visualiseras genom videor, sekventiella optisk mikroskopi bilder animerade i videon artikeln. Den thickness av polymermatrisen styrs av mängden av lösning som används under drop gjutningsprocessen. En milliliter lösning på en 2,5 cm x 2,5 cm objektglas ger ungefär en 15-im tjock film.
Högupplösta bilder på tillverkade silver strukturer kan erhållas genom SEM avbildning. 4 visar figur SEM bilder av ett prov bestående av en 2D matris med punkter som är tillverkade direkt på glassubstratet. Vi får lätt silver funktioner som är sub-mikrometer i storlek.
Figur 1. Laser tillverkning setup. De primära komponenterna i vår tillverkning inställning inkluderar en femtosecond laser, en Faraday-isolator, en kompressor, en akusto-optisk modulator (AOM), en neutral densitet (ND)-filter, ett mikroskop med kamera, en hög precision 3-axel översättning stadiet , och en optisk bordsfäste ed på vibrationsdämpare. Lasern producerar 50-fs laserpulser centrerade vid 800 nm med en repetitionshastighet på 11 MHz. Kompressorn förväg kompenserar för dispersionen i den optiska strålgången för att erhålla 50-fs pulser vid provet. AOM och ND-filter fungerar som en slutare, och en dämpare för att styra laserexponering av provet. Vi använder en 0,8-NA mikroskopobjektiv att samtidigt fokusera laserstrålen och bilden av provet under tillverkning. Provet läge styrs av en hög precision 3-axeln översättning stadiet. Hela installationen är monterad på en optisk bord med vibrationsisolering.
Figur 2. Total schematiskt experimentet. Ett prov framställes genom beläggning av en glasskiva med en blandning av PVP, AgNOs 3, och H 2 O När provet framställes, är mönstring en enstegsprocess.
Figur 3. 3D-renderade bilder av en silver punktuppsättningen inuti en matris. (A) 2-skikt grupp av 18 silver punkter skapas inuti en matris. För tydlighets skull är de två skikten av prickar representerade i olika färger. Rendering skapades genom att stapla sekventiella optisk mikroskopi bilder. (B) En annan syn på 3D uppsättningen.
Figur 4. Högupplöst SEM-bilder av en mönstrad prov. Silver punkter skapas på glas / polymer-gränssnitt för att möjliggöra SEM avbildning. Polymermatrisen avlägsnas efter tillverkning för att undvika ytterligare silver tillväxt drivet av elektronstrålen.. 8 (a) Bild av en 2D-array av silver prickar på ett glassubstrat A) närbild av silver prickar från en 61 ° lutningvinkel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Nyckeln till förfarandet är att erhålla en dopad dielektrisk matris som tillåter hög upplösning tillverkning, men försämrar inte snart efter beredning. En enkel blandning av PVP, AgNO 3 och H 2 O möjliggör skapandet av högupplösta silver nanostrukturer som är inbäddade i en stödmatris. Variation PVP till AgNOs 3 förhållandet kommer att ändra laserenergi som behövs för tillverkning, och potentiellt andra egenskaper såsom funktion upplösning. Ett lågt förhållande leder till snabbare nedbrytning av den dielektriska grundmassan, och ett högt förhållande leder till mycket låga mängder av silver i tillverkade funktioner.
Den minsta laserpunkt storlek som beror på våglängden, laserstråle parametern mode och mikroskop mål numerisk apertur (NA)-är 900 nm för vårt system. Den olinjära natur ljus-materia växelverkan kan leda till silver funktioner som är mindre än denna plats storlek. Vi har visat 300-nm silver funktioner usjunga vår optiska installationen. 8 Syftet användes i detta experiment har en NA på 0,8 och ett arbetsavstånd på 3 mm, vilket gör att möjligheten att mönstret tjocka 3D prover. Starkare fokus-en NA på 1,4 är typiskt för femtosecond laser mönstring teknik-skulle leda till en mycket mindre laserpunkt storlek med avvägning av en kortare arbetsavstånd.
Upplösningen av tekniken skulle kunna ökas med starkare fokus optik och eventuellt genom att ändra kemin. I motsatt riktning, kan större funktioner lätt skapas genom att öka laserenergi och bestrålningstid. Specifika former, såsom korta linjer, kan erhållas genom avsökning av lasern kontinuerligt över ett avstånd. Framtida tillämpningar av tekniken kan innefatta negativa index metamaterial, slängkappor osynlighet, och perfekta linser för de optiska och infraröda våglängder regimer. 9 Dessa applikationer kommer att starkt bero på de optiska egenskaperna hos SILver nanostrukturer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Vi erkänner Paul JL Webster för 3D-rendering av optiska data med Amira. Phil Muñoz och Benjamin Franta som feedback på manuset under hela dess utveckling. Den forskning som beskrivs i detta dokument stöddes av flygvapnet Office vetenskaplig forskning enligt anslag FA9550-09-1-0546 och FA9550-10-1-0402.
References
- von Freymann, G., et al.
- LaFratta, C. N., Fourkas, J. T., Baldacchini, T., Farrer, R. A.
- Gattass, R. R., Mazur, E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials. Nat. Photon. 2, 219-225 (2008).
- Li, L., Gattass, R. R., Gershgoren, E., Hwang, H., Fourkas, J. T. Achieving λ/20 Resolution by One-Color Initiation and Deactivation of Polymerization. Science. 324, 910-913 (2009).
- Haske, W., et al. 65 nm feature sizes using visible wavelength 3-D multiphoton lithography. Opt. Express. 15, 3426-3436 (2007).
- Xing, J. F., et al. Improving spatial resolution of two-photon microfabrication by using photoinitiator with high initiating efficiency. Appl. Phys. Lett. 90, 131106 (2007).
- Tan, D., et al. Reduction in feature size of two-photon polymerization using SCR500. Appl. Phys. Lett. 90, 071106 (2007).
- Vora, K., Kang, S., Shukla, S., Mazur, E. Fabrication of disconnected three-dimensional silver nanostructures in a polymer matrix. Appl. Phys. Lett. 100, 063120 (2012).
- Güney, D. Ö, Koschny, T., Soukoulis, C. M. Intra-connected three-dimensionally isotropic bulk negative index photonic metamaterial. Opt. Express. 18, 12348-12353 (2010).
- Grigorenko, A. N., et al. Nanofabricated media with negative permeability at visible frequencies. Nat. Photon. 438, 335-338 (2005).
- Grigorenko, A. N. Negative refractive index in artificial metamaterials. Opt. Lett. 31, 2483-2485 (2006).
- Shalaev, V. M., et al. Negative index of refraction in optical metamaterials. Opt. Lett. 30, 3356-3358 (2005).
- Ishikawa, A., Tanaka, T., Kawata, S. Magnetic excitation of magnetic resonance in metamaterials at far-infrared frequencies. Appl. Phys. Lett. 91, 113118 (2007).
- Tanaka, T., Ishikawa, A., Kawata, S. Two-photon-induced reduction of metal ions for fabricating three-dimensional electrically conductive metallic microstructure. Appl. Phys. Lett. 88, 081107 (2006).
- Ishikawa, A., Tanaka, T., Kawata, S. Improvement in the reduction of silver ions in aqueous solution using two-photon sensitive dye. Appl. Phys. Lett. 89, 113102 (2006).
- Cao, Y. -Y., Takeyasu, N., Tanaka, T., Duan, X. -M., Kawata, S. 3D Metallic Nanostructure Fabrication by Surfactant-Assisted Multiphoton-Induced Reduction. Small. 5, 1144-1148 (2009).
