Summary
אנו מתארים טכניקה המאפשרת nanomoulding דפוסי ננו עלות הנמוכה של חומרים תפקודיים, ערמות חומרים והתקנים מלאים. Nanomoulding ניתן לבצע בכל התקנת nanoimprinting וניתן ליישום למגוון רחב של חומרים ותהליכים בתצהיר.
Abstract
אנו מתארים טכניקה המאפשרת nanomoulding דפוסי ננו עלות הנמוכה של חומרים תפקודיים, ערמות חומרים והתקנים מלאים. Nanomoulding שילוב עם העברת שכבה מאפשר את שכפול דפוסי משטח שרירותיים ממבנה ראשי על החומרים תפקודיים. Nanomoulding ניתן לבצע בכל התקנת nanoimprinting וניתן ליישום למגוון רחב של חומרים ותהליכים בתצהיר. בפרט אנו להדגים את הייצור של תחמוצת אבץ אלקטרודות שקופות עבור יישומי דוגמת השמנת אור בתאים סולאריים.
Introduction
Nanopatterning צבר חשיבות עצומה בתחומים רבים של ננוטכנולוגיה ומדעים שימושיים. דור דפוס הוא הצעד הראשון ויכול להתבצע על ידי גישות מלמעלה למטה כגון ליתוגרפיה אלומת אלקטרונים או גישות מלמטה למעלה מבוססת על שיטות הרכבה עצמית כגון ליתוגרפיה nanosphere או קופולימר 1 יתוגרפיה בלוק. חשוב כמו דור דפוס הוא שכפול דפוס. חוץ photolithography, nanoimprinting (איור 1) התגלתה כחלופה מבטיחה במיוחד מתאימה לדפוסי ננו תפוקה גבוהה, שטח גדול בעלות הנמוכה 2-4. בעוד photolithography דורש מסכת דוגמת, nanoimprinting מסתמכת על מבנה ראשי טרומי. העברת תבנית מהאדון מבוצעת בדרך כלל לתרמופלסטיים או פולימר-UV או תרמית הניתן לריפוי. עם זאת יש מקרים רבים, שבו הוא רצוי להעביר את התבנית ישירות על גבי חומרים תפקודיים.
<כיתת p = "jove_content"> כאן אנו מתארים שיטת שכפול מבוססת על nanomoulding ושכבת העברה (איור 2) שהצגנו לאחרונה במס. 5 להעביר דפוסים ננומטריים גבי אלקטרודות תחמוצת אבץ פונקציונליות. שיטת nanomoulding יכולה להיות מיושמת בקלות אם התקנת nanoimprinting זמינה. Nanomoulding מציע פוטנציאל להיות כוללני לחומרים רבים אחרים פונקציונליים, ערימות חומרים ומכשירים אפילו מלאים, ובלבד שחומר העובש נבחר כך שהוא תואם את תהליך הדחת החומר (ES). כדוגמה כאן נכחה nanomoulding של תחמוצת אלקטרודות שקופות מוליך אבץ (ZnO) הופקדו על ידי בתצהיר כימי אדים (CVD) אשר מוצא היישום שלהם כדי לשפר את לכידת אור בתאים סולריים 5.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. ייצור Mould
אנו משתמשים בהגדרת nanoimprinting בית הבנויה שלנו עבור הייצור של המס הבא העובש השלילי. 6, אבל כל התקנת nanoimprinting חלופה תעבוד בסדר. לחלופין polydimethylsiloxane עובש פונקציונלי (PDMS) גם יכול לעבוד.
- לפברק או לקנות אדון מתאים נושא את דפוס ננו להעברה. בעיקרון, כל אמן מתאים לnanoimprinting יעשה את העבודה. אנו משתמשים בשכבת מרקם ZnO בגיליון זכוכית (שוט, AF32 אקולוגי, 41 מ"מ x 41 מ"מ x 0.5 מ"מ) הופקדה כמתואר בסעיף 3.1 כמבנה ראשי כדי להמחיש את השיטה.
- החל שכבה אנטי הידבקות במבנה הראשי, כמתואר ב2.
- נקה פוליאתילן naphtalate גיליון (PEN) (גודפלו, 82 מ"מ x 41 מ"מ x 0.125 מ"מ) באמבט אצטון קולי עבור 2 דקות אחרי אמבטית isopropanol אולטרסאונד ל2 דקות יותר. לשטוף פעם נוספת עם isopropanol ולפוצץ יבש עם חנקן.
- ההפקדה גמגמה שכבת הדבקת Cr (ננומטר 5-10) בגיליון העט.
- ספין מעייל השרף UV לריפוי (Microresist, Ormocer, 1-2 מ"ל) בגיליון PEN ב5000 סל"ד כדי לקבל כיסוי אחיד.
- בצע prebake למשך 5 דקות על צלחת חמה ב 80 ° C להתאדות הממס, לשפר את אחידות סרט דבק כדי הגיליון העט.
- השתמש בהגדרת nanoimprinting להחתים את דפוס האדון לשרף UV לריפוי. אמנם לא חובה, אנו מבצעים החתמה תחת ואקום כדי למנוע תכלילים בועה על ידי יישום לחץ הומוגנית של בר 1 על קרום סיליקון גמיש. בהגדרה שלנו, קרום סיליקון מפריד תא הוואקום לשני תתי מדורים. לחץ שנוצר על ידי אוורור התא העליון, ואילו התא התחתון נשאר תחת ואקום. אוורור דוחף את הקרום הגמיש כלפי תחתית ייזום ההטבעה.
- לחשוף את השרף לאור UV כדי לעורר תגובה נגדית-linking של השרף. אנו מיישמים אור מתוןעצמה של 1.4 mW / 2 סנטימטר באורך גל של 365 ננומטר הניתן על ידי כמה נוריות. זמן חשיפה באמצעות גיליון PEN הוא בדרך כלל דקות 15-20.
- demould בקפידה על ידי קילוף העובש מעל המבנה הראשי באופן ידני.
- כשרף עשוי לעבור התכווצות קלה במהלך בתצהיר של החומר הפונקציונלי, שעלול להוביל לקילוף ספונטני, אנו מבצעים לאפות הודעת תרמית קלה ב 150 מעלות צלזיוס במשך 6-8 שעות בתנור עם אווירת סביבה לפני עיבוד נוסף.
2. שכבה נגד הידבקות
לdemoulding המוצלח, השכבה אנטי הידבקות צריכה להיות מותאמת לחומרים וחספוס הדפוס. דפוסים בדרך גלם דורשים מקדמים בולטים נמוכים. מקדמים בולטים נמוכים על דפוסים חלקים עלולים להוביל לקילוף של החומר הפונקציונלי מהעובש. מקדמים בולטים גבוהים על דפוסים גסים עלולים לגרום לקילוף של השרף מגיליון PEN במהלך ייצור עובש כadherenהספירה של השרף להורים היא חזקה יותר.
- מעייל העובש (או אב) עם גמגם כרום שכבה (ננומטר 5-10) כדי לקדם את ההידבקות של הסוכן אנטי הידבקות. לדפוסים חלקים שאנחנו משכיבים את הצעד הזה. במקרים מסוימים שכבת הכרום עשויה למנוע סוכן אנטי הידבקות כדי לחרוט את המבנה הראשי.
- תחול ירידה קטנה סוכן אנטי הידבקות של (סיגמה אולדריץ, (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-trichlorsilane) בשקופית זכוכית. שים את שקופיות הזכוכית יחד עם העובש לתוך תא ואקום ולשאוב למטה. הסוכן אנטי ההידבקות יתאדה ולהפקיד כmonolayer מולקולרי בעובש.
- לעגן הסוכן אנטי הידבקות דרך החישול במהלך 1-2 שעות ב 80 ° C.
3. הפקדת חומר
אנו מראים כאן שלוש טכניקות בתצהיר מתאימות לתצהיר חומר כדי להמחיש את הרבגוניות של nanomoulding. טכניקות בתצהיר אחרות עלולות גם להיות מיושמות. הדוגמא השלישית מתארת fabrication של תא שלם סרט דק שמש סיליקון.
- תצהיר כימי אדים (CVD) של תחמוצת אבץ: לשים את התבנית על צלחת החימום של כור CVD המחוממת ל 180 מעלות השתמש במסגרת מתכת כדי למנוע כיפוף של עובש PEN במהלך בתצהיר ZnO. סגור את הכור, לשאוב למטה ולאפשר thermalization. מודה שהגזים המבשרים (H 2 O ו( C 2 H 5) 2 Zn). בנוסף אנו מינון כמויות קטנות של B 2 6 H לסימום. עובי שכבת ZnO הוא פרופורציונלי לזמן בתצהיר. אנו משתמשים בשכבת ZnO עוביים של בדרך כלל 1-5 מיקרומטר. פרטים על פרמטרי תצהירים טיפוסיים ניתן למצוא במס. 7
- תצהיר אדים פיסיקליים (PVD) / מקרטע של כסף: שים את התבנית למערכת PVD. סגור את המערכת ולשאוב למטה. תודה גז תהליך ארגון. הפעל את מחולל DC. עובי שכבת Ag הוא שוב פרופורציונלי לזמן בתצהיר. אנו משתמשים בשכבת Ag עובי של 1 מיקרומטר בדרך כלל. עמ תצהיר הטיפוסיarameters הוא לחץ של ארגון 5.5x10 mbar -3 וכוח DC ספציפי התקנה של 250 ואט מניב תצהיר שיעור של כ 45 ננומטר / sec.
- משופר פלזמה בתצהיר כימי אדים (PE-CVD): ההפקדה ZnO כמו ב3.1). שים את התבנית לתוך כור PE-CVD המחוממים עד 200 מעלות צלזיוס סגור את הכור, לשאוב למטה ולאפשר thermalization. מודה שהגזים המבשרים (SiH 4 ו-H 2). בנוסף אנו מינון כמויות קטנות של B (3 CH) 3 ו PH 3 להשיג סימום p-n וסוג התאמה. כדי להגביר את מתח המעגל הפתוח של התאים הסולריים, אנחנו משתמשים גם בכמויות קטנות של CH 4 ו-CO 2 לשכבות המסוממות. לאחר הדחתו של ערימת סיכת סיליקון אמורפי תאים הסולרית, שאנו מפקידים backcontact ZnO כמתואר בסעיף 3.1.
- הימנע מכיפוף מוגזם של העובש, כמו כיפוף עלולה לגרום לקילוף של השכבה שהופקדה.
4. העברת שכבה
אנו משתמשים glasשקופיות s (שוט AF32 אקולוגי, 41 מ"מ x 41 מ"מ x 0.5 מ"מ) כמצע סופי. אבל מצעים אחרים, כולל foils מתכת או ביריעות פולימריות, יכולים לשמש לחלופין.
- שקופיות זכוכית נקיות עם אצטון וisopropanol ומכה יבשה עם חנקן.
- ספין מעייל שרף UV לריפוי (Microresist, Ormocer, 1-2 מ"ל) בשקופית הזכוכית ב5000 סל"ד.
- השתמש בהגדרת nanoimprinting לעגן העובש נושא את השכבות שהופקדו על המצע הסופי. באשר להטבעה, אנו מבצעים עיגון תחת ואקום על ידי יישום לחץ הומוגנית של בר 1.
- לחשוף את השרף לאור UV כדי לעורר תגובה נגדית-linking. אנו מיישמים בעצימות בינוניות של 1.4 mW / 2 סנטימטר באורך גל של 365 ננומטר הניתן על ידי כמה נוריות. זמן חשיפה באמצעות שקופית הזכוכית הוא דקות 1-3 רק בשל העברת UV הגבוהה יותר של זכוכית בהשוואה לעט.
- Demould על ידי קילוף העובש מעל שקופית הזכוכית באופן ידני.
5. אפיון מדגם
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
איור 3 מסכם כמה דוגמאות להמחשה של מבני nanomoulded. מבנה ראשי ZnO גדל על ידי CVD על זכוכית מוצג ב( א). המקביל nanomoulded ZnO ההעתק מוצג ב( ד). השוואה של הגובה המקומי (ז) והיסטוגרמות זווית (י) שחולצה מן AFM תמונות מגלה נאמנות הגבוהה של תהליך nanomoulding. תוצאות דומות מוצגות לצורמת חד ממדי מפוברק על ידי הפרעות ליתוגרפיה (B, E, H, K) ואלומיניום anodically מרקם (ג, ו, i, יב).
איור 1. תהליך nanoimprinting תקן המורכב של ייצור שלילי חותמת (מודעות) ותהליך nanoimprinting (אה).
77fig2.jpg "alt =" איור 2 "fo: תוכן רוחב =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/50177/50177fig2highres.jpg "/>
איור 2. התהליך המורכב של ייצור Nanomoulding שלילי עובש (מודעה), בתצהירו של החומר הפונקציונלי (ה), עיגון למצע הסופי (FG). שים לב שתהליך nanomoulding רעיוני דומה לתהליך nanoimprinting באיור 1, פרט לצעד תצהיר חומר נוסף (ה).
איור 3 תוצאות מתקבלות על ידי נציג nanomoulding:. תמונות SEM עם תמונות AFM בהבלעה משלושה מבני בדיקת אב לnanomoulding: ZnO גדל על ידי CVD (א), צורם מפוברק על ידי ההפרעות ליתוגרפיה (ב), מערך גומה מתקבל על ידי חמצון אנודית של אלומיניום (ג). Correspoהעתקי nding nanomoulded ZnO מוצגים ב( DF). ניתוח פידליטי השוואת הגובה המקומי (GI) וזווית היסטוגרמות (JL) של מבנים ראשיים והעתק (קווים רציפים שחורים מייצגים את המאסטרים, מקווקות קווים אדומים את ההעתקים). סרגל קנה המידה באיור 3 א תקף גם לאיור 3b-F כולל כל שיבוצי AFM.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Nanomoulding מאפשר העברת nanopatterns על חומרים תפקודיים שרירותיים. ההשוואה בין שלבי העיבוד הבודד באיור 1 ו 2 חושפת את הקשר ההדוק בין nanomoulding וnanoimprinting. ההבדל העיקרי בין nanomoulding וnanoimprinting הוא צעד תצהיר חומר נוסף ב2e איור. תהליך הזרימה שנותרה זהה. Nanomoulding לכן ניתן לבצע בכל התקנת nanoimprinting זמינה.
ובלבד שחומר עובש תואם וסוכן אנטי הידבקות נבחר, בתצהיר חומר יכול להתבצע תוך שימוש בשיטות שונות, כגון משפחה של טכניקות פיסיות אדים בתצהיר, אידוי כימי ותרמית, אלא גם גישות תצהיר מבוסס פתרון. במקביל רחב הוא המגוון של חומרים שניתן nanomoulded. בעוד nanoimprinting מתבצעת לתוך פולימר deformable, nanomoulding יכול להיות גםיחול על חומרי רסן קשים כגון ZnO. בנוסף, למרות שרפי nanoimprinting נפוצים בידוד, חומרים מוליכים יכולים להיות תבנית.
לטכניקות בתצהיר מגיעות טמפרטורות גבוהות, גיליון PEN משמש כתמיכת עובש יכול להיות מוחלף על ידי ביצועים גבוהים polyimide גיליון (כגון Kapton של דופונט PV9202 שתומך בטמפרטורות של עד 500 מעלות צלזיוס). רפי nanoimprinting טמפרטורה גבוהות גם פותחו טמפרטורות עמידות עד 600 ° C 12.
יתרון עיקרי של טכניקת nanomoulding הוא שהחומר יכול להיות מופקד על העובש כסרט מוצק. בהשוואה להחתמה או דפוס 8, 9 טכניקות, שבו מקדים לחומרים תפקודיים בדילול בממס מבוססת הסול ג, גישת nanomoulding נמנעה בעיות אופייניות הקשורים לאידוי, ריפוי וcalcination כגון התכווצות והיווצרות של נקבוביות ממס, בועות וסדקים.
לאחר תצהיר חומר, העובש הגמיש יש לטפל בזהירות כדי למנוע היווצרות סדק או מקומית קילוף של החומר. עובי גיליון PEN יכול להיות מותאם כדי למנוע מקרי כיפוף של העובש מעבר לרדיוס הקריטי של עקמומיות להיווצרות סדק. עם זאת, גמישות עובש מסוימת נדרשת לתהליך demoulding.
ZnO הופקד על ידי CVD במחקר זה מוביל לשכפול נאמנות גבוהה של דפוס אדון 3a. איור מציג תמונת SEM של מרקם כבוגר ZnO מאסטר. העתק nanomoulded המקביל מוצג באיור 3d. היסטוגרמות גובה וזווית שחולצה מן AFM התמונות למבנה הראשי וההעתק ZnO מוצג באיור 3g ו j בהתאמה כמעט חופפת ולאשר את האיכות הגבוהה. היסטוגרמה הזווית, שהוא הרבה יותר רגיש לשינויים מורפולוגיים עדינים מאשר היסטוגרמה הגובה, מציגה כשינוי כיוון זוויות אור נמוכות יותר עבור ההעתק. מגמה זו גם הוא ציין לשני מבני הבדיקה האחרים ומייצגת החלקה קלה של התכונות. עם זאת, פרטים אפילו יפים מאוד, כגון קווים דקים אמיתיים גביש עקירה לאורך צידי פירמידות ZnO הם בתמונות ברמת דיוק גבוה ולתת מושג כללי לגבי יכולת הרזולוציה של טכניקת nanomoulding. מודולציות פיין לאורך השולים של צורם בקו האיור 3b גם גלויה ב3e האיור העתק. למרות שתכונות המורפולוגיות הדומיננטיות הן בתמונות יפות לדפוס הגומה, רק התחלתה של עצות החדות המתרחשות בגבולות תחום באיור 3c משוכפל ב3f איור. נאמנות דפוס ורזולוציה הן תלויות בחומר שהופקד. בדיקות ראשוניות עם סרטי nanomoulded כסף, שהופקדו על ידי מקרטע, לשכפל את תכונות מורפולוגיות הדומיננטיות, אך תובלנה לנאמנות נמוכה בהרבה וresolution.
יחס ממדי השגה תלויה בטכניקה בתצהיר. CVD של ZnO מאפשר בקלות ליחסי גובה של עד אחדות. ליחסי גובה מעל האחדות, דלדול של גזים מבשרים בעמקים של המבנה יביא לשיעור צמיחה מהירה יותר בסופו של דבר בראש וכתוצאה הצללה ואולי ההכללה של חללים במבנה. חללים אלה עלולים לסכן את השלמות המכאנית של הסרט ולהוביל לשבירתו של הסרט במהלך demoulding. בעיות אלה יכולות להימנע באמצעות תבניות מסיסות במים כמו לאחרונה במס. 10 בהקשר של העברת דפוס.
כפי שהוזכר במבוא, nanomoulding יכול לשמש גם לערימות דפוס מרוכבים שכבה והתקנים מלאים. במס. 11 שילבנו תצהיר של ZnO ידי CVD עם התצהיר של תא מלא, סרט דק שמש סיליקון על ידי PE-CVD והועברו תאים הסולריים המלאים במצעה הסופי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
אין ניגודי האינטרסים הכריזו.
Acknowledgments
המחברים מודים מ 'Leboeuf לסיוע עם AFM, וו לי לאדון anodically מרקם האלומיניום ומשרד אנרגיה הפדרלית השויצרי והקרן הלאומי למדע השויצרי לקבלת מימון. חלק מעבודה זו בוצע במסגרת FP7 הפרויקט "מסלול מהיר" ממומן על ידי האיחוד האירופי במסגרת הסכם המענק לא 283501.
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
- Geissler, M., Xia, Y. Patterning: Principles and Some New Developments. Advanced Materials. 16 (15), 1249-1269 (2004).
- Guo, L. J. Nanoimprint Lithography: Methods and Material Requirements. Advanced Materials. 19, 495-513 (2007).
- Ahn, S. H., Guo, L. J. Large-Area Roll-to-Roll and Roll-to-Plate Nanoimprint Lithography: A Step toward High-Throughput. Application of Continuous Nanoimprinting. ACS Nano. 3 (8), 2304-2310 (2009).
- Battaglia, C., Escarré, J., et al. Nanoimprint Lithography for High-Efficiency Thin-Film Silicon Solar Cells. Nano Letters. 11, 661-665 (2011).
- Battaglia, C., Escarré, J., et al. Nanomoulding of Transparent Zinc Oxide Electrodes for Efficient Light Trapping in Solar Cells. Nature Photonics. 5, 535-538 (2012).
- Escarré, J., Söderström, K., et al. High Fidelity Transfer of Nanometric Random Textures by UV Embossing for Thin Film Solar Cells Applications. Solar Energy Materials & Solar Cells. 95, 881-886 (2011).
- Faÿ, S., Feitknecht, L., Schlüchter, R., Kroll, U., Vallat-Sauvain, E., Shah, A. Rough ZnO layers by LP-CVD process and their effect in improving performances of amorphous and microcrystalline silicon solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 90, 2960-2967 (2006).
- Zhao, X. -M., Xia, Y., Whitesides, G. M. Fabrication of Three-Dimensional Micro-Structures: Microtransfer Molding. Advanced Materials. 8, 837-840 (1996).
- Hampton, M. J., Williams, S. S., et al. The Patterning of Sub-500 nm Inorganic Oxide Structures. Advanced Materials. 20, 2667-2673 (2008).
- Bass, J. D., Schaper, C. D., et al. Transfer Molding of Nanoscale Oxides Using Water-Soluble Templates. ACS Nano. 5 (5), 4065-4072 (2011).
- Escarré, J., Nicolay, S., et al. Nanomoulded front ZnO contacts for thin film silicon solar cell applications. Proceedings of the 27th EU-PVSEC, Frankfurt, , (2012).
- Sontheimer, T., Rudigier-Voigt, E., Bockmeyer, M., Klimm, C., Schubert-Bischoff, P., Becker, C., Rech, B. Large-area fabrication of equidistant free-standing Si crystals on nanoimprinted glass. Phys. Status Solidi. RRL. 5, 376-379 (2011).
