Summary
우리는 기능 재료, 재료 스택 및 전체 장치의 저가 nanoscale 패턴을 허용 nanomoulding 기술을 설명합니다. Nanomoulding는 모든 nanoimprinting 설정에서 수행 할 수 있으며, 자료 및 증착 공정의 다양한 범위에 적용 할 수 있습니다.
Abstract
우리는 기능 재료, 재료 스택 및 전체 장치의 저가 nanoscale 패턴을 허용 nanomoulding 기술을 설명합니다. 레이어 전송과 결합 Nanomoulding는 기능 소재로 마스터 구조에서 임의의 표면 패턴의 복제 수 있습니다. Nanomoulding는 모든 nanoimprinting 설정에서 수행 할 수 있으며, 자료 및 증착 공정의 다양한 범위에 적용 할 수 있습니다. 특히 우리는 태양 전지에 빛을 포집 애플리케이션을 위해 패턴 투명 아연 산화물 전극의 제조를 보여줍니다.
Introduction
Nanopatterning는 나노 기술 및 응용 과학의 많은 분야에서 엄청난 중요성을 얻었습니다. 패턴 생성의 첫 단계이며, 이러한 예 nanosphere 리소그래피 또는 블록 공중 합체 리소그래피 1로 자기 조립 방법에 따라 전자 - 빔 리소그래피 또는 상향식 접근 방식과 같은 하향식 (top-down) 접근 방식에 의해 수행 될 수있다. 패턴 생성만큼이나 중요 패턴 복제입니다. 석판 술 외에, nanoimprinting (그림 1)은 저렴한 비용으로 2-4의 높은 처리량 대형 지역 nanoscale 패턴에 적합한 특히 유망 대안으로 떠오르고있다. 석판 술이 패턴 마스크를 필요로하지만, nanoimprinting는 조립식 마스터 구조에 의존하고 있습니다. 마스터에서 패턴 전송은 일반적으로 열가소성 또는 UV 또는 열 경화 폴리머로 수행됩니다. 가 직접 기능 소재에 패턴을 전송하는 것이 바람직입니다 그러나 대부분의 경우가 마련되어 있습니다.
<P 클래스 = "jove_content"> 다음은 nanomoulding 우리는 최근 참조에 도입 된 계층 전송 (그림 2)에 따라 복제 방법을 설명합니다. 5 기능 아연 산화물 전극에 nanoscale 패턴을 전송할 수 있습니다. nanoimprinting 설정을 사용할 경우 우리 nanomoulding 방법은 쉽게 구현 될 수있다. Nanomoulding는 금형 소재는 물질의 증착 공정 (ES)와 호환되도록 선택되어 제공 많은 다른 기능 재료, 재료 스택, 심지어 완전한 장치에 일반화 될 수있는 가능성을 제공합니다. 예를 들어 우리가 여기 다섯 태양 전지에 빛을 트래핑을 향상시키기위한 자신의 응용 프로그램을 찾을 화학 기상 증착 (CVD)에 의해 증착 투명 전도성 아연 산화물 (ZnO) 전극의 nanomoulding 제시한다.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 몰드 제조
우리는. 부정적인 금형 다음 참조의 제조를 위해 6 저희 집 내장 nanoimprinting 설정을 사용하지만, 다른 nanoimprinting 설치 잘 작동합니다. 또는 작용 polydimethylsiloxane (PDMS) 몰드도 작동 할 수 있습니다.
- 제조 또는 양도 할 수있는 nanoscale 패턴을 가진 적당한 주인을 구입합니다. 원칙적으로 nanoimprinting에 적합합니다 모든 마스터는 일을 할 것입니다. 우리는 방법을 설명하기 위해 마스터 구조로 3.1에서 설명 입금 유리 시트에 질감 ZnO 층 (SCHOTT, AF32 환경, 41mm X 41mm X 0.5 mm)을 사용합니다.
- 등의 2에 설명 된 마스터 구조에 방지 접착 층을 적용합니다.
- 2 개 분을위한 초음파 이소프로판올 욕조 뒤에 2 분을위한 초음파 아세톤 욕조에 폴리에틸렌 naphtalate (PEN) 시트 (Goodfellow, 82mm X 41mm X 0.125 mm)를 청소합니다. 이소프로판올으로 한 번 더 씻어 질소로 건조 버립니다.
- 보증금은 PEN 시트에 크롬 부착 층 (5-10 nm 정도)를 스퍼터링.
- 스핀 코트 5,000 RPM에서 PEN 시트에있는 UV-경화 수지 (Microresist, Ormocer, 1-2 ML)는 균일 한 범위를 가져옵니다.
- 80에서 핫 플레이트에 5 분을위한 prebake을 수행 ° C 용매를 증발하기 위해 PEN 시트에 필름 균일 성과 접착력을 향상시킵니다.
- UV-경화 수지에 마스터 패턴을 도장 할 nanoimprinting 설정을 사용합니다. 의무적되지 않았지만, 우리는 유연한 실리콘 막에 한 줄의 균일 한 압력을 적용하여 거품 흠을 방지하기 위해 진공 스탬핑 수행합니다. 우리의 설치 프로그램에서 실리콘 막 두 하위 구획에 진공 챔버를 분리합니다. 낮은 구획은 진공 하에서 유지하면서 압력은 환기 상단 칸에 의해 생성됩니다. 환기는 스탬프를 시작 하단에 대한 유연한 멤브레인을 등록합니다.
- 수지의 가교 반응을 유도 할 수 UV 빛에 수지 노출. 우리는 적당한 빛을 적용여러 개의 LED가 제공하는 365 nm의 파장에서 1.4 MW / cm 2 강도. PEN 시트를 통해 노출 시간은 일반적으로 15-20 분입니다.
- 조심스럽게 수동으로 마스터 구조에서 금형을 필링으로 demould.
- 수지는 더 처리하기 전에 주변 분위기 오븐에 6-8 시간 동안 필링 자연, 우리는 150에서 가벼운 열 후 베이킹을 수행 ° C로 이어질 수있는 기능 재료의 증착시 약간의 수축을 받아야 수 있기 때문입니다.
2. 안티 - 접착 층
성공 demoulding를 들어, 반 접착 층은 재료와 패턴 거칠기에 적응해야합니다. 일반적으로 거친 패턴은 낮은 고집 계수를 필요로합니다. 부드러운 패턴에 대한 낮은 고집 계수는 금형에서 기능 소재 필링으로 이어질 수 있습니다. 거친 패턴에 대한 높은 고집 계수는 adheren 등의 금형 제조 동안 PEN 시트에서 수지의 필링이 발생할 수 있습니다마스터에 수지의 CE 힘이 있습니다.
- 코트와 금형 (또는 마스터)는 반 접착 에이전트의 접착력을 홍보하기 위해 크롬 층 (5-10 nm 정도)를 스퍼터링. 부드러운 패턴을 위해이 단계를 놓습니다. 어떤 경우에는 크롬 층은 에칭 마스터 구조 반 접착 에이전트를 방지 할 수 있습니다.
- 유리 슬라이드에 방지 접착 에이전트의 작은 드롭 (시그마 - 알드리치 (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl) trichlorsilane)를 적용합니다. 진공 챔버에 곰팡이와 함께 유리 슬라이드를 놓고 펌프. 안티 - 접착 에이전트는 증발하고 금형에 분자 monolayer로 입금됩니다.
- 80 1-2 시간 동안 어닐링 ° C.를 통해 반 접착 에이전트를 고정
3. 물질의 증착
우리는 nanomoulding의 다양성을 설명하려면 여기를 물질의 증착에 적합한 세 증착 기술을 보여줍니다. 다른 증착 기술도 적용 될 수 있습니다. 세 번째 예는 FA를 설명전체 박막 실리콘 태양 전지의 brication.
- 아연 산화물의 화학 기상 증착 (CVD)는 180로 가열 CVD 반응기의 가열 플레이트 ° C.에 금형을 넣고 ZnO 증착 동안 PEN 금형의 굽힘 방지하기 위해 금속 프레임을 사용합니다. 반응기를 닫고 아래로 펌프 및 thermalization 할 수 있습니다. 전구체 가스 (H 2 O와 (C 2 H 5) 2 아연)을 인정합니다. 도핑에 대한 또한 우리는 복용량 B 2의 소량 H 6. ZnO 층의 두께는 증착 시간에 비례합니다. 우리는 ZnO 층 일반적으로 1-5 μm의 두께를 사용합니다. 전형적인 선서 매개 변수에 대한 자세한 내용은이 심판에서 찾을 수 있습니다. 7
- 물리적 기상 증착 (PVD) / 실버의 스퍼터링은 : PVD 시스템에 금형을 놔. 시스템을 종료하고 아래로 펌프. 아르곤 프로세스 가스를 인정합니다. DC 발전기를 켭니다. 자세 층의 두께가 다시 증착 시간에 비례합니다. 우리는 자세 층 일반적으로 1 μm의 두께를 사용합니다. 일반적인 증착 Parameters는 5.5x10 -3 mbar의 아르곤 압력과 약 45 nm의 / 초의 증착 속도를 항복 250 W의 설정 특정 DC 전원입니다.
- 플라즈마 강화 화학 기상 증착 (PE-CVD) : 3.1에서와 같이 보증금 ZnO). 200 가열 PE-CVD 반응기 ° C.에 금형을 넣어 반응기를 닫고 아래로 펌프 및 thermalization 할 수 있습니다. 전구체 가스 (SiH 4 H 2) 인정합니다. 또한 우리는 복용량 B 적은 양의 (CH 3) 3과 각각 P와 N-타입 도핑을 달성 할 PH 3.을 태양 전지의 개방 회로 전압을 증가하기 위해, 우리는 또한 도핑 된 층에 CH 4와 CO 2의 소량을 사용합니다. 3.1에서 설명 된대로 핀 비정질 실리콘 태양 전지 스택의 증착 한 후, 우리는 ZnO의 backcontact을 입금.
- 벤딩하면 증착 층의 필링가 발생할 수 있습니다와 같은 몰드의 과도한 굽힘을 피하십시오.
4. 레이어 전송
우리는 glas를 사용최종 기판 등의 슬라이드 (SCHOTT AF32 환경, 41mm X 41mm X 0.5 mm). 그러나 금속 포일 또는 고분자 시트를 포함한 다른 기판은, 대안 사용될 수있다.
- 아세톤 및 이소프로판올과 질소로 건조 타격과 깨끗한 유리 슬라이드.
- 5000 rpm에서의 유리 슬라이드에 스핀 코트는 UV-경화 수지 (Microresist, Ormocer, 1-2 ML).
- 최종 기판에 증착 된 레이어를 들고 틀을 고정 할 nanoimprinting 설정을 사용합니다. 스탬핑에 관해서는, 우리는 1 줄의 균일 한 압력을 적용하여 진공 하에서 고정 수행합니다.
- 교차 연결 반응을 유도 할 수 UV 빛에 수지 노출. 우리는 여러 개의 LED가 제공하는 365 nm의 파장에서 1.4 MW / cm 2의 적당한 강도를 적용 할 수 있습니다. 유리 슬라이드를 통해 노출 시간은 PEN에 비해 유리의 높은 UV 전송으로 인해 1-3 위에 만 분입니다.
- 수동으로 유리 슬라이드에서 금형을 필링으로 Demould.
5. 샘플 특성
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Representative Results
그림 3은 nanomoulded 구조의 일부 설명 예제를 요약 한 것입니다. 유리에 CVD에 의해 성장 ZnO 마스터 구조는 ()로 표시됩니다. 해당 nanomoulded ZnO 복제는 (D)로 표시됩니다. 지역 높이 (g)와 AFM 이미지에서 추출한 각도 (J) histograms의 비교는 nanomoulding 과정의 고 충실도을 알 수있다. 유사한 결과는 간섭 리소그래피 (B, E, H, K) 및 anodically 질감 알루미늄 (C, F, I, L)에 의해 제조 한 차원 격자에 표시됩니다.
그림 1. 부정적인 스탬프 제조 (광고)와 nanoimprinting 프로세스 (어)으로 구성된 표준 nanoimprinting 과정.
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그림 2. 최종 기판 (FG)에 고정, 제외 금형 제조 (광고), 기능 재료 (E)의 증착으로 구성된 Nanomoulding 과정. nanomoulding 과정은 개념적으로 추가 물질의 증착 공정 (E)를 제외하고도 1에 nanoimprinting 과정과 유사합니다.
. SEM 이미지를 nanomoulding 세 마스터 테스트 구조의 삽입에 AFM 이미지와 함께 : 3 대표 결과가 nanomoulding 얻은 그림 CVD (A), 간섭 리소그래피에 의해 제조 격자에 의해 성장 ZnO는 (B), 보조개 배열은 알루미늄의 양극 산화에 의해 얻어 (C). corresponding nanomoulded ZnO 복제본은 (DF)에 표시됩니다. 충실도 분석은 지역의 높이 (GI)를 비교하고 마스터 및 복제 구조의 각도 (JL) histograms (검은 색 지속적인 라인이 주인을 대표는 적색 라인에게 복제를 점선). 도 3a의 규모 바는 그림 모든 AFM의 insets 포함 3B-F 유효합니다.
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Discussion
Nanomoulding은 임의의 기능성 물질에 대한 nanopatterns의 전송이 가능합니다. 그림 1과 2의 개별 처리 단계의 비교는 nanomoulding와 nanoimprinting 사이의 긴밀한 관계를 보여준다. nanomoulding와 nanoimprinting 사이의 큰 차이는 그림 2e의 추가 물질의 증착 단계입니다. 나머지 프로세스 흐름은 동일합니다. Nanomoulding 따라서 가능한 nanoimprinting 설정에 수행 할 수 있습니다.
호환 금형 소재 및 안티 접착 에이전트가 선택되었는지 제공, 재료 증착은 이러한 화학 및 물리 기상 증착 기술, 열 증발의 가족 등 다양한 방법을 사용하여뿐만 아니라, 솔루션 기반의 증착 방식으로 수행 할 수 있습니다. 대응 폭 nanomoulded 할 수 있습니다 자료의 범위입니다. nanoimprinting이 변형 폴리머로 수행하는 동안 nanomoulding도 할 수 있습니다이러한 ZnO와 같은 하드 굴레 자료에 적용. 일반적인 nanoimprinting 수지는 절연하는 동안 또한, 지휘 자료는 패턴 할 수 있습니다.
상승 된 온도에 도달 증착 기술의 경우, 금형 지원으로 사용 PEN 시트는 고성능 시트를 (예 : 500 ° C까지 온도를 지원 듀폰의 Kapton PV9202 등) 폴리이 미드로 대체 할 수 있습니다. 높은 온도 nanoimprinting 수지는 600 ° C 12 견딜 온도를 개발되었습니다.
우리 nanomoulding 기술의 가장 큰 장점은 소재가 단단한 필름 금형에 증착 될 수 있다는 것입니다. 졸 - 겔 기반의 각인 또는 기능 재료의 전구체가 용매에 희석 아르 성형 8, 9 기술에 비해 우리 nanomoulding의 접근 방식은, 용매 증발, 경화 및 수축 기공의 형성 등의 소성과 관련된 일반적인 문제를 방지 거품과 균열.
물질의 증착 후, 유연한 금형은 재료의 필링 균열 형성 또는 지역을 방지하기 위해주의 깊게 처리해야합니다. PEN 시트의 두께는 균열 형성을위한 곡률의 중요한 반경 이외의 몰드의 절곡 사고를 피하기 위해 조정될 수 있습니다. 그러나, 특정 금형의 유연성은 demoulding 과정이 필요합니다.
이 연구에서 CVD에 의해 증착 ZnO는.도 3a는로 - 성장 ZnO 마스터 질감의 SEM 이미지를 제공 마스터 패턴의 높은 충실도 복제로 연결됩니다. 해당 nanomoulded 복제는 그림 3 차원에 표시됩니다. 그림 3G 및 J에 표시되는 마스터 및 복제 ZnO 구조의 AFM 이미지에서 추출 높이와 각도를 histograms는 각각 거의 일치하고 고 충실도를 확인합니다. 높이 히스토그램보다 미묘한 형태학의 변화에 훨씬 더 민감 각도 히스토그램은,로 전시복제에 대한 낮은 각도에 대한 빛 교대. 이러한 경향은 다른 두 시험 구조에 대한 관찰과 기능에 약간의 스무딩을 나타냅니다 있습니다. 그러나, ZnO의 피라미드의면을 따라 훌륭한 정품 크리스탈 전위 라인 등의 매우 훌륭한 세부 사항은 높은 정밀도로 재현하고 nanomoulding 기술의 해결 능력의 대략적인 아이디어를 제공하고 있습니다. 그림 3B의 줄 격자의 바퀴를 따라 고급 변조는 또한 복제 그림 3E에서 볼 수 있습니다. 지배적 인 형태학의 기능이 훌륭하게 보조개 패턴을 복제하는 동안 그림 3C의 도메인 경계에서 발생하는 날카로운 팁은 발병는 그림 3 층에 복제됩니다. 패턴 성심과 해상도는 모두 증착 된 소재에 따라 달라집니다. 스퍼터링에 의해 증착 nanomoulded은 영화,와 예비 시험은 지배적 인 형태학의 기능을 복제하지만, 훨씬 낮은 성심과 reso로 연결lution.
달성 가로 세로 비율은 증착 기술에 따라 달라집니다. ZnO의 CVD는 통일에 대한 가로 세로 비율까지 쉽게 할 수 있습니다. 통일 위의 가로 세로 비율은 구조의 계곡에 전구체 가스의 고갈은 섀도 잉에 결국 결과 상단에 빠른 성장 속도와 가능성이 구조의 구멍이 포함 될 것입니다. 이러한 충치는 영화의 기계적 무결성을 손상 위험하고 잠재적 demoulding 동안 영화의 위반으로 이어질. 이러한 문제는 최근 참조에서와 같이 수용성 금형을 사용하여 피할 수 있습니다. 전송 성형의 맥락에서 10.
도입에 언급 한 바와 같이, nanomoulding도 패턴 복합 레이어 스택 및 전체 장치에 사용할 수 있습니다. 참조합니다. 11 우리는 PE-CVD에 의한 전체 박막 실리콘 태양 전지의 증착에 CVD에 의해 ZnO의 증착을 결합하여 최종 기판에 전체 태양 전지를 전송.
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Disclosures
관심 없음 충돌이 선언 없습니다.
Acknowledgments
저자는 anodically 질감 알루미늄 마스터와 스위스 연방 에너지 청 및 자금의 스위스 국립 과학 재단 (National Science Foundation)의 AFM, W. 리와 도움 M. Leboeuf 감사드립니다. 이 작품의 일부는 FP7 프로젝트 보조금 협정 없음 283,501에서 EC의 지원을받는 "패스트 트랙"의 틀에서 실시되었다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Nanoimprinting resin | Microresist | Ormostamp | |
| (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-trichlorsilane, anti-adhesion agent | Sigma Aldrich | 448931-10G | |
| Glass slides | Schott | AF32 eco | 0.5 mm |
| Polyethylennaphtalate (PEN) sheets | Goodfellow | ES361090 | 0.125 mm |
| (C2H5)2Zn | Akzo Nobel | ||
| Ag sputter target 4N | Heraeus | 81062165 | |
| B2H6, SiH4, H2, B(CH3)3, PH3, CH4, CO2 | Messer | ||
| EQUIPMENT | |||
| Nanoimprinting system | Home-built | ||
| LP-CVD system | Home-built | ||
| PVD system | Leybold | Univex 450 B | |
| PE-CVD reactor | Indeotec | Octopus I | |
| SEM | JEOL | JSM-7500 TFE | |
| AFM | Digital Instruments | Nanoscope 3100 | |
References
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